Khoa học đã lý giải vì sao bê tông La Mã bền vững gần 2.000 năm

Trước thời điểm được cho là thành phố Pompeii sụp đổ vào năm 79 sau Công Nguyên, dưới lớp tro núi lửa chôn vùi Pompeii, các nhà khảo cổ phát hiện một công trình xây dựng nguyên vẹn bị "đóng băng" của kỹ thuật thi công La Mã.

Tại đây, họ thấy những đống vật liệu được xếp ngay ngắn, gồm cả các thành phần dùng để trộn loại bê tông nổi tiếng bền chắc, phía sau các di tích như đền Pantheon, nơi mái vòm bê tông không cốt thép khổng lồ vẫn đứng vững suốt hàng thiên niên kỷ.

Công nghệ “trộn nóng” hé lộ lý do bê tông La Mã bền vững phi thường

Mới đây, một phân tích hoàn toàn mới cho thấy bí mật nằm ở kỹ thuật mà nhà khoa học vật liệu Admir Masic của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) gọi là "trộn nóng" (hot-mixing).

Phương pháp này trộn trực tiếp các thành phần của bê tông gồm hỗn hợp tro núi lửa pozzolan cùng với vôi sống, phản ứng với nước tạo ra lượng nhiệt lớn bên trong hỗn hợp.

Khi toàn bộ bê tông được đốt nóng đến nhiệt độ cao, nó tạo ra các phản ứng hóa học không thể xảy ra nếu chỉ dùng vôi tôi, hình thành những hợp chất đặc trưng cho điều kiện nhiệt cao.

Tuy nhiên, nhiệt độ tăng làm rút ngắn đáng kể thời gian đông kết và đóng rắn vì mọi phản ứng diễn ra nhanh hơn, cho phép thi công tốc độ cao.

Đặc biệt, những mảnh vôi sống còn sót lại trong hỗn hợp tạo cho bê tông La Mã khả năng tự "chữa lành" các vết nứt theo thời gian.

Khi bê tông nứt, vết nứt có xu hướng lan đến các mảnh vôi, vốn có diện tích bề mặt lớn hơn so với các hạt nền khác.

Khi nước xâm nhập vào các vết nứt, nó phản ứng với vôi tạo ra dung dịch giàu canxi, khi khô lại sẽ tạo thành canxi carbonat, bịt kín vết nứt và ngăn nó lan rộng.

“Vật liệu này vừa có giá trị lịch sử, vừa có giá trị khoa học khi được giải mã đúng cách. Nó có khả năng tự sửa chữa suốt hàng nghìn năm, hoạt động linh hoạt và bền bỉ.

Bê tông La Mã đã đứng vững qua động đất, phun trào núi lửa, tồn tại dưới nước và chống chịu sự bào mòn khắc nghiệt của môi trường", Masic nói trên tạp chí Nature Communications.

Dù kỹ thuật trộn nóng giúp lý giải phần lớn bí ẩn về độ bền của bê tông La Mã, phát hiện này không trùng khớp với công thức thực tế được mô tả trong chuyên luận De architectura của kiến trúc sư Vitruvius.

Theo mô tả của Vitruvius, vôi phải được tôi với nước trước rồi mới trộn cùng pozzolan, chính sự lệch pha giữa ghi chép cổ và bằng chứng khảo cổ này đã làm giới khoa học lúng túng.

Các tác phẩm của Vitruvius được xem là nguồn tư liệu đầy đủ nhất về kiến trúc La Mã và kỹ thuật opus caementicium (bê tông La Mã), nhưng các mẫu vật lại đang hé lộ một câu chuyện hoàn toàn khác.

Dưới kính hiển vi, mẫu vữa trong tường cho thấy dấu hiệu rõ rệt của trộn nóng, các mảnh vôi bị nứt, lớp phản ứng giàu canxi lan vào hạt tro núi lửa, và những tinh thể calcit và aragonit li ti hình thành trong các khoang của đá bọt.

Phổ Raman xác nhận sự biến đổi khoáng chất, trong khi phân tích đồng vị cho thấy các quá trình cacbonat hóa diễn ra qua thời gian.

Ứng dụng bê tông tự phục hồi trong thời hiện đại

Theo ông Masic, kết quả cho thấy người La Mã chuẩn bị chất kết dính bằng cách lấy vôi sống, nghiền đến kích thước nhất định, trộn khô với tro núi lửa, rồi mới thêm nước để tạo chất gắn kết.

Theo các nhà nghiên cứu, kiến thức này có thể ứng dụng vào sản xuất bê tông hiện đại, minh chứng cho trí tuệ của người xưa.

Bê tông hiện đại là một trong những vật liệu xây dựng phổ biến nhất thế giới, nhưng lại kém bền, dễ xuống cấp chỉ sau vài thập kỷ.

Quá trình sản xuất cũng gây hại môi trường, tiêu tốn tài nguyên và phát thải khí nhà kính. Việc nâng cao độ bền của bê tông có thể giúp nó trở nên bền vững hơn.

"Cách những lỗ rỗng trong vật liệu núi lửa được lấp đầy nhờ quá trình kết tinh lại là điều tuyệt vời mà chúng tôi muốn tái tạo. Chúng tôi muốn các vật liệu có khả năng tự phục hồi", ông Masic chia sẻ.