Buduj lepiej: badacze badają starożytne cywilizacje, aby tworzyć trwalsze konstrukcje

Struktury zbudowane przez starożytne cywilizacje nadal stoją tysiące lat później. Czy mogą kryć tajemnice, które pomogą nam budować w sposób bardziej zrównoważony?

Piramidy w Egipcie, Koloseum w Rzymie, Wielki Mur Chiński – to tylko niektóre z cudów świata, które stoją od tysięcy lat. Prawdopodobnie pozostaną tam długo po tym, jak wszyscy będziemy martwi i pochowani.

Jeśli jednak przespacerujesz się po jakimkolwiek większym mieście na świecie, zobaczysz dziesiątki budynków, których koniec dobiega końca, podczas gdy niektórzy z ich architektów wciąż żyją. Beton, z którego składa się większość naszych nowoczesnych konstrukcji, ma żywotność zaledwie 50 do 100 lat.

Dlaczego więc wydaje się, że ludzie w przeszłości byli o wiele lepsi od nas w budowaniu rzeczy, które będą trwałe?

Naukowcy na całym świecie próbują odpowiedzieć na to pytanie, spoglądając w odległą przeszłość, aby wyciągnąć wnioski, które mogą pomóc nam lepiej budować w przyszłości.

Coraz większa liczba naukowców bada materiały z dawnych epok – odłupując fragmenty budynków, przeglądając teksty historyczne, mieszając naśladowcze przepisy – mając nadzieję odkryć, jak sprawdzają się one przez tysiąclecia.

Ich odkrycia były zaskakujące: w starych materiałach budowlanych – takich jak kora drzew, popiół wulkaniczny, ryż, piwo, a nawet mocz – znaleziono eklektyczną listę składników zmieszanych.

Choć wydaje się zabawne, te nieoczekiwane dodatki mogą okazać się kluczem do długowieczności starożytnych pomników, dając im zdolność do wzmacniania się z biegiem czasu, a nawet „leczenia” powstałych pęknięć.

Konsekwencje tych badań mogą być ogromne dla przyszłych budynków, zwłaszcza w obliczu coraz częstszych wezwań do tego, aby budownictwo stało się bardziej zrównoważone i przyjazne dla środowiska.

W niedawnym raporcie ONZ oszacowano, że środowisko zabudowane jest odpowiedzialne za ponad jedną trzecią globalnych emisji CO2, a produkcja cementu odpowiada za ponad 7 procent tej emisji.

„Jeśli poprawisz właściwości materiału, stosując… tradycyjne receptury Majów lub starożytnych Chińczyków, możesz wyprodukować materiał, który będzie można wykorzystać w nowoczesnym budownictwie w znacznie bardziej zrównoważony sposób” – powiedział Carlos Rodriguez-Navarro, specjalista ds. dziedzictwa kulturowego badacz na hiszpańskim uniwersytecie w Granadzie.

Myśląc o Cesarstwie Rzymskim (i jego betonie)

Wielu badaczy zwróciło się do Rzymian w poszukiwaniu inspiracji. Architekci Cesarstwa Rzymskiego rozpoczęli budowę imponujących konstrukcji betonowych około 200 roku p.n.e., z których wiele przetrwało próbę czasu.

Pomyśl o imponującej kopule Panteonu, która pozostaje największą na świecie kopułą z niezbrojonego betonu; lub solidne rzymskie akwedukty, które do dziś niosą wodę.

Nawet w portach, gdzie woda morska od wieków niszczy konstrukcje, beton jest „w zasadzie taki sam, jak wylewany 2000 lat temu” – powiedział John Oleson, archeolog z Uniwersytetu Wiktorii w Kanadzie.

Różnica między konstrukcjami rzymskimi a naszymi współczesnymi polega na składzie betonu, z którego są wykonane.

Większość nowoczesnych betonów zaczyna się od cementu portlandzkiego, proszku wytwarzanego przez ogrzewanie wapienia i gliny do bardzo wysokich temperatur i mielenie ich. Cement ten następnie miesza się z wodą, tworząc chemicznie reaktywną pastę. Dodaje się kawałki różnych materiałów, takich jak skały lub żwir, a zaczyn cementowy wiąże je w masę betonową.

Starożytne zapisy pokazują, że rzymski proces wytwarzania betonu był podobny – budowniczowie mieszali materiały, takie jak palony wapień i piasek wulkaniczny, z wodą i żwirem, tworząc reakcje chemiczne, które łączyły wszystko w całość.

Ale beton rzymski ma wyjątkową właściwość: z czasem może się naprawić.

Naukowcy zaczynają znajdować wskazówki, jak to możliwe – odpowiedź wyjaśniałaby, w jaki sposób rzymski beton przetrwał tysiące lat.

Inteligentny beton

Niedawne badania przeprowadzone przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) wykazały, że kawałki wapna dodane do rzymskiego betonu mogą wzmacniać zdolność materiału do „samoleczenia”. Wcześniej naukowcy uważali, że te kawałki – nabijane ćwiekami w rzymskim betonie – są oznaką, że Rzymianie nie mieszali wystarczająco dobrze swoich materiałów.

