لقد عرفنا أخيرًا كيف تمكنت الخرسانة الرومانية القديمة من الاستمرار لآلاف السنين: ScienceAlert

كان الرومان القدماء أساتذة في البناء والهندسة، ولعل أبرز ما تمثله القنوات المائية. وتعتمد تلك الأعاجيب التي لا تزال فعالة على مادة بناء فريدة من نوعها: الخرسانة البوزولانية، وهي خرسانة متينة بشكل مذهل أعطت الهياكل الرومانية قوتها المذهلة.

وحتى اليوم، فإن أحد مبانيهم – البانثيون، الذي لا يزال سليمًا وعمره ما يقرب من 2000 عام – يحمل الرقم القياسي لأكبر قبة في العالم من الخرسانة غير المسلحة.

تُعزى خصائص هذه الخرسانة عمومًا إلى مكوناتها: البوزولانا، وهو مزيج من الرماد البركاني – سمي على اسم مدينة بوتسوولي الإيطالية، حيث يمكن العثور على رواسب كبيرة منه – و جير. عند خلطهما بالماء، يمكن أن تتفاعل المادتان لإنتاج خرسانة قوية.

لكن، كما تبين، ليست هذه هي القصة بأكملها. وفي عام 2023، وجد فريق دولي من الباحثين بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن المواد ليست مختلفة قليلاً عما كنا نعتقد فحسب، بل كانت التقنيات المستخدمة لمزجها مختلفة أيضًا.

كانت بنادق التدخين عبارة عن قطع صغيرة بيضاء من الجير يمكن العثور عليها فيما يبدو أنه خرسانة جيدة الخلط. كان وجود هذه القطع يُعزى سابقًا إلى سوء الخلط أو المواد، لكن هذا لم يكن منطقيًا لعالم المواد أدمير ماسيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“إن فكرة أن وجود هذه الكتل الجيرية يُعزى ببساطة إلى انخفاض مراقبة الجودة كانت تزعجني دائمًا.” قال ماسيك مرة أخرى في يناير 2023.

“إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء متميزة، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدار قرون عديدة، فلماذا يبذلون القليل من الجهد لضمان إنتاج منتج نهائي مختلط جيدًا ؟ يجب أن يكون هناك المزيد من الجهود لهذه القصة.”

قام ماسيك والفريق، بقيادة المهندسة المدنية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليندا سيمور، بدراسة عينات من الخرسانة الرومانية عمرها 2000 عام من موقع بريفيرنوم الأثري في إيطاليا. تم إخضاع هذه العينات للمجهر الإلكتروني الماسح لمساحة كبيرة والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، وحيود مسحوق الأشعة السينية، وتصوير رامان متحد البؤر للحصول على فهم أفضل للكتل الجيرية.

كان أحد الأسئلة التي تدور في ذهني هو طبيعة الجير المستخدم. الفهم القياسي للخرسانة البوزولانية هو أنها تستخدم الجير المطفأ. أولاً، يتم تسخين الحجر الجيري عند درجات حرارة عالية لإنتاج مسحوق كاوي شديد التفاعل يسمى الجير الحيأو أكسيد الكالسيوم.

خلط الجير الحي مع الماء ينتج جيرًا مطفأًا، أو هيدروكسيد الكالسيوم: وهو معجون أقل تفاعلًا وأقل كاوية. وفقًا للنظرية، كان هذا الجير المطفأ هو الذي خلطه الرومان القدماء مع البوزولانا.

وبناءً على تحليل الفريق، فإن كتل الجير الموجودة في عيناتهم لا تتفق مع هذه الطريقة. بدلاً من ذلك، ربما تم تصنيع الخرسانة الرومانية عن طريق خلط الجير الحي مباشرة مع البوزولانا والماء في درجات حرارة عالية للغاية، بمفرده أو بالإضافة إلى الجير المطفأ، وهي عملية يسميها الفريق “الخلط الساخن” الذي ينتج عنه فتات الجير.

“فوائد الخلط الساخن ذات شقين” قال ماسيك.

“أولاً، عندما يتم تسخين الخرسانة الإجمالية إلى درجات حرارة عالية، فإنها تسمح بإجراء كيميائيات غير ممكنة إذا كنت تستخدم الجير المطفأ فقط، مما ينتج مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية والتي لا يمكن أن تتشكل بطريقة أخرى. ثانيًا، تقلل درجة الحرارة المتزايدة هذه بشكل كبير من المعالجة والتصليب. مرات منذ أن تم تسريع كافة ردود الفعل، مما يسمح ببناء أسرع بكثير.”

ولها فائدة أخرى: إن فتات الجير يمنح الخرسانة قدرة ملحوظة على الشفاء الذاتي.

عندما تتشكل الشقوق في الخرسانة، فإنها تنتقل بشكل تفضيلي إلى كتل الجير، التي لها مساحة سطحية أعلى من الجزيئات الأخرى في المصفوفة. عندما يدخل الماء إلى الشق، فإنه يتفاعل مع الجير لتكوين محلول غني بالكالسيوم الذي يجف ويتصلب مثل كربونات الكالسيوم، مما يعيد لصق الشق معًا ويمنعه من الانتشار أكثر.

هذا وقد لوحظ في الخرسانة من موقع آخر عمره 2000 عام، وهو مقبرة سيسيليا ميتيلا، حيث تم ملء الشقوق في الخرسانة بالكالسيت. ويمكن أن يفسر أيضًا سبب بقاء الخرسانة الرومانية من الأسوار البحرية التي تم بناؤها قبل 2000 عام سليمة لآلاف السنين على الرغم من الضربات المستمرة للمحيطات.

لذلك، اختبر الفريق النتائج التي توصلوا إليها من خلال صنع الخرسانة البوزولانية من الوصفات القديمة والحديثة باستخدام الجير الحي. لقد صنعوا أيضًا خرسانة تحكم بدون الجير الحي وأجروا اختبارات التشقق. من المؤكد أن الخرسانة الجيرية المتشققة قد تم شفاءها بالكامل في غضون أسبوعين، لكن الخرسانة الخاضعة للتحكم ظلت متشققة.

ويعمل الفريق الآن على تسويق الخرسانة الخاصة بهم كبديل أكثر صداقة للبيئة للخرسانة الحالية.

“من المثير التفكير في كيف يمكن لهذه التركيبات الخرسانية الأكثر متانة أن تزيد ليس فقط من عمر خدمة هذه المواد، ولكن أيضًا كيف يمكنها تحسين متانة التركيبات الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد”. قال ماسيك.

وقد تم نشر البحث في تقدم العلوم.

نُشرت نسخة من هذه المقالة لأول مرة في يناير 2023.