حل معمای دوام بسیار زیاد بتن رومی

رومیان باستان، استاد مهندسی بودند و شبکه‌های وسیعی از جاده‌ها، قنات‌ها، بنادر و ساختمان‌های بزرگ را ساخته اند که بقایای آنها برای دو هزار سال باقی مانده است. بسیاری از این سازه ها با بتن ساخته شده اند: پانتئون مشهور رم که دارای بزرگترین گنبد بتنی بدون آرماتور جهان است ، در سال ۱۲۸ میلادی ساخته شده  و هنوز سالم است و برخی از قنات های روم باستان هنوز هم آب را به رم می رسانند. این در حالی است که بسیاری از سازه های بتنی مدرن پس از چند دهه فرو ریخته اند.
محققان دهه‌ها زمان صرف کشف راز این ماده ساختمانی باستانی فوق العاده با ‌دوام کرده‌اند، به‌ویژه در سازه‌هایی که شرایط سختی را تحمل می‌کنند، مانند اسکله‌ها، فاضلاب‌ها، و دیواره‌های دریایی یا سازه‌هایی که در مکان‌های زلزله  خیز ساخته شده‌اند.
اکنون، تیمی از محققان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه‌های ایتالیا و سوئیس، در این زمینه به پیشرفت هایی رسیده‌اند و روشهای باستانی تولید بتن را کشف کرده‌اند که چندین ویژگی کلیدی خودترمیمی را در خود جای داده است. این یافته ها  در مقاله ای ، توسط ادمیر ماسیک، استاد مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه MIT، لیندا سیمور دانشجوی سابق دکترا و چهار نفر دیگر در مجله  Science Advances منتشر شده است.
برای سال‌ها، محققان تصور می‌کردند که کلید دوام بتن باستانی بر اساس یک جز است: مواد پوتزولانیک مانند خاکستر آتشفشانی از منطقه پوتزولی ( شهری در ایتالیا) ، در خلیج ناپل. این نوع خاص از خاکستر حتی به سرتاسر امپراتوری وسیع روم فرستاده می شد تا در ساخت و ساز مورد استفاده قرار گیرد و در گزارش های معماران و مورخان آن زمان به عنوان یک عنصر کلیدی برای ساخت بتن توصیف می شد.

ماده مخفی با توانایی های خود درمانی

همچنین با بررسی دقیق‌تر،مشخص شد این نمونه‌های باستانی حاوی ترکیبات معدنی کوچک و متمایزی به رنگ سفید روشن ،  در مقیاس میلی‌متری هستند که از مدت‌ها پیش به‌عنوان جزئی از بتن‌های رومی در همه جا شناخته شده‌اند. این تکه‌های سفید که اغلب به آنها «بافت آهکی» گفته می شود، از دیگر اجزای کلیدی مخلوط بتن باستانی یعنی آهک، سرچشمه می‌گیرند. استاد ماسیک می گوید:" از زمانی که کار با بتن روم باستان را شروع کردم، همیشه مجذوب این ترکیبات بوده ام. اینها در فرمولاسیون بتن های مدرن یافت نمی شوند، پس چرا در این مواد باستانی وجود دارند؟"
این مطالعه جدید که پیش از این صرفاً به عنوان شواهدی از روش‌های مخلوط کردن ناشیانه و بی‌کیفیت مواد خام نادیده گرفته می‌شد، نشان می‌دهد که این بافتهای آهکی کوچک به بتن قابلیت خود ترمیمی ناشناخته‌ای می‌دهند. ماسیک می‌گوید: " این ایده که وجود این بافت های آهکی صرفاً به کنترل کیفیت پایین نسبت داده می‌شود، همیشه مرا آزار می‌داد. اگر رومی‌ها تلاش زیادی برای ساختن یک مصالح ساختمانی خاص انجام می‌دادند، با پیروی از تمام دستور العمل‌های دقیقی که در طول قرن‌ها بهینه‌سازی شده‌ بودند، پس چرا آنها تلاش اندکی برای اطمینان از تولید یک محصول نهایی خوش ترکیب انجام می‌دادند. این موضوع باید شامل نکته های بیشتری باشد."

