كان الرومان القدماء بارعين في البناء والهندسة، وربما تمثل ذلك بشكل أشهر من خلال القنوات المائية. وتعتمد هذه المعجزات التي لا تزال تعمل على مادة بناء فريدة: الخرسانة البوزولانية، وهي خرسانة متينة بشكل مذهل أعطت الهياكل الرومانية قوتها المذهلة.
حتى اليوم، يحتفظ أحد هياكلهم - البانثيون، الذي لا يزال سليماً ويبلغ عمره نحو 2000 عام – بالرقم القياسي لأكبر قبة في العالم مصنوعة من الخرسانة غير المسلحة.
تمت نسب خصائص هذه الخرسانة عمومًا إلى مكوناتها: البوزولانا، وهي مزيج من الرماد البركاني – سميت على اسم المدينة الإيطالية بوزولي حيث يمكن العثور على إيداع كبير منها – والجير. عند خلطهما بالماء، يمكن أن يتفاعلا لإنتاج خرسانة قوية.
لكن كما اتضح، ليست هذه هي القصة كاملة. في عام 2023، اكتشف فريق دولي من الباحثين بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن المواد ليست فقط مختلفة قليلاً عما كنا نعتقد، ولكن التقنيات المستخدمة لخلطها كانت أيضًا مختلفة.
كانت الأدلة عبارة عن قطع صغيرة بيضاء من الجير يمكن العثور عليها فيما يبدو أنه خرسانة مختلطة جيدًا. وقد تم نسب وجود هذه القطع سابقًا إلى سوء الخلط أو المواد السيئة، لكن ذلك لم يكن منطقيًا بالنسبة لعالم المواد أدمر ماسيك من MIT.
“فكرة أن وجود هذه الكتل الجيرية كان ببساطة مرتبطاً بجودة منخفضة دائماً ما أزعجتني”، قال ماسيك في يناير 2023.
“إذا كان الرومان قد بذلوا كل هذا الجهد لصنع مادة بناء ممتازة تتبع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدى قرون عديدة، فلماذا كانوا سيبذلون جهدًا قليلًا لضمان إنتاج منتج نهائي مختلط جيداً؟ يجب أن يكون هناك المزيد لهذه القصة.”
قام ماسيك والفريق بقيادة المهندسة المدنية ليندا سيمور بدراسة عينات عمرها 2000 عام من الخرسانة الرومانية من الموقع الأثري بريفيرنوم في إيطاليا بعناية. وتم إخضاع هذه العينات لتقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح واسع المجال وطيف الأشعة السينية المتشتتة للطاقة وتحليل الأشعة السينية بالمسحوق وصورة رامان التداخلية لفهم أفضل للكتل الجيرية.
أحد الأسئلة المطروحة كان حول طبيعة الجير المستخدم. الفهم القياسي للخرسانة البوزولانية هو أنها تستخدم الجير المحترق. أولاً يتم تسخين الحجر الجيري عند درجات حرارة عالية لإنتاج مسحوق كاوي شديد التفاعل يسمى الجير الحي.
خلط الجير الحي مع الماء ينتج عنه جير مطفأ أو هيدروكسيد الكالسيوم: وهو معجون أقل تفاعلاً وأقل كاوية قليلاً. وفقاً للنظرية ، كان هذا الجير المطفي هو الذي خلطه الرومان القدماء مع البوزولانا.
استنادًا إلى تحليل الفريق ، فإن الكتل الجيرية الموجودة في عيناتهم لا تتوافق مع هذه الطريقة . بل إن الخرسانة الرومانية ربما كانت تُصنع عن طريق خلط الجير الحي مباشرةً مع البوزولانا والماء عند درجات حرارة مرتفعة للغاية ، بمفردها أو بالإضافة إلى جير مطفي ، وهي عملية يسميها الفريق “الخلط الساخن”، مما يؤدي إلى ظهور الكتل الجيرية .
< p > “فوائد الخلط الساخن مزدوجة”، قال ماسيك.< / p >
< p > “أولاً ، عندما يتم تسخين الخرسانة بالكامل لدرجات حرارة عالية ، فإنه يسمح بتفاعلات كيميائية غير ممكنة إذا كنت تستخدم فقط جيراً مطفأً ، مما ينتج عنه مركبات مرتبطة بدرجات الحرارة العالية والتي لن تتشكل بخلاف ذلك . ثانياً ، تقلل درجة الحرارة المرتفعة بشكل كبير أوقات الشفاء والتصلب لأن جميع التفاعلات تتسارع مما يسمح بالبناء بسرعة أكبر.”
< p > ولديها فائدة أخرى : تعطي الكتل الحجرية قدرة شفاء ذاتية رائعة للخرسانه .
< p > عندما تتشكل الشقوق في الخرسانه تنتقل بشكل تفضيلي نحو الكتل الحجرية التي لها مساحة سطح أكبر مقارنةً بالجزيئات الأخرى داخل المصفوفة . عندما يدخل الماء إلى الشق يتفاعل مع الحجر الجيري لتشكيل محلول غني بالكالسيوم يجف ويتصلب كربونات كالسيوم ويلصق الشق مرة أخرى ويمنع انتشاره أكثر .
< p > لقد لوحظ هذا الأمر أيضاً في خرسانه موقع آخر يعود لـ2000 عام مضى وهو قبر سيسيليا ميتيلا حيث تم ملء الشقوق الموجودة فيها بالكالسيت . ويمكن أن يفسر أيضاً لماذا نجت بعض أنواع الأسمنت المستخدمة لبناء حواجز بحرية منذ ألفي عام سليمة رغم تعرض المحيط المستمر لها.
The team tested their findings by making pozzolanic concrete from ancient and modern recipes using quicklime, and they also made a control concrete without quicklime and performed crack tests, confirming that the cracked quicklime concrete was fully healed within two weeks while the control concrete remained cracked.
The team is now working on commercializing their concrete as a more environmentally friendly alternative to current concretes.
“It’s exciting to think about how these more durable concrete formulations could expand not only the service life of these materials but also how it could improve the durability of 3D printed concrete formulations,” Masic said.
The research has been published in Science Advances.
A version of this article was first published in January 2023.
