Το σκυρόδεμα της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας και η αποκάλυψη του μυστικού της μοναδικότητάς του

Δύο χιλιάδες χρόνια μετά την κατασκευή των πρώτων ρωμαϊκών λιμανιών αποκαλύπτεται η μυστική συνταγή του ανθεκτικού, εύκολου στη χρήση και περιβαλλοντικά φιλικού ρωμαϊκού τσιμέντου, που έφερε επανάσταση στις κατασκευές της εποχής.

«Η Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία δεν θα υπήρχε χωρίς μεγάλα λιμάνια. Τα βασικά αγαθά, όπως το σιτάρι, το μάρμαρο ή η πέτρα έπρεπε να μεταφερθούν με πλοία» λέει ο Τζον Ολεσον, καθηγητής ελληνικών και ρωμαϊκών σπουδών στο Πανεπιστήμιο της Βικτώριας του Καναδά, και επικεφαλής μιας διεθνούς ομάδας επιστημόνων που μελετά το κατασκευαστικό υλικό που χρησιμοποίησαν οι Ρωμαίοι για να χτίσουν τα λιμάνια της αυτοκρατορίας τους στη Μεσόγειο. Από τις ακτές της Ιταλίας μέχρι την Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου, και έως την Παράλιο Καισάρεια του Ισραήλ, δεκάδες λιμάνια της Μεσογείου φαίνεται να έχουν χτιστεί με το ίδιο ακριβώς υλικό, ένα μείγμα ηφαιστειακής τέφρας από τον κόλπο της Νάπολης στην Ιταλία αναμεμειγμένη με ασβέστη και θαλασσινό νερό.

3190577_orig

«Η πρώτη ερώτηση που έπρεπε να απαντήσουμε ήταν: Πώς είναι δυνατό αυτό το υλικό να έχει επιβιώσει άθικτο για 2.000 χρόνια μέσα στο θαλασσινό νερό;» λέει η Μαρί Τζάκσον, ερευνήτρια στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, μέλος της παραπάνω ερευνητικής ομάδας και υπεύθυνη για τη μελέτη της σύστασης του ρωμαϊκού σκυροδέματος. Η Τζάκσον, προσπαθώντας να ανακαλύψει τι είναι αυτό που διαφοροποιεί το κατασκευαστικό υλικό των Ρωμαίων από το σκυρόδεμα που χρησιμοποιούμε σήμερα στα λιμάνια, η διάρκεια ζωής του οποίου δεν ξεπερνά συνήθως τα 100 χρόνια, έψαξε για απαντήσεις, στην ουσία εκείνη που λειτουργεί σαν κόλλα κρατώντας ενωμένα τα διαφορετικά συστατικά του μείγματος, το γνωστό μας τσιμέντο. Οπως αναφέρουν οι ερευνητές στα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στα επιστημονικά περιοδικά Journal of the American Ceramic Society και American Mineralogist, το ρωμαϊκό τσιμέντο περιέχει ενώσεις αλουμινίου.

«Το αλουμίνιο προέρχεται από την ηφαιστειακή τέφρα και πιστεύουμε ότι αυτό δίνει στο υλικό την ικανότητα να παραμένει σε ισορροπία με το θαλάσσιο περιβάλλον και να διατηρείται», όπως λέει η Μαρί Τζάκσον. Η ομάδα του Μπέρκλεϊ ανακάλυψε επίσης ότι κατά τον σχηματισμό του ρωμαϊκού σκυροδέματος γίνεται μια αντίδραση που παράγει την ουσία Al-tobermorite, στην οποία, σύμφωνα με τους ερευνητές, κρύβεται η συνταγή της επιτυχίας αυτού του υλικού, η αντοχή του στον χρόνο.

Περιβαλλοντικά φιλικό

Παρά τα πλεονεκτήματα του ρωμαϊκού σκυροδέματος η επιστημονική κοινότητα φαίνεται, στην πλειοψηφία της, ικανοποιημένη από τα κατασκευαστικά υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως στα λιμενικά έργα. «Το σύγχρονο σκυρόδεμα μας καλύπτει πλήρως» λέει ο καθηγητής Ακτομηχανικής και Λιμενικών Εργων στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Θεοφάνης Καραμπάς. «Δεν έχει φανεί η ανάγκη να ανακατασκευάσουμε το υλικό των Ρωμαίων» αναφέρει ο διευθυντής του Εργαστηρίου Λιμενικών Εργων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, καθηγητής Κωνσταντίνος Μουτζούρης, προσθέτοντας ότι «το τσιμέντο άλλωστε είναι ένα σχετικά σύγχρονο υλικό και δεν έχουμε δει ακόμα τα εμφανή σημάδια γηράνσεώς του».

