Vì sao tòa nhà La Mã trường tồn với thời gian?

Các cấu trúc hùng vĩ của La Mã cổ đại đã tồn tại hàng thiên niên kỷ.

Khách du lịch tham quan Đấu trường La Mã của Rome. Ảnh: Getty Images

Tuy nhiên, làm thế nào để vật liệu xây dựng giữ cho những tòa nhà khổng lồ như Pantheon (có mái vòm không được gia cố lớn nhất thế giới) và Đấu trường La Mã đứng vững trong hơn hai nghìn năm?

Một cuộc cách mạng kiến trúc?

Trong nhiều trường hợp, bê tông La Mã đã được chứng minh là tồn tại lâu hơn so với bê tông hiện đại vốn có thể xuống cấp trong vòng vài thập kỷ. Giờ đây, các nhà khoa học đứng sau một nghiên cứu mới cho biết, họ đã phát hiện ra thành phần bí ẩn cho phép người La Mã chế tạo vật liệu xây dựng bền bỉ. Điều này giúp xây dựng các công trình phức tạp ở những nơi đầy thách thức như bến cảng, cống rãnh và khu vực hay xảy ra động đất.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Mỹ, Italy và Thụy Sĩ, đã phân tích các mẫu bê tông 2 nghìn năm tuổi được lấy từ một bức tường thành tại địa điểm khảo cổ Privernum, miền Trung Italy và có thành phần tương tự như các loại bê tông khác được tìm thấy khắp Đế chế La Mã.

Họ phát hiện ra các khối màu trắng trong bê tông, được gọi là vôi, giúp bê tông có khả năng hàn gắn các vết nứt hình thành theo thời gian. Các khối màu trắng này trước đây bị bỏ qua vì bị coi là do trộn cẩu thả hoặc do nguyên liệu kém chất lượng.

“Đối với tôi, thật khó để tin rằng các kỹ sư La Mã cổ đại không làm tốt công việc vì họ thực sự đã rất cẩn thận khi lựa chọn và xử lý vật liệu”, tác giả nghiên cứu Admir Masic, đồng thời là Phó Giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) cho biết.

Ông Masic cho biết thêm, các học giả đã viết ra những công thức chính xác và áp dụng chúng cho các công trường xây dựng (trên khắp Đế chế La Mã). Phát hiện mới trên có thể giúp sản xuất bê tông ngày nay bền vững hơn, có khả năng làm chấn động xã hội như người La Mã đã từng làm.

“Bê tông cho phép người La Mã có một cuộc cách mạng kiến trúc” – ông Masic nói – “Người La Mã đã có thể tạo ra và biến các thành phố thành một thứ gì đó phi thường và đẹp đẽ để sinh sống. Cuộc cách mạng đó về cơ bản đã thay đổi hoàn toàn cách sống của con người”.

Vôi và độ bền của bê tông

Du khách tham quan đền Pantheon có mái vòm bê tông không có cốt thép – một trong những kỳ công kiến trúc của đế chế La Mã cổ đại. Ảnh: CNN

Bê tông thực chất là đá tự nhiên hoặc đá nhân tạo, được hình thành bằng cách trộn xi măng. Chất liên kết thường được tạo ra từ đá vôi, nước, cốt liệu mịn (cát hoặc đá dăm được nghiền mịn) và cốt liệu thô (sỏi hoặc đá dăm).

Theo ông Masic, các văn bản La Mã đã đề xuất việc sử dụng vôi tôi (vôi được kết hợp với nước trước khi trộn) trong chất kết dính. “Đó là lý do tại sao các học giả cho rằng đây là cách bê tông La Mã được tạo ra”, ông Masic nói.

Xem xét sâu hơn, các nhà nghiên cứu kết luận rằng các cục vôi phát sinh do sử dụng vôi sống (canxi oxit) khi trộn bê tông, chứ không phải vôi tôi. Vôi sống là loại có phản ứng mạnh nhất và nguy hiểm nhất của đá vôi khô.

Phân tích bổ sung về bê tông cho thấy các lớp vôi hình thành ở nhiệt độ khắc nghiệt có được do sử dụng vôi sống và “trộn nóng” là chìa khóa tạo nên tính chất bền vững của bê tông.

Trong một thông cáo báo chí, ông Masic cho biết lợi ích của việc “trộn nóng” sẽ tăng lên gấp đôi. Đầu tiên, khi toàn bộ bê tông được nung nóng ở nhiệt độ cao, nó tạo ra các chất hóa học không thể có nếu chỉ sử dụng vôi tôi, tạo ra các hợp chất sẽ không thể hình thành nếu thiếu nhiệt độ cao.

Thứ hai, nhiệt độ tăng này làm giảm đáng kể quá trình bảo dưỡng và đông kết nhiều lần vì tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép việc xây dựng nhanh hơn nhiều.

Để điều tra xem liệu các lớp vôi có phải là nguyên nhân khiến bê tông La Mã có khả năng tự sửa chữa rõ ràng hay không, nhóm đã tiến hành một thí nghiệm. Họ đã làm hai mẫu bê tông, một mẫu theo công thức La Mã và mẫu còn lại được làm theo tiêu chuẩn hiện đại rồi cố tình làm nứt chúng.

Sau hai tuần, nước không thể chảy qua bê tông được làm theo công thức của người La Mã, trong khi nó chảy thẳng qua khối bê tông được làm không có vôi theo tiêu chuẩn hiện đại.

Phát hiện của họ cho thấy, các lớp vôi có thể hòa tan thành các vết nứt và kết tinh lại sau khi tiếp xúc với nước, chữa lành các vết nứt do thời tiết tạo ra trước khi chúng lan rộng.

Các nhà nghiên cứu cho biết, tiềm năng tự phục hồi này có thể mở đường cho việc sản xuất bê tông hiện đại lâu dài hơn và do đó bền vững hơn. Theo nghiên cứu, một động thái như vậy sẽ làm giảm lượng khí thải carbon của bê tông vốn chiếm tới 8% lượng khí thải nhà kính toàn cầu.

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã nghĩ rằng tro núi lửa từ khu vực Pozzuoli, trên vịnh Naples, là thứ đã làm cho bê tông La Mã trở nên bền chắc như vậy.

Loại tro này đã được vận chuyển qua Đế chế La Mã rộng lớn để sử dụng trong xây dựng. Các kiến trúc sư và nhà sử học thời bấy giờ mô tả đây là thành phần chính để sản xuất bê tông. Ông Masic cho rằng, cả hai thành phần này đều quan trọng, nhưng trước đây vôi đã bị bỏ qua.