Samantekt:

Steinsteypa er mest notaða byggingarefni í heiminum. Hún hefur mikinn styrk og þolir vel utanaðkomandi áhrif. Mikilvægasti eiginleiki steinsteypunnar er ending hennar. Ending nútíma steinsteypu (Portlandsement-steypa) er oft aðeins áætluð um ein öld. Steisteypa nútímans virðist aftur á móti ekki standa undir nafni. Hérlendis sem og erlendis eru steypuskemmdir vel þekkt vandamál. Nýjasta dæmið eru breskir skólar, sem hrundu, ástæðan notkun gassteypu í stað hefðbundinnar steypu. 

Hér á landi er mikið vandamál vegna raka og húsamyglu og virðist það einnig vera helst í skólum landsins. Vandamálin virðast það mikil að oft þarf að rífa byggingar niður. Það er að vonum að þeir sem reyna að leysa vandamál tengd steypuskemmdum líti til fornra mannvirkja gerða úr frumstæðri steinsteypu, sem standa enn og sinna tilgangi sínum. Rómverjar tóku sér mjög langan tíma við gerð og niðurlagningu steypunnar, þá tók við endurnýjun steypunnar, sem tók langan tíma. Nútíma steypugerð byggist aftur á móti mjög á hraða og hagræðingu þ.e. hraðri niðurlagningu hennar og hörðnun. Þannig virðist ekki nóg að stefna að endurgerð rómversku steypunnar til að auka endingu hennar á okkar tímum. 

Rannsóknir eru hafnar hjá Berkley-stofnuninni í Kaliforníu á rómversku steypunni (heimildir: Guðmundur Guðmundsson, Sementsiðnaður á Íslandi í 50 ár. Ritröð VFÍ nr. 5, 2008, sjá einnig hér) í því skyni að komast að orsökum hinnar löngu endingu hennar. Rannsóknir hjá Massachuttes Institut of Technology, MIT hafa líka gefið hugmyndir um það, af hverju sjávarmannvirki úr frumstæðri steinsteypu við Napólíflóann á Ítalíu hafa þolað áraun sjávar í 2000 ár og standa enn. Leyndardómur þessarar góðu endingar virðist liggja í efnahvörfum, þar sem ál hefur komið að hluta í stað kísils í kristalgrind bindiefnisins. Komið er í grein þessari inn á efnafræði ólífrænna bindiefna sérstaklega sements og saga sementsins frá upphafi í Rómaveldi rakin. Fleiri þekktar vísindastofnanir í Bandaríkjunum svo sem MIT og Harvard-háskólinn hafa bæst í hópinn með Berkley og hafa bent á annað atriði en útskiptingu áls í kristalbyggingunni , sem gæti hafa stuðlað að svo mikilli endingu steinsteypu fornrómverja. Þar virðist um að ræða kalkmylsnu (brennt kalk. CaO), sem á löngum tíma viðheldur efnaferlinu, nokkurs konar endurmyndun eða sjálfviðhald (e. self healing) steypunnar. Þá hafa þessar stofnanir hafið skoðun á möguleikum á að nýta þessar rannsóknaniðurstöður til að bæta eiginleika nútíma steypu í framtíðinni. Þar sem rómverska steinsteypan aftur á móti byggist svo mjög á brenndu kalki, sem er einmitt aðalorsök hins mikla magns koldíoxíðs, sem myndast við hörðnun hennar, svo og framleiðsluhraðinn, má búast við að aðrar nýjar aðferðir til steypugerðar verði taldar hagstæðari. Má þar nefna sem dæmi jarðsteypu (geoconcrete) þar sem kalk er ekki hráefni.

Rannsóknirnar í Bandaríkjunum á endingu rómversku steypunnar eru gott dæmi um hvernig standa á að slíkum rannsóknum. Rannsaka sýni úr mannvirkjum sem þegar hafa orðið fyrir utanaðkomandi eyðandi áhrifum. Þar má minna á rannsóknir Steinsteypunefndar hjá Rannsóknastofnun byggingaiðnarins á áttunda og níunda áratug síðustu aldar. Því miður var þessum rannsóknum hætt of snemma og byggingarannsóknir á vegum hins opinbera lagðar niður. 