فرآیند "اختلاط داغ"
پس از شناسایی بیشتر این بافت‌های آهکی، با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری چند مقیاسی با وضوح بالا و  تکنیک های نقشه‌برداری شیمیایی پیشگام در آزمایشگاه تحقیقاتی استاد ماسیک، محققان بینش جدیدی از عملکرد بالقوه این بافت‌های آهک به دست آوردند.
از نظر تاریخی، فرض بر این بود که زمانی که آهک در بتن رومی گنجانده شد، ابتدا با آب ترکیب شده تا یک ماده خمیر مانند بسیار واکنش پذیر را در فرآیندی به نام slaking تشکیل دهد. اما این فرآیند به تنهایی نمی تواند دلیل حضور بافت های آهکی باشد. استاد ماسیک در کمال تعجب می گوید: "آیا ممکن بود رومی ها مستقیماً از آهک در شکل واکنش پذیرتر آن که به نام آهک زنده شناخته می شود استفاده کرده باشند؟"
او و تیمش با بررسی نمونه‌های این بتن باستانی به این نتیجه رسیدند که ترکیبات سفید رنگ در واقع از اشکال مختلف کربنات کلسیم ساخته شده‌اند. و بررسی طیف‌سنجی، سرنخ‌هایی را ارائه کرد که نشان می‌داد این ترکیبات در دماهای بسیار بالا شکل گرفته اند، همانطور که از واکنش گرمازای ایجاد شده انتظار می رود ، در این مخلوط از سنگ آهگ به‌جای آهک خرد شده استفاده شده است.این تیم تحقیقاتی اکنون به این نتیجه رسیده است که مخلوط کردن در دمای بالا در واقع کلید طبیعت فوق العاده بادوام این بتن است.
استاد ماسیک می گوید: «مزایای مخلوط کردن داغ در دو چیز است. "مورد اول، زمانی که کل بتن تا دمای بالا گرم می شود، ترکیب شیمیایی امکان پذیر می شود و نتیجه کار مرتبط با دمای بالای تولید است . اتفاقی که اگر فقط از سنگ آهک بدون بالا بردن دما استفاده کنید ، امکان پذیر نیست و این ترکیبات تشکیل نمی شوند. مورد دوم، این افزایش دما، زمان پخت و گیرش را به طور قابل توجهی کاهش می دهد زیرا تمام واکنش ها تسریع می شوند و امکان ساخت و ساز بسیار سریع تر را فراهم می کنند. 
در طول فرآیند مخلوط کردن داغ، بافت‌های آهک یک ساختار نانوذره ای شکننده و منبع کلسیم ایجاد می‌کنند که همانطور که تیم تحقیقاتی پیشنهاد می کرد می‌تواند یک عملکرد خود ترمیمی حیاتی را ارائه دهد. به محض اینکه ترک‌های ریز در بتن شروع به ایجاد می‌کنند، ترجیحاً می‌توانند از میان لایه‌های آهکی با سطح بالا عبور کنند. سپس این ماده می تواند با آب واکنش داده و یک محلول اشباع از کلسیم ایجاد کند که می تواند به صورت کربنات کلسیم مجدداً کریستال شود و به سرعت شکاف را پر کند یا با مواد پوزولانی واکنش دهد تا مواد کامپوزیتی را بیشتر تقویت کند. این واکنش ها خود به خود انجام می شوند و بنابراین به طور خودکار ترک ها را قبل از گسترش بهبود می بخشند. حمایت قبلی از این فرضیه با بررسی سایر نمونه‌های بتن رومی که ترک‌های پر از کلسیت را نشان می‌دادند، به دست آمد.

برای اثبات اینکه این واقعاً همان مکانیزمی است که باعث دوام بتن رومی می‌شود، تیم تحقیقاتی نمونه‌هایی از بتن گرم را مخلوط کرد که برای ترکیب آنها ، هم فرمول‌بندی‌های قدیمی و هم فرمول های مدرن مورد استفاده قرار گرفت و عمداً آنها را ترک انداختند و سپس آب را از میان شکاف‌ها عبور دادند. در ترکیب دارای آهک زنده به طور قطع در عرض دو هفته، ترک‌ها کاملاً بهبود یافتند و آب دیگر نمی‌توانست جریان پیدا کند.اما یک قطعه یکسان از بتن ساخته شده بدون آهک زنده، هرگز التیام نیافته و آب همچنان در نمونه جریان داشت. در نتیجه این آزمایشات موفقیت آمیز، این تیم تحقیقاتی در حال کار برای تجاری سازی این ماده سیمانی اصلاح شده است.
استاد ماسیک می‌گوید: «فکر کردن به این موضوع بسیار هیجان‌انگیز است که چگونه این فرمول‌های بتن با دوام‌تر، می‌توانند نه تنها طول عمر این ماده را افزایش دهند، بلکه می‌توانند دوام فرمول‌بندی‌های بتن پرینت سه‌بعدی را بهبود بخشند. ».
او امیدوار است که این تلاش‌ها بتواند از طریق طول عمر عملکردی طولانی‌تر و توسعه فرم‌های بتن سبک‌تر،  به کاهش اثرات زیست‌محیطی تولید بتن، که در حال حاضر حدود 8 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی را تشکیل می‌دهد، کمک کند. در کنار سایر فرمولاسیون های جدید، مانند بتنی که در واقع می تواند دی اکسید کربن را از هوا جذب کند و یکی دیگر از تحقیقات فعلی آزمایشگاه ماسیک است ، این پیشرفت ها می تواند به کاهش تاثیرات آب و هوایی بتن در جهان کمک کند.

اعضای تیم تحقیقاتی این پروژه عبارتند از : 
Janille Maragh  از دانشگاه  MIT
Paolo Sabatini ازدپارتمان گروه ریاضات دانشگاه پلی تکنیک میلان در ایتالیا
Michel Di Tommaso از موسسه مکانیک مواد در سوئیس 
James Weaver در موسسه Wyss برای مهندسی الهام گرفته از بیولوژی در دانشگاه هاروارد

این پژوهش با کمک موزه باستان شناسی پریورنو ایتالیا انجام شد.