Današnje betonske mostove i nebodere razdvajaju tisućljeća od rimskih arena i akvedukata, pa ipak su i neboderi i arene građene od istog materijala, jer su se njihovi graditelji služili istim vezivom – cementom. Dok se suvremeni, portland cement dobiva pečenjem gline i vapnenca u rotacijskim pećima (pri čemu nastaje klinker, koji se melje u cement), stari su Rimljani umjesto toga miješali vulkanski pepeo s vapnom (https://www.bug.hr/znanost/kemija-otkriva-tajne-rimskog-cementa-25159). Konačni rezultat je jednak: dodatkom vode i od jednog i od drugog materijala nastaje gel kalcijeva silikata, koji učvršćuje dodani šljunak i pijesak, baš kao što proteinski gel čvrsto drži komadiće mrkve i peršina, a naročito kožice i svinjske nožice u hladetini – jelu koje su nedavno strane sile proglasile najgorim jelom koje se može jesti u Srbiji (na zgražanje Srba i okolnih naroda). 

Tajna rimskog cementa stoga se čini odavno riješena: umjesto da miješaju gašeno vapno s pijeskom, i tako dobiju vapneni (zračni) mort, stari su Rimljani vapnu dodavali vulkanski pepeo i tako priređivali hidraulični (vodeni) mort – cement. Djelomična zamjena jednog „pijeska“ drugim dovela je do revolucije u građevinarstvu. Za stvrdnjavanje cementa, za razliku od vapnene žbuke, nije potreban zrak, točnije ugljikov dioksid u njemu. Zbog toga se, uz druge prednosti, cement stvrdnjava tamo gdje zrak ne dolazi: beton je moguće lijevati u debelim slojevima, a cement veže i u vodi. Stoga se u građevinarstvu strogo razlikuju zračni od hidrauličnih mortova.

No taj stari recept, vulkanski pepeo + gašeno vapno + voda, nedavno su doveli u pitanje američki znanstvenici rezultatima objavljenima u časopisu Science Advances. „Hot mixing: mechanic insights into the durability of ancient Roman cencrete (Vruće miješanje: mehanički uvid u trajnost drevnog rimskog betona)“, naslov je njihovog rada u kojem su prve dvije riječi najvažnije: „hot mixing“.

Sumnju u navedeni recept za rimski cement (vulkanski pepeo + gašeno vapno + voda) pobudila im je analiza mineralnog sastava čestica kalcijeva karbonata. One naime nisu bile homogene, kao što bi se očekivalo da su nastale jednostavnom reakcijom gašenog vapna, kalcijeva hidroksida, s ugljikovim dioksidom, Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Odakle nehomogenost?

Odgovor na to pitanje daje istraživanje reakcije živog vapna, kalcijeva oksida (CaO) s ugljikovim dioksidom. Naime, ako u zraku ima malo vlage (< 20 %) kalcijev oksid prelazi u amorfni kalcijev karbonat. Pri visokoj vlažnosti (>60 %) od njega nastaje kalcit, dok pri srednjoj vlažnosti (20 – 60 %) od CaO nastaju tri minerala, u različitim omjerima, naime kalcit, aragont i vaterit. (Svi ti minerali imaju isti kemijski sastav, CaCO₃, ali drugačije kristaliziraju.)

Iz toga slijedi logičan zaključak: stari rimski graditelji nisu pekli živo vapno, pa ga onda gasili i u tom obliku miješali s vulkanskim pepelom, nego su ga izravno dodavali u cementnu smjesu. Jednostavniji postupak – ali i zahtjevniji.

Pri gašenju vapna, reakciji kalcijeva oksida s vodom, CaO + H₂O → Ca(OH)₂, oslobađa se mnogo topline, pa se temperatura betona dizala za 55 – 60 ^oC – bilo je to u punom smislu riječi vruće miješanje. Zidari su morali dobro paziti da ih beton s kojim su radili ne opeče!

Uz povećanje temperature beton je morao i bubriti, jednostavno zato što je gustoća kalcijeva oksida (2,2 g/cm³) manja od gustoće njegova hidroksida (3,34 g/cm³). No to se nije događalo, ili – točnije – nije se sasvim događalo. I tu leži sljedeća, možda najveća tajna prvog cementa.

Riječ je o tome da se zbog ograničenog pristupa vode i zraka čestica kalcijeva oksida nije posve kemijski promijenila. Oko nje se prvo stvorio zaštitni sloj hidroksida, a potom i karbonata, pa je CaO u njenoj unutrašnjosti ostao nepromijenjen. To je pak imalo dalekosežne posljedice.

Kada bi naime beton napukao, pukotine bi nastale, razumije se, i u česticama kalcijeva oksida. Voda koja je prolazila kroz pukotine otapala je kalcijeve ione, koji su potom reagirali s ugljikovim dioksidom otopljenim u vodi te nastalim kalcijevim karbonatom zatvorili pukotinu. Da je riječ upravo o tom procesu, pokazuje ne samo trajnost rimskih (betonskih) spomenika nego i pokusi koje su američki znanstvenici proveli na uzorcima betona koje su sami priredili (portland cement s dodanim vulkanskog pepela i živog vapna). Kada su kroz betonski blok s pukotinom širokom pola milimetra propupuštali vodu, za petnaestak dana više je nije bilo!

Primješajte betonu oko 10 % živog vapna, glasio bi jednostavan recept za beton koji će trajati stoljećima – jer takvom betonu ne može nauditi ni kiša ni mraz ni morska voda. No prije nego što se taj ponovno otkriven recept primijeni, trebat će provesti dodatna istraživanja, da birokratske prepreke ne spominjem. U svakom slučaju, bit će to još jedna tehnologija - ovaj put zaista stara - koja vodi prema betonu koji sam zatvara pukotine koje se pojavljuju u njemu (https://www.bug.hr/znanost/vapneni-cement-koji-krpa-sam-sebe-32367). 

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je oko 3000 znanstveno-popularnih članaka te 15 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima je i nedavno izašla "Kemija - muza arhitekture" koju je napisao u koautorstvu s arhitektom i povjesničarem umjetnosti Zvonkom Pađanom.