Người La Mã cổ đại là bậc thầy về xây dựng và kỹ thuật, có lẽ đáng chú ý nhất là hệ thống dẫn nước. Những tuyệt tác vẫn còn hoạt động này dựa vào một loại vật liệu xây dựng độc đáo: bê tông pozzolanic, một loại bê tông có độ bền đáng kinh ngạc đã mang lại cho các công trình kiến trúc La Mã sức mạnh đáng kinh ngạc.
Thậm chí ngày nay, một trong những tòa nhà của họ – Pantheon, vẫn còn nguyên vẹn và gần 2.000 năm tuổi – vẫn giữ kỷ lục về mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới.
Các đặc tính của loại bê tông này thường được quy cho các thành phần của nó: pozzolana, hỗn hợp tro núi lửa – được đặt theo tên thị trấn Pozzuoli của Ý, nơi có thể tìm thấy các mỏ lớn – và Chanh xanh. Khi trộn với nước, hai vật liệu này có thể phản ứng với nhau để tạo ra bê tông chắc chắn.
Nhưng hóa ra, đó không phải là toàn bộ câu chuyện. Và vào năm 2023, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng không chỉ các vật liệu hơi khác so với chúng tôi nghĩ mà cả kỹ thuật dùng để trộn chúng cũng khác.
Những khẩu súng bốc khói là những mảnh vôi nhỏ màu trắng có thể được tìm thấy trong thứ có vẻ như là bê tông trộn đều. Sự hiện diện của những mảnh này trước đây được cho là do sự pha trộn hoặc vật liệu kém, nhưng điều đó không có ý nghĩa gì đối với nhà khoa học vật liệu Admir Masek của MIT.
“Ý tưởng cho rằng sự hiện diện của những khối đá vôi này chỉ đơn giản là do việc kiểm soát chất lượng kém luôn khiến tôi khó chịu”. Macek anh ấy nói Trở lại tháng 1 năm 2023.
“Nếu người La Mã đã nỗ lực rất nhiều để tạo ra một loại vật liệu xây dựng cao cấp, tuân theo tất cả các công thức chi tiết đã được tinh chế qua nhiều thế kỷ, thì tại sao họ lại bỏ ra rất ít nỗ lực để đảm bảo sản phẩm cuối cùng được trộn đều? Phải có nhiều hơn thế nữa.” về câu chuyện này.”
Macek và nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi kỹ sư dân sự MIT Linda Seymour, đã nghiên cứu các mẫu bê tông La Mã 2.000 năm tuổi từ địa điểm khảo cổ Perevernum ở Ý. Các mẫu này được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét diện rộng, quang phổ tia X phân tán năng lượng, nhiễu xạ tia X và hình ảnh Raman đồng tiêu để hiểu rõ hơn về khối đá vôi.
Một trong những câu hỏi trong đầu tôi là bản chất của vôi được sử dụng. Sự hiểu biết tiêu chuẩn về bê tông pozzolanic là nó được sử dụng Vôi ngậm nước. Đầu tiên, đá vôi được nung ở nhiệt độ cao để tạo ra loại bột ăn da có tính phản ứng cao gọi là đá vôi Vôi sốngHoặc canxi oxit.
Trộn vôi sống với nước sẽ tạo ra vôi tôi hoặc canxi hydroxit: một loại bột nhão ít phản ứng hơn và ít ăn da hơn. Theo lý thuyết, chính loại vôi ngậm nước này đã được người La Mã cổ đại trộn với pozzolana.
Dựa trên phân tích của nhóm, các khối vôi được tìm thấy trong mẫu của họ không phù hợp với phương pháp này. Ngoài ra, bê tông La Mã có thể được tạo ra bằng cách trộn trực tiếp vôi sống với pozzolana và nước ở nhiệt độ cực cao, một mình hoặc thêm vào vôi ngậm nước, một quá trình mà nhóm nghiên cứu gọi là “trộn nóng” để tạo ra vụn vôi.
“Lợi ích của việc trộn nóng gấp đôi.” Macek anh ấy nói.
“Đầu tiên, khi bê tông cốt liệu được nung nóng đến nhiệt độ cao, nó sẽ tạo ra các phản ứng hóa học không thể xảy ra nếu bạn chỉ sử dụng vôi tôi, tạo ra các hợp chất liên kết ở nhiệt độ cao mà không thể hình thành bằng cách khác. Thứ hai, nhiệt độ tăng này làm giảm đáng kể quá trình đóng rắn và thời gian đông cứng vì tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép xây dựng nhanh hơn nhiều.”
Nó còn có một lợi ích khác: vụn vôi mang lại cho bê tông khả năng tự phục hồi vượt trội.
Khi các vết nứt hình thành trong bê tông, chúng ưu tiên di chuyển vào các khối vôi, có diện tích bề mặt cao hơn các hạt khác trong bê tông. Khi nước xâm nhập vào vết nứt, nó phản ứng với vôi tạo thành dung dịch giàu canxi, khô và cứng lại như canxi cacbonat, gắn vết nứt lại với nhau và ngăn không cho lan rộng thêm.
cái này Nó đã được chú ý Trong bê tông từ một địa điểm 2.000 năm tuổi khác, ngôi mộ của Cecilia Metella, nơi các vết nứt trên bê tông được lấp đầy bằng canxit. Nó cũng có thể giải thích tại sao bê tông La Mã từ các bức tường biển được xây dựng cách đây 2.000 năm vẫn còn nguyên vẹn trong hàng nghìn năm bất chấp sự tác động liên tục của đại dương.
Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phát hiện của mình bằng cách chế tạo bê tông pozzolanic từ các công thức cổ xưa và hiện đại bằng vôi sống. Họ cũng chế tạo bê tông đối chứng không có vôi sống và thực hiện các thử nghiệm về vết nứt. Chắc chắn là bê tông đá vôi bị nứt sẽ được xử lý hoàn toàn trong vòng hai tuần, nhưng bê tông đối chứng vẫn bị nứt.
Nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực tiếp thị loại bê tông của họ như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn cho loại bê tông hiện tại.
“Thật thú vị khi nghĩ về cách các thành phần bê tông bền hơn này không chỉ có thể tăng tuổi thọ sử dụng của các vật liệu này mà còn có thể cải thiện độ bền của các thành phần bê tông in 3D như thế nào.” Macek anh ấy nói.
Nghiên cứu được công bố trên Sự tiến bộ của khoa học.
Phiên bản của bài viết này được xuất bản lần đầu vào tháng 1 năm 2023.