كان الرومان القدماء أساتذة في البناء والهندسة، ولعل أشهرها قنوات المياه. وتعتمد هذه العجائب 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 ويبلغ عمره حوالي 2000 عام – يحمل الرقم القياسي لأكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم.
تُعزى خصائص هذه الخرسانة بشكل عام إلى مكوناتها: البوزولان، وهو خليط من الرماد البركاني – سمي على اسم مدينة بوتسوولي الإيطالية، حيث توجد رواسب كبيرة – و ليمون أخضر. عند خلطهما بالماء، يمكن أن تتفاعل المادتان لإنتاج خرسانة قوية.
لكن اتضح أن هذه ليست القصة بأكملها. وفي عام 2023، اكتشف فريق دولي من الباحثين بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن المواد ليست مختلفة قليلاً عما قد يعتقده المرء فحسب، بل كانت التقنيات المستخدمة لخلطها مختلفة أيضًا.
كان دليل التدخين عبارة عن قطع بيضاء صغيرة من الجير يمكن العثور عليها فيما يبدو أنه خرسانة ممزوجة جيدًا. كان وجود هذه القطع يُعزى سابقًا إلى سوء خلط المواد أو سوء خلطها، لكن هذا لم يكن له أي معنى بالنسبة لعالم المواد أدمير ماسيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
“إن فكرة أن وجود شظايا الحجر الجيري هذه يُعزى ببساطة إلى ضعف مراقبة الجودة كانت تزعجني دائمًا.” قال ماسيك مرة أخرى في يناير 2023.
“إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء استثنائية، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدى قرون عديدة، فلماذا يبذلون القليل من الجهد لضمان إنتاج منتج نهائي مختلط جيدًا؟ يجب أن يكون هناك المزيد في هذا الأمر قصة.”
قام ماسيك والفريق، بقيادة المهندسة المدنية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليندا سيمور، بدراسة عينات من الخرسانة الرومانية التي يبلغ 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 لفهم كتل الجير بشكل أفضل.
كان أحد الأسئلة التي تدور في ذهني هو طبيعة الجير المستخدم. الفهم القياسي للخرسانة البوزولانية هو أنها تستخدم جير. أولاً، يتم تسخين الحجر الجيري إلى درجات حرارة عالية لإنتاج مسحوق كاوي شديد التفاعل يسمى الجير الحيأو أكسيد الكالسيوم.
يؤدي خلط الجير الحي مع الماء إلى إنتاج الجير المطفأ، أو هيدروكسيد الكالسيوم: وهو معجون أقل تفاعلاً وأقل كاوية. وفقًا للنظرية، كان هذا الجير المطفأ هو الذي خلطه الرومان القدماء مع البوزولان.
ووفقاً لتحليل الفريق، فإن كتل الجير الموجودة في عيناتهم لا تتطابق مع هذه الطريقة. من المحتمل أن تكون الخرسانة الرومانية قد صنعت عن طريق خلط الجير الحي مباشرة مع البوزولان والماء في درجات حرارة عالية للغاية، بمفرده أو بالإضافة إلى الجير المطفأ، وهي عملية يطلق عليها الفريق “الخلط الساخن” والتي تنتج فتات الجير.
“مزايا الخلط الساخن ذات شقين” قال ماسيك.
“أولاً، عندما يتم تسخين الخرسانة بأكملها إلى درجات حرارة عالية، فإنها تسمح بتكوين مواد كيميائية لن تكون ممكنة إذا استخدمت الجير المطفأ فقط، مما ينتج مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية لا يمكن أن تتشكل بطريقة أخرى. ثانيًا، تقلل درجة الحرارة المتزايدة هذه بشكل كبير من المعالجة و تحديد الأوقات حيث يتم تسريع كافة ردود الفعل، مما يسمح ببناء أسرع بكثير.
وهذا له ميزة أخرى: فتات الجير تعطي الخرسانة قدرات ملحوظة على الشفاء الذاتي.
عندما تتشكل الشقوق في الخرسانة، فإنها تنتشر بشكل تفضيلي نحو فتات الجير، والتي لها مساحة سطح أكبر من الجسيمات الأخرى في المصفوفة. عندما يدخل الماء إلى الشق، فإنه يتفاعل مع الجير لتكوين محلول غني بالكالسيوم الذي يجف ويتصلب إلى كربونات الكالسيوم، وبالتالي يغلق الشق ويمنعه من الانتشار أكثر.
هذا وقد لوحظ مصنوعة من الخرسانة من موقع آخر عمره 2000 عام، وهو مقبرة سيسيليا ميتيلا، حيث امتلأت الشقوق في الخرسانة بالكالسيت. ويمكن أن يفسر أيضًا سبب بقاء الخرسانة الرومانية للجدران البحرية التي بنيت 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 التكسير. في الواقع، تم شفاء الخرسانة الجيرية المتشققة بالكامل خلال أسبوعين، لكن خرسانة التحكم ظلت متشققة.
ويعمل الفريق حاليًا على تسويق الخرسانة التي ينتجها كبديل أكثر صداقة للبيئة من الخرسانة الحالية.
“من المثير التفكير في كيف أن هذه التركيبات الخرسانية الأكثر متانة لا يمكنها إطالة عمر هذه المواد فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين متانة التركيبات الخرسانية المطبوعة ثلاثية الأبعاد.” قال ماسيك.
وقد نشر البحث في تقدم العلماء.
نُشرت نسخة من هذه المقالة لأول مرة في يناير 2023.
