بتن پوزولانی، راز ایستادگی هزاران ساله سازه‌های شگفت‌انگیز رومیان باستان

رومیان باستان در مهندسی و ساخت و ساز بسیار ماهر بودند و شاید معروف ترین نمونه این توانایی قنات های آنها باشد. این شاهکارهای هنوز فعال بر یک ماده ساختاری متکی هستند: بتن پوزولانی، بتن بسیار بادوام که به سازه های رومی استحکام فوق العاده ای بخشیده است.

حتی امروزه یکی از این سازه ها، پانتئون در رم که نزدیک به ۲۰۰۰ سال دست نخورده باقی مانده است، همچنان رکورد بزرگترین گنبد بتنی جهان را در اختیار دارد. خواص و راز این بتن به طور کلی در مواد تشکیل دهنده آن نهفته است: پوزولانا، مخلوطی از خاکستر آتشفشانی که به نام شهر ایتالیایی پوزولی نامگذاری شده است، و آهک. هنگامی که این دو ماده با آب ترکیب می شوند، بتن بسیار قوی ایجاد می کنند.

اما این تمام ماجرا نیست. در سال ۲۰۲۳، یک تیم بین المللی از محققان به رهبری موسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافتند که نه تنها مواد تشکیل دهنده این بتن اندکی با آنچه قبلا تصور می شد متفاوت است، بلکه روش های اختلاط آنها نیز متفاوت است.

ردپایی از این تفاوت در تکه های کوچک سفید آهک یافت شد که به نظر می رسید در بتن ظاهراً مخلوط شده وجود داشته باشد. قبلاً وجود این ورقه‌ها به کیفیت پایین مخلوط یا ماده نسبت داده می‌شد، اما این فرضیه برای دانشمند مواد، Admir Masic از MIT منطقی نبود.

ماسیک در این باره می گوید: “این تصور که وجود این طبقات سنگ آهک فقط به دلیل کنترل کیفیت ضعیف است، همیشه مرا به فکر فرو می برد. اگر رومی ها برای ایجاد یک ماده سازه ای برجسته تلاش زیادی کردند و تمام دستورالعمل های دقیقی را که قبلاً انجام شده بود رعایت کردند. پس از گذشت قرن‌ها، چرا باید در تولید محصول نهایی تا این حد بی‌احتیاط باشند.

Masik و تیم به رهبری مهندس عمران MIT، لیندا سیمور، نمونه های ۲۰۰۰ ساله بتن رومی را از محوطه باستانی Praiorno در ایتالیا به دقت مورد مطالعه قرار دادند. آنها این نمونه ها را با اسکن ویژه و طیف سنجی پراکنده اشعه ایکس، و همچنین “پراش اشعه ایکس پودری” و تصویربرداری هم کانونی رامان بررسی کردند تا درک بهتری از قطعات سنگ آهک به دست آورند.

یکی از سوالات مربوط به ماهیت آهک مورد استفاده بود. درک استاندارد بتن پوزولانی این است که در ساخت آن از آهک کنده استفاده شده است. ابتدا سنگ آهک در دمای بالا حرارت داده می شود تا پودر بسیار واکنش پذیری به نام آهک زنده یا اکسید کلسیم تولید شود.

ترکیب آهک زنده با آب باعث تولید آهک خشک یا هیدروکسید کلسیم می شود که خمیر کمی واکنش پذیرتر و کمتر خورنده است. یک نظریه رایج این است که رومیان باستان آهک را با پوزولانا مخلوط کرده اند.

بر اساس تجزیه و تحلیل تیم تحقیقاتی، قطعات آهک در نمونه های بتن رومی معمولاً با این روش سازگاری ندارند. در عوض، بتن رومی احتمالاً با اختلاط مستقیم آهک زنده با پوزولانا و آب در دماهای بسیار بالا تولید شده است. روشی که تیم آن را «اختلاط داغ» می‌نامد، باعث تشکیل تکه‌های آهک می‌شود.

ماسیک درباره مزایای این فرآیند می گوید: اول اینکه وقتی کل بتن به دمای بالایی می رسد، واکنش هایی را ایجاد می کند که با استفاده از آهک کنده شده امکان پذیر نیست و منجر به تولید ترکیباتی می شود که فقط در دمای بالا تشکیل می شوند. ثانیاً، این دمای بالاتر زمان گیرش و گیرش بتن را تا حد زیادی کاهش می دهد و امکان ساخت سریعتر را فراهم می کند.

این روش مزیت دیگری نیز دارد: قطعات آهک خاصیت خود ترمیمی فوق العاده ای به بتن می دهند. هنگامی که ترک در بتن ایجاد می شود، این ترک ها به سمت ذرات آهک حرکت می کنند که سطح بیشتری نسبت به سایر ذرات در سازه بتنی دارند. هنگامی که آب وارد ترک می شود، با آهک واکنش می دهد و محلولی غنی از کلسیم ایجاد می کند که خشک شده و به کربنات کلسیم تبدیل می شود که ترک را به هم متصل می کند و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می کند.

این خاصیت خود ترمیم شوندگی در بتن سازه ۲ سال قدمت دیگری به نام مقبره Cacilia Metla مشاهده شده است که در آن شکاف ها با کلسیت پر شده است. این ویژگی همچنین می تواند توضیح دهد که چرا بتن رومی در دیوارهای دریا که ۲۰۰۰ سال پیش ساخته شده اند، با وجود فرسایش مداوم آب دریا هنوز پابرجاست.

برای آزمایش این یافته‌ها، تیم تحقیقاتی بتن پوزولانی را با استفاده از آهک زنده و همچنین بر اساس دستورالعمل‌های قدیمی و جدید ساختند و نمونه کنترلی بدون آهک زنده تولید کردند. آنها آزمایش‌های اندازه‌گیری ترک را روی بتن انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بتن با آهک زنده ترک‌ها را در عرض دو هفته کاملاً ترمیم کرد، اما ترک‌ها در بتن‌های دیگر باقی ماند.

تیم تحقیقاتی اکنون در حال کار بر روی تجاری سازی این بتن به عنوان جایگزینی سازگار با محیط زیست برای بتن امروزی است.

Masik می‌گوید: «این هیجان‌انگیز است که فکر کنیم این فرمول‌های بتن با دوام‌تر نه تنها می‌توانند طول عمر این مواد را افزایش دهند، بلکه دوام فرمول‌های بتن پرینت سه بعدی را نیز بهبود می‌بخشند».

منبع: یورونیوز