راز دوام دوهزاساله «بتن رومی» چیست؟

فرادید: رومیان باستان استادان ساخت و ساز و مهندسی بودند و آن شگفتی‌های همچنان کاربردی بر یک ماده ساختمانی منحصر به فرد متکی بودند: بتن پوزولانی؛ بتن فوق‌العاده بادوامی که موجب استحکام باورنکردنی سازه‌های رومی شده است.

حتی امروزه، یکی از آن سازه‌های یعنی پانتئون، هنوز دست نخورده و نزدیک به ۲۰۰۰ سال قدمت دارد. این سازه رکورد بزرگترین گنبد بتن غیرمسلح جهان را دارد.

خارج از پانتئون در رم

ویژگی‌های این بتن به طور کلی به مواد تشکیل‌دهنده آن نسبت داده می‌شود: پوزولانا (ترکیبی از خاکستر آتشفشانی) که نامش برگرفته از شهر ایتالیایی Pozzuoli است، جایی که ذخایر قابل‌توجهی از آن یافت می‌شود و آهک. وقتی این دو ماده با آب مخلوط شوند، برای تولید بتن قوی واکنش نشان می‌دهند.

اما کاشف به عمل آمد که این تمام ماجرا نیست. سال ۲۰۲۳، تیمی بین‌المللی از محققان به رهبری موسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافتند که نه تنها مواد کمی با تصورات ما فرق دارند، بلکه تکنیک‌های مخلوط کردن آن‌ها نیز متفاوت است.

مدرک قطعی تکه‌های کوچک و سفید آهک بودند که می‌توان آن‌ها را در مخلوط بتن دید. وجود این تکه‌ها قبلاً به مواد یا اختلاط ضعیف نسبت داده می‌شد، اما برای دانشمند مواد، اَدمیر مِیزیک از MIT، منطقی نبود.

میزیک در ژانویه ۲۰۲۳ گفت: «این ایده که وجود آهک‌ها صرفاً به کیفیت پایین نسبت داده میشد، همیشه مرا آزار می‌داد.»

«اگر رومی‌ها تلاش زیادی برای ساختن یک مصالح ساختمانی برجسته می‌کردند و از تمام دستورالعمل‌های دقیقی که در طول قرن‌ها بهینه‌سازی شده بودند پیروی می‌کردند، پس چطور برای اطمینان از تولید یک محصول نهایی خوب مخلوط‌شده تلاش کمی کردند؟ این نمی‌تواند تمام داستان باشد.»

میزیک و تیم به رهبری مهندس عمران MIT، لیندا سیمور، نمونه‌های ۲۰۰۰ ساله بتن رومی محوطه باستان‌شناسی پرایوِنِم (Privernum) در ایتالیا را با دقت بررسی کردند. این نمونه‌ها در معرض میکروسکوپ الکترونی اسکن مناطق بزرگ و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، پراش پودر و تصویربرداری رامان کانفوکال قرار گرفتند تا درک بهتری از آهک به دست آید.

یکی از پرسش‌هایی که در ذهن وجود داشت، ماهیت آهک بکاررفته بود. درک استاندارد ما از بتن پوزولانی اینست که در آن از آهک شکفته استفاده می‌شود. نخست، سنگ آهک در دماهای بالا گرم می‌شود تا پودر سوزاننده بسیار واکنش‌پذیری به نام آهک زنده یا اکسید کلسیم تولید شود.

مخلوط کردن آهک زنده با آب سبب تولید آهک شکفته یا هیدروکسید کلسیم می‌شود: خمیری با واکنش‌پذیری و سوزآوری کمتر. بر اساس تئوری، این آهک شکفته بود که رومیان باستان با پوزولانا مخلوط می‌کردند.

طاق بتنی باستانی در رم

بر اساس آنالیز این تیم، آهک‌های موجود در نمونه‌های آن‌ها با این روش سازگاری ندارند، بلکه بتن رومی احتمالاً از مخلوط کردن مستقیم آهک زنده با پوزولانا و آب در دمای بسیار بالا، به خودی خود یا علاوه بر آهک شکفته ساخته شده است، فرآیندی که تیم آن را «اختلاط داغ» می‌نامد که منجر به ایجاد دانه‌های آهک می‌شود.

به گفته میزیک، فواید اختلاط گرم دوچندان است.

«نخست، وقتی بتن کلی تا دماهای بالا گرم می‌شود، به ترکیبات شیمیایی که اگر فقط از آهک شکفته استفاده شود امکان‌پذیر نیستند، اجازه می‌دهد ترکیبات مرتبط با دمای بالا تولید کنند که در غیر این صورت تشکیل نمی‌شدند. دوم، این افزایش دما زمان عمل آوردن و گیرش را به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد زیرا همه واکنش‌ها شتاب گرفته‌اند و امکان ساخت بسیار سریعتر فراهم می‌شود.»

و فایده‌ی دیگری هم دارد: دانه‌های آهکی به بتن توانایی خوددرمانی قابل‌توجه می‌دهند.

وقتی در بتن ترک ایجاد می‌شود، ترجیحاً به سمت دانه‌های آهکی می‌رود که مساحت سطح بالاتری نسبت به سایر ذرات ماتریس دارند. وقتی آب به شکاف نفوذ می‌کند، با آهک واکنش نشان می‌دهد و محلولی غنی از کلسیم تشکیل می‌دهد که خشک می‌شود و به صورت کربنات کلسیم سخت می‌شود، ترک را دوباره به هم می‌چسباند و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می‌کند.

این فرایند در بتن محوطه ۲۰۰۰ساله دیگری به نام مقبره کِیسیلیا مِتِلا هم مشاهده شده که در آن، شکاف‌های درون بتن با کلسیت پر شدند. این می‌تواند دلیل دست‌نخورده ماندن بتن رومی دیوارهای دریایی ۲۰۰۰ سال پیش، با وجود ضربات مداوم اقیانوس باشد.

بنابراین، تیم یافته‌هایشان را با ساخت بتن پوزولانی طبق دستورالعمل‌های قدیمی و مدرن با استفاده از آهک زنده آزمایش کردند. آن‌ها یک بتن کنترلی بدون آهک زنده هم ساختند و آزمایشات ترک را انجام دادند. مطمئناً بتن آهک زنده ترک‌خورده ظرف دو هفته به طور کامل ترمیم شد، اما بتن کنترلی ترک خورده ماند.

این تیم اکنون در حال کار روی تجاری‌سازی بتن جدید به عنوان جایگزینی سازگار با محیط زیست برای بتن‌های فعلی است.