بتن باستانی، راز ایستادگی بزرگترین گنبد بتنی تاریخ / عکس

به گزارش زندگانی حتی امروز یکی از این سازه ها پانتئون در شهر رم که تقریبا برای ۲ هزار سال است دست نخورده باقی مانده همچنان رکورد بزرگ ترین گنبد بتنی را در جهان دارد. خواص و راز این بتن به طور کلی در ترکیبات آن نهفته است: پوزولانا مخلوطی از خاکستر آتشفشانی که نامش از شهر پوتزولی ایتالیا گرفته شده و آهک. هنگامی که این دو ماده با آب ترکیب می شوند بتن بسیار مستحکمی را ایجاد می کنند.

اما این تمام ماجرا نیست. در سال ۲۰۲۳ یک تیم بین المللی از پژوهشگران به رهبری مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافت که نه تنها مواد سازنده این بتن کمی متفاوت از تصورات پیشین بوده بلکه روش های ترکیب آن ها نیز متفاوت بوده است.

به نقل از یورونیوز رد پاهای این تفاوت در تکه های کوچک سفید آهک یافت شد که به نظر می رسید در بتنی که ظاهرا خوب مخلوط شده وجود دارند. پیش تر وجود این تکه ها به کیفیت پایین مخلوط یا مواد نسبت داده می شد اما این فرضیه برای دانشمند علم مواد ادمیر ماسیک از MIT منطقی نبود.

ماسیک در این خصوص می گوید: «این تصور که وجود این کلاسه های آهکی تنها به دلیل کنترل کیفی ضعیف بوده همیشه من را به فکر فرو می برد. اگر رومیان این همه تلاش کردند که ماده ای ساختاری برجسته بسازند و تمام دستورالعمل های دقیق را که در طول چند قرن بهینه سازی شده بود دنبال کردند چرا باید در تولید محصول نهایی مخلوط شده این قدر کم توجه باشند؟ قطعاً پیچیدگی بیشتری پشت این ایده وجود داشته است.»

ماسیک و تیم به سرپرستی مهندس عمران MIT لیندا سیمور نمونه های ۲۰۰۰ ساله بتن رومی از محوطه باستانی پرایورنو در ایتالیا را با دقت مطالعه کردند. آنها این نمونه ها را با اسکن ویژه و طیف سنجی اشعه ایکس توزیعی و نیز «پراش اشعه ایکس پودری» و تصویربرداری رامان کنفوکال بررسی کردند تا شناخت بیشتری از تکه های آهک به دست آورند.

یکی از سوالات مورد نظر ماهیت آهک استفاده شده بود. درک استاندارد از بتن پوزولانی این است که در ساخت آن از آهک آب دیده استفاده می شود. ابتدا سنگ آهک در دمای بالا گرم می شود تا پودری بسیار واکنش پذیر به نام آهک زنده یا اکسید کلسیم تولید شود.

ترکیب آهک زنده با آب آهک آب دیده یا هیدروکسید کلسیم را تولید می کند که خمیری کمی کم واکنش تر و کمتر خورنده است. نظریه رایج این است که این آهک آب دیده بود که رومیان باستان با پوزولانا مخلوط می کردند.

بر اساس تحلیل تیم پژوهشی تکه های آهک موجود در نمونه های بتن رومی با این روش معمولا سازگار نیستند. به جای آن احتمالا بتن رومی با مخلوط کردن آهک زنده به صورت مستقیم با پوزولانا و آب در دماهای بسیار بالا تولید می شده است؛ روشی که تیم آن را «مخلوط کردن داغ» می نامد و موجب شکل گیری تکه های آهک می شود.

ماسیک درباره ی مزایای این فرآیند می گوید: «اول هنگامی که کل بتن به دمای بالا می رسد باعث واکنش هایی می شود که با استفاده از آهک آب دیده امکان پذیر نیست و منجر به تولید ترکیباتی می شود که فقط در دماهای بالا شکل می گیرند. دوم این دمای بالاتر به شدت زمان سفت شدن و گیرایی بتن را کاهش می دهد و امکان ساخت وساز سریع تر را فراهم می کند.»

این روش یک مزیت دیگر نیز دارد: تکه های آهک به بتن خاصیت خود ترمیمی فوق العاده ای می دهند. زمانی که ترک هایی در بتن ایجاد می شود این ترک ها به سمت تکه های آهک حرکت می کنند که سطح بیشتری نسبت به دیگر ذرات در ساختار بتن دارند. هنگامی که آب وارد ترک می شود در تماس با آهک واکنشی صورت گرفته و یک محلول غنی از کلسیم ایجاد می کند که خشک شده و به صورت کربنات کلسیم سفت می شود و ترک را به هم چسبانده و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می کند.

این خاصیت خودترمیمی در بتن یکی دیگر از سازه های 2 ichv ساله یعنی آرامگاه «کاسیلیا متلا» مشاهده شده است که در آن ترک ها با کلسیت پر شده اند. این خاصیت همچنین می تواند توضیح دهد که چرا بتن رومی در دیوارهای دریایی ساخته شده در ۲ هزار سال پیش با وجود فرسایش مداوم آب دریا همچنان پابرجاست.

تیم پژوهشی برای آزمایش این یافته ها بتن پوزولانی را با استفاده از آهک زنده و همچنین طبق دستورالعمل های قدیمی و جدید ساختند و یک نمونه کنترل شده بدون آهک زنده تولید کردند. آن ها آزمایش های ترک سنجی روی بتن ها انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که بتن دارای آهک زنده در طی دو هفته به طور کامل ترک ها را ترمیم می کند اما در دیگر بتن ترک ها همچنان باقی می مانند.

تیم پژوهشی اکنون در حال کار روی تجاری سازی این بتن به عنوان جایگزینی زیست محیطی برای بتن های امروزی است.

ماسیک می گوید: «فکر کردن به اینکه این فرمول های بتنی بادوام تر می تواند نه تنها طول عمر این مواد را افزایش دهد بلکه دوام فرمول های بتنی چاپ سه بعدی را نیز بهبود ببخشد هیجان انگیز است.»

۵۸۵۸