Kestävä, kestävämpi, betoni
Muinaiset roomalaiset betonit ovat säilyneet vuosituhansia. Nykyisellä betonilla taas on hankaluuksia kestää edes vuosisataa vaurioitumattomana. Mikä siis oli ennen paremmin?
Science Advances on julkaissut tutkimusartikkelin, joka käsittelee mekanistisia näkemyksiä muinaisen roomalaisen betonin kestävyydestä. Siinä annetaan yksityiskohtainen selitys sille, miksi roomalainen betoni vaan kestää ja kestää.
Merkittävä syy tuhansia vuosia säilyneen betonin kestävyydelle on se, että se korjaa itse itseään. Koska kyse on puhtaasti kemiasta, julkaisun lukeminen ei välttämättä kaikille ole kovin helppoa. Oma kemian osaamiseni pohjautuu lukion kemian kursseihin, joten jouduin vääntämään asian itselleni rautalangasta. Jos sinunkin kemian osaamisesi on samalla tasolla, mutta aihe kiinnostaa, niin tässäpä helpommin sisäistettävä läpileikkaus tutkimuksesta ja sen tuloksista.
Viimeisin tutkimus roomalaisen betonin kalsiittitäytteisistä halkeamista viittaa potentiaaliseen pitkäaikaiseen itsekorjautumiseen, kunhan betonissa on kalsiumin lähde. Tutkimusta varten otettiin laastinäytteitä roomalaisesta betonista valmistetusta, 2000 vuotta vanhasta muurista, joiden koostumusta tutkittiin. Tasaiset, paakkuuntuneet kalkkijäännökset roomalaisessa betonissa saattavat tarjota prosessin edellyttämän kalsiumvaraston. Kun otetaan huomioon kalkkipaakkujen suhteellisen tasainen jakautuminen ja niiden tarkkarajaisuus, herää kiehtova ajatus siitä, että ne on lisätty betoniin tarkoituksella.
Tutkimuksessa vertailtiin sekä aitoa muinaista laastia, että samoista lähtöaineista tutkimusta varten valmistettua laastia. Lisäksi tutkittiin myös kalsiumoksidin lisäämistä betoniin.
Kontrollilaastimassa valmistettiin portlandsementistä, jauhetusta lentotuhkasta, hiekasta ja vedestä. Koelaastiin lisättiin kalsiumoksidia, jonka pitoisuus vaihteli 7,5–15 massaprosentin välillä.
Tutkimuksessa tutkittiin sementtimatriisissa esiintyvien kalkkipaakkujen mikrorakennetta pyyhkäisyelektronimikroskoopilla sekä Raman-petroskopialla. Koelaastissa ja roomalaisessa laastissa kalkkipaakkujen kirkkaan valkoinen väri ja huokoinen rakenne erottui selvästi. Myös samanlainen reuna-alue oli muodostunut molempien näytteiden kalkkipartikkeleiden ympärille. Koemassojen voidaan siis olettaa onnistuneen.
Hot mixing
Heti julkaisun otsikossa on esitelty termi ”hot mixing”. Oletukseni oli, että sekoittamisen aikana on ollut mukana jokin ulkoinen lämmönlähde, mutta näin ei kuitenkaan ollut.
Kuumasekoitukseen viitataan kalsiumoksidin eksotermisella hydrataatioreaktiolla. Kalsiumoksidin hydrataatioreaktio on eksoterminen reaktio. Kun kalsiumoksidi reagoi veden kanssa muodostaen kalsiumhydroksidia, laastin lämpötila nousee noin 55-60 °C ympäristöön nähden. Kuumimmissa kohdissa massan lämpötila voi nousta jopa yli 200 asteen.
Koelaastia varten kalsiumoksidi sekoitettiin pozzolaanien, runkoaineksen ja veden kanssa. Kuumasekoitus edesauttaa kalkkivarastojen syntymistä.
