کشف راز مقاومت بیش از حد سیمان های باستانی

بسیاری از سازه های باستانی ساخته شده در طول حکومت امپراتوری روم با کمک سیمان هایی ساخته شده اند که اگرچه دیگر استفاده نمی شوند اما به مراتب مستحکم تر و قوی تر از سیمان های امروزی هستند.

به گزارش سیناپرس، سرانجام دانشمندان موفق به کشف راز دوام بتن رومی شدند که بیش از ۲ هزار سال کیفیت خود را حفظ کرده است. محققان دانشگاه ام آی تی طی این تحقیقات ماده‌ای را کشف کرده‌اند که به بتن رومی اجازه می ‌دهد قابلیت خود ترمیمی پیدا کرده و آن را قوی ‌تر از معادل امروزی ‌اش می ‌کند.

به باور باستان شناسان، رومیان باستان استاد مهندسی بودند و شبکه عظیمی از جاده ‌ها، قنات ‌ها، بنادر و معابدی می ‌ساختند  که بسیاری از آنها تا به امروز پابرجا هستند.به گزارش سیناپرس، بسیاری از این سازه ها از جمله پانتئون رم که دارای بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح جهان است با بتن ساخته شده و علیرغم گذر هزاران سال از ساخت آن، همچنان پا برجا است.

به گزارش سیناپرس، برخی از قنات ‌های روم باستان هنوز آب را منتقل کرده و استحکام کافی دارند، در حالی که بسیاری از سازه‌های بتنی مدرن تنها پس از چند دهه فرو می‌ ریزند.

دانشمندان دهه ‌ها را صرف کشف راز مصالح ساختمانی فوق العاده بادوام رومی کرده ‌اند و سرانجام  یک تیم بین‌ المللی تکنیک‌ های باستانی ساخت بتن را کشف کردند که چندین ویژگی کلیدی خودترمیمی را در خود جای داده است. محققان سالیان سال معتقد بودند؛ کلید دوام بتن باستانی یک عنصر از مواد پوزولانی، مانند خاکستر آتشفشانی منطقه پوتزولی  در خلیج ناپل است.

به گزارش سیناپرس، مورخان می گویند: این نوع خاکستر خاص در سراسر امپراتوری روم برای استفاده در پروژه های ساختمانی حمل می شد و به عنوان یک عنصر کلیدی برای ساخت بتن در آن زمان توصیف می شد. پس از بررسی دقیق ‌تر، مشخص شد این نمونه ‌های باستانی همچنین دارای ویژگی‌ های معدنی سفید روشن کوچک و متمایز در مقیاس میلی ‌متری هستند. این تکه های سفید که اغلب به آنها کلاست آهکی گفته می شود از آهک به دست می آیند.

ادمیر ماسیچ، استاد مهندسی عمران و محیط موسسه فناوری ماساچوست، در این رابطه می گوید: از زمانی که برای اولین بار مطالعه روی بتن های  روم باستان را شروع کردم، همیشه مجذوب ویژگی های منحصر به فرد این ماده بودم. این ویژگی ها در فرمولاسیون های بتن مدرن یافت نمی شوند و سوال مهم این بود که چرا در این مواد باستانی وجود دارند؟

اگرچه مطالعات قبلی این ویژگی ‌ها را به‌عنوان نشانه‌ ای از شیوه‌ های اختلاط نامناسب یا مواد خام بی‌کیفیت نادیده گرفته ‌اند، مطالعه جدید این نظریه را مطرح می‌ کند که کلاست ‌های آهکی ریز به بتن رومی قابلیت خود ترمیم ‌شوندگی آن را داده است.

به گزارش سیناپرس، ماسیچ در تکمیل توضیحاتش می ‌گوید: این ایده که وجود این آهک‌ ها به سادگی به کنترل کیفیت پایین نسبت داده می‌ شد، همیشه مرا آزار می ‌داد. اگر رومی ‌ها تلاش زیادی برای ساختن یک مصالح ساختمانی برجسته، با پیروی از تمام دستور العمل‌ های دقیق که در طول قرن‌ ها بهینه ‌سازی شده بود، انجام دادند، چرا تلاش کمی برای اطمینان از تولید یک محصول نهایی خوب انجام دادند.

محققان با استفاده از روش‌ های تصویربرداری چند مقیاسی با وضوح بالا و نقشه ‌برداری شیمیایی در آزمایشگاه، به بینش جدیدی در مورد کلاست های آهک دست یافتند. از نظر تاریخی، دانشمندان تصور می ‌کردند که وقتی رومی ‌ها آهک را به بتن اضافه می کردند، ابتدا آن را با آب ترکیب می کردند تا یک ماده خمیر مانند بسیار واکنش‌ پذیر را تشکیل دهند. با این حال، پروفسور ماسیچ می گوید که این فرآیند به تنهایی نمی تواند وجود کلاست های آهکی را توجیه کند. در ادامه این نظریه مطرح شد که آیا ممکن است رومی ها به طور مستقیم از آهک به شکل واکنش پذیرتر آن که به نام آهک زنده شناخته می شود استفاده کنند.

محققان MIT با مطالعه نمونه‌های بتن باستانی به این نتیجه رسیدند که این مواد سفید از اشکال مختلف کربنات کلسیم ساخته شده ‌اند. تجزیه و تحلیل های بعدی، سرنخ هایی را ارائه کرد که نشان می دهد آنها توسط دماهای شدید تشکیل شده اند. این نتیجه مورد انتظار یک واکنش گرمازا خواهد بود که با استفاده از آهک زنده به جای آهک خشک شده در مخلوط بتن ایجاد می شود. تیم تحقیقاتی بر این باور است که اختلاط داغ، کلید واقعی ماهیت فوق العاده و ‌دوام بتن رومی است.

به گزارش سیناپرس، ماسیک اضافه می ‌کند: در فرآیند اختلاط داغ، کلاست ‌های آهک یک معماری نانوذراتی شکننده ایجاد می ‌کنند. این یک منبع کلسیم است که به راحتی شکسته و واکنش ایجاد می کند که می تواند یک توانایی خود ترمیمی برای مصالح ساختمانی ایجاد کند. در واقع به محض اینکه ترک ‌های ریز در بتن شروع به ایجاد ممی کند. این مواد وارد لایه های ترک شده و آن را پر می کند.  این ماده می تواند با آب واکنش نشان دهد و سپس به صورت کربنات کلسیم متبلور شده و به سرعت شکاف را پر می کند.

محققان خاطرنشان می کنند: این واکنش ها به صورت خود به خودی انجام می شوند و بنابراین به طور خودکار ترک ها را قبل از گسترش بهبود می بخشند. این تیم نمونه هایی از بتن گرم را تولید کرد که فرمولاسیون های قدیمی و مدرن را در خود جای داده بود. سپس عمدا آنها را شکافتند و اجازه دادند آب از میان شکاف ها عبور کند.

در بتن های باستانی در عرض دو هفته، ترک‌ها کاملاً پر شدند و آب دیگر نمی‌توانست جریان یابد در حالی که این اتفاق برای بتن های جدید نیفتاد.

به گزارش سیناپرس، شرح کامل این پژوهش در آخرین شماره مجله تخصصی  Science Advances منتشر شده است.

مترجم: احسان محمدحسینی

No tags for this post.