پژوهشگران راز دوام بتن روم باستان را کشف کردند

رومیان باستان استاد ساخت‌وساز و مهندسی بودند و شاید مشهورترین بناهای آن‌ها قنات‌های رومی باشد. این شگفتی‌ها که کارآیی خود را همچنان حفظ کرده‌اند، بر ماده ساختمانی منحصر‌به‌فردی به نام «بتن پوزولانی» متکی هستند. بتن پوزولانی بتن بسیار بادوامی است که به سازه‌های رومی مقاومت باورنکردنی آن‌ها را بخشیده است.

حتی امروزه، یکی از سازه‌های رومیان باستان یعنی پانتئون همچنان سالم است. این بنا که حدود ۲۰۰۰ سال قدمت دارد، بزرگ‌ترین گنبد جهان است که از بتن غیرمسلح ساخته شده است.

به‌طور‌کلی، خواص بتن بادوام رومی به مواد تشکیل‌دهنده‌ی آن یعنی پوزولان نسبت داده شده است. پوزولان ترکیبی از آهک و خاکستر آتشفشانی است. نام این ماده برگرفته از «پوزولی» شهری در ایتالیا است که در آن ذخایر قابل‌توجهی از این گونه خاکستر آتشفشانی یافت می‌شود. وقتی آهک و خاکستر آتشفشانی با آب مخلوط می‌شوند، می‌توانند واکنش دهند و بتنی قوی تولید کنند.

اما به‌تازگی مشخص شده است، این تمام ماجرا نیست. به گزارش ساینس آلرت، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی موسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافتند که علاوه بر اینکه مواد مذکور از چیزی که قبلا تصور می‌شد، قدری متفاوت هستند، بلکه روش مورد استفاده برای مخلوط کردن آن‌ها نیز متفاوت بوده است. مدرک این موضوع تکه‌های کوچک آهک سفیدرنگی است که می‌توان آن‌ها را در بتنی پیدا کرد که به‌نظر می‌رسد صرف‌نظر از این تکه‌ها، به‌خوبی مخلوط شده است.

وجود تکه‌های آهکی در بتن رومی قبلا به مخلوط کردن ضعیف مواد نسبت داده می‌شد، اما این موضوع برای ادمیر ماسیک، دانشمند علم مواد موسسه فناوری ماساچوست معقول به‌نظر نمی‌رسید. ماسیک می‌گوید: «این موضوع که وجود این آهک‌ها به کنترل کیفیت پایین نسبت داده می‌شد، همیشه مرا آزار می‌داد. اگر رومی‌ها با پیروی از دستورالعمل‌های دقیقی که در طول چندین قرن بهینه شده بود، تلاش زیادی برای ساخت مصالح ساختمانی ممتاز انجام می‌دادند، چرا برای اینکه محصول نهایی به خوبی مخلوط شود، زیاد تلاش نمی‌کردند؟ باید مسأله دیگری در بین باشد.»

ماسیک و تیم پژوهشی به رهبری لیندا سیمور، مهندس عمران از موسسه فناوری ماساچوست نمونه‌های دو هزار ساله بتن رومی را از محوطه باستان‌شناسی در پریورنو ایتالیا به دقت مورد مطالعه قرار دادند. پژوهشگران از میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، پراش پودر و تصویربرداری رامان کانفوکال استفاده کردند تا درک بهتری از اجزای آهکی این بتن به دست آورند.

یکی از سؤالات پژوهشگران ماهیت آهکی بود که استفاده شده بود. تصور رایج این بوده است که برای تولید بتن پوزولانی از آهک آبدیده استفاده می‌شود. طبق این روش، ابتدا سنگ آهک در دمای بالا قرار می‌گیرد تا پودر سورآوز بسیار واکنش‌پذیری به نام آهک زنده یا کلسیم اکسید تولید شود.

حاصل مخلوط کردن آهک زنده با آب، آهک آبدیده یا کلسیم هیدروکسید است: خمیری با واکنش‌پذیری و سوزآوری کمتر. طبق تئوری رایج، رومیان آهک آبدیده را با پوزولان ترکیب می‌کردند.

براساس تجزیه‌و‌تحلیل پژوهشگران، تکه‌های آهک موجود در نمونه‌های آن‌ها با روش فرضی سازگار نیست. درعوض، بتن رومی‌ها احتمالا با مخلوط کردن آهک زنده به‌طور مستقیم با پوزولان و آب در دمای بسیار بالا، به‌تنهایی یا به اضافه آهک آبدیده تولید شده است. پژوهشگران این فرایند را «اختلاط داغ» می‌خوانند که به تشکیل تکه‌های آهک منجر می‌شود. ماسیک می گوید: «مزیت‌های اختلاط داغ، مضاعف است. اول اینکه وقتی بتن خیلی داغ می‌شود، امکان واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌شود که اگر فقط از آهک آبدیده استفاده کنید، امکا‌ن‌پذیر نیست و ترکیبات مرتبط با دمای بالا را تولید می‌کند که در غیر‌این‌صورت تشکیل نمی‌شوند. دوم، دمای بالا به میزان قابل‌توجهی زمان عمل‌آوری و گیرش را کاهش می‌دهد، زیرا تمام واکنش‌ها تسریع می‌شوند و امکان ساخت‌وساز سریع‌تر فراهم می‌شود.»

روش مذکور برای تولید بتن فایده‌ی دیگری نیز دارد: تکه‌های آهک به بتن توانایی ترمیم خود را می‌دهند. وقتی بتن ترک می‌خورد، ترک‌ها به سمت تکه‌های آهکی حرکت می‌کنند که نسبت‌به سایر ذرات موجود در ترکیب سطح بزرگ‌تری دارند. وقتی آب وارد ترک می‌شود، با آهک واکنش می‌دهد و مایع غنی از کلسیمی را تشکیل می‌دهد که به شکل کلسیم‌کربنات خشک و سفت می‌شود و ترک را ترمیم می‌کند و از گسترش بیشتر آن پیشگیری می‌کند.

این مسأله در بتن محوطه ۲۰۰۰ ساله دیگری به نام «مقبره سیسیلیا متلا» مشاهده شده است که در آن شکاف‌های درون بتن با کلسیت پر شده است. این موضوع همچنین می‌تواند توضیح دهد که چرا بتن دیوارهای دریایی که دو هزار سال پیش به‌وسیله‌ی رومیان ساخته شده است، علی‌رغم برخورد مداوم آب اقیانوس سالم مانده است.

تیم یافته‌های خود را با ساخت بتن پوزولانی طبق دستورالعمل‌های باستانی و مدرن با استفاده از آهک زنده آزمایش کرد. آن‌ها همچین بتن شاهد بدون آهک زنده‌ای را تولید کردند و آزمایش‌های ترک را انجام دادند. مطابق انتظار، بتن ترک ‌خورده‌ای که از آهک زنده ساخته شده بود، در عرض دو هفته کاملا ترمیم شد اما بتن شاهد، ترک‌خورده باقی ماند.

پژوهشگران اکنون درحال تجاری‌سازی بتن خود به‌عنوان جایگزینی با سازگاری زیست‌محیطی بیشتر برای بتن‌های فعلی هستند. ماسیک می‌گوید: «فکر کردن دراین‌باره هیجان‌انگیز است که چگونه این فرمولاسیون‌های بتن بادوام‌تر می‌تواند عمر مفید این مواد را افزایش دهد، اما موضوع جذاب دیگر این است که این روش چگونه می‌تواند دوام فرمولاسیون‌های چاپ سه‌بعدی را نیز بهبود دهد.»

این پژوهش در مجله‌ی Science Advances منتشر شده است.