Byggingatækni Forn Rómverja:

Fornar bækur eru til um byggingatækni Rómverja. Má þar nefna bækur eftir tvo vísindamenn þeirra tíma. Annar var Gaius Plinus Secundus eldri, náttúrufræðingur sem fórst í Vesuvius-gosinu 79 e.Kr, hinn var Markus Vitrius Pollio arkitekt og verkfræðingur.

Í þessum heimildum kemur fram að rómverska steypan samanstóð úr þrem þáttum: kalkhydrati þ.e. brennt kalk + vatn, possólanefnum úr næsta eldfjalli og hnefastórum steinum. Ef þessum þrem efnum var blandað saman á svipaðan hátt og nútíma steypa er gerð og komið fyrir í mannvirkjum, hefði sú steypa ekki staðist svo lengi tímans tönn og raun ber vitni. Þá vaknar spurningin: Hvernig tókst fornrómverjum að gera svo endingargóða steypu? Í bók sinni segir Markus Vitrius Pollio um rómversku steypuna um 30 e.Kr.: „Rómverjar geta gert steypu fyrir neðansjávar mannvirki, sem hvorki öldur né vatnsþrýstingur fær grandað.“ Hin 2000 ára mannvirki frá þessum tíma staðfesta þetta.

Pantheon hofið, innri hluti og hvolfþakið

Þekktust þessara mannvirkja eru rómversku böðin, Coliseum, hofið Pantheon í Róm og Pont du Gard- vatnsleiðslan í Frakklandi. Sérstaklega má hér nefna Pantheon ,mannvirki sem frá byggingatæknilegu sjónarmiði ber af fornum mannvirkjum og hefur staðist veðrun og önnur utanaðkomandi niðurbrjótandi áhrif með ágætum. Segja má að þetta mannvirki hafi borið af nútíma byggingum, ekki aðeins hvað varðar útlitsfegurð heldur eru t.d. engin steypujárn í steypunni, sem talin eru í dag nauðsynleg til að styrkja nútíma steypumannvirki. Lýsing á þessari stóru hringlaga byggingu segir mikið til um snilld og þekkingu þeirra sem hana byggðu. Hvolfið er rúmir 43 metrar í þvermál og í því miðju er op um 6 metrar í þvermál. 

Napolíflóinn þar sem sementsmúr var þróaður í fornöld.

Nútíma efnafræði skýrir þessa miklu endingu gróflega þannig, að efnaskipti urðu milli efnanna í veggnum, kísilsýru (ásamt litlu magni af járn- og alúminíumoxíði) og kalkgrautsins (brennt kalk og vatn). Síðar uppgötvaðist að með því að blanda fínmalaðri eldfjallaösku eða brenndum leir saman við kalkgrautinn myndaðist efni, sem var miklu sterkara og endingarbetra en leir eða kalk eitt sér (possólan efnaferli). Þessi steypublanda var nefnd „opus cementitium“ og varð forveri þess sem í dag er nefnt sement.

Ekki er vitað hvernig steypan í hvolfþaki Panteon var samsett en talið er að hún hafi verið gerð úr kalki og léttri gosösku með vikri sem fylliefni. Þá létti gerð hvolfþaksins með hinni öskjulaga lögun þyngd hennnar mikið. Verkfræðingar nútímans telja þó, að hvolfþak með þessari lögun gert úr venjulegri nútíma ójárnbentri steinsteypu myndi ekki standa undir eigin þyngd. Hinn mikli togstyrkur rómönsku steypunnar virðist m.a. stafa af því hvernig hún var lögð niður. Sennilega var hún lögð niður í litlu magni í senn og barin saman með sérstökum hnöllum til að minnka í henni loft og vatn. Þetta gaf þurran og þéttan steypumassa, sem hafði gott togþol. Neðst í hvolfinu var steypuþykktin mest en þynntist eftir því sem ofar dró. Þannig tókst byggingarmeisturum í Róm að byggja þetta hvolfþak, sem nútíma verkfræðingar undrast að hafi getað haldist uppi í 2000 ár.

