سیمان‌های دوهزارساله‌ای که خودشان را ترمیم می‌کنند!

به گزارش می‌متالز، رومیان باستان استادان معماری و مهندسی بودند و شاید بتوان گفت آب‌گذر‌ها بیش از هر چیز، معرف هنر آن‌ها هستند. همچنین از جمله شگفتی‌هایِ همچنان کاربردیِ آن‌ها که متکی بر مصالح ساختمانیِ منحصربفرد است می‌توان به بتن پوزولان اشاره کرد؛ بتنی که بطرز خیره‌کننده‌ای بادوام است و به سازه‌های رومی قدرت خارق‌العاده‌ای بخشیده است.

به گزارش فرادید؛ حتی امروزه، یکی از سازه‌های آن‌ها به نام معبد پانتئون هنوز سالم مانده است و نزدیک دو هزار سال قدمت دارد. پانتئون به عنوان یکی از بزرگ‌ترین گنبد‌های جهان جزو شگفتی‌های دنیای معماری است. ویژگی‌های این سازه‌ی بتنی به طور کلی به مواد سازنده‌ی آن نسبت داده می‌شود: پوزولان، ترکیبی از خاکستر آتشفشانی و آهک است. این دو ماده وقتی با آب ترکیب شوند برای تولید بتن قوی واکنش نشان می‌دهند.

(نمای بیرونی گنبد پانتئون)

اما آنطور که کاشف به عمل آمده، این تمام داستان نیست. یک تیم بین‌المللی از محققان به سرپرستی موسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) دریافته‌اند که نه تنها مصالح، اندکی با چیزی که ما تصور می‌کردیم متفاوت است، بلکه روش‌های بکاررفته برای ترکیب آن‌ها هم متفاوت بوده است. مدارک مسلم، تکه‌های کوچک و سفید آهک است که می‌توان آن‌ها را در بتن یافت. حضور این تکه‌ها قبلاً به ضعیف بودنِ ترکیب یا مصالح بتنی نسبت داده میشد، اما به نظر اَدمیر ماسیک، دانشمند مواد از ام‌آی‌تی، این توجیه منطقی نیست: «نسبت دادن این دانه‌های آهک به ضعیف بودن کنترل کیفیت همیشه برای من غیرقابل‌قبول بود. اگر رومی‌ها برای ساخت یک ماده‌ی ساخت و ساز عالی اینقدر زحمت کشیدند و دستورالعمل‌های دقیقی را که در طول قرن‌ها بهینه شده اجرا کردند، چرا باید در تضمینِ تولیدِ یک محصول نهاییِ خوب‌-ترکیب‌شده کوتاهی کرده باشند؟ این همه داستان نیست.»

ماسیک و تیم بین‌المللی به رهبری لیندا سیمور؛ مهندس راه و ساختمان ام‌آی‌تی با دقت نمونه‌های دو هزار ساله‌یِ بتن رومی را از سایت باستان‌شناسیِ پرایورنام در ایتالیا بررسی کردند. این نمونه‌ها در معرض اسکن مقیاس بزرگِ میکروسکوپ الکترونی و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، پراش پودر پرتو ایکس و تصویربرداری رامانِ هم‌کانونی قرار داده شدند تا دانه‌های آهک بهتر بررسی شوند.

یکی از پرسش‌های محققان درباره‌ی ماهیتِ آهکِ بکاررفته بود. درک استاندارد ما از بتن پوزولان این است که در ساخت آن از آهک مرده (آب‌دیده) استفاده می‌شود. نخست، سنگ آهگ را در دمای بسیار بالا حرارت می‌دهند تا یک پودر سوزآورِ بسیار واکنش‌پذیر به نام آهک خام (بدون آب) یا اکسید کلسیم (آهک) تولید شود. ترکیب آهک خام با آب، آهک مرده (آب دیده) یا هیدروکسید کلسیم تولید می‌کند: یک ماده‌ی خمیری با واکنش‌پذیری و سوزآوری کمتر. تصور می‌شود این آهکِ مرده بوده که رومیان باستان آن را با پوزولان ترکیب می‌کردند.