Παρ’ όλα αυτά, σύμφωνα με τους ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μπέρκλεϊ, η παραγωγή τσιμέντου σήμερα ευθύνεται για το 7% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη, αφού κάθε χρόνο παράγονται παγκοσμίως πάνω από 25 δισεκατομμύρια τόνοι. «Μόνο νερό χρησιμοποιούμε σε μεγαλύτερες ποσότητες» τονίζει ο καθηγητής Ολεσον.

Σήμερα, για να κατασκευαστεί το τσιμέντο, η πρώτη ύλη χρειάζεται να θερμανθεί σε θερμοκρασίες που φτάνουν τους 1.450 βαθμούς Κελσίου. Στη συνέχεια προστίθεται άμμος, χαλίκια και νερό, ενώ τέλος η κατασκευή ενισχύεται με ατσάλι. Αντίθετα, στο ρωμαϊκό σκυρόδεμα η ηφαιστειακή τέφρα προστέθηκε στο μείγμα ακριβώς όπως συλλέχτηκε από τη φύση, ενώ για τις μικρές ποσότητες ασβέστη που χρησιμοποιήθηκαν, ο ασβεστόλιθος ψήθηκε σε θερμοκρασία που δεν ξεπερνά τους 900 βαθμούς Κελσίου. Οι Ρωμαίοι κατασκεύαζαν ξύλινα καλούπια, τα βύθιζαν στη θάλασσα, και μέσα σε αυτά έριχναν την τέφρα και τον ασβέστη, αφήνοντας το θαλασσινό νερό να μπει από τις σχισμές της ξύλινης κατασκευής και να «δέσει» τα υλικά. «Η σημαντικότερη συνεισφορά αυτής της έρευνας είναι ότι μέτρησαν το περιβαλλοντικό κόστος των σημερινών τσιμέντων, το οποίο είναι πολύ υψηλό σε σχέση με αυτό των Ρωμαίων» λέει ο καθηγητής Θαλάσσιας Υδραυλικής και Λιμενικών Εργων του ΕΜΠ, Κωνσταντίνος Μέμος.

Δείγματα από αρχαία λιμάνια του Αιγαίου

Ανάμεσα στα έντεκα λιμάνια που μελέτησε η διεθνής ερευνητική ομάδα ήταν και το Ρωμαϊκό λιμάνι της Χερσονήσου στην Κρήτη, το μοναδικό μέχρι στιγμής ελληνικό λιμάνι στο οποίο έχει ανακαλυφθεί η χρήση ρωμαϊκού σκυροδέματος. «Το σκυρόδεμα που χρησιμοποιήθηκε στη Χερσόνησο είναι κάπως διαφορετικό από αυτό των υπολοίπων λιμανιών της Μεσογείου, είναι πιο πορώδες» λέει η δρ Τζάκσον, εξηγώντας ότι ενώ στο μείγμα χρησιμοποιήθηκε πράγματι ηφαιστειακή τέφρα από τον κόλπο της Νάπολης και συγκεκριμένα από την περιοχή Ποτσουόλι, οι ποσότητες ασβέστη ήταν μικρότερες. «Ο ασβέστης, από τότε, αποτελούσε το ακριβότερο υλικό. Ιστορικές πηγές αναφέρουν ότι πολλά κτίρια των Ρωμαίων κατέρρεαν επειδή οι κατασκευαστές “έκλεβαν” στον ασβέστη. Δεν είναι μόνο σύγχρονο το φαινόμενο» συμπληρώνει ο καθηγητής Ολεσον.

