Uusi tutkimus selvitti, miksi Rooman iki­­vanha betoni on kestänyt jo vuosi­tuhansia

Jos betoniin tulee säröjä, vapauttaa siihen tunkeutuva vesi kalkista liuosta, joka kuivuu ja korjaa halkeamat.

Pantheonin temppelin katon kaariholvi Roomassa on kestänyt lähes 2 000 vuotta.

18.1. 2:00 | Päivitetty 18.1. 12:23

Rooman Pantheonissa ihmettelee tietenkin sitä, miten upea tuo temppeli on sisältä.

Toinen arkisempi ihmetyksen aihe on, miten ihmeessä rakennuksen betoni on kestänyt lähes 2 000 vuotta. Pantheon valmistui 120-luvun lopulla.

Tässä välissä betonia on maailmaan valmistettu miljoonia ja miljoonia tonneja. Betonirakentaminen on tunkeutunut arkielämään joka alueelle: taloihin, siltoihin ja arkkitehtuuriin yleensä.

Puhummekin jo yleisesti betonin tyylisuunnasta, toisen maailmansodan jälkeisestä betonibrutalismista.

Nykyajan betoni kuitenkin vaikuttaa rapautuvan nopeammin kuin antiikin Roomassa tehty paras betoni. Miksi?

Tätä on nyt tutkittu tarkoin välinein. Näyttää siltä, että Rooman ajan betoni osaa paikata ja kohentaa itse itseään. Jos betoniin syntyy halkeamia, niihin päättyy lopulta vettä. Silloin betonista irtoaa paikkaavia aineksia, joissa on kalsiumyhdisteitä.

Tutkijat keräsivät antiikin betonista näytteitä Privernumin arkeologiselta alueelta. Läpimitaltaan kaksisenttisessä palassa betonia alkuaine kalsium on merkitty punaisella, pii sinisellä, ja alumiini vihreällä. Kalkin kalsiumi kohentaa betonia, jos se alkaa rapautua.

Pantheonissa on yhä maailman suurin betonikaarinen katto, jota ei ole tuettu millään tavoin. Katon läpimitta on 43,44 metriä.

Toki rakennusta on ajan myötä kunnostettu ja kunnostetaan, mutta betoninen katto ei ole kertaakaan romahtanut.

Kupoli on valettu betonista, jossa on tietenkin puhdasta kalkkia, yhtä betonin perusainetta. Lisäksi betoniin on sekoitettu hohkakiveä ja vulkaanista tuhkaa, niin sanottua potsolaania.

Mukana on myös sintteriä, joka on veteen liuenneista mineraaleista sakkautunutta ainesta.

Rooman betonin vahvuus on tiedetty pitkään. Sitä on selitetty yleensä potsolaanilla.

Se on tulivuoren tuhkan hienoa sekoitusta Napolinlahden alueelta. Sitä käytettiin yleisesti Rooman ajan betonirakentamisessa, kertoo ruotsalainen julkaisu Ny Teknik.

Nimensä potsolaani sai Italian Pozzuolin kaupungin mukaan, jonka lähellä hyvää tuhkaa on paljon. Potsolaania rahdattiin sieltä jopa 2 000 kilometrin päähän rakennusaineeksi.

Betonin ainesosissa oli siis aikoinaan eri koostumus kuin siinä betonissa, jota nyt yleisesti valmistetaan. Koostumus yksin ei kuitenkaan selitä Rooman betonin kestävyyttä.

Aikansa betonin ainesosat myös sekoitettiin eri tekniikoilla kun nyt. Yksi todiste siitä ovat betonin pienet, vaaleat kalkkipalaset. Ne näkyvät selvästi muinaisessa betonissa.

Betonia tutkineet ovat aiemmin uskoneet, että palaset olivat betonissa merkki huonosta raaka-aineesta. Ja siitä, että betonia oli sekoitettu huonosti, kertoo Ny Teknik.

”Minua kiusasi ajatus, että kalkin palaset johtuivat siitä, että betonin laatua valvottiin huonosti”, sanoo tutkija Admir Masic MIT-yliopiston tiedotteessa. Masic on rakennus- ja ympäristötekniikan dosentti MIT:ssa.

