رومیان باستان استادان ساخت و ساز و مهندسی بودند و بسیاری از آثار آنها هنوز تا حد قابل توجهی باقی مانده است. این شگفتی ها هنوز بر اساس یک مصالح ساختمانی منحصر به فرد است: بتن پوزولانی. بتن بسیار بادوام که سازه های رومی را به طرز باورنکردنی محکم می کرد.
به گزارش فرادید، رومیان باستان استادان ساخت و ساز و مهندسی بودند، و این شگفتی های هنوز کارکردی بر یک ماده ساختمانی منحصر به فرد متکی بودند: بتن پوزولانی. بتن بسیار بادوام که سازه های رومی را به طرز باورنکردنی محکم می کرد.
حتی امروزه یکی از این سازه ها، پانتئون، هنوز دست نخورده باقی مانده و تقریباً 2000 سال قدمت دارد. این سازه رکورد بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح را در جهان دارد.
خارج از پانتئون در رم
خواص این بتن اغلب به مواد تشکیل دهنده آن نسبت داده می شود: بوزا (مخلوطی از خاکستر آتشفشانی) و آهک، نامگذاری شده از شهر ایتالیایی Pozzuoli، جایی که ذخایر قابل توجهی در آن یافت شد. هنگامی که این دو ماده با آب مخلوط می شوند، واکنش داده و بتن قوی تولید می کنند.
اما معلوم شد که این تمام ماجرا نیست. در سال 2023، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری موسسه فناوری ماساچوست (MIT) نه تنها متوجه شدند که مواد کمی متفاوت از آنچه تصور می‌کردیم، بلکه تکنیک‌های مورد استفاده برای مخلوط کردن آنها نیز متفاوت است.
اثبات قطعی، تکه های کوچک سفید آهک بود که در مخلوط بتن قابل مشاهده بود. وجود این خوشه ها قبلاً به مواد ضعیف یا اختلاط نسبت داده می شد، اما برای دانشمند مواد MIT، Admir Mazick، این منطقی نبود.
میزیک در ژانویه 2023 گفت: “همیشه از این ایده که وجود لیمو صرفاً به بی کیفیتی نسبت داده می شود، آزارم می داد.”
“اگر رومی‌ها تلاش زیادی برای ساختن یک مصالح ساختمانی خارق‌العاده انجام دادند و دقیقاً از تمام دستورالعمل‌های توسعه‌یافته در طول قرن‌ها پیروی کردند، چگونه اینقدر تلاش کم می‌کردند تا مطمئن شوند که محصول نهایی به خوبی مخلوط شده تولید می‌کنند؟ کل داستان.”
تیمی به رهبری Mizik و مهندس عمران MIT، لیندا سیمور، نمونه های 2000 ساله بتن رومی را که از سایت باستان شناسی Privernum در ایتالیا گرفته شده بود، به دقت بررسی کردند. این نمونه‌ها برای درک بهتر مقیاس، تحت میکروسکوپ الکترونی روبشی میدان وسیع و طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس، پراش پودر و تصویربرداری رامان کانفوکال قرار گرفتند.
یکی از سوالاتی که در ذهن وجود داشت کیفیت آهک استفاده شده بود. درک استاندارد ما از بتن پوزولانی استفاده از آهک کنده شده است. ابتدا سنگ آهک تا دمای بالا گرم می شود تا پودر سوزاننده بسیار واکنش پذیری به نام آهک زنده یا اکسید کلسیم تولید شود.
مخلوط کردن آهک زنده با آب، آهک زنده یا هیدروکسید کلسیم تولید می کند: خمیری کم واکنش و سوزاننده. این تئوری این است که رومیان باستان آهک زنده را با پوزولانا مخلوط کرده اند.
طاق بتنی باستانی در رم
بر اساس تجزیه و تحلیل این تیم، آهک‌های موجود در نمونه‌های آنها با این روش سازگار نبودند، اما بتن رومی احتمالاً با مخلوط کردن مستقیم آهک زنده با گچ و آب در دماهای بسیار بالا، به تنهایی یا به عنوان افزودنی به آهک خشک شده، ساخته شده است. تیم این کار را “اختلاط داغ” می نامد که منجر به تشکیل دانه های فلس می شود.
به گزارش میزیک، فواید اختلاط گرم دوچندان است.
اولاً، هنگامی که بتن سنگدانه تا دمای بالا گرم می شود، به ترکیبات شیمیایی اجازه می دهد که در غیر این صورت استفاده از آهک زنده به تنهایی امکان تشکیل ترکیبات مرتبط با دماهای بالا را ایجاد کند که در غیر این صورت تشکیل نمی شدند. همه واکنش‌ها تسریع می‌شوند و منجر به ساخت بسیار سریع‌تر می‌شوند.
و یک مزیت دیگر وجود دارد: دانه های آهک به بتن توانایی خود ترمیمی قابل توجهی می دهد.
هنگامی که یک ترک در بتن ایجاد می شود، ترجیحاً به سمت دانه های سنگ آهک حرکت می کند که سطح بالاتری نسبت به سایر ذرات ماتریس دارند. هنگامی که آب وارد شکاف می شود، با آهک واکنش داده و محلول غنی از کلسیم تشکیل می دهد که خشک می شود و به کربنات کلسیم تبدیل می شود و ترک را دوباره به هم می چسباند و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می کند.
این فرآیند در بتن محوطه 2000 ساله دیگری به نام مقبره Caecilia Metella نیز مشاهده شد که در آن ترک های بتن با کلسیت پر شده بود. شاید به همین دلیل است که بتن رومی دیوارهای دریا در 2000 سال پیش علیرغم تپش مداوم اقیانوس دست نخورده باقی مانده است.
این تیم یافته های خود را با ساخت بتن پوزولانی با استفاده از آهک زنده طبق قوانین باستانی و مدرن آزمایش کردند. آنها همچنین بتن کنترلی بدون آهک را ساختند و آزمایش ترک انجام دادند. البته بتن آهک زنده ترک خورده در عرض دو هفته به طور کامل ترمیم شد اما بتن شاهد ترک خورده باقی ماند.
این تیم اکنون در تلاش است تا بتن جدید را به عنوان جایگزینی سازگار با محیط زیست برای بتن موجود تجاری سازی کند.