Uppruni ólífrænna bindiefna:

Sement er aðalefnið sem fellur undir skilgreininguna „ólífræn byggingarefni“. Mikilvægustu grunnefni þess eru kvarts, kalksteinn, leir og gips. Öll þessi efni hafa myndast við veðrun á frumbergi. Frumberg er bergmassi sem myndaðist á yfirborði jarðar við kólnun og kristöllun á fljótandi bráðinu við myndun hennar (t.d.eldgos). Þetta ysta lag jarðmöttulsins er um 16 km þykkt. Frumbergið er um 95% af ysta lagi jarðarinnar, afgangurinn 5% eru efni sem hafa orðið til við veðrunina. 

Frumbergið samanstendur af kvartsi (SiO2), samböndum þess við áloxíð (Al2O3), t.d. álsiliköt svo sem feldspat, oxíð kalsíums og magnesíums (CaO og MgO) ásamt oxíðum alkalímálma (Na2O og K2O). Frumbergið hafði eftir hitabreytingar orðið lausara í sér og þá gátu sýrur, sem fyrir hendi voru í frumandrúmsloftinu (saltsýra, brennisteinssýra og kolsýra), myndað vatnsleysanleg sölt með alkalímálmum (natríum- og, kalíumsölt) en kalsíum og magnesíum-samböndin, sem voru torleysanlegri, gengu í samband við kolsýruna og mynduðu karbónöt, kalksteinn CaCO3, Magnesít, MgCO3 og dólómít (CaCO3 + MgCO3). Brennisteinssýran breytti svo kalk- og magnesíumsamböndum í gips (CaSO4) og magnesíumsúlfat (MgSO4). Torleysanlegu söltin eru jafnan nefnd áfoksefni (sediment t.d. kalksteinn, CaCO3) og öll þessi efni mynda jarðlög, þar sem hægt er að vinna þau og nýta. Sementsframleiðsla byggist á notkun þessara efnaflokka, sérstaklega þeirra sem innihalda kalksambönd annars vegar og kísilsambönd (álsiliköt) hins vegar.

Sement:

Almenn skilgreining á efninu „sement“ er bindiefni sem getur límt saman fast efni og gert það að hörðum massa. Sement er framleitt með fínmölun á sementsgjalli, sem fæst við brennslu við um 1500° C hita á sementshráefnum, sem innihalda aðallega kalk og kísil en einnig minna magn af járni og áli. Sé sementið blandað vatni myndast leðjukennt efni svonefnd sementsefja. Sementsefjan harðnar bæði í lofti og undir vatni. Sement er aðallega notað ásamt með möl og sandi sem bindiefni í steinsteypu og múr.

Nafnið sement er upprunið hjá Rómverjum til forna. Þeir nefndu steyptar byggingar, sem gerðar voru úr brotnum steinum, með kalki sem bindiefni „opus caementitium“. Síðar þegar Rómverjar fóru að blanda brennt kalk með muldum tígulsteini og eldfjallaösku til að fá vatnsbindandi bindiefni (þ.e. bindiefni sem hörðnuðu undir vatni) voru viðbótarefnin nefnd cementum, cimentum, cäment eða cement. 

Eins og þegar kom fram uppgötvuðu Rómverjar að ef þeir blönduðu kísilsýruríkum efnum í kalkmúrinn varð hann sterkari og harðnaði jafnvel undir vatni. Var þar bæði um að ræða brenndan leir og gosösku. Ef kalksteinninn var með óhreinindi af þessum efnum við brennslu myndaðist vatnsbindandi efni auk brennda kalksins sem binst í lofti. Sama gerðist ef kísilefnum var beinlínis blandað saman við gerð kalkmúrs. Var íblöndunarefnið þá nefnt possólanefni eftir þorpi nálægt Napólí á Ítalíu sem heitir nú Pozzuoli en Puteoli á dögum Rómverja. Þannig blanda var notuð í mörg mikilvægustu mannvirki Rómverja svo sem rómversku böðin, Coliseum og Pantheon í Róm og Pont du Gard vatnsleiðsluna í Suður Frakklandi. Vítrúvíus talaði um 2 hluta possólanefna (álsiliköt) á móti 1 hluta af kalki í bindiefnið. Dýrafita, mjólk og blóð var notað í múrinn sem hjálparefni, þau juku þjálni og þéttleika steypunnar. Og þessi mannvirki standa enn í dag.