«Παρουσιάζει ενδιαφέρον το γεγονός ότι δεν απαντάται συχνά το ρωμαϊκό σκυρόδεμα στις ελληνικές παράκτιες περιοχές» αναφέρει ο ίδιος, εξηγώντας ότι κάτι τέτοιο πιθανόν να οφείλεται στο γεγονός ότι τον 1ο αιώνα π.Χ. στον ελληνικό χώρο υπήρχαν ήδη λιμάνια χτισμένα με ογκόλιθους, ενώ την ίδια στιγμή το Αιγαίο έχει πολλά φυσικά λιμάνια, με αποτέλεσμα να καλύπτονται οι ανάγκες των Ρωμαίων.

Μετά το τέλος του 6ου αιώνα π.Χ. τα λιμάνια του Αιγαίου αρχίζουν να είναι χτιστά, περιγράφει ο αρχαιολόγος της Εφορείας Εναλίων Αρχαιοτήτων, Θεοτόκης Θεοδούλου. «Μέχρι τότε τα σκάφη ήταν αγωγά, μετέφεραν δηλαδή πολεμιστές, και στη συνέχεια τα έσερναν μέχρι την ακτή. Στο τέλος όμως του 6ου αιώνα π.Χ. τελειοποιείται η τριήρης σαν πολεμικό σκάφος και υπάρχει ανάγκη να τις προστατεύσουν» λέει ο κ. Θεοδούλου, μέλος μια ελληνικής επιστημονικής ομάδας που τα τελευταία χρόνια καταγράφει τα αρχαία ελληνικά λιμάνια, ενώ παράλληλα συγκεντρώνει και συνδυάζει αρχαιολογικά με τεχνικά στοιχεία σε έναν ιστότοπο με την ονομασία «Λιμενοσκόπιον». Ο Κωνσταντίνος Μέμος, εμπνευστής αυτής της προσπάθειας, εξηγεί ότι οι αρχαίοι Ελληνες κατασκευάζουν τα λιμάνια τους στοιβάζοντας πέτρες, ογκόλιθους, τη μία πάνω στην άλλη με έναν τρόπο που ονομάζεται έμπλεκτος. «Παρότι και οι Ελληνες χρησιμοποιούν ένα κονίαμα, μια λάσπη, για να συνδέσουν τις πέτρες μεταξύ τους, αυτό δεν έχει τις ισχυρές συγκολλητικές ιδιότητες του υλικού των Ρωμαίων» λέει ο κ. Μέμος.

Παρ’ όλα αυτά, πρόσφατες μελέτες της Εφορείας Εναλίων Αρχαιοτήτων, με την υποστήριξη του «Λιμενοσκοπίου», στο βόρειο λιμάνι της Μυτιλήνης έφεραν στην επιφάνεια ένα υλικό που έχει πολλές ομοιότητες με το ρωμαϊκό σκυρόδεμα. Το λιμάνι αυτό, που είναι γνωστό σήμερα ως Επάνω Σκάλα, υπολογίζεται ότι έχει χτιστεί τον 4ο αιώνα π.Χ., ενώ διατηρείται μέχρι σήμερα σε ιδιαίτερα καλή κατάσταση. Οι επιστήμονες Θεοδούλου και Μέμος λοιπόν, αναμένοντας την αναχρονολόγηση του δομικού υλικού που βρέθηκε στη Μυτιλήνη, κρατούν μια επιφύλαξη για το εάν οι Ρωμαίοι ήταν οι πρώτοι που χρησιμοποίησαν αυτό το είδος σκυροδέματος στην κατασκευή λιμανιών.

(Πηγή: http://www.kathimerini.gr/507774/article/epikairothta/kosmos/to-skyrodema-ths-rwmaikhs-aytokratorias)

350px-Labarum

Στα γνωστά γραπτά του για την αρχιτεκτονική, κάπου στο 79 μ.Χ., ο Πλίνιος εξέφραζε τον θαυμασμό του που από την «καταστροφή της Γης παράγεται η σκόνη των Πουτεόλι για αντίσταση στην εισροή της θάλασσας και η οποία αμέσως μόλις πέσει στο νερό γίνεται πέτρα», αναφερόμενος στην ασύφταστη τεχνολογία των ρωμαϊκών τσιμέντων, τα caementi.

