Materialeteknologi
Hvorfor antik romersk beton danner nye krystaller i havvand
Langs Middelhavets kyster findes rester af romerske moler og bølgebrydere, som har stået helt eller delvist i havvand i omkring 2.000 år.
Det interessante er ikke bare, at betonen stadig findes. Undersøgelser af romersk havnebeton viser, at materialets mineralstruktur har fortsat med at udvikle sig længe efter, at betonen blev støbt.
Havvand er trængt ind gennem betonen og har reageret med bestanddele i det vulkanske materiale. Undervejs er der dannet nye mineraler inde i betonen.
Det udfordrer en gængs forestilling om holdbar beton som et materiale, der helst skal forblive så uforandret som muligt.
Vulkansk aske var en del af bindemidlet
Romersk havnebeton var grundlæggende anderledes sammensat end den Portlandcementbaserede beton, der dominerer i moderne byggeri.
Romerne anvendte blandt andet hydreret kalk og vulkansk aske i deres mørtel. Den vulkanske aske fungerede som puzzolan – et silicium- og aluminiumholdigt materiale, som sammen med kalk og vand kan reagere og danne cementerende forbindelser.
Puzzolanreaktioner hører dog ikke kun antikken til. Puzzolanske materialer bruges også i moderne cement og beton.
Men den romerske marine beton er interessant, fordi dens mineralstruktur kan undersøges efter ekstremt lang eksponering for havvand. Og her viser det sig, at materialets kemiske udvikling ikke sluttede med den oprindelige puzzolanreaktion.
Havvandet har ændret betonen indefra
Efter at kalken i vid udstrækning var blevet forbrugt i de tidlige puzzolanreaktioner, kunne andre og langt langsommere processer fortsætte.
Havvand, der bevægede sig gennem den porøse beton, reagerede med de vulkanske bestanddele. De langsomme vand–bjergart-reaktioner opløste dele af det vulkanske materiale og skabte grundlag for, at nye mineraler kunne udfældes i porer og i de vulkanske partikler.
Et af dem er aluminiumholdig tobermorit.
Tobermorit er et calcium-silikat-hydrat-mineral. Forskerne har fundet aluminiumholdig tobermorit sammen med blandt andet mineralet phillipsit i den gamle beton. De har blandt andet påvist mineralerne i porer, pimpstensfragmenter og omkring delvist opløste feldspatkorn.
Det betyder, at betonen ikke blot har stået passivt i havet. Dens mikrostruktur har ændret sig gennem langvarige kemiske reaktioner.
Hvad gør de nye krystaller?
Når nye mineraler som aluminiumholdig tobermorit vokser i betonens porer og grænseflader, ændrer de materialets mikrostruktur.
Forskerne peger på, at de sammenvoksede mineralstrukturer kan bidrage til betonens modstandsdygtighed over for revnedannelse og til dens langsigtede sammenhæng.
Det betyder ikke, at havvand automatisk gør romersk beton stærkere, eller at betonen reparerer alle revner.
Pointen er, at langsomme kemiske reaktioner kan ændre mikrostrukturen på måder, der kan bidrage til materialets holdbarhed over meget lange tidsrum.
Hvorfor er havvand så et problem for moderne beton?
Her ligger et vigtigt paradoks.
I moderne marine betonkonstruktioner bruger ingeniører betydelige kræfter på at begrænse indtrængning af blandt andet klorider fra havvand. Når klorider når frem til armeringsstålet i tilstrækkelig koncentration, kan stålets passive beskyttelse brydes ned, så korrosion kan begynde.
Eftersom korrosionsprodukterne fylder mere end det oprindelige stål, kan det skabe indre spændinger, revner og afskalning af betondæklaget og samtidig reducere armeringens tværsnit.
Men den romerske havnebeton var ikke armeret med stål. Havvandets indtrængning får derfor ikke samme konsekvens.
Samtidig er bindemidlet anderledes. I den romerske kalk-puzzolan-beton kan kontakten med havvand indgå i langsomme reaktioner med de vulkanske bestanddele og bidrage til dannelsen af nye mineralfaser.
Det er altså ikke et spørgsmål om, at romerne havde opfundet beton, der var immun over for havvand. De arbejdede med et andet materialesystem.
Beton som langsom geologi
Det gør den romerske beton interessant som mere end en historisk kuriositet.
Normalt vurderer vi beton ud fra egenskaber som styrke, porøsitet, revnedannelse, kemisk eksponering og forventet levetid. Men de romerske konstruktioner viser, at mineralogien også kan fortsætte med at udvikle sig over meget lange tidsrum.
Vand bevæger sig gennem materialet, nogle bestanddele opløses, ioner transporteres, og nye mineraler udfældes. Det er processer, man også kender fra naturlige bjergarter – her foregår de bare inde i et menneskeskabt konstruktionsmateriale.
Romersk beton løste en anden konstruktionsopgave
Det er værd at huske, at romersk havnebeton og moderne konstruktionsbeton ikke skal løse den samme opgave. De romerske havnekonstruktioner var massive og uarmerede. Moderne beton skal blandt andet kunne opnå specificerede egenskaber inden for relativt kort tid og kan sammen med armering indgå i langt slankere konstruktioner og optage belastninger på andre måder.
Målinger af romersk marine beton viser også væsentligt lavere trykstyrke end typisk moderne Portlandcementbeton. Det giver derfor ikke mening at betragte den romerske opskrift som en glemt, bedre version af moderne beton.
Til gengæld er mekanismerne interessante.
De viser, at sammensætning, porøsitet, transport af vand og ioner og langsomme mineralreaktioner tilsammen kan påvirke, hvordan materialet udvikler sig gennem årtier – eller i dette tilfælde årtusinder.
Derfor er den antikke beton stadig interessant for moderne materialeforskning, fordi 2.000 års eksponering giver et usædvanligt indblik i, hvad der kan ske, når et cementbaseret materiale og dets omgivelser får meget lang tid til at reagere med hinanden.
Læs mere:
Kontakt
Få hjælp nu
Find relevante, kvalitetssikrede kurser og efteruddannelse.