کشف راز استحکام شگفتانگیز بتن رومی در توالت ۱۹۰۰ ساله
بتن یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی جهان است؛ اما دوام آن همواره یکی از بزرگترین چالشهای مهندسان بوده است. درحالیکه سازههایی مانند پانتئون، کولوسئوم و بندرهای باستانی روم پس از نزدیک به دو هزار سال پابرجا ماندهاند، بسیاری از سازههای بتنی مدرن پس از چند دهه به تعمیرات اساسی نیاز پیدا میکنند. اکنون پژوهشی تازه، یکی از مهمترین رازهای این دوام خارقالعاده را آشکار کرده است.
پژوهشگران با بررسی بقایای یک سرویس بهداشتی عمومی در ویلای هادریان در شهر تیولی ایتالیا، نشان دادهاند که بتن رومی حتی قرنها پس از ساخت نیز به تکامل خود ادامه میدهد. نمونه مورد مطالعه از دیوارهای یک سرویس بهداشتی عمومی متعلق به سده دوم میلادی به دست آمده است که بخشی از مجموعه بزرگ ویلای امپراتور هادریان بود.
به گفته پژوهشگران، توالت مورد بررسی مزیت مهمی داشت: برخلاف بسیاری از آثار تاریخی، درطول قرنها تقریباً هیچگاه مرمت نشده بود. در نتیجه، بتن آن بدون دخالت انسان نزدیک به ۱۹۰۰ سال در معرض فرآیندهای طبیعی قرار داشت.
شبکهای از بلورهای کلسیت در طول زمان منافذ و ترکهای بتن را پر کرده و اجزای آن را به هم متصل میکند
پائولو مونتیرو، استاد مهندسی عمران دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و نویسنده ارشد پژوهش، میگوید این سرویس بهداشتی عملاً آزمایشی را اجرا کرده که هیچ دانشمندی نمیتوانست آن را از ابتدا طراحی کند؛ آزمایشی که نزدیک به دو هزار سال طول کشیده است.
دانشمندان از سالها پیش میدانند رومیها برای ساخت بتن از ترکیب آهک و خاکستر آتشفشانی استفاده میکردند. این ترکیب باعث آغاز واکنشهای معدنی میشد که حتی پس از پایان ساختوساز نیز ادامه پیدا میکرد.
در پژوهشی که سال ۲۰۲۳ منتشر شد، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست پیشنهاد کردند تکههای سفیدرنگ آهکی موجود در بتن، که زمانی نشانه مخلوطنشدن کامل مصالح تصور میشدند، درواقع نقش مهمی در ترمیم خودکار ترکهای بتن دارند. هنگامی که آب وارد ترکها میشود، کلسیم موجود در این تکهها حل شده و دوباره به شکل کربنات کلسیم یا کلسیت متبلور میشود و شکافها را پر میکند.
- کارگاه ساختمانی بهجامانده در پمپئی راز ساخت بتن رومی را فاش کرد20 آذر 04مطالعه '2
- مهندسی جاودان؛ چگونه بتن رومی پس از دوهزار سال هنوز پابرجا است؟01 خرداد 04مطالعه '5
پژوهش جدید با استفاده از تصویربرداری پرتو ایکس با وضوح بسیار بالا، میکروسکوپ الکترونی و آنالیزهای شیمیایی، ساختار داخلی بتن را تا مقیاس چند ده نانومتر بررسی کرد. به گزارش ساینتیفیک آمریکن، نتایج نشان داد دیاکسیدکربن موجود در هوا درطول قرنها به آرامی وارد بتن شده و با ترکیبات غنی از کلسیم واکنش داده است. حاصل این فرآیند، تشکیل شبکهای درهمتنیده از بلورهای کلسیت است که منافذ بتن را پر و اجزای آن را به یکدیگر متصل میکند و در نتیجه، استحکام سازه را افزایش میدهد.
پیشتر احتمال داده میشد کلسیت در دوام بتن رومی نقش داشته باشد؛ اما این نخستین بار است که دانشمندان توانستهاند با چنین دقتی ببینند این بلورها دقیقاً چگونه اجزای بتن را به هم متصل میکنند.
گرچه یافتههای جدید میتواند به طراحی بتنهای بادوامتر کمک کند، انتقال این فناوری به دنیای امروز چندان ساده نیست.
یکی از تفاوتهای اساسی این است که بتن مدرن معمولاً با میلگردهای فولادی مسلح میشود. در بتن امروزی، ورود دیاکسیدکربن به داخل بتن بهتدریج اسیدیته آن را کاهش میدهد و محافظت طبیعی فولاد در برابر زنگزدگی را از بین میبرد. همین فرایند درنهایت به خوردگی میلگردها و تضعیف سازه منجر میشود. درمقابل، بتن رومی فاقد میلگردهای فولادی بود و تشکیل کلسیت میتوانست بدون ایجاد چنین مشکلی به افزایش دوام آن کمک کند.
راز ماندگاری برخی سازههای رومی فقط به مواد اولیه محدود نمیشود، بلکه به تغییرات شیمیایی مربوط است که قرنها پس از ساخت ادامه پیدا میکنند
پژوهش از جنبه زیستمحیطی نیز اهمیت دارد. صنعت سیمان امروزه حدود ۸ درصد از انتشار جهانی دیاکسیدکربن را به خود اختصاص میدهد و پژوهشگران به دنبال روشهایی هستند که بتوانند بخشی از این گاز را درون مصالح ساختمانی به شکل مواد معدنی پایدار ذخیره کنند.
بااینحال، پژوهشگران هشدار میدهند نباید انتظار داشت فرآیندی که در بتن رومی درطول چندین قرن رخ داده است، بتواند بهسرعت به راهکاری برای مقابله با تغییرات اقلیمی تبدیل شود. به گفته آنها، چالش اصلی مهندسان آینده ایجاد تعادل میان دوام بیشتر سازهها و کاهش اثرات زیستمحیطی تولید بتن خواهد بود.
پژوهش در ژورنال Science Advances منتشر شده است.