Masic päätti ryhmineen tutkia huolellisesti 2 000 vuotta vanhoja roomalaisen betonin näytteitä. Käytössä olivat pyyhkäisyelektronimikroskooppi ja röntgenspektroskooppi ja muita tarkkoja laitteita.

Spektroskooppien avulla tutkijat havaitsivat, että vaaleat palaset olivat muodostuneet korkeissa lämpötiloissa.

Se osoitti, että roomalaiset sekoittivat betoniksi tavallisen ”poltetun kalkin” lisäksi myös kalkkia, jota sekoitettiin suoraan potsolaanin ja veden kanssa hyvin kuumassa.

MIT:n ryhmä kutsuu tällaista kalkkia ”kuumasekoitukseksi”. Sen edut ovat kahtalaiset, Masic sanoo.

”Kun syntyvä betoni kuumennetaan hyvin korkeisiin lämpötiloihin, se mahdollistaa kemian, joka ei ole mahdollisia, jos käytät vain kylmempää kalkkia.”

Korkeaan lämpötilaan muodostuu uusia yhdisteitä.

Lisäksi kohonnut lämpötila vähentää merkittävästi betonin kovettumiseen kuluvaa aikaa, koska kaikki kemialliset reaktiot kiihtyvät. Näin rakentaminen nopeutuu.

”Kuumalla” betonilla on vielä yksi tärkeä etu. Hyvin kuumennetun kalkkikiven avulla betoni voi kylmänä korjailla itse itseään.

Tutkijat sanovat, että juuri nämä näkyvät kalkinpalat tekevät betonista itseään korjailevan.

Kun betoniin muodostuu pieniä halkeamia, ne leviävät myös hauraiden valkoisten kivipalojen läpi.

Kun vettä joutuu halkeamaan, se reagoi kalkin kanssa ja muodostaa kalsiumia sisältävää liuosta.

Sitten liuos kuivuu ja kovettuu. Aine ikään kuin liimaa halkeaman umpeen ja estää halkeamaa leviämästä suuremmaksi.

Betonimassan halkeamat täyttyvät veden liuottaman kalkin ja eri mineraalien seoksella. Paikattu halkeama kiteytyy uudelleen, kuin luonnon kalkkikivikallioissa.

Tämä voi myös selittää sen, miksi roomalainen betoni on kestänyt peräti 2 000 vuotta sitten rakennetuissa italialaisissa aallonmurtajissa. Välimeren aallot ovat sentään iskeytyneet betoniin vuosisatojen ajan.

Ryhmä valmisti MIT:ssä vertailun vuoksi betonia ilman tuota hyvin kuumassa poltettua kalkkia. He tekivät siihen halkeamia.

Kuumassa poltetun halkeilevan betonin laatu koheni kahdessa viikossa, mutta vertailuksi tehtyyn betoniin jäi halkeamia, kertoo verkkosivu Science Alert.

Suomessa ja nykyään yleensäkin betonissa käytetään paljon niin sanottua portlandsementtiä. Sillä tehtyä betonia tuetaan raudoituksella.

Tämä betoni on mineraaleiltaan paljon köyhempää. Kun betonin säröihin tunkeutuu lopulta vettä, se ruostuttaa raudoituksen ja lisää säröilyä.

Nyt MIT:n tutkijat aikovat nyt kaupallistaa uudenlaista sekoitusta. Se olisi vaihtoehto nykyisille betoneille, ja myös ympäristölle ystävällisempää.

Kestävä betoni voisi kohentaa esimerkiksi 3D-tulostuksella valmistettujen betonirakenteiden kestävyyttä, Masic sanoo.

Hän toivoo myös, että kestävä betoni voisi myös vähentää sementin tuotannon rasitusta ympäristöön. Betoni valmistus kun vastaa noin kahdeksaa prosenttia maailman kasvihuonekaasujen päästöistä.

Tutkimuksen julkaisi tiedelehti Science Advances.

Oikaisu 18. tammikuuta kello 12.30: Korjattu kohta, jossa mainitaan pyyhkäisyelektroni- ja röntgenspektroskooppi. Oikein on pyyhkäisyelektronimikroskooppi.

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat