على الرغم من بنائها منذ آلاف السنين ، إلا أن بعض الهياكل الخرسانية في جميع أنحاء العالم قد صمدت بشكل مدهش ، وحرفيًا ، أمام اختبار الزمن.
تم بناء مبنى البانثيون في روما ، على وجه الخصوص ، حوالي 126-128 بعد الميلاد – ومع ذلك فهو ضخم ، غير مدعوم لا تزال القبة الخرسانية ترسو المدينة بشكل مهيب. حتى أن بعض القنوات الرومانية القديمة لا تزال قيد الاستخدام ، حيث تنقل المياه بشكل مطرد عبر الأرض.
لذا فإن السؤال الكبير الذي يطرح نفسه بشكل طبيعي: ما الذي يمكن أن يكون مميزًا عن الخرسانة التي يبلغ عمرها 2000 عام؟ وكيف يمكننا بناء أبنية عظمى متينة مثل الصروح الأيقونية للإمبراطورية الرومانية؟ في يوم الجمعة ، في مجلة Science Advances ، قدم مهندسون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إجابة رائعة.
باختصار ، يعتقدون أن معادن صغيرة تسمى “فتحات الجير” أعطت الخرسانة القديمة نوعًا من القدرة على الشفاء.
حسنًا ، هذا يبدو غير منطقي. ولكن ما هو مثير للاهتمام حقًا حول هذا هو ذلك سنين، افترض العلماء أن وجود فجوات الكلس في خليط الخرسانة القديم كان عرضيًا – نتاج سوء الخلط وعدم الانتباه.
قال Admir Masic ، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة ، في بيان: “فكرة أن وجود هذه الكتل الجيرية كان يُعزى ببساطة إلى انخفاض مراقبة الجودة كانت تزعجني دائمًا”.
“إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء متميزة ، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدار قرون عديدة ،” تابع ماسك ، “فلماذا يبذلون القليل من الجهد لضمان إنتاج المنتج النهائي الممزوج جيدًا؟ يجب أن يكون هناك المزيد لهذه القصة “.
ها هي القبة داخل مبنى البانثيون في روما. إنه مصنوع من الخرسانة مثل العديد من المباني الحديثة ، ولكن مع وصفة خاصة.
صور جيتي
تبدأ القصة بالرماد البركاني
تاريخيًا ، وفقًا لماسك وزملائه الباحثين ، افترض الخبراء أن المكون السري في هياكل البناء مثل البانثيون له علاقة بمادة تسمى مادة البوزولاني. ومن الغريب أن المواد البوزولانية مشتقة من الرماد البركاني في منطقة Pozzuoli على خليج نابولي.
كان المهندسون المعماريون في ذلك الوقت مهووسين بهذه المواد ، وذهبوا إلى أبعد من ذلك لشحنها إلى الإمبراطورية الرومانية لعمال البناء الذين قاموا بتجميع الخصائص الهامة.
ولكن بعد فحص عينات من الخرسانة القديمة بمزيد من التفصيل ، لاحظ ماسك وجود ما يسمى بالكسر الجيري بالداخل. المهم أن نلاحظ أن الكلس الجيري ليس من السهل صنعه. إنها ليست نتيجة ثانوية عشوائية لعمليات كيميائية أخرى. عليك أن بنشاط وأوضح الفريق أنه يصنع فتحات من الجير إذا كنت تريدها.
أو بشكل أكثر تحديدًا ، عليك خلط الخرسانة مع الجير في درجات حرارة عالية جدًا للحصول على عدد قليل من الزخارف الجيرية.
وبالتأكيد ، مع مزيد من التحليل ، وجد الفريق دليلاً على الخلط الساخن (للغاية) في عينات الخرسانة القديمة. لقد أراد الرومان فعلاً وجود صخور الجير هناك.
بالإضافة إلى ذلك ، قال ماسك إن “فوائد الخلط على الساخن مضاعفة” من حيث البناء العام.
