مهندسی جاودان؛ چگونه بتن رومی پس از دوهزار سال هنوز پابرجا است؟

حدود دو هزار سال پس از اوج امپراتوری روم، برخی از بناهای آن هنوز استوار باقی مانده‌اند. این شگفتی‌های معماری، ازجمله پانتئون در رم، آباره‌‌های رومی (سازه هایی برای انتقال آب) در سگوبیا اسپانیا و حمام‌های رومی در انگلستان، به‌خوبی گذر زمان را تحمل کرده‌اند.

پایداری این بناها تا حد زیادی مرهون بتن رومی است. اما راز خاص بودن این بتن چیست؟ چه ویژگی‌هایی در این ماده وجود دارد که باعث شده سازه‌ها هزاران سال استوار باقی بمانند؟

پژوهشگران هنوز به طور کامل روش ساخت بتن رومی را کشف نکرده‌اند، اما به برخی سرنخ‌ها ازجمله ترکیبات آن و خاصیتی که باعث می‌شود بتن هنگام باران به‌صورت خودکار ترمیم شود، دست یافته‌اند.

بتن امروزی با سیمان یعنی پودر ریزی شروع می‌شود که هنگام ترکیب با آب، به خمیر تبدیل می‌شود. یکی از اجزای اصلی سیمان، سنگ آهک است که نوعی سنگ رسوبی بوده که عمدتا از کربنات کلسیم تشکیل شده است. کربنات کلسیم به‌طور معمول در مواد طبیعی مانند تخم‌مرغ و صدف‌های دریایی یافت می‌شود.

سنگ آهک با مواد دیگری مانند خاک رس مخلوط و سپس در کوره‌ای با دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا ماده‌ای به نام کلینکر تولید شود. کلینکر پس از آسیاب‌شدن همراه با برخی افزودنی‌ها به صورت پودر بسیار ریز درمی‌آید که همان سیمان است.

امروزه سیمان پرتلند پرکاربردترین نوع سیمان است. سمیه نصیری، استادیار مهندسی عمران و محیط‌زیست دانشگاه کالیفرنیا دیویس، می‌گوید عمر مفید سازه‌های ساخته‌شده با سیمان پرتلند بسته به شرایط محیطی بین ۷۵ تا ۱۰۰ سال است.

استفاده از موادی شبیه بتن، به بیش از ۸۵۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. مردم عصر سنگ در منطقه سوریه با روشن‌کردن آتش در آتشدان‌های خود، باعث گرم‌شدن سنگ‌های اطراف شدند و به‌طور اتفاقی آهک ساختند. این کار شبیه به فرایند مدرن تکلیس یا کشته‌سازی است که در تولید مواد ساختمانی به کار می‌رود.

بتن رومی ترکیبی بی‌نظیر بود که نتایجی شگفت‌انگیز به همراه داشت. کوین دیکوس، استادیار رشته مطالعات کلاسیک در دانشگاه اورگن، می‌گوید بتن پایه و اساس امپراتوری را شکل داد و رومی‌ها از قرن سوم پیش از میلاد به استفاده از این بتن پرداختند.

راز استحکام شگفت‌انگیز بتن رومی در ترکیب خاص مواد اولیه و شیوه‌ خاص اختلاط آن‌ها نهفته است. به‌گفته‌ی دیکوس، یکی از عوامل تحول‌آفرین در ساخت این بتن، استفاده از پوزولان یا نوعی خاکستر آتشفشانی بود. رومی‌ها از خاکستر آتشفشانی حاصل از میدان های آتشفشانی شهر پوتزولی در ایتالیا بهره می‌گرفتند و آن را به سراسر امپراتوری خود منتقل می‌کردند.

امروزه پوزولان به موادی مانند سنگ پامیس و خاکستر بادی اطلاق می‌شود که به‌عنوان محصول جانبی از احتراق زغال‌سنگ تولید می‌شود. ترکیباتی مانند سیلیس و آلومینا موجود در این خاکستر، با آهک و آب در دمای محیط وارد واکنشی موسوم به واکنش پوزولانی می‌شوند که نتیجه‌ی آن تولید بتنی مقاوم‌تر و بادوام‌تر است. پوزولان همچنین در ساخت سیمان هیدرولیکی به‌کار می‌رود که نوعی سیمان است که توانایی سخت‌شدن زیر آب را دارد.

یکی دیگر از اجزای اساسی در بتن رومی، تکه‌های کوچک آهک زنده است. این ذرات نقش کلیدی در خاصیت خودترمیمی بتن ایفا می‌کنند. با گذشت زمان، بتن درمعرض فرسایش قرار می‌گیرد و دچار ترک و ضعف می‌شود، اما زمانی که آب به درون این ترک‌ها نفوذ می‌کند و به تکه‌های کوچک آهک زنده می‌رسد، واکنش‌هایی شیمیایی آغاز و موجب ترمیم طبیعی و تدریجی سازه می‌شود.

زمانی که تکه‌های آهک با آب واکنش می‌دهند، کریستال‌هایی به نام کلسیت تشکیل می‌شود که به‌تدریج ترک‌ها را پر می‌کنند. به این ترتیب، بتن رومی قابلیت ترمیم خود را دارد. برای مثال، در آرامگاه دوهزار ساله کائسیلیا متلا در نزدیکی رم، ترک‌هایی مشاهده می‌شود که با بلورهای کلسیت پر شده‌اند. این موضوع نشان می‌دهد در برهه‌ای از زمان، آب به درون بتن نفوذ کرده و باعث فعال شدن فرآیند خودترمیمی آن شده است.

گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست در مطالعه‌ای که سال ۲۰۲۳ در نشریه Science Advances  منتشر شد، تاثیر تکه‌های آهک را در بتن رومی مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها با بهره‌گیری از میکروسکوپ الکترونی روبشی و تصویربرداری اشعه ایکس، ساختار بتن رومی را تحلیل کردند تا عوامل استحکام آن را شناسایی و فرایند ساخت آن را بهتر درک کنند.

پژوهشگران همچنان در حال بررسی بتن رومی هستند و در حال کشف روش‌هایی هستند که آن‌ها در ترکیب و آماده‌سازی مواد به‌کار می‌بردند.

در فرایند اختلاط فعلی سیمان پرتلند، امکان تشکیل تکه‌های آهک وجود ندارد. کلینکر تولید شده در کوره به صورت پودر بسیار ریز آسیاب می‌شود که تمامی تکه‌های احتمالی آهک را از بین می‌برد. در مقابل، زمانی که رومی‌ها احتمالا آهک زنده، خاکستر و آب را به‌صورت گرم مخلوط می‌کردند، این تکه‌ها به صورت «ذرات ریز و پراکنده در سیمان» باقی می‌ماندند.

اینکه رومی‌ها به تمام جزئیات هوشمندانه دستور ساخت سیمان خود آگاه بودند یا خیر، مشخص نیست؛ اما شکوه این ماده در دوام بی‌نظیر آن به‌وضوح نمایان است. حتی امروزه، لمس دیوار رومی تجربه‌ای استثنایی است. دیکوس می‌گوید: «این سازه دو هزار سال قدمت دارد و هنوز به سختی روز نخستش باقی مانده است.»