Επί αιώνες οι Ρωμαίοι κατασκεύαζαν τα λιμάνια τους με ένα συνδυασμό των τσιμέντων αυτών, ενεργού ασβέστου και ηφαιστειακών υλικών, που η σύγχρονη τεχνολογία παρασκευής σκυροδέματος άργησε πολλούς αιώνες να ξαναεφεύρει. Σήμερα, γεωλόγοι και μηχανικοί πασχίζουν να ανακαλύψουν ποια είναι η ακριβής σύνθεση των ρωμαϊκών τσιμέντων, που κατορθώνουν να παραμένουν άθικτα 1.500 χρόνια μετά, εκεί που σύγχρονες κατασκευές διαβρώνονται από το θαλασσινό νερό.

Οι επιστήμονες τονίζουν πως, σε αντίθεση με το σημερινό σκυρόδεμα—που μόλις έλθει σ’ επαφή με το αλμυρό νερό έχει αμέσως απώλεια αλκαλικών στοιχείων και ασβεστοποιείται—το τσιμέντο που κατασκεύαζαν οι Ρωμαίοι αποκτά μεγαλύτερη συμπύκνωση κι ανθεκτικότητα με την επαφή του με το θαλασσινό νερό, χάρις στην αντίδρασή του με τα ηφαιστειακά υλικά της σύνθεσής του.

Όπως τονίζει η γεωλόγος Μαρί Τζάκσον, που συνυπογράφει μία επαναστατική μελέτη του Πανεπιστημίου της Γιούτα στις ΗΠΑ για τις ρωμαϊκές κατασκευές, οι ρωμαίοι μηχανικοί «είχαν αφιερώσει τρομερό όγκο εργασίας για την ανάπτυξη αυτού (του τύπου τσιμέντου). Ήσαν πολύ έξυπνοι άνθρωποι.

Η Τζάκσον κι οι συνεργάτες της τονίζουν στην περιοδική έκδοση American Mineralogist πως μετά την επιστημονική μελέτη κι ανάλυση τμημάτων από τις λιμενικές κατασκευές των Ρωμαίων έχουν πλέον ανακαλύψει τη σύσταση των ρωμαϊκών τσιμέντων και των θαυματουργών ιδιοτήτων τους, που σήμερα μόνο με την ανάπτυξη των σκυροδεμάτων τύπου Πόρτλαντ –που παράγεται από την επίτηξη σε 1500 0C ενώσεων οξειδίου του ασβεστίου, αναμεμειγμένες με οξείδια πυριτίου, αργιλίου και σιδήρου—μπορούμε να επιτύχουμε.

Η ανάλυση των υλικών στο μηχάνημα ‘σύγχροτρον’ στο Εθνικό Εργαστήριο “Λόρενς Μπέρκλεϊ” με τη βοήθεια της ειδικής φασματοσκοπικής τεχνικής Raman, αποκάλυψαν «διάφορα μεταλλικά στοιχεία και ιδιαίτερα αινιγματικές ακολουθίες κρυστάλλωσης σε μικροσκοπική κλίμακα», τονίζει η Τζάκσον.

Η ίδια εξηγεί πως σε προηγούμενες αναλύσεις είχαν διαπιστωθεί μέσα στον ασβεστόλιθο του μίγματος η παρουσία του τοβερμορίτη (ΣΣ ενός μεταλλικού παραπροϊόντος της ασβέστου, που σε φυσική μορφή έχει εντοπισθεί σε εκπομπές ηφαιστείων στην Ισλανδία και τεχνικά παράγεται από τον 19ο αιώνα) κατά την αντίδρασή της με το θαλασσινό νερό και τα ηφαιστειακά υλικά, παράγοντας θερμότητα.

Ωστόσο, η τωρινή φασματοσκόπηση αποκάλυψε κι άλλο ένα μυστικό του ρωμαϊκού τσιμέντου: «μελετώντας ξανά το σκυρόδεμα ανακάλυψα μεγάλο σχηματισμό τοβερμορίτη μέσα στον ιστό του τσιμέντου, συχνά σε συνδυασμό με φιλιπσίτη (ΣΣ ενός ζεόλιθου που απαντάται σε δευτερογενή ορυκτά σε κοιλότητες πυριγενών πετρωμάτων, π.χ. σε ηφαίστεια)».

