Vì sao bê tông La Mã từ 2.000 năm trước lại bền bỉ hơn cả bê tông thời hiện đại?

Người La Mã cổ đại được đánh giá là những nhà xây dựng và kỹ sư bậc thầy. Một trong những công trình tiêu biểu nổi tiếng nhất là hệ thống dẫn nước của các thành phố La Mã, vốn vẫn còn có thể hoạt động đến tận ngày nay.

Theo đó, những kiệt tác kiến trúc này được thực hiện dựa vào một loại vật liệu xây dựng độc đáo có tên gọi là bê tông pozzolanic, được đặt tên theo thành phố Pozzuoli của Ý. Đây là một loại vật liệu đã mang lại cho các công trình kiến trúc La Mã độ bền bỉ đáng kinh ngạc qua hàng ngàn năm. Có thể kể đến Patheon, đến thờ được xây dựng bằng bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới, vốn vẫn còn nguyên vẹn sau gần 2000 năm.

Các đặc tính của bê tông pozzolanic thường được quy cho các thành phần của nó: pozzolana, tức hỗn hợp tro núi lửa và vôi. Khi trộn với nước, hai loại vật liệu này có thể phản ứng để tạo ra bê tông bền chắc. Tuy nhiên, bí quyết đằng sau bê tông pozzolanic của người La Mã không chỉ dừng lại ở thành phần tạo nên. Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng, bê tông pozzolanic có các đặc tính tuyệt vời nhờ kỹ thuật được sử dụng để trộn ra chúng.

Chẳng hạn, những khối vôi nhỏ, màu trắng có thể được tìm thấy trong khối bê tông được trộn kỹ. Sự hiện diện của những khối này trước đây được cho kết quả của quá trình trộn bê tông không đạt chuẩn, hoặc do thành phần nguyên vật liệu kém. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu của MIT lại không đồng ý với điều này.

“Nếu người La Mã đã nỗ lực rất nhiều để tạo ra một vật liệu xây dựng xuất sắc, tuân theo tất cả các công thức chi tiết đã được tối ưu hóa trong nhiều thế kỷ, thì tại sao họ lại không nỗ lực thêm để đảm bảo ra lò loại bê tông được trộn một cách kĩ lưỡng?”, nhà khoa học vật liệu Admir Masic của MIT nhận định.

Bí quyết hoàn hảo của người La Mã

Masic và nhóm nghiên cứu do kỹ sư xây dựng của – Linda Seymour dẫn đầu đã nghiên cứu cẩn thận các mẫu bê tông La Mã 2.000 năm tuổi từ địa điểm khảo cổ Privernum ở Ý.

Một trong những câu hỏi đến từ cách vôi được sử dụng. Cách hiểu tiêu chuẩn về bê tông pozzolanic là nó sử dụng vôi tôi. Đầu tiên, đá vôi được nung ở nhiệt độ cao để tạo ra một loại bột ăn da có tính phản ứng cao được gọi là vôi sống, hay canxi oxit. Việc trộn vôi sống với nước tạo ra vôi tôi, hoặc canxi hydroxit: một loại bột nhão ít phản ứng hơn. Theo lý thuyết, chính loại vôi tôi này được cho là đã được người La Mã cổ đại sử dụng để trộn với pozzolana.

Tuy nhiên, dựa trên phân tích của nhóm nghiên cứu, các cục vôi trong các mẫu vật của họ không phù hợp với phương pháp này. Thay vào đó, bê tông La Mã có thể được tạo ra bằng cách trộn trực tiếp vôi sống với pozzolana và nước ở nhiệt độ cực cao, một quy trình mà nhóm gọi là “trộn nóng” dẫn đến các cục vôi.

“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 bạn chỉ sử dụng vôi tôi, tạo ra các hợp chất liên quan đến nhiệt độ cao vốn sẽ khó có thể hình thành. Thứ hai, nhiệt độ tăng này làm giảm đáng kể thời gian đóng rắn và đông kết do tất cả các phản ứng được tăng tốc,cho phép xây dựng nhanh hơn nhiều.”, chuyên gia Masic cho biết.

Và nó còn có một lợi ích khác: Các cục vôi mang lại khả năng tự phục hồi đáng kể cho bê tông.

Khi các vết nứt hình thành trong bê tông, chúng ưu tiên di chuyển đến các cục vôi, có diện tích bề mặt cao hơn các hạt khác trong ma trận. Khi nước chảy vào vết nứt, nó sẽ phản ứng với vôi để tạo thành một dung dịch giàu canxi. Dung dịch này sẽ khô và cứng lại dưới dạng canxi cacbonat, gắn vết nứt lại với nhau và ngăn không cho vết nứt lan rộng hơn.

Điều này đã được quan sát thấy trong bê tông từ một địa điểm 2.000 năm tuổi khác, Lăng mộ Caecilia Metella, nơi các vết nứt trên bê tông đã được lấp đầy bằng canxit. Nó cũng có thể giải thích tại sao bê tông La Mã từ tường chắn sóng được xây dựng cách đây 2.000 năm vẫn tồn tại nguyên vẹn trong nhiều thiên niên kỷ, bất chấp sự va đập liên tục của đại dương. Hiểu một cách đơn giản, càng chịu nhiều mưa gió, bê tông của người La Mã càng vững vàng và bền bỉ.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm những phát hiện của họ bằng cách tạo ra bê tông pozzolanic từ các công thức cổ xưa và hiện đại bằng cách sử dụng vôi sống. Họ cũng tạo ra một loại bê tông được trộn mà không có vôi và thực hiện các bài kiểm tra vết nứt. Kết quả, bê tông được thực hiện theo phương pháp truyền thống khi nứt vẫn có thể được lấp đầy hoàn toàn trong vòng hai tuần. Trong khi đó, vết nứt trên bê tông không được trộn với vôi vẫn còn nguyên.

Được biết, nhóm nghiên cứu hiện đang ấp ủ để thương mại hóa loại bê tông dựa trên cảm hứng từ người La Mã cổ đại, như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với bê tông hiện tại.