کشف راز مقاومت بیش از حد سیمان‌های باستانی

به گزارش می‌متالز، سرانجام دانشمندان موفق به کشف راز دوام بتن رومی شدند که بیش از ۲ هزار سال کیفیت خود را حفظ کرده است. محققان دانشگاه ام آی تی طی این تحقیقات ماده‌ای را کشف کرده‌اند که به بتن رومی اجازه می‌دهد قابلیت خود ترمیمی پیدا کرده و آن را قوی‌تر از معادل امروزی اش می‌کند.

به باور باستان شناسان، رومیان باستان استاد مهندسی بودند و شبکه عظیمی از جاده ها، قنات ها، بنادر و معابدی می‌ساختند که بسیاری از آن‌ها تا به امروز پابرجا هستند. به گزارش سیناپرس، بسیاری از این سازه‌ها از جمله پانتئون رم که دارای بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح جهان است با بتن ساخته شده و علیرغم گذر هزاران سال از ساخت آن، همچنان پا برجا است.

 برخی از قنات‌های روم باستان هنوز آب را منتقل کرده و استحکام کافی دارند، در حالی که بسیاری از سازه‌های بتنی مدرن تنها پس از چند دهه فرو می‌ریزند.

دانشمندان دهه‌ها را صرف کشف راز مصالح ساختمانی فوق العاده بادوام رومی کرده اند و سرانجام یک تیم بین المللی تکنیک‌های باستانی ساخت بتن را کشف کردند که چندین ویژگی کلیدی خودترمیمی را در خود جای داده است. محققان سالیان سال معتقد بودند؛ کلید دوام بتن باستانی یک عنصر از مواد پوزولانی، مانند خاکستر آتشفشانی منطقه پوتزولی در خلیج ناپل است.

 مورخان می‌گویند: این نوع خاکستر خاص در سراسر امپراتوری روم برای استفاده در پروژه‌های ساختمانی حمل می‌شد و به عنوان یک عنصر کلیدی برای ساخت بتن در آن زمان توصیف می‌شد. پس از بررسی دقیق تر، مشخص شد این نمونه‌های باستانی همچنین دارای ویژگی‌های معدنی سفید روشن کوچک و متمایز در مقیاس میلی متری هستند. این تکه‌های سفید که اغلب به آن‌ها کلاست آهکی گفته می‌شود از آهک به دست می‌آیند.

ادمیر ماسیچ، استاد مهندسی عمران و محیط موسسه فناوری ماساچوست، در این رابطه می‌گوید: از زمانی که برای اولین بار مطالعه روی بتن‌های روم باستان را شروع کردم، همیشه مجذوب ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده بودم. این ویژگی‌ها در فرمولاسیون‌های بتن مدرن یافت نمی‌شوند و سوال مهم این بود که چرا در این مواد باستانی وجود دارند؟

اگرچه مطالعات قبلی این ویژگی‌ها را به‌عنوان نشانه‌ای از شیوه‌های اختلاط نامناسب یا مواد خام بی‌کیفیت نادیده گرفته اند، مطالعه جدید این نظریه را مطرح می‌کند که کلاست‌های آهکی ریز به بتن رومی قابلیت خود ترمیم شوندگی آن را داده است.

ماسیچ در تکمیل توضیحاتش می‌گوید: این ایده که وجود این آهک‌ها به سادگی به کنترل کیفیت پایین نسبت داده می‌شد، همیشه مرا آزار می‌داد. اگر رومی‌ها تلاش زیادی برای ساختن یک مصالح ساختمانی برجسته، با پیروی از تمام دستور العمل‌های دقیق که در طول قرن‌ها بهینه سازی شده بود، انجام دادند، چرا تلاش کمی برای اطمینان از تولید یک محصول نهایی خوب انجام دادند.

محققان با استفاده از روش‌های تصویربرداری چند مقیاسی با وضوح بالا و نقشه برداری شیمیایی در آزمایشگاه، به بینش جدیدی در مورد کلاست‌های آهک دست یافتند. از نظر تاریخی، دانشمندان تصور می‌کردند که وقتی رومی‌ها آهک را به بتن اضافه می‌کردند، ابتدا آن را با آب ترکیب می‌کردند تا یک ماده خمیر مانند بسیار واکنش پذیر را تشکیل دهند. با این حال، پروفسور ماسیچ می‌گوید که این فرآیند به تنهایی نمی‌تواند وجود کلاست‌های آهکی را توجیه کند. در ادامه این نظریه مطرح شد که آیا ممکن است رومی‌ها به طور مستقیم از آهک به شکل واکنش پذیرتر آن که به نام آهک زنده شناخته می‌شود استفاده کنند.

محققان MIT با مطالعه نمونه‌های بتن باستانی به این نتیجه رسیدند که این مواد سفید از اشکال مختلف کربنات کلسیم ساخته شده اند. تجزیه و تحلیل‌های بعدی، سرنخ‌هایی را ارائه کرد که نشان می‌دهد آن‌ها توسط دما‌های شدید تشکیل شده اند. این نتیجه مورد انتظار یک واکنش گرمازا خواهد بود که با استفاده از آهک زنده به جای آهک خشک شده در مخلوط بتن ایجاد می‌شود. تیم تحقیقاتی بر این باور است که اختلاط داغ، کلید واقعی ماهیت فوق العاده و دوام بتن رومی است.

ماسیک اضافه می‌کند: در فرآیند اختلاط داغ، کلاست‌های آهک یک معماری نانوذراتی شکننده ایجاد می‌کنند. این یک منبع کلسیم است که به راحتی شکسته و واکنش ایجاد می‌کند که می‌تواند یک توانایی خود ترمیمی برای مصالح ساختمانی ایجاد کند. در واقع به محض اینکه ترک‌های ریز در بتن شروع به ایجاد ممی کند. این مواد وارد لایه‌های ترک شده و آن را پر می‌کند. این ماده می‌تواند با آب واکنش نشان دهد و سپس به صورت کربنات کلسیم متبلور شده و به سرعت شکاف را پر می‌کند.

محققان خاطرنشان می‌کنند: این واکنش‌ها به صورت خود به خودی انجام می‌شوند و بنابراین به طور خودکار ترک‌ها را قبل از گسترش بهبود می‌بخشند. این تیم نمونه‌هایی از بتن گرم را تولید کرد که فرمولاسیون‌های قدیمی و مدرن را در خود جای داده بود. سپس عمدا آن‌ها را شکافتند و اجازه دادند آب از میان شکاف‌ها عبور کند.

در بتن‌های باستانی در عرض دو هفته، ترک‌ها کاملاً پر شدند و آب دیگر نمی‌توانست جریان یابد در حالی که این اتفاق برای بتن‌های جدید نیفتاد.

 شرح کامل این پژوهش در آخرین شماره مجله تخصصی Science Advances منتشر شده است.

منبع: سینا پرس