Η ίδια τονίζει πως στον συνδυασμό αυτό αποκαλύφθηκε η νέα αντίδραση, που προσδίδει την ιδιαίτερη αυτή σκλήρυνση στο ρωμαϊκό τσιμέντο: «με τον καιρό, η κάθιση του θαλασσινού νερού στο σκυρόδεμα διέλυε τους ηφαιστειακούς κρυστάλλους και ύαλους, με τον τοβερμορίτη και τον φιλιπσίτη να παίρνουν τη θέση τους στη δομή».

Κατά την ίδια τα υλικά αυτά ενισχύουν το σκυρόδεμα, αποτρέποντας τη δημιουργία ‘σκασιμάτων’, με τη δομή του τσιμέντου να γίνεται πιο ανθεκτική όσο περνά ο καιρός, σε αντίθεση με τα σημερινά σκυροδέματα Πόρτλαντ, που δεν πρέπει να υφίστανται αλλαγές μετά την πήξη τους, με οποιαδήποτε δευτερεύουσα αντίδραση να τους προκαλεί βλάβες.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Μηχανικής Κατασκευών του Πολυτεχνείου της Βαλένθια Βίκτορ Γιέπες, «το ρωμαϊκό τσιμέντο ήταν καλύτερο από το σημερινό κακό σκυρόδεμα, αλλά όχι καλύτερο από το καλό τωρινό σκυρόδεμα». Η επαναστατικότητα της επινοητικότητας των Ρωμαίων, κατά τον ίδιον, έγκειται στο γεγονός ότι χρησιμοποιούσαν Πουζολανικά υλικά, φυσικά ηφαιστειακά υλικά, «που δεν απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα κατά την παρασκευή τους, σε αντίθεση με τα σημερινά». Η βιομηχανία σκυροδέματος είναι υπεύθυνη για το 5% των εκπομπών ρύπων CO2, μόλο που κατά τον κύκλο ζωής του σκυροδέματος μεγάλο μέρος από τις εκπομπές αυτές ανακτάται κατά τη διαδικασία ανθρακοποίησης που υφίστανται οι κατασκευές.

Εάν όμως η σύγχρονη τεχνολογία σκυροδέματος κατόρθωνε να επιτύχει την ‘κρύα επίτηξη’ του ρωμαϊκού τσιμέντου, η συμμετοχή της βιομηχανίας σκυροδέματος στο φαινόμενο της υπερθέρμανσης του πλανήτη θα μειωνόταν σημαντικά, τονίζει η Τζάκσον, που εργάζεται προς την κατεύθυνση αυτή με τη συμμετοχή του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.

Ωστόσο, ο δρόμος για την πρακτική εφαρμογή της ρωμαϊκής τεχνολογίας σκυροδέματος αναμένεται να είναι ακόμη μακρύς. Στα εργαστηριακά πειράματα εξομοίωσης της ρωμαϊκής μεθόδου, η Τζάκσον χρησιμοποίησε νερό από τον κόλπο του Σαν Φρανσίσκο και ηφαιστειακά υλικά από τις δυτικές ΗΠΑ, χωρίς όμως να επιτύχει τα ίδια χαρακτηριστικά με τα ρωμαϊκά τσιμέντα.

Κατά την Τζάκσον, μολονότι «η έρευνα δεν έχει επιλύσει τα ζητήματα της παρασκευής των πρώτων υλών και της μεθόδου παρασκευής τους», ωστόσο «ανοίγει νέους δρόμους για τον τρόπο κατασκευής του σκυροδέματος—το πώς αυτό που εμείς εννοούμε σήμερα ως διάβρωση μπορεί να ουσιαστικά να παράξει εξαιρετικά χρήσιμο ορυκτό τσιμέντο και να οδηγήσει στην διηνεκή αντοχή, ενισχύοντας ίσως την αντοχή του κατά την πορεία». «Η πρόκληση έγκειται στη χρήση κοινών ηφαιστειακών προϊόντων—κι αυτό κάνουμε τώρα», κατέληξε.

(Πηγή: http://www.kathimerini.gr/916953/article/epikairothta/episthmh/apokalyf8hke-to-mystiko-poy-ekane-monadiko-to-tsimento-ths-arxaias-rwmhs)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

Blog at WordPress.com.

Up ↑

%d bloggers like this: