Beton roman

Betonul roman, numit și opus caementicium, a fost folosit în construcții în Roma Antică. La fel ca echivalentul său modern, betonul roman se bazează pe un ciment hidraulic cu priză adăugat la un agregat.
Multe clădiri și structuri încă în picioare astăzi, cum ar fi poduri, rezervoare și apeducte, au fost construite cu acest material, demonstrând versatilitatea și durabilitatea lui. Rezistența se datorează și adăugării de cenușă vulcanică de Pozzuoli, acolo unde era disponibilă (în special în Golful Napoli), ceea ce a împiedicat lărgirea fisurilor. Cercetări recente au arătat că încorporarea conglomeratelor de var a permis betonului să-și repare singur fisurile.
Betonul roman a fost utilizat pe scară largă (construcții civile ale plebei, administrative, militare etc) începând cu anul 150 î.Hr.; în timp ce unii cercetători cred că a fost dezvoltat cu un secol înainte ca acest lucru să se întâmple.
A fost folosit frecvent în combinație cu fațade și alte suporturi, iar interioarele au fost decorate în continuare cu stuc, picturi în frescă sau marmură colorată. Alte dezvoltări inovatoare ale materialului, ca parte a așa-numitei revoluții a betonului, au dus la forme structural complicate, cum ar fi cupola Panteonului, cea mai mare și mai veche cupolă din beton nearmat din lume.
Diferă de betonul modern prin faptul că agregatele includ adesea componente mai mari și, prin urmare, a fost așezat mai degrabă decât turnat. Betoanele romane, ca orice beton/ciment hidraulic, puteau fi așezate și sub apă, ceea ce era util pentru poduri și alte construcții pe malul apei.
Vitruviu, scriind în jurul anului 25 î.Hr. în Despre arhitectură (De architectura), a clasificat tipurile de materiale adecvate pentru prepararea mortarelor de var. Pentru mortarele structurale, el a recomandat puzzolana (pulvis puteolanus în latină), nisipul vulcanic din Pozzuoli, care este de culoare maro-gălbui-gri în acea zonă din jurul lui Napoli și maro-roșcat lângă Roma. Vitruviu a specificat un raport de 1 parte var la 3 părți cenușă puzzolană pentru mortarul utilizat în clădiri și un raport de 1:2 pentru lucrări subacvatice.
Romanii au folosit pentru prima dată betonul hidraulic în structurile subacvatice de coastă, probabil în porturile din jurul Baiei, înainte de sfârșitul secolului al II-lea î.Hr. Portul Cezareea este un exemplu (22-15 î.Hr.) de utilizare a tehnologiei betonului roman subacvatic pe scară largă.
Pentru reconstrucția Romei după incendiul din 64 d.Hr. care a distrus porțiuni mari din oraș, noul cod de construcție al lui Nero a cerut în mare parte folosirea de beton cu cărămidă. Acest lucru pare să fi încurajat dezvoltarea industriei cărămizii și betonului.
Betonul roman, ca orice beton, este format dintr-un agregat și mortar hidraulic, un liant amestecat cu apă care se întărește în timp. Agregatul a variat și a inclus bucăți de rocă, țiglă ceramică, roci clastice de var și moloz de cărămidă din rămășițele clădirilor demolate anterior. La Roma, tuful ușor disponibil a fost adesea folosit ca agregat.
Gipsul și varul nestins au fost folosite ca lianți. Prafurile vulcanice, numite puzzolană sau „nisip de groapă”, erau folosite acolo unde erau disponibile. Puzzolana face betonul mai rezistent la apa sărată decât betonul modern. Mortarul puzolanic a avut un conținut ridicat de alumină și siliciu.
Cercetări recente (2023) au arătat că conglomeratele de var, considerate anterior un semn al unei tehnici slabe de agregare, reacționează cu apa care se infiltrează în orice fisuri care apar și, astfel, furnizează calciu reactiv pentru a permite formarea și resigilarea fisurilor cu noi cristale de carbonat de calciu. Aceste conglomerate de var au o structură fragilă care a fost cel mai probabil creată într-o tehnică de „amestecare la cald” cu var neted, mai degrabă decât cu var stins tradițional, determinând ca fisurile să se deplaseze în mod preferențial prin conglomerate de var, jucând astfel potențial un rol critic în mecanismul de auto-reparare.