Admir Masic, inżynier budownictwa i środowiska w MIT, który kierował badaniem, wyjaśnił, że kiedy w rzymskim betonie tworzą się pęknięcia, woda przedostaje się do mieszanki i aktywuje resztki wapna, tworząc nowe reakcje chemiczne, które mogą wypełnić uszkodzone sekcje.

Inna teoria, opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Utah, głosi, że specyficzne materiały wulkaniczne, które Rzymianie dodali do betonu, pomagały mu się naprawić.

Geolog Marie Jackson, autorka raportu z Utah, stwierdziła, że ​​naturalnie reaktywne skały wulkaniczne, które budowniczowie zbierali po erupcjach, z czasem wchodzą w interakcję z elementami, pomagając betonowi uszczelnić wszelkie pęknięcia, które mogą się pojawić.

Zdolność do ciągłego dostosowywania się w miarę upływu czasu „jest prawdziwym geniuszem tego materiału” – powiedział Jackson. „Beton został tak dobrze zaprojektowany, że jest trwały”.

Sekretny składnik Majów: sok z dżungli

W Copan, miejscu Majów w Hondurasie, misterne rzeźby i świątynie z wapna pozostają nienaruszone nawet po ponad 1000 latach wystawienia na działanie gorącego i wilgotnego środowiska. Ostatnie badania sugerują, że sekret długowieczności tych konstrukcji może leżeć w drzewach rosnących wokół nich.

Naukowcy spotkali się z lokalnymi murarzami w Hondurasie, którzy prześledzili swoje pochodzenie aż do budowniczych Majów – zasugerowali użycie ekstraktów z lokalnych drzew chukum i jiote w mieszance limonki.

Naukowcy wypróbowali więc przepis: zebrali korę, włożyli kawałki do wody i dodali powstały „sok” z drzewa do materiału. Odkryli, że stworzony przez nich tynk był szczególnie odporny na uszkodzenia fizyczne i chemiczne.

Przyglądając się bliżej, badacze zdali sobie sprawę, że kawałki materii organicznej z soku drzewnego zostały włączone do struktury molekularnej tynku, naśladując silne naturalne substancje, takie jak muszle i kolce jeżowca.

Inne badania wykazały mnóstwo różnych naturalnych materiałów zmieszanych w starożytnych strukturach, w tym ekstrakty owocowe, mleko, twaróg serowy, piwo i płyny ustrojowe. Zaprawa, która podtrzymuje Wielki Mur Chiński i Zakazane Miasto, zawiera ślady skrobi z lepkiego ryżu.

Ewolucja drogą doboru naturalnego

Jeśli brzmi to przypadkowo, to dlatego, że w dużej mierze tak było. Cecilia Pesce, materiałoznawca z Uniwersytetu w Sheffield w Anglii, twierdzi, że starożytni budowniczowie dorzucali do swoich mieszanek niemal wszystko, pod warunkiem, że było tanie i dostępne.

„Mieli różne rzeczy na budowie” – powiedział Pesce. „A teraz mamy tylko te budynki, które przetrwały. Przypomina to proces doboru naturalnego”.

Jednak niektóre materiały wydają się być bardziej zamierzone – jak w Indiach, gdzie budowniczowie stworzyli mieszanki lokalnych materiałów, aby uzyskać różne właściwości w zależności od ich potrzeb.

Thirumalini Selvaraj, inżynier budownictwa i profesor w indyjskim Instytucie Technologii Vellore, odkrył, że w wilgotnych obszarach Indii budowniczowie używali lokalnych ziół, które pomagają budowlom radzić sobie z wilgocią. Wzdłuż wybrzeża dodano jaggery, nierafinowany cukier, który może pomóc chronić przed szkodliwym działaniem soli. Na obszarach o większym ryzyku trzęsienia ziemi użyto superlekkich „pływających cegieł” wykonanych z łusek ryżu.

„Znają region, znają stan gleby i znają klimat” – powiedział Selvaraj. „Więc konstruują materiał zgodnie z tym”.

Będąc w Rzymie, buduj jak Rzymianie?

Dzisiejsi budowniczowie nie mogą po prostu kopiować starożytnych przepisów. Chociaż rzymski beton wytrzymał długo, nie wytrzymał dużych obciążeń: „Z rzymskiego betonu nie można zbudować nowoczesnego drapacza chmur” – powiedział Oleson. – Zawaliłby się, kiedy doszedłbyś do trzeciego piętra.

Jednak badacze próbują przełożyć niektóre z tych starożytnych technik budowlanych na nasz współczesny język budownictwa, czerpiąc ze specjalności starożytnych materiałów i dodając je do nowoczesnych mieszanek.

Masic jest częścią startupu, którego celem jest budowanie nowych projektów z wykorzystaniem „samonaprawiającego się” betonu inspirowanego Rzymem. Jackson współpracuje z Korpusem Inżynierów Armii przy projektowaniu konstrukcji betonowych, które przetrwają wystawienie na działanie wody morskiej – podobnie jak te w rzymskich portach – w celu ochrony linii brzegowych przed podnoszącym się poziomem morza.

Zdaniem Masica nasze budynki nie muszą trwać tysiąclecia, tak jak budowali to Rzymianie. Ale jeśli wydłużymy żywotność naszego nowoczesnego betonu o 50 lub 100 lat, „w dłuższej perspektywie będziemy wymagać mniej wyburzeń, mniej konserwacji i mniej materiału”.