على مدى عقود سعى العلماء لمعرفة سر قوة الخرسانة الرومانية شديدة المتانة، كان الرومان بارعين جداً في الهندسة والتشييد حيث شيدوا شبكات واسعة من الطرق والموانئ والقنوات والمباني الضخمة التي نجت لما يفوق 2000 عام ولا يزال بعض هذه التحف المعمارية قائماً حتى اليوم بما في ذلك الهياكل والمباني المعرضة للماء والملوحة، في حين لم تنج الهياكل الخرسانية الحديثة من الظروف نفسها لبضعة عقود !

أمضى الباحثون عقودا في محاولة لمعرفة سر مواد البناء القديمة فائقة التحمل تلك ، لا سيما في الهياكل التي تحملت ظروفا قاسية بشكل خاص ، مثل الأرصفة والمجاري والجدران البحرية ، أو تلك التي شيدت في مواقع نشطة زلزاليا.

سر قوة الخرسانة الرومانية

في الماضي ساد اعتقاد بأن سر قوة الخرسانة الرومانية يرجع إلى مادة واحدة وهي البوزولان وهو رماد البركاني من منطقة بوزولي ، على خليج نابولي. تم شحن هذا الرماد في جميع أنحاء الإمبراطورية الرومانية الشاسعة لاستخدامه في البناء ، ووصفه المهندسون المعماريون والمؤرخون كمكون رئيسي للخرسانة الرومانية في ذلك الوقت.

لاحقاً أقترح بأن السر في قوة الخرسانات الرومانية ليس في البوزولان فقط ولكن أيضاً في ماء البحر الذي يمنحها تركيب معدني فريد ،لكن لم يكن أحد يتخيل أن السر في تلك الشوائب المزعجة التي لطالما شاهدوها دون أن يلقوا لها بالاً.

أظهر الفحص الدقيق للخرسانة الرومانية أن العينات القديمة كانت تحتوي على كتل بيضاء صغيرة من الجير وهو مكون رئيس آخر في مزيج الخرسانة القديم. تم تجاهل دراسة هذه الكتل سابقا باعتبارها مجرد دليل على ممارسات خلط قذرة، أو بسبب استخدام مواد خام ذات جودة رديئة، لكن ثبت لاحقاً أن هذه الكتل الجيرية الصغيرة منحت الخرسانة قدرة لم تعرف سابقاً على الشفاء الذاتي.

بمزيد من البحث استطاع العلماء التوصل لاستنتاجات جديدة حول عملية خلط الخرسانة ذاتها، سابقاً كان يعتقد بأنه عندما تم دمج الجير في الخرسانة الرومانية ، دمج أولا مع الماء لتشكيل مادة تشبه العجينة شديدة التفاعل ، في عملية تعرف باسم إطفاء الكلس. لكن هذه العملية وحدها لا يمكن أن تفسر وجود كتل الجير المنتشرة تلك.

دفع هذا العلماء إلى افتراض أنهم ربما قد استخدموا الجير مباشرة في شكله الأكثر تفاعلا ، والمعروف باسم الجير الحي في الخرسانات دون إطفاءه أولاً. وقد أكد الفحص الطيفي على أن هذه الخرسانات ربما تشكلت في درجات حرارة قصوى ، كما هو متوقع من التفاعل الطارد للحرارة الناتج باستخدام الجير الحي بدلا من الجير المطفأ في الخليط أو بالإضافة إليه. خلص الفريق الآن إلى أن الخلط الساخن كان في الواقع مفتاح الطبيعة فائقة المتانة لهذه الخرسانات.

فوائد الخلط الساخن كانت ذات شقين :

• أولهما أنه عند تسخين خلطة الخرسانة الكلية إلى درجات حرارة عالية ، فإن ذلك يسمح بالكيمياء غير الممكنة إذا كنت تستخدم الجير المطفأ فقط هو المستخدم ، وينتج عن ذلك مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية لن تتشكل بطريقة أخرى.
• ثانيا ، تقلل درجة الحرارة المتزايدة هذه بشكل كبير من أوقات المعالجة والإعداد حيث يتم تسريع جميع التفاعلات ، مما يسمح ببناء أسرع بكثير .

أثناء عملية الخلط الساخن ، تطور كتل الجير بنية جسيمات نانوية هشة بشكل مميز ، مما يخلق مصدرا للكالسيوم سهل الكسر والتفاعل ، والذي ، كما اقترح الفريق ، يمكن أن يوفر وظيفة شفاء ذاتي مهمة. بمجرد أن تبدأ الشقوق الصغيرة في التكون داخل الخرسانة ، يمكنها السفر بشكل تفضيلي عبر كتل الجير ذات المساحة العالية.

يمكن أن تتفاعل هذه المادة بعد ذلك مع الماء ، مما يخلق محلولا مشبعا بالكالسيوم ، والذي يمكن أن يتبلور على شكل كربونات الكالسيوم ويملأ الشق بسرعة ، أو يتفاعل مع مواد البوزلان لزيادة تقوية المادة المركبة. تحدث هذه التفاعلات تلقائيا وبالتالي تشفي الشقوق تلقائيا قبل أن تنتشر. تم العثور على دعم سابق لهذه الفرضية من خلال فحص عينات الخرسانة الرومانية الأخرى التي أظهرت شقوقا مملوءة بالكالسيت.

لإثبات أن هذه كانت بالفعل الآلية المسؤولة عن متانة الخرسانة الرومانية ، أنتج الفريق عينات من الخرسانة المختلطة الساخنة التي تضمنت تركيبات قديمة وحديثة ، وكسرها عمدا ، ثم مررت المياه عبر الشقوق. في غضون أسبوعين ، شفيت الشقوق تماما ولم يعد الماء يتدفق.

وبالعكس فإن القطعة المتطابقة من الخرسانة المصنوعة بدون الجير الحي لم تلتئم أبدا ، واستمر الماء في التدفق عبر العينة. نتيجة لهذه الاختبارات الناجحة ، يعمل الفريق على تسويق مادة الأسمنت المعدلة هذه.

من الرائع أن هذه التركيبات الخرسانية الأكثر متانة لن تكون فقط ذات عمر طويل بل أيضا ستحسن سرعة جفافها من متانة تركيبات الخرسانة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمباني، وهو مطلب مهم لهذا النوع من الخرسانات وهي إلى ذلك ستكون أقل وزناً من الخرسانات التقليدية. أضف إلى ذلك أنها ستساهم في حل مشكلة الانبعاثات الكربونية الضخمة من مصانع الإسمنت التقليدية التي تمثل حاليا حوالي 8% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية.

مصادر

Riddle solved: Why was Roman concrete so durable? | MIT News | Massachusetts Institute of Technology