Tiedetään, että kuumasekoitus on yksi menetelmä, joka johtaa muinaisten laastien kalkkikertymiin. Siinä kalkki jää ympäröivän sementtimatriisin sulkemaksi partikkeliksi, ja niiden muodostuminen voidaan selittää sekoituksen aikaisen lämpötilan kohoamisella. Korkea lämpötila edistää laastin kovettumista ja sitoutuminen tapahtuu nopeasti kalkkipartikkeleiden ympärillä. Kovettunut laasti ympäröi kalkkipaakun ja inkluusiot säilyvät rikkoutumattomina sen sijaan, että sekoittuisivat ympäröivään matriisiin ja reagoisivat. Tämä todettiin tutkimusta varten valmistetuissa, kalsiumoksidia sisältävissä laasteissa.
Koelaastin itsekorjautuvuutta tutkittiin veden virtauksen avulla. Kovettuneet koekappaleet halkaistiin ja asetettiin vierekkäin siten, että halkaisupintojen väliin jätettiin 0,5 mm rako. Halkaisupintojen välille laitettiin virtaamaan vettä tasaisella nopeudella. Virtauksen vähenemisellä todettiin itsekorjautuvuus. Riippuen halkeaman pinnan muodosta, virtaus väheni 1–3 viikon aikana lähes nollaan, kun rako umpeutui.
Todiste kalsiumoksidin käytöstä kalsiumhydroksidin sijaan roomalaisessa betonissa on kalkkipartikkeleissa näkyvät mikrohalkeamat ja huokoisuus. Poikkeamat kalkkipaakkujen koostumuksessa viittaavat tilavuudenmuutokseen. Kalsiumoksidin reagoidessa veden kanssa, muodostuu kalsiumhydroksidia. Sen kalsiumoksidiin verrattuna pienemmän tiheyden aiheuttama tilavuudenkasvu on noin 33 %, joka aiheuttaa halkeamia ja huokoisuutta. Jos kalkkipartikkelit olisivat lähtökohtaisesti olleet kalsiumhydroksidia, ei halkeilua ja huokoisuutta todennäköisesti olisi havaittavissa. Vaikka tilavuudenmuutosten voisi olettaa vaikuttavan heikentävästi betonin ominaisuuksiin, tutkimusta varten valmistetuilla koekappaleilla kuivumiskutistuma oli mitätöntä.
Tutkimuksen aikana tehtiin betonikoemassa, jossa käytettiin teollisuudessa käytettävää betonireseptiä. Massan valmistamiseen käytettiin portlandsementtiä, hienoa ja karkeaa kiviainesta, tehonotkistinta ja lentotuhkaa. Kalsiumoksidi lisättiin kiviaineksen osittaisena korvaajana. Ominaisuuksien vertailuun valmistettiin massa ilman kalsiumoksidia.
Betonikoekappeleista mitattiin kuivumiskutistumaa. 90 vuorokauden iässä betoni, johon oli lisätty kalsiumoksidia, oli kutistunut 9 % vähemmän, kuin vertailubetoni. Kalsiumoksidi toimii näin ollen tehokkaana kutistumaa vähentävänä seosaineena kovettumisen alkuvaiheessa.
Pozzolaanien hydrataatioreaktiossa lämpötila voi nousta lähes sataan asteeseen massiivisissa rakenteissa. Tämän ja kalsiumoksidin hydrataatioreaktion yhteisvaikutus edistää kalsium-aluminaatti-silikaatti-hydraattien (C-A-S-H) muodostumista sementtimatriisiin.
Alkuaineanalyysillä sementtimatriisissa havaittiin selvästi piitä ja alumiinia. Tämä viittaa siihen, että jotain muuntumista C-A-S-H:ksi on tapahtunut vulkaanisen aineksen ympärillä.
Korjautumista kahdella tapaa
Runkoaineskokoiset kalkkipartikkelit muinaisessa laastissa tarjoavat kalsiumin lähteen myöhemmille pozzolaanisille reaktioille, joilla betoni korjaa itseään.
