راز ایستادگی هزاران ساله این سازه‌های شگفت‌انگیز چیست؟

رومیان باستان در مهندسی و ساخت‌وساز مهارت زیادی داشتند و شاید مشهورترین مثال این توانایی، قنات‌های آنان باشد. این شاهکارهای هنوز فعال، به ماده‌ای ساختاری متکی‌اند: بتن پوزولانی، بتنی بسیار بادوام که به سازه‌های رومی قدرت فوق‌العاده‌ای می‌داد.

حتی امروز، یکی از این سازه‌ها پانتئون در شهر رم، که تقریبا برای ۲ هزار سال است دست‌نخورده باقی مانده همچنان رکورد بزرگ‌ترین گنبد بتنی را در جهان دارد. خواص و راز این بتن به‌طور کلی در ترکیبات آن نهفته است: پوزولانا، مخلوطی از خاکستر آتشفشانی که نامش از شهر پوتزولی ایتالیا گرفته شده، و آهک. هنگامی که این دو ماده با آب ترکیب می‌شوند بتن بسیار مستحکمی را ایجاد می‌کنند.

اما این تمام ماجرا نیست. در سال ۲۰۲۳، یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران به رهبری مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافت که نه تنها مواد سازنده این بتن کمی متفاوت از تصورات پیشین بوده‌، بلکه روش‌های ترکیب آن‌ها نیز متفاوت بوده است.

رد پاهای این تفاوت در تکه‌های کوچک سفید آهک یافت شد که به نظر می‌رسید در بتنی که ظاهرا خوب مخلوط شده، وجود دارند. پیش‌تر وجود این تکه‌ها به کیفیت پایین مخلوط یا مواد نسبت داده می‌شد، اما این فرضیه برای دانشمند علم مواد، ادمیر ماسیک از MIT منطقی نبود.

ماسیک در این خصوص می‌گوید: «این تصور که وجود این کلاسه‌های آهکی تنها به دلیل کنترل کیفی ضعیف بوده همیشه من را به فکر فرو می‌برد. اگر رومیان این‌همه تلاش کردند که ماده‌ای ساختاری برجسته بسازند و تمام دستورالعمل‌های دقیق را که در طول چند قرن بهینه‌سازی شده بود دنبال کردند، چرا باید در تولید محصول نهایی مخلوط‌شده این‌قدر کم‌توجه باشند؟ قطعاً پیچیدگی بیشتری پشت این ایده وجود داشته است.»

ماسیک و تیم، به سرپرستی مهندس عمران MIT، لیندا سیمور، نمونه‌های ۲۰۰۰ ساله بتن رومی از محوطه باستانی پرایورنو در ایتالیا را با دقت مطالعه کردند. آنها این نمونه‌ها را با اسکن ویژه و طیف‌سنجی اشعه ایکس توزیعی و نیز «پراش اشعه ایکس پودری» و تصویربرداری رامان کنفوکال بررسی کردند تا شناخت بیشتری از تکه‌های آهک به دست آورند.

یکی از سوالات مورد نظر، ماهیت آهک استفاده‌شده بود. درک استاندارد از بتن پوزولانی این است که در ساخت آن از آهک آب‌دیده استفاده می‌شود. ابتدا سنگ آهک در دمای بالا گرم می‌شود تا پودری بسیار واکنش‌پذیر به نام آهک زنده یا اکسید کلسیم تولید شود.

ترکیب آهک زنده با آب، آهک آب‌دیده یا هیدروکسید کلسیم را تولید می‌کند که خمیری کمی کم‌واکنش‌تر و کمتر خورنده است. نظریه رایج این است که این آهک آب‌دیده بود که رومیان باستان با پوزولانا مخلوط می‌کردند.

بر اساس تحلیل تیم پژوهشی، تکه‌های آهک موجود در نمونه‌های بتن رومی با این روش معمولا سازگار نیستند. به‌جای آن، احتمالا بتن رومی با مخلوط کردن آهک زنده به‌صورت مستقیم با پوزولانا و آب، در دماهای بسیار بالا تولید می‌شده است؛ روشی که تیم آن را «مخلوط‌کردن داغ» می‌نامد و موجب شکل‌گیری تکه‌های آهک می‌شود.

ماسیک درباره‌ی مزایای این فرآیند می‌گوید: «اول، هنگامی که کل بتن به دمای بالا می‌رسد، باعث واکنش‌هایی می‌شود که با استفاده از آهک آب‌دیده امکان‌پذیر نیست و منجر به تولید ترکیباتی می‌شود که فقط در دماهای بالا شکل می‌گیرند. دوم، این دمای بالاتر به‌شدت زمان سفت‌شدن و گیرایی بتن را کاهش می‌دهد و امکان ساخت‌وساز سریع‌تر را فراهم می‌کند.»

این روش یک مزیت دیگر نیز دارد: تکه‌های آهک به بتن خاصیت خود ترمیمی فوق‌العاده‌ای می‌دهند. زمانی که ترک‌هایی در بتن ایجاد می‌شود، این ترک‌ها به سمت تکه‌های آهک حرکت می‌کنند که سطح بیشتری نسبت به دیگر ذرات در ساختار بتن دارند. هنگامی که آب وارد ترک می‌شود در تماس با آهک واکنشی صورت گرفته و یک محلول غنی از کلسیم ایجاد می‌کند که خشک شده و به‌صورت کربنات کلسیم سفت می‌شود و ترک را به هم چسبانده و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می‌کند.

این خاصیت خودترمیمی در بتن یکی دیگر از سازه‌های ۲ ichv ساله، یعنی آرامگاه «کاسیلیا متلا»، مشاهده شده است که در آن ترک‌ها با کلسیت پر شده‌اند. این خاصیت همچنین می‌تواند توضیح دهد که چرا بتن رومی در دیوارهای دریایی ساخته‌شده در ۲ هزار سال پیش، با وجود فرسایش مداوم آب دریا، همچنان پابرجاست.

تیم پژوهشی برای آزمایش این یافته‌ها، بتن پوزولانی را با استفاده از آهک زنده و همچنین طبق دستورالعمل‌های قدیمی و جدید ساختند و یک نمونه کنترل‌شده بدون آهک زنده تولید کردند. آن‌ها آزمایش‌های ترک‌سنجی روی بتن‌ها انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بتن دارای آهک زنده در طی دو هفته به‌طور کامل ترک‌ها را ترمیم می‌کند اما در دیگر بتن ترک‌ها همچنان باقی می‌مانند.

تیم پژوهشی اکنون در حال کار روی تجاری‌سازی این بتن به‌عنوان جایگزینی زیست‌محیطی برای بتن‌های امروزی است.

ماسیک می‌گوید: «فکر کردن به اینکه این فرمول‌های بتنی بادوام‌تر می‌تواند نه تنها طول عمر این مواد را افزایش دهد، بلکه دوام فرمول‌های بتنی چاپ سه‌بعدی را نیز بهبود ببخشد، هیجان‌انگیز است.»

منبع: یورونیوز