همه چیز در گذر زمان رو به زوال میرود.
ما سازههای خود را طوری میسازیم که تا حد امکان دوام بیاورند، اما حتی مقاومترین مواد نیز در نهایت ترک میخورند، ضعیف میشوند و فرو میریزند.
اما بتن رومی باستان داستانی متفاوت دارد.
دانشمندان مدتهاست که میدانند بتن ساخته شده در دوران امپراتوری روم، با گذشت زمان قویتر میشود.
تحقیقات پیشین نشان میداد که این دوام فوقالعاده عمدتاً به دلیل واکنش خاکستر آتشفشانی (پوزولان) و آهک زنده بود که مواد معدنی بسیار مقاومی در بتن ایجاد میکرد.
اما اکنون، دانشمندان کشف کردهاند که بخش دیگری از این راز، در واکنشهای آهسته و پیوسته دیاکسید کربن موجود در هوا نهفته است.
پائولو مونتیرو، مهندس دانشگاه برکلی، میگوید: «در حالی که واکنش پوزولانی اهمیت اساسی دارد، یافتههای ما نشان میدهد که کربناسیون در طول زمان نیز دوام بتن را افزایش میدهد و میتواند به آببندی ترکها با افزایش سن آن کمک کند.»
کشف تیم او، که در مجله Science Advances منتشر شده، درک ما را از سازههای کمتر شناخته شده رومی که با نبوغ مهندسی ساخته شدهاند، افزایش میدهد.
یکی از شگفتیهای مهندسی رومی این است که بسیاری از سازههای آنها هنوز در شرایط عالی باقی ماندهاند، در حالی که بسیاری از بناهای همعصرشان از بین رفتهاند.
معروفترین نمونه، پانتئون رم است؛ معبدی ۲۰۰۰ ساله با گنبد عظیمی از بتن بدون آرماتور که بزرگترین سازه از این نوع در جهان است.
اما برای کشف اسرار بتن رومی، مونتیرو، همکار او شیائوهونگ ژو از دانشگاه فناوری پکن، و همکارانشان به منبعی کمتر مورد انتظار و کمتر جذاب روی آوردند.
در قرن دوم میلادی، امپراتور هادریان ویلایی در تیولی ایتالیا داشت که بخش زیادی از آن هنوز پابرجاست.
محققان قطعه کوچکی از بتن را از یک توالت عمومی در این ویلا که زمانی محل استراحت امپراتور بوده، استخراج کردند.
محققان با استفاده از مجموعهای از تکنیکهای تصویربرداری با وضوح بالا، نمونه خود را تا مقیاس نانو مورد بررسی قرار دادند.
همانطور که انتظار میرفت، شواهدی از واکنش پوزولانی یافتند که در آن خاکستر آتشفشانی و آهک برای ایجاد مواد معدنی بسیار بادوام در بتن واکنش نشان میدادند.
اما چیز دیگری نیز کشف کردند.
در طول قرنها، دیاکسید کربن اتمسفر با آهک باقیمانده در بتن واکنش داده و کلسیت (همان ماده معدنی موجود در سنگ آهک) را تولید کرده بود.
محققان دریافتند که این تنها یک محصول جانبی فرآیند کهنگی نبود.
به نظر میرسد کلسیت بتن را قویتر کرده است. این ماده در منافذ و ترکهای ریز متبلور شده و بتن را متراکمتر کرده و به تدریج نقاط ضعف را که در غیر این صورت در طول زمان گسترش مییافتند، آببندی میکرد.
مطالعات قبلی کلسیت را در بتن رومی شناسایی کرده بودند، اما آن را به صورت سه بعدی مطالعه نکرده یا ساختار آن را نقشهبرداری نکرده بودند.
محققان میگویند این کار نشان میدهد که کلسیت ممکن است نقشی نادیده گرفته شده در طول عمر باورنکردنی بتن رومی ایفا کرده باشد؛ نه به جای سهم شناخته شده واکنش پوزولانی، بلکه در کنار آن عمل کرده است.
دانشمندان پیش از این نیز در تلاش برای بازتولید بتن رومی بودند.
کربناسیون به طور طبیعی در بتنهای آهکی رخ میدهد، چه از آن آگاه باشید و چه نباشید. اما درک نقشی که ایفا میکند میتواند ابزار دیگری را در اختیار محققان قرار دهد تا بتنی با دوام بیشتر و با تولید کربن کمتر مهندسی کنند.
مونتیرو میگوید: «درک اینکه چگونه پویایی تبلور کربنات کلسیم بتن را به هم پیوند میدهد و به دوام طولانی مدت آن کمک میکند، میتواند بینشهای جدیدی در مورد تحول معدنی طولانی مدت و کربناسیون طبیعی چسبانندههای آهکی ارائه دهد.»
سازههای رومی باستان، از پانتئون باشکوه گرفته تا توالت ساده هادریان، نمونههای خیرهکنندهای از بتنی را به ما ارائه میدهند که هزاران سال از نظر ساختاری سالم مانده است.
این بدان معنا نیست که میتوانیم به سادگی مانند رومیان بسازیم.
ساختمانهای مدرن تقاضای بسیار بیشتری از مواد خود دارند و بتن مسلح با چالشی روبرو است که مهندسان رومی هرگز با آن مواجه نشدند: خوردگی میلگردهای فولادی که در داخل آن تعبیه شده است.
یافتههای جدید میتواند به محققان در تلاش برای طراحی بتن پایدارتر و با دوامتر برای آینده کمک کند.
مونتیرو میگوید: «این مطالعه نشان میدهد که چگونه کاوش در تکنیکهای مهندسی باستانی میتواند به یافتههای مهمی منجر شود.»
«امیدواریم با گشودن اسرار رومی برای افزایش دوام بتن، بتوانیم روزی به توسعه زیرساختهای مدرن پایدار دست یابیم.»