Kun halkeilua muodostuu ajan saatossa, vedentunkeutuminen rakenteeseen aiheuttaa kalsiumpohjaisten faasien liukenemisen ja kulkeutumisen huokosverkostoon. Kun kalsiumpitoinen liuos kulkeutuu halkeamiin tai huokosverkostoon, syntyy mahdollisuuksia myöhäisille pozzolaanisille reaktioille.
Reagoimaton pozzolaaninen materiaali, kuten vulkaaninen tuhka tai runkoaines, voi liueta ja reagoida kalsiumpitoisen nesteen kanssa muodostaen C-A-S-H-faaseja. Muodostuneet faasit vahvistavat tartuntaa sementtimatriisin ja vulkaanisen kiviaineksen tai tuhkan välillä. Rajapintojen välisen vahvistumisen lisäksi C-A-S-H on lujempaa, kuin sen lähtöaineet.
Pozzolaaniset materiaalit sitoutuvat ja kovettuvat vain veden ja liukoisen kalsiumhydroksidin läsnäollessa (esim. lentotuhka).
Toinen mahdollisuus itsekorjautuvuudelle on kalsiumkarbonaatin kiteytyminen huokostilaan tai halkeamaan. Sekundäärinen kalsiumkarbonaatti muodostuu, kun rakenteelle aiheutuu normaaleista sääolosuhteista kastumista ja kuivumista. On ehdotettu, että kuumasekoituksessa muodostuneet kalkkipaakut toimivat kalsiumin lähteenä näille prosesseille. Kalsiumkarbonaatin kiteytyminen on syy itsekorjautuvuudelle muinaisissa kalkkipitoisissa laasteissa.
Kun halkeama leviää kalkkipaakkuun asti, kalsiumhydroksidipaakut vapauttavat kalsiumia halkeamissa kulkevaan erittäin emäksiseen liuokseen, jossa kalsium karbonoituu helposti ja täyttää halkeaman. Kalkkipartikkelin suuri pinta-ala parantaa sen liukoisuutta. Halkeamien täyttömekanismien tehokkuus perustuu siihen, kuinka tiheästi halkeamat leikkaavat kalkkipartikkelin. Mitä enemmän halkeilua ja isompia paakkuja, sitä enemmän korjautuvuutta.
Kalkkipartikkeleiden sisältämät kalsiumfaasit pysyvät varastoina, kunnes niitä tarvitaan. Tästä syystä muinainen betoni on säilynyt itseään korjaavana vuosituhansien ajan. Ympäristöolosuhteiden muutosten ja mekaanisten rasitusten aiheuttamat halkeamat voivat korjautua, kun halkeama tavoittaa kalkkipaakun ja vesi pääsee sinne aktivoimaan reaktion. Tapahtuipa vaurio pian valun jälkeen tai vuosisatojen päästä, rakenteen itsekorjaavat reaktiot voivat tapahtua niin kauan, kuin kalkkivarastoja on käytettävissä.
Löydös on erittäin mielenkiintoinen jo ympäristönkin näkökulmasta. Jos betonirakenteet korjaisivat itse itsensä, ei olisi tarvetta korjausrakentamiselle ja vältyttäsiin sen aiheuttamilta päästöiltä. Tästä varmasti tullaan kuulemaan vielä kaupallisellakin puolella, mutta tuskin roomalaista betonia rakennebetonina käytetään. Kalsiumin karbonatisoituessa betoni menettää emäksisyytensä, ja se on tunnetusti terästen kannalta huono. Hyvää tutkimustyötä tekemällä tämäkin voi olla tulevaisuudessa selätetty haaste!
Tutustu myös näihin artikkeleihin
Matalakenttä-NMR-relaksometria sellukuitututkimuksessa: Laadunvalvonnan ja materiaalitutkimuksen uusi suunta
Yksinäisyys
