Giải mã loại bê tông sử dụng trong công trình kiến trúc La Mã

Các công trình kiến trúc La Mã xây dựng cách đây hàng ngàn năm, nhưng vẫn tồn tại nguyên vẹn một cách đáng kinh ngạc.

Từ thế kỷ thứ ́8 TCN, người La Mã cổ đại đã được biết đến như những kỹ sư xây dựng bậc thầy. Đến ngày nay, nhiều công trình vẫn còn nguyên vẹn và đáp ứng tốt chức năng. Tiêu biểu phải kể đến hệ thống cầu dẫn nước bằng đá vôi ở vùng Tiểu Á, đã cung cấp nước cho người dân thành Roma trong suốt hàng thiên niên kỷ.

Những nhà xây dựng nên hệ thống kênh dẫn này thậm chí còn cho rằng công trình của họ đáng tôn vinh nhiều hơn so với Kim tự tháp ở Ai Cập, hay các công trình xây dựng đồ sộ ở Hy Lạp.

Đền Pantheon, một công trình kiến trúc khác, vẫn còn nguyên vẹn dù đã gần 2.000 năm tuổi. Thậm chí, nó còn giữ kỷ lục là công trình mái vòm bằng bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới.

Đa số những kiệt tác kiến trúc của người La Mã cổ đại dựa vào một loại vật liệu xây dựng độc đáo, là bê tông pozzolanic. Vật liệu này có độ bền đáng kinh ngạc, thậm chí được xem như biểu tượng cho sức mạnh của các công trình kiến trúc thời La Mã.

Trước đây, các nhà khoa học từng lý giải đặc tính của loại bê tông này đến từ các thành phần của nó, bao gồm tro núi lửa và đá vôi. Theo đó, khi kết hợp với calci hydroxide, chúng có thể tạo ra bê tông bền chắc.

Tuy nhiên mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đến từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát hiện ra rằng không chỉ các đặc tính của vật liệu, mà kỹ thuật được sử dụng để trộn chúng với nhau cũng góp phần tạo ra sự khác biệt.

Để đi tới kết luận này, nhóm đã nghiên cứu cẩn thận các mẫu bê tông La Mã 2.000 năm tuổi từ địa điểm khảo cổ Privernum, Ý. Các mẫu này được soi bằng kính hiển vi, quét bằng quang phổ tia X tán sắc năng lượng, nhiễu xạ tia X dạng bột và chụp ảnh Raman đồng tiêu… Mục đích là để hiểu rõ hơn về các lớp vôi trên bề mặt của bê tông.

Dựa trên phân tích của nhóm, bê tông La Mã có thể đã được tạo ra bằng cách trộn trực tiếp vôi sống với pozzolana và nước ở nhiệt độ cực cao. Đây là một quy trình mà nhóm gọi là "trộn nóng", dẫn đến thành quả là các miếng vôi đóng cục.

Theo lý giải, nhiệt độ cao làm giảm đáng kể quá trình đông kết, khi tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép quá trình xây dựng nhanh hơn cùng một khả năng khác, là tự phục hồi cho vật liệu.

Cụ thể, khi các vết nứt hình thành trong bê tông, chúng sẽ ưu tiên di chuyển đến các cục vôi, nơi 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, từ đó gắn các vết nứt lại với nhau và ngăn không cho vết nứt lan rộng hơn.

Cơ chế "tự chữa lành" này đã được quan sát thấy trong bê tông từ Lăng mộ Caecilia Metella, vốn đã có tuổi đời 2.000 năm. Tại đây, các vết nứt trên bê tông đã được lấp đầy bằng canxit (dạng bền nhất của canxi cacbonat).

Điều này cũng có thể giải thích rằng tại sao bê tông La Mã dù được xây dựng tại các công trình chắn sóng cách đây 2.000 năm, nhưng vẫn tồn tại nguyên vẹn trong nhiều thiên niên kỷ bất chấp sự va đập liên tục của đại dương.

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.

Mặc dù chưa thể đạt tới đẳng cấp như bê tông của người La Mã cổ đại, song vật liệu mới đã có một số nâng cấp đáng chú ý, điển hình là các vết nứt đã được chữa lành hoàn toàn trong vòng 2 tuần.