(تصویری از بتن رومی - بالای عکس سمت راست: سنگدانه، پایین عکس سمت چپ: دانه آهک)

بر اساس تجزیه و تحلیل تیم تحقیقاتی، دانه‌های آهکِ نمونه‌ها با این روش جور درنمی‌آیند. بتن رومی احتمالاً از ترکیب مستقیم آهک زنده با پوزولان و آب در دمای بسیار بالا به تنهایی یا با افزودن آهک مرده ساخته میشده؛ فرایندی که محققان آن را «ترکیب داغ» می‌نامند و منجر به شکل‌گیری دانه‌های آهکی می‌شود.

ماسیک می‌گوید: «مزایای ترکیب داغ دوگانه است. نخست، وقتی کل بتن با دمای بالا گرما داده می‌شود، ترکیبات شیمیایی را بوجود می‌آورد که اگر فقط از آهک استفاده میشد، این ترکیبات بدست نمی‌آمد. منظور ترکیباتی است مرتبط با دمای بسیار بالا که اگر غیر از این بود شکل نمی‌گرفتند. دوم اینکه این دمای افزایش‌یافته به شدت عمل‌آوریِ بتن و زمانِ گیرش (سخت شدن) را کاهش می‌دهد، چون تمام واکنش‌ها شتاب گرفتند و امکان سرعت بخشیدن به ساخت و ساز فراهم می‌شود.»

و، اما مزیت دیگر این روش این است که دانه‌ی آهک به بتن توانایی‌های خود-درمانی فوق‌العاده‌ای می‌دهند به این صورت که وقتی در بتن ترک ایجاد شود، این ترک‌ها به سمت دانه‌های آهکی حرکت می‌کنند که ناحیه‌ی سطح‌شان بیشتر از اجزاءِ دیگرِ درونِ ماده‌ی زمینه‌ای است. وقتی آب به ترک نفوذ کند، با آهک واکنش نشان می‌دهد و یک محلول غنی از کلسیم ایجاد می‌شود که خشک و سخت می‌شود، چون کلسیم کربنات دوباره شکاف را بهم می‌چسباند و جلوی گسترش بیشتر آن را می‌گیرد.

(مقبره سیسیلیا متلا)

این موضوع در بتن‌های سایت ۲ هزار ساله‌ی دیگری هم مشاهده شد یعنی مقبره سیسیلیا مِتِلا که ترک‌های موجود در بتن آن با کلسیت (کربنات آهک) پر شده است. شاید این یافته توجیه این باشد که چرا بتن رومی این دیوار‌های دریایی ۲ هزار ساله به رغم ضربات مدام اقیانوس، هزاران سال سالم باقی مانده‌اند.

در آخر، تیم تحقیقاتی با ساختن بتن پوزولانی با پیروی از دستورالعمل‌های باستانی و امروزی با استفاده از آهک زنده، یافته‌هایشان را آزمودند. علاوه بر این، یک بتن کنترل را بدون آهک زنده ساختند و آزمون‌های شکاف را روی آن انجام دادند. جای تعجبی نداشت که بتنِ ترک‌خورده‌یِ ساخته‌شده با آهک زنده ظرف ۲ هفته به طور کامل ترمیم شد، اما بتنِ کنترل ترک‌خورده باقی ماند.

این تیم در حال حاضر مشغول کار کردن روی جنبه‌ی بازرگانیِ این بتن به بعنوان یک جایگزین سازگارتر با محیط‌زیست به جای بتن‌های فعلی است. ماسیک میگوید: «هیجان‌انگیز است که چطور فرمولاسیونِ این بتن‌های بادوام‌تر نه تنها از عمر مفیدِ این مصالح بیشتر است، بلکه چگونه می‌تواند دوام فرمولاسیون بتن با چاپ سه بعدی را هم بهتر کند.»

این تحقیق در مجله‌ی سایِنس اَدوَنسِز منتشر شده است.

منبع: فرادید