Hin eiginlega saga sementsins hefst á öldunum kring um Kristsburð eða 300 árum f.Kr. til 476 e.Kr. Heimildir tveggja vísindamanna á fyrstu öld e.Kr. gefa góðar upplýsingar um þróunina á notkun sements í Rómarveldi á þessum tíma. Annar þessara vísindamanna var Gaius Plinus Secundus eða Plinus eldri (23-79 e.Kr.) sem var rómverskur náttúrufræðingur og embættismaður. Hann skrifaði alfræðiritið „Naturalis Historia“ 77 e.Kr., náttúrufræði í 37 bindum. Plinus fórst í Vesuvíusgosinu 79 e.Kr. Hinn vísindamaðurinn var Markús Vítrúvíus Pollíó, rómverskur arkitekt og verkfræðingur sem skrifaði 10 bækur um byggingarlist (De architectura libri decem) sem er eina varðveitta ritverk sinnar tegundar úr fornöld. 

Þó að þekkingin á gerð vatnsbindandi múrs og steypu Forn Rómverja væri svo vel varðveitt með ritun bóka var notkun hennar aðallega bundin við eldgosasvæði Miðjarðarhafsins. Þegar menningin jókst norðar í Evrópu og byggingarlist þróaðist þar týndist þekkingin smám saman. Ástæðan var helst skortur á heppilegum steinefnum með possólan eiginleika svo og að lestur bóka á latínu var lítt stundaður hjá byggingarmönnum miðalda. Rómverski múrinn féll smám saman í gleymsku og það er ekki fyrr en upp úr 1800, sem farið er að brenna og nota nútíma sement í steinsteypu. Var það fyrst aðallega notað í Bretlandi við vitabyggingar og önnur sjávarmannvirki og nefnt Portlandsement, þar sem það þótt hafa álíka styrk og hörðnun og klettar á kalksteinseyjunni Portland við suður England. 

Fornrómverska steinsteypan:

Sérstakt teymi undir forystu Paulo Monteiro frá Lawrence Berkley rannsóknastofnun Orkumálastofnunar Bandaríkjanna og Háskólanum í Berkley í Kaliforníu rannsökuðu sýni úr steinsteypu, sem tekin var úr 2000 ára gömlum rómverskum sjávarmannvirkjum í því skyni að ákvarða hvers vegna hún væri svo endingarmikil og hversu framleiðsla hennar var umhverfisvænni en nú þekkist. Einnig að gera sér grein fyrir hvernig mætti nýta þessa kosti við nútíma steypugerð. Portlandsementið sem er aðalbindiefnið í dag er mjög orkufrekt í framleiðslu og myndar mikið koldíoxíð. Rómverjar notuðu 10% minna sement í steypuna, sem framleitt var við 30% lægri hita en nútíma sement. Einn af meðlimum teymisins var dr. Marie D. Jackson bygginga- og umhverfisverkfræðingur við Berkley-háskólann. Hún meðhöndlaði sýni úr neðarsjávarsteypu frá hafnarmannvirkjum við Pozzuoli flóann (Baianus Sinus) nærri Napólí. Rannsóknarhópurinn komst að því, að samsetning ál-tobermorits í þessari fornrómversku steypu hefur sjaldgæft álríkt en silisíum lágt hlutfall miðað við það sem þekkist t.d.á jarðhitasvæðum. 

Vísindamenn Berkley stofnunarinnar töldu eftir rannsóknir sínar að rómverska steypan væri samsett af blöndu af kalki og gosösku. Í blönduna voru settir um 10 cm stórir zeólít-hnullungar og allt hrært saman við sjó. Öll blandan, gosefni, kalk og sjór, hvarfaðist saman og myndaði hálfkristallað kalsíum-alúminíum-silikat-hydrat ( C-A-S-H ) bindiefni, blandað umbreyttum vikur-og glerafgöngum í flóknum sementsgrunni sem inniheldur 11 Å ( Angström = tíu-miljónasti hluti millimeters ), alúminíumtobermorít þar sem Al3+ kemur í stað Si4+ í silikattetraedernum.

