سرانجام فهمیدیم چرا بتن رومی نزدیک به ۲ هزار سال دوام آورده است

یک کارگاه ساختمانی متعلق به حدود ۲ هزار سال پیش ــ هم‌زمان با نابودی احتمالی پمپئی در سال ۷۹ میلادی ــ شواهد تازه‌ای از راز پشتِ دوام شگفت‌انگیز بتن فوق‌العاده مقاوم رومی‌ها آشکار کرده است.

کد خبر: ۸۹۹۲۵۱

تاریخ: ۱۹ آذر ۱۴۰۴ - ۱۴:۵۹

به گزارش انتخاب و به نقل از  .sciencealert؛ سال گذشته، باستان‌شناسان زیر لایه‌های خاکستر آتشفشانی که پمپئی را مدفون کرد، یک کارگاه ساختمانی کاملاً دست‌نخورده یافتند؛ تصویری نادر و منجمد از روند ساخت‌وساز رومی‌ها که در زمان ثبت شده است.

این کارگاه شامل توده‌هایی منظم از مواد اولیه است؛ ازجمله موادی که برای ساخت بتنی به کار می‌رفت که دوام آن افسانه‌ای است. همان بتنی که باعث شده سازه‌هایی مانند پانتئون ــ با بزرگ‌ترین گنبد بدون سازه‌ی نگهدارنده ــ هزاران سال پابرجا بمانند.

راز تازه کشف‌شده: «اختلاط داغ»

تحلیل جدید نشان می‌دهد که راز اصلی، روشی است که «ادمیر ماسیک»، دانشمند مواد در MIT، آن را hot-mixing یا «اختلاط داغ» می‌نامد.

در این روش، مواد تشکیل‌دهنده‌ی بتن به‌طور مستقیم با هم مخلوط می‌شوند:

پوزولان (ترکیب خاکستر آتشفشانی) به همراه آهک زنده (quicklime)، که در تماس با آب گرمای بسیار زیادی تولید می‌کند.

ماسیک در سال ۲۰۲۳، وقتی اولین‌بار این تکنیک را از طریق آزمایش‌ها کشف کرد، گفت:

«مزایای اختلاط داغ دوگانه است:

اول اینکه دمای بالا باعث شکل‌گیری ترکیب‌هایی می‌شود که با آهک خاموش‌شده (slaked lime) قابل تولید نیستند.

دوم اینکه افزایش دما زمان گیرش و سخت شدن بتن را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و ساخت‌وساز را بسیار سریع‌تر می‌کند.»

اما یک مزیت بسیار مهم‌تر نیز وجود دارد:

قطعات باقی‌مانده‌ی آهک (lime clasts) باعث خاصیت خودترمیم‌شوندگی بتن می‌شوند.

همین ویژگی احتمالاً دلیل اصلی پایداری حیرت‌انگیز سازه‌های رومی است.

بتن رومی چگونه خود را ترمیم می‌کند؟

هنگامی که ترک در بتن ایجاد می‌شود، ترک‌ها به‌سمت قطعات آهکی که سطح بیشتری دارند هدایت می‌شوند. وقتی آب وارد ترک می‌شود، با آهک واکنش می‌دهد و محلول کلسیمی تولید می‌کند که پس از خشک شدن به‌صورت کربنات کلسیم سخت می‌شود و ترک را می‌چسباند.

این کار جلوی گسترش ترک را می‌گیرد و بتن را دوباره یکپارچه می‌کند.

ماسیک می‌گوید:

«این ماده هزاران سال است که خود را ترمیم می‌کند. پویا و واکنش‌پذیر است، بحران‌های طبیعی مانند زلزله و آتشفشان را تاب آورده و حتی زیر دریا هم دوام آورده است.»

مشکل بزرگ: دستور ساختِ ویتروویوس با شواهد همخوانی نداشت

با وجود اینکه روش اختلاط داغ بسیاری از معماها را حل کرد، یک مشکل پابرجا بود:

دستور ساخت بتن در کتاب «معماری» نوشته ویتروویوس با این روش سازگار نبود.

او توضیح داده بود که ابتدا باید آهک را با آب مخلوط کرد (فرآیند slaking) و سپس آن را با پوزولان ترکیب کرد.

اما این روش نمی‌تواند قطعات آهک در بتن واقعی رومی‌ها را توضیح دهد.

این تناقض بیشترِ محققان را سردرگم کرده بود.

پمپئی ماجرا را روشن کرد

تجزیه‌وتحلیل ایزوتوپی پنج دسته از مواد خشکِ کارگاه پمپئی نشان داد:

• پوزولان ساخته‌شده از پومیس و خاکستر سنگی

• آهک زنده

• و حتی قطعات آهک

مهم‌ترین نکته این بود که این مواد به‌صورت خشک باهم مخلوط شده بودند؛ دقیقاً همان چیزی که برای اختلاط داغ لازم است.

نمونه‌های ملات زیر میکروسکوپ نیز نشان دادند:

• ترک‌خوردگی‌های ناشی از واکنش‌های شدید حرارتی

• نوارهای غنی از کلسیم

• کریستال‌های کلسیت و آراگونیت داخل حفره‌های پومیس

که همه نشان‌دهنده‌ی فرآیند اختلاط داغ است.

ماسیک:

«رومی‌ها آهک زنده را با خاکستر آتشفشانی خشک مخلوط می‌کردند، سپس آب اضافه می‌کردند تا ملات ساخته شود.»

این کشف لزوماً به معنای اشتباه بودن ویتروویوس نیست؛ شاید روش دیگری را شرح داده یا بعدها اشتباه فهمیده شده باشد.

اما شواهد نشان می‌دهد بادوام‌ترین نسخه‌ی بتن رومی همان اختلاط داغ بوده است.

درس‌هایی برای دنیای امروز

امروز بتن مدرن:

• بسیار پرمصرف است

• نسبت به بتن رومی دوام پایینی دارد

• برای محیط زیست بسیار مخرب است

افزایش دوام بتن می‌تواند اثرات زیست‌محیطی را به‌شدت کاهش دهد.

ماسیک می‌گوید:

«نمی‌خواهیم بتن رومی را دقیقاً کپی کنیم. فقط می‌خواهیم چند جمله از این کتاب دانشی باستانی را به فناوری امروز ترجمه کنیم.»

او شرکتی به نام DMAT تأسیس کرده تا این یافته‌ها را وارد صنعت مدرن کند.

«این‌که مواد بتوانند با تَرَک‌هایشان دوباره کریستال‌سازی کنند، یک فرآیند رؤیایی است که می‌خواهیم در مصالح امروزی پیاده کنیم. ما مصالحی می‌خواهیم که خودشان ترمیم شوند.»