أولاً ، عندما يتم تسخين الخرسانة إلى درجات حرارة عالية ، فإنها تنتج مركبات لا يمكنك الحصول عليها إذا كنت تستخدم فقط الجير المطفأ – والذي يشير إلى الجير الممزوج غير الساخن. ثانيًا ، تقلل درجة الحرارة المتزايدة بشكل كبير ما يُعرف بـ “المعالجة” وتعيين الأوقات أثناء بناء الهيكل. ذلك لأن الحرارة تسرع التفاعلات ، والتفاعلات المتسارعة تعني بناء أسرع.
علاوة على ذلك ، “من المثير التفكير في كيف يمكن لهذه التركيبات الخرسانية الأكثر ديمومة أن تزيد ليس فقط من عمر خدمة هذه المواد ، ولكن أيضًا كيف يمكنها تحسين متانة تركيبات الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد ،” قال ماسك.
هنا ، يشير ماسك إلى خصائص الشفاء الذاتي التي ذكرتها سابقًا.
خريطة عنصرية بمساحة كبيرة لجزء 2 سم من الخرسانة الرومانية القديمة (يمين) تم جمعها من موقع بريفيرنوم الأثري بإيطاليا (يسار). يمكن رؤية طبقة الجير الغنية بالكالسيوم (باللون الأحمر) ، المسؤولة عن الخصائص الفريدة للشفاء الذاتي في هذه المادة القديمة ، بوضوح في المنطقة السفلية من الصورة.
Admir Masic وزملاؤه الباحثين.
بشكل أساسي ، أثناء عملية الخلط الساخن ، تخلق فتحات الجير نمطًا خاصًا في الخرسانة وتشكل ما يُعرف بمصدر الكالسيوم التفاعلي. هذا يعني أنه إذا تشكلت شقوق صغيرة على الإطلاق ، فإن هذه الشقوق لديها احتمالية عالية للسفر على طول نمط الصخر الجيري الصغير. ثم ، إذا وجد الماء طريقه إلى الشقوق ، تحدث مجموعة من التفاعلات مع مصدر الكالسيوم ، وقصة طويلة ، تمتلئ الشقوق بنسخة معاد بلورة من مصدر الكالسيوم نفسه.
لتأكيد فرضيتهم ، اختبر الباحثون ذلك أيضًا.
كانت الخطوة الأولى هي صنع الخرسانة من خلال الخلط الساخن ، مما يضمن وجود الكلس الصخري. الخطوة الثانية: قم بعمل شقين. الخطوة الثالثة: قم بتشغيل الماء من خلال الشقوق.
وها ، في غضون أسبوعين ، وجدوا أن الشقوق قد التئمت تمامًا ولم يعد بإمكان الماء التدفق. (قبل أن تسأل ، كلا ، النسخة الخرسانية الحديثة التي جربوها لم تشفى).
على الرغم من ذلك ، من المحتمل أن تكون مادة العمارة الرومانية المذهلة بشكل غامض أعمق بكثير من مجرد تضمين الصخور الجيرية. على سبيل المثال ، وجدت دراسة منفصلة أجراها ماسك أيضًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في أكتوبر 2021 أن قبرًا رومانيًا عمره 2050 عامًا يحتوي على الكثير من الرماد البركاني السحري في جدرانه – ولاحظت وجود “تفاعلات كيميائية غير عادية مع المطر والمياه الجوفية ذلك [accumulated] أكثر من ألفي عام “بسبب هذا الرماد.
يبدو أن هذه التفاعلات ساعدت في تماسك الخرسانة. ومع ذلك ، ربطت تلك الدراسة النتائج بمشتق البوتاسيوم بدلاً من الكلس على وجه الخصوص.
قال ماسك في بيان صحفي حول دراسة عام 2021: “إن فهم تكوين وعمليات المواد القديمة يمكن أن يطلع الباحثين على طرق جديدة لإنشاء مواد بناء دائمة ومستدامة للمستقبل”. “يعد قبر كايسيليا ميتيلا أحد أقدم الهياكل التي لا تزال قائمة ، ويقدم رؤى يمكن أن تلهم البناء الحديث.”
في الوقت الحالي ، يعمل الفريق على تسويق خليط الخرسانة ذاتية الإصلاح الذي صنعوه للتو.