Hér kemur Al3+ í stað Si4+ í silikattetraedernum í ál-tobermoriti

Við hörðnun hefðbundinnar steypu myndast kalsíumsilikat steindir, sem hafa mikinn styrk sem efnafræðilega er framsettar í efnajöfnu:

2 (3 CaO ⋅ SiO2) + 7 H2O 🡪 3 CaO ⋅ 2 SiO2 ⋅ 4 H2O + 3 Ca(OH)2

Kalsíumsilikat hvarfast við vatn og myndar steindina kalsíumtrisilikat 3 CaO ⋅ 2 SiO2 oft nefnt kalsíumtrisilikat skammstafað C3S. Þessi kristalbygging er sú sama og kristalbygging hins náttúrulega steinefnis tobermorits. Sérstakt er að ál-tobermorit fornrómversku steypunnar finnst ekki í náttúrunni utan sýnis sem íslenskir vísindaenn náðu í Surtseyjargosinu.

Rannsóknir síðustu ára:

Við fyrrnefndar vísindastofnanir í Bandaríkjunum: Berkley, MIT og Harward hefur svo rannsóknum á samsetningu og endingu rómversku steypunnar verið fram haldið. Sérstaklega hefur komið betur í ljós þýðing kalkmylsnunnar á endingu steypunnar. Marie D. Jackson hefur leitt rannsóknirnar hjá Berkley og sendi hún frá sér yfirlit um þær árið 2018.  

Forn rómversk steinsteypa er sementsbundið efni, sem nær árþúsunda efnislegum og mekanískum styrk og endingu. Þessi sérstaka ending stafar af heppilegu langtíma þoli gegn efnaáhrifum og lokun örsprungna af völdum sjálfmyndaðra sementsteinda. Bein hliðstæða fyrir svona aðstæður er Surtsey, einangruð basalteyja sem myndaðist í eldgosi við suðurströnd Íslands á árunum 1963-1967. Borkjarnar sem síðar voru teknir úr enn heitu hrauninu þar, 1979 og 2017 sýndu myndun á svona sementsteindum vegna hagstæðs niðurbrots á basaltgleri og lífrænna áhrifa umhverfisins yfir og undir sjávaryfirborðinu. Þessi eftir-possólaníski efnaferill á einnig vissa hliðstæðu í nútíma alkalí-örvuðu bindiefni eða jarðsementi (geocement). 

Steypa til fornaSmásjármynd af frumefnasamsetningu á sýnikorni , sem Masic fékk af fornrómverkskri steinsteypu úr fornleifarannsókn frá ítölsku borginni Priverna, sem var eytt á 4. öld fyrir Kristburð. Á myndinni er kalsíum rautt, silicium er blátt, ál er grænt. Kalsíumrík steinmylsna (rauð á myndinni) sést vel á neðri hluta myndarinnar. Hún er orsökin fyrir hinum einstaka sjálfendunýjanlega eiginleika þessar fornu steinsteypu.

Hjá MIT stofnuninni vann hópur sérfræðinga að þessum rannsóknum og var aðal vísindamaðurinn Adimir Masic. Hann tekur fram að fornrómversk steypa hefur staðist tímans tönn, en tæknileg innsýn á endingu hennar er þó enn nokkur ráðgáta. Notaðar voru margs konar aðferðir til þess að rannsaka forna kalkmylnslu sem kemur oft fyrir í fornrómverkum múrblöndum. Þannig veita þessar rannsóknir nýja innsýn í samsetningu múrblandnanna og veita sannanir um að rómverjar framleiddu blöndur með því að nota brennt kalk eða réttara sagt vatnsblandað kalk til þess að mynda aðstæður, þar sem kalkmylsna með stóru yfirborði er fyrir hendi innan múrblöndunnar. 

Með tilliti til þessa má ímynda sér að gróf kalkíblöndunin virki sem öryggisgeymsla til að fylla til lengri tíma upp í blöðrur eða örsprungur eða sem hluti af eftirpossólanísku efnaferli í bindiefninu. Með tilraun á nútíma kalkmylsnu í sementsblöndu má sýna að hún ræður yfir „sjálflagfærandi“ eiginleikum og þar með þróunarmöguleika á endingarbetri og sjálfbærri steinsteypu.