كان الرومان القدماء أساتذة في البناء والهندسة، وربما كان أشهرهم تمثيلهم بالقنوات المائية. تعتمد الأعاجيب التي لا تزال تعمل 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 ويبلغ عمره حوالي 2000 عام – يحمل الرقم القياسي لأكبر قبة في العالم مصنوعة من الخرسانة غير المسلحة.
تُعزى خصائص هذه الخرسانة بشكل عام إلى مكوناتها: البوزولانا، وهو خليط من الرماد البركاني – سمي على اسم مدينة بوتسوولي الإيطالية، حيث يمكن العثور على رواسب كبيرة – و جير. عند خلطهما بالماء، يتفاعل المكونان لتكوين خرسانة قوية.
لكن هذه ليست كل القصة. وفي عام 2023، اكتشف فريق دولي من الباحثين بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن المواد ليست مختلفة إلى حد ما عما كنا نعتقد فحسب، بل إن التقنيات المستخدمة لمزجها مختلفة أيضًا.
كانت الأسلحة المدخنة عبارة عن قطع صغيرة بيضاء من الحجر الجيري تم العثور عليها في الخرسانة الممزوجة جيدًا. كان وجود هذه الجسيمات يُعزى سابقًا إلى سوء تركيبها أو المواد، لكن هذا لم يكن منطقيًا لعالم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أدمير مازيتش.
“إن فكرة أن وجود هذه الكتل الجيرية كان سببًا في ضعف مراقبة الجودة كانت تزعجني دائمًا.” قال ماسيك مرة أخرى في يناير 2023.
“إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء مثالية، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مر القرون، فلماذا بذلوا القليل من الجهد لضمان إنتاج منتج نهائي مختلط جيدًا؟ ؟ يجب أن يكون هناك كن أكثر لهذه القصة.”
قام ماسيك وفريقه، بقيادة المهندسة المدنية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليندا سيمور، بفحص عينات خرسانية رومانية 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 الأشعة السينية المسحوقة، وتصوير رامان متحد البؤر للحصول على فهم أفضل لتكتلات الحجر الجيري.
ومن الأسئلة التي تبادرت إلى ذهني طبيعة الجير المستخدم. الفهم القياسي للخرسانة البوزولانية هو أنها تستخدم الجير المطفأ. أولاً، يتم تسخين الحجر الجيري إلى درجة حرارة عالية لتكوين مسحوق كاوي شديد التفاعل جيرأو أكسيد الكالسيوم.
يؤدي خلط الجير الحي مع الماء إلى إنتاج الجير المطفأ أو هيدروكسيد الكالسيوم: وهو معجون أقل تفاعلاً وأقل كاوية. وفقا للنظرية، كان الجير هو الذي خلطه الرومان القدماء مع البوزولانا.
وبناءً على تحليل الفريق، لم تكن كتل الحجر الجيري في عيناتهم متوافقة مع هذا النمط. بدلاً من ذلك، تم تصنيع الخرسانة الرومانية عن طريق خلط الجير والماء في درجات حرارة عالية جدًا إما بشكل مباشر أو مع إضافة الجير المطفأ، وهي عملية أطلق عليها الفريق اسم “الخلط الساخن”.
“فوائد الخلط الساخن ذات شقين” قال ماسيك.
“أولاً، عندما يتم تسخين الخرسانة المجمعة إلى درجة حرارة أعلى، فإنها تسمح بالكيمياء التي لن تكون ممكنة إذا كنت تستخدم الجير المطفأ فقط، مما يؤدي إلى تكوين مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية. ونظرًا لتسريع جميع التفاعلات، فإنها تسمح بالكثير من التفاعلات”. بناء أسرع.”
ولها ميزة أخرى: التكلسات تمنح الشركة قدرات ملحوظة على الشفاء الذاتي.
عندما تتشكل الشقوق في الخرسانة، فإنها تميل إلى تفضيل جزيئات الحجر الجيري التي لها مساحة سطح أكبر من الجزيئات الأخرى في المصفوفة. عندما يدخل الماء إلى الشق، فإنه يتفاعل مع الجير لتكوين محلول غني بالكالسيوم الذي يجف ويتصلب إلى كربونات الكالسيوم، مما يعيد لصق الشق معًا ويمنعه من الانتشار أكثر.
هذا هو وقد لوحظ تمتلئ الشقوق في الخرسانة بالكالسيت من موقع آخر عمره 2000 عام، وهو قبر سيسيليا ميتيلا. ويفسر أيضًا سبب بقاء الخرسانة الرومانية من الأسوار البحرية التي بنيت قبل 2000 عام سليمة على الرغم من أن البحر يجرفها باستمرار على مدى آلاف السنين.
لذلك اختبر الفريق النتائج التي توصلوا إليها من خلال صنع الخرسانة البوزولانية من الوصفات القديمة والحديثة باستخدام الجير الحي. لقد صنعوا خرسانة تحكم بدون جير وأجروا اختبارات التكسير. وبطبيعة الحال، تلتئم الخرسانة الجيرية المتشققة تمامًا خلال أسبوعين، لكن الخرسانة المسيطر عليها تتشقق.
ويعمل الفريق الآن على تسويق الخرسانة الخاصة بهم كبديل صديق للبيئة للخرسانة الموجودة.
“من المثير التفكير في كيف أن هذه التركيبات الخرسانية الأكثر متانة لا يمكنها إطالة عمر خدمة هذه المواد فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين طول عمر التركيبات الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد.” قال ماسيك.
نشرت في الأطروحة التقدم العلمي.
نُشرت نسخة من هذه المقالة في الأصل في يناير 2023.