Betonul, și în special, mortarul hidraulic responsabil de coeziunea sa, era un tip de ceramică structurală a cărei utilitate derivă în mare parte din plasticitatea sa reologică în stare de pastă. Priza și întărirea cimenturilor hidraulice a derivat din hidratarea materialelor și interacțiunea chimică și fizică ulterioară a acestor produse de hidratare. Aceasta diferă de așezarea mortarelor de var stins, cele mai comune cimenturi din lumea pre-romană. Odată întărit, betonul roman a prezentat o plasticitate redusă, deși a păstrat o oarecare rezistență la solicitările de tracțiune.
Întărirea cimenturilor puzzolanice are multe în comun cu priza omologul lor modern, cimentul Portland. Compoziția ridicată de siliciu a conglomeratelor puzzolane romane este foarte apropiată de cea a cimentului modern la care s-a adăugat zgură de furnal, cenușă zburătoare (de ardere) sau fum de siliciu.
Rezistența și longevitatea betonului roman „marin” sunt date de o reacție benefică a apei de mare cu un amestec de cenușă vulcanică și var nestins pentru a crea un cristal rar numit tobermorit, care poate rezista la fracturare. Pe măsură ce apa de mare s-a infiltrat în micile crăpături din betonul roman, a reacționat cu filipsitul găsit în mod natural în roca vulcanică și a creat cristale de tobermorit aluminoase. Rezultatul este un candidat pentru „cel mai durabil material de construcție din istoria omenirii”. În schimb, betonul modern expus apei sărate se deteriorează în câteva decenii.
Betonul roman de la Mormântul Caeciliei Metella are o variație mai mare în potasiu care a declanșat schimbări care „întăresc zonele dintre fațade și pot contribui la îmbunătățirea performanței mecanice”.
Pentru un mediu predispus la cutremure precum Peninsula Italiană, întreruperile și construcțiile interioare din ziduri și cupole au creat discontinuități în masa de beton. Porțiuni din clădire s-ar putea deplasa apoi ușor atunci când a existat o mișcare a pământului pentru a face față unor astfel de solicitări, sporind rezistența generală a structurii. În acest sens, cărămizile și betonul erau flexibile. Este posibil ca, tocmai din acest motiv, deși multe clădiri au suferit crăpături serioase din diverse cauze, ele continuă să rămână în picioare până în prezent.
O altă tehnologie folosită pentru a îmbunătăți rezistența și stabilitatea betonului a fost gradarea acestuia în cupole. Un exemplu este Panteonul, unde agregatul regiunii superioare a domului constă din straturi alternative de tuf ușor și piatră ponce, dând betonului o densitate de 1.350 kilograme pe metru cub (84 lb/cu ft). Fundația structurii a folosit ca agregat travertin, având o densitate mult mai mare de 2.200 kilograme pe metru cub (140 lb/cu ft).
Studii științifice din 2010 despre betonul roman au atras atenția mass-mediei și a industriei. Datorită durabilității sale neobișnuite, longevității și amprentei reduse asupra mediului, corporațiile și municipalitățile încep să exploreze utilizarea betonului în stil roman (și) în America de Nord, înlocuind cenușa vulcanică cu cenușă zburătoare de cărbune care are proprietăți similare. Susținătorii susțin că betonul făcut cu cenușă zburătoare poate costa cu până la 60% mai puțin, deoarece necesită mai puțin ciment și are o amprentă mai mică asupra mediului datorită temperaturii mai scăzute de producție și duratei de viață mult mai lungi. Exemple utilizabile de beton roman expus la medii marine dure s-au descoperit a fi vechi de 2000 de ani, cu uzură mică sau deloc.
În 2013, Universitatea Berkeley din California a publicat un articol care a descris pentru prima dată mecanismul prin care compusul extrem de stabil de calciu-aluminiu-silicat-hidrat leagă materialul. În timpul producției sale, mai puțin dioxid de carbon este eliberat în atmosferă față de orice proces modern de producție de beton. Dezavantajele sale includ timpi de uscare mai mari și rezistența oarecum mai mică decât a betonului modern, în ciuda durabilității sale mai mari. Nu întâmplător pereții clădirilor romane sunt mai groși decât cei ai clădirilor moderne. Cu toate acestea, betonul roman devine mult mai rezistent după câteva decenii de la finalizarea construcției, ceea ce nu este cazul betonurilor moderne (care uneori nici nu rezistă mai multe decenii).