Tìm ra thành phần bí mật giúp bê tông La Mã cổ đại có khả năng tự phục hồi

Một nghiên cứu mới đã cho thấy cách các cấu trúc bê tông La Mã cổ đại vẫn có thể đứng vững như thế nào sau 2.000 năm

Thử bỏ bê một cấu trúc bê tông hiện đại trong vài thập kỷ, chúng ta sẽ thấy nó sớm bắt đầu nứt vỡ và sụp đổ. Tuy nhiên, bằng cách nào đó các cấu trúc do người La Mã cổ đại xây dựng vẫn đứng vững sau 2.000 năm.

Nhưng giờ đây, các kỹ sư đã tìm ra một chất đi kèm đã giúp bê tông cổ đại có thể tự hàn gắn các vết nứt, cũng như chỉ ra cách chúng ta có thể tạo lại công thức này để làm cho các tòa nhà mới tồn tại lâu hơn.

Về cơ bản, bê tông là vật liệu xây dựng được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới, nhưng chúng không phải là không thể bị hư hại. Thời tiết và áp lực có thể dẫn đến các vết nứt nhỏ, từ đó có thể phát triển thành các vết nứt lớn hơn nhiều và cuối cùng đe dọa tính toàn vẹn của toàn bộ cấu trúc. Chúng cần bảo trì thường xuyên hoặc các phương án thay thế tốn kém để ngăn chặn các sự cố nghiêm trọng xảy ra.

Ngược lại, các cấu trúc La Mã cổ đại đã vượt qua thử thách của thời gian trong hơn hai thiên niên kỷ. Để tìm ra nguyên nhân, các nhà khoa học từ lâu đã kiểm tra các mẫu vật liệu dưới kính hiển vi để nghiên cứu thành phần và cố phát hiện ra các nhân tố bí ẩn giúp chúng có sức mạnh như vậy.

Trong số đó, nổi bật nhất là vật liệu mang tên Pozzolan, được làm từ tro núi lửa từ một vùng cụ thể của Ý. Bên cạnh đó là sự hiện diện của vôi, mà trong các nghiên cứu trước đây, người ta thấy rằng nó giúp bê tông thực sự bền hơn theo thời gian trong môi trường gần biển.

Và trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát hiện ra một tạp chất phổ biến khác có thể đóng vai trò quan trọng. Đó là những khối khoáng chất màu trắng có kích thước chỉ cỡ milimet được gọi là cục vôi.

Ban đầu các nhà khoa học cho rằng sự hiện diện của những cục vôi này chỉ đơn giản là do quá trình kiểm soát chất lượng thấp thời bấy giờ. Nhưng một câu hỏi gây băn khoăn là nếu người La Mã đã nỗ lực rất nhiều để tạo ra một loại vật liệu xây dựng vượt trội, tuân theo tất cả các công thức chi tiết đã được tối ưu hóa trong nhiều thế kỷ, thì tại sao họ lại bỏ ra quá ít nỗ lực để đảm bảo quá trình sản xuất sẽ tạo ra một sản phẩm cuối không được trộn đều.

Quá trình sản xuất vữa thời La Mã bắt đầu bằng việc nung vôi từ một nguồn như đá vôi, đá cẩm thạch hoặc travertine (tất cả chủ yếu là canxit – CaCO3) để tạo thành vôi sống (canxi oxit – CaO). Vật liệu gốc vôi này, có thể được hydrat hóa bằng nước (quá trình được gọi là tôi vôi) hoặc thêm trực tiếp (quá trình được gọi là trộn nóng), sau đó hỗn hợp được trộn với tro núi lửa, mảnh gốm (cocciopesto), hoặc pozzolan, cát và nước để tạo thành vữa thủy lực.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một số kỹ thuật lập bản đồ hóa học và hình ảnh để kiểm tra các lớp vôi chặt chẽ hơn. Và cuối cùng, họ phát hiện ra rằng chúng được tạo thành từ các loại canxi cacbonat, dường như đã hình thành ở nhiệt độ cao. Điều này gợi ý rằng chúng được tạo ra bằng cách thêm trực tiếp (hoặc trộn nóng) vôi sống, một dạng vôi dễ phản ứng hơn so với dạng mà người La Mã cổ đại được cho là đã sử dụng.

Ảnh trái: Địa điểm khảo cổ Privernum, Ý, nơi các mẫu bê tông cổ được thu thập cho nghiên cứu này. Ảnh phải: Bản đồ màu của các thành phần của một trong các mẫu, vùng có chứa nhiều canxi màu đỏ.

“Lợi ích của việc này dường như là gấp đôi”, Admir Masic, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. “Đầu tiên, khi toàn bộ bê tông được nung nóng ở nhiệt độ cao, nó sẽ tạo ra các chất hóa học không thể có nếu bạn chỉ sử dụng vôi tôi, các hợp chất liên quan đến nhiệt độ cao sẽ không hình thành. Thứ hai, nhiệt độ tăng cao này làm giảm đáng kể thời gian bảo dưỡng và đông kết vì tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép xây dựng nhanh hơn nhiều.”

Nhưng quan trọng hơn, những lớp vôi này đóng một vai trò tích cực trong việc tự phục hồi của bê tông. Quá trình trộn nóng làm cho các tạp chất trở nên giòn, do đó khi các vết nứt nhỏ hình thành trong bê tông, chúng sẽ di chuyển qua các lớp vôi dễ dàng hơn so với vật liệu xung quanh. Khi nước chảy vào các vết nứt, nó sẽ phản ứng với vôi, tạo thành một dung dịch cứng lại thành canxi cacbonat và bịt kín vết nứt. Nó cũng có thể phản ứng với vật liệu pozzolan và tăng cường độ cứng cho bê tông.

Vì vậy, thay vì là sản phẩm phụ không mong muốn, những cục vôi này tồn tại là có lý do, nhóm nghiên cứu cho biết. Cơ chế tự phục hồi này có thể là một yếu tố chính trong việc tạo ra tuổi thọ lâu bền của các cấu trúc bê tông La Mã cổ đại.

Để kiểm tra giả thuyết, các nhà nghiên cứu sau đó đã tạo ra các mẫu bê tông cổ và hiện đại được trộn nóng, sau đó bẻ chúng ra và cho nước chảy qua các vết nứt trong thời gian dài. Sau hai tuần, mẫu bê tông cổ đã lành vết nứt, ngăn nước chảy. Mặt khác, vật liệu hiện đại không lành chút nào.

Nhóm nghiên cứu cho biết phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu được những bí mật của kỹ thuật cổ đại mà còn có thể giúp cải thiện các công thức chế tạo bê tông hiện đại. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đang thực hiện các bước để thương mại hóa loại vật liệu này.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances.