سیمان های دوهزارساله ای که خودشان را ترمیم می نمایند! - وبلاگ مویک

به گزارش وبلاگ مویک، رومیان باستان استادان معماری و مهندسی بودند و از جمله دست آوردهای کاربردی آن ها بتن پوزولان بود. حالا محققان دریافته اند که این بتن به علت ترکیبات خاصش می تواند ترک های ایجاد شده در خود را دوباره ترمیم کند!

وبلاگ مویک | رومیان باستان استادان معماری و مهندسی بودند و شاید بتوان گفت آب گذرها بیش از هر چیز، معرف هنر آن ها هستند. بعلاوه از جمله شگفتی هایِ همچنان کاربردیِ آن ها که متکی بر مصالح ساختمانیِ منحصربفرد است می توان به بتن پوزولان اشاره نمود؛ بتنی که بطرز خیره نماینده ای بادوام است و به سازه های رومی قدرت خارق العاده ای بخشیده است.

به گزارش وبلاگ مویک ؛ حتی امروزه، یکی از سازه های آن ها به نام معبد پانتئون هنوز سالم مانده است و نزدیک دو هزار سال قدمت دارد. پانتئون به عنوان یکی از بزرگ ترین گنبد های دنیا جزو شگفتی های دنیای معماری است. ویژگی های این سازه بتنی به طور کلی به مواد سازنده آن نسبت داده می گردد: پوزولان، ترکیبی از خاکستر آتشفشانی و آهک است. این دو ماده وقتی با آب ترکیب شوند برای فراوری بتن قوی واکنش نشان می دهند.

(نمای بیرونی گنبد پانتئون)

اما آنطور که کاشف به عمل آمده، این تمام داستان نیست. یک تیم بین المللی از محققان به سرپرستی موسسه فناوری ماساچوست (MIT) دریافته اند که نه تنها مصالح، اندکی با چیزی که ما تصور می کردیم فرق دارد، بلکه روش های بکاررفته برای ترکیب آن ها هم متفاوت بوده است. مدارک مسلم، تکه های کوچک و سفید آهک است که می توان آن ها را در بتن یافت. حضور این تکه ها قبلاً به ضعیف بودنِ ترکیب یا مصالح بتنی نسبت داده میشد، اما به نظر اَدمیر ماسیک، دانشمند مواد از ام آی تی، این توجیه منطقی نیست: نسبت دادن این دانه های آهک به ضعیف بودن کنترل کیفیت همواره برای من غیرقابل قبول بود. اگر رومی ها برای ساخت یک ماده ساخت و ساز عالی اینقدر زحمت کشیدند و دستورالعمل های دقیقی را که در طول قرن ها بهینه شده اجرا کردند، چرا باید در تضمینِ فراوریِ یک محصول نهاییِ خوب -ترکیب شده کوتاهی نموده باشند؟ این همه داستان نیست.

ماسیک و تیم بین المللی به رهبری لیندا سیمور؛ مهندس راه و ساختمان ام آی تی با دقت نمونه های دو هزار ساله یِ بتن رومی را از سایت باستان شناسیِ پرایورنام در ایتالیا آنالیز کردند. این نمونه ها در معرض اسکن مقیاس بزرگِ میکروسکوپ الکترونی و طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، پراش پودر پرتو ایکس و تصویربرداری رامانِ هم کانونی قرار داده شدند تا دانه های آهک بهتر آنالیز شوند.

یکی از پرسش های محققان درباره ماهیتِ آهکِ بکاررفته بود. درک استاندارد ما از بتن پوزولان این است که در ساخت آن از آهک مرده (آب دیده) استفاده می گردد. نخست، سنگ آهگ را در دمای بسیار بالا حرارت می دهند تا یک پودر سوزآورِ بسیار واکنش پذیر به نام آهک خام (بدون آب) یا اکسید کلسیم (آهک) فراوری گردد. ترکیب آهک خام با آب، آهک مرده (آب دیده) یا هیدروکسید کلسیم فراوری می نماید: یک ماده خمیری با واکنش پذیری و سوزآوری کمتر. تصور می گردد این آهکِ مرده بوده که رومیان باستان آن را با پوزولان ترکیب می کردند.

(تصویری از بتن رومی - بالای عکس سمت راست: سنگدانه، پایین عکس سمت چپ: دانه آهک)

بر اساس تجزیه و تحلیل تیم تحقیقاتی، دانه های آهکِ نمونه ها با این روش جور درنمی آیند. بتن رومی احتمالاً از ترکیب مستقیم آهک زنده با پوزولان و آب در دمای بسیار بالا به تنهایی یا با افزودن آهک مرده ساخته میشده؛ فرایندی که محققان آن را ترکیب داغ می نامند و منجر به شکل گیری دانه های آهکی می گردد.

ماسیک می گوید: مزایای ترکیب داغ دوگانه است. نخست، وقتی کل بتن با دمای بالا گرما داده می گردد، ترکیبات شیمیایی را بوجود می آورد که اگر فقط از آهک استفاده میشد، این ترکیبات بدست نمی آمد. منظور ترکیباتی است مرتبط با دمای بسیار بالا که اگر غیر از این بود شکل نمی گرفتند. دوم اینکه این دمای افزایش یافته به شدت عمل آوریِ بتن و زمانِ گیرش (سخت شدن) را کاهش می دهد، چون تمام واکنش ها شتاب گرفتند و امکان سرعت بخشیدن به ساخت و ساز فراهم می گردد.

و اما مزیت دیگر این روش این است که دانه آهک به بتن توانایی های خود-درمانی فوق العاده ای می دهند به این صورت که وقتی در بتن ترک ایجاد گردد، این ترک ها به سمت دانه های آهکی حرکت می نمایند که ناحیه سطح شان بیشتر از اجزاءِ دیگرِ درونِ ماده زمینه ای است. وقتی آب به ترک نفوذ کند، با آهک واکنش نشان می دهد و یک محلول غنی از کلسیم ایجاد می گردد که خشک و سخت می گردد چون کلسیم کربنات دوباره شکاف را بهم می چسباند و جلوی توسعه بیشتر آن را می گیرد.

(مقبره سیسیلیا متلا)

این موضوع در بتن های سایت 2 هزار ساله دیگری هم مشاهده شد یعنی مقبره سیسیلیا مِتِلا که ترک های موجود در بتن آن با کلسیت (کربنات آهک) پر شده است. شاید این یافته توجیه این باشد که چرا بتن رومی این دیوار های دریایی 2 هزار ساله به رغم ضربات مدام اقیانوس، هزاران سال سالم به جای مانده اند.

در آخر، تیم تحقیقاتی با ساختن بتن پوزولانی با پیروی از دستورالعمل های باستانی و امروزی با استفاده از آهک زنده، یافته هایشان را آزمودند. علاوه بر این، یک بتن کنترل را بدون آهک زنده ساختند و آزمون های شکاف را روی آن انجام دادند. جای تعجبی نداشت که بتنِ ترک خورده یِ ساخته شده با آهک زنده ظرف 2 هفته به طور کامل ترمیم شد، اما بتنِ کنترل ترک خورده باقی ماند.

این تیم در حال حاضر مشغول کار کردن روی جنبه بازرگانیِ این بتن به بعنوان یک جایگزین سازگارتر با محیط زیست به جای بتن های فعلی است. ماسیک میگوید: هیجان انگیز است که چطور فرمولاسیونِ این بتن های بادوام تر نه تنها از عمر مفیدِ این مصالح بیشتر است، بلکه چگونه می تواند دوام فرمولاسیون بتن با چاپ سه بعدی را هم بهتر کند.

این تحقیق در مجله سایِنس اَدوَنسِز منتشر شده است.

منبع: sciencealert

مترجم: زهرا ذوالقدر