WASIHGTON - Antik Romalılar, belki de en ünlüsü su kemerleri olan inşaat ve mühendislikte ustalardı. Ve hala işlevsel olan bu harikalar, benzersiz bir inşaat malzemesine dayanır: puzolanik beton, Roma yapılarına inanılmaz güçlerini veren muhteşem derecede dayanıklı bir beton.
Bugün bile, hala sağlam duran ve yaklaşık 2.000 yıllık olan yapılarından biri olan Pantheon, dünyanın en büyük takviyesiz beton kubbesi rekorunu elinde tutuyor.
Bu betonun özellikleri genellikle içeriklerine atfedilmiştir: puzolan, volkanik külün bir karışımı - önemli bir birikiminin bulunduğu İtalya'nın Pozzuoli şehrinden adını almıştır - ve kireç . Suyla karıştırıldığında, iki malzeme reaksiyona girerek güçlü beton üretebilir.
Ancak ortaya çıktığı üzere, hikayenin tamamı bu değil. 2023'te Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, malzemelerin düşündüğümüzden biraz farklı olmasının yanı sıra, onları karıştırmak için kullanılan tekniklerin de farklı olduğunu buldu.
Dumanlı silahlar, iyi karıştırılmış betonda bulunabilen küçük, beyaz kireç parçalarıydı. Bu parçaların varlığı daha önce kötü karıştırma veya malzemelere atfedilmişti, ancak MIT'den malzeme bilimci Admir Masic için bu mantıklı değildi.
Masic , Ocak 2023'te yaptığı açıklamada, "Bu kireç parçacıklarının varlığının yalnızca düşük kaliteli kontrole bağlandığı fikri beni her zaman rahatsız etti." demişti.
"Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri izleyerek olağanüstü bir yapı malzemesi yapmak için bu kadar çaba sarf ettiyse, neden iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için bu kadar az çaba harcasınlar? Bu hikayenin daha fazlası olmalı."
Masic ve MIT inşaat mühendisi Linda Seymour liderliğindeki ekip, İtalya'daki Privernum arkeolojik alanından alınan 2.000 yıllık Roma beton örneklerini dikkatle inceledi.
Kireç parçacıklarını daha iyi anlayabilmek için bu örneklere geniş alan taramalı elektron mikroskobu, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi, toz X-ışını kırınımı ve konfokal Raman görüntüleme yöntemleri uygulandı.
Akıllardaki sorulardan biri kullanılan kirecin doğasıydı. Puzolanik betonun standart anlayışı, sönmüş kireç kullanmasıdır . İlk olarak, kireç taşı yüksek sıcaklıklarda ısıtılarak sönmemiş kireç veya kalsiyum oksit adı verilen oldukça reaktif bir kostik toz üretilir.
Kirecin suyla karıştırılması sönmüş kireç veya kalsiyum hidroksit üretir: biraz daha az reaktif, daha az yakıcı bir macun. Teoriye göre, antik Romalıların puzolanla karıştırdığı sönmüş kireç buydu.
Ekibin analizine göre, numunelerindeki kireç parçacıkları bu yöntemle tutarlı değil. Aksine, Roma betonu muhtemelen kirecin doğrudan puzolan ve su ile son derece yüksek sıcaklıklarda, tek başına veya sönmüş kirecin yanı sıra karıştırılmasıyla yapılmıştı; ekibin 'sıcak karıştırma' adını verdiği ve kireç parçacıklarıyla sonuçlanan bir işlem.
"Birincisi, betonun tamamı yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, yalnızca sönmüş kireç kullanıldığında mümkün olmayan kimyasalların oluşmasına izin verir ve aksi takdirde oluşmayacak yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretir. İkincisi, bu artan sıcaklık, tüm reaksiyonlar hızlandırıldığı için kürlenme ve sertleşme sürelerini önemli ölçüde azaltır ve çok daha hızlı bir inşaata olanak tanır."
Ve bir faydası daha var: Kireç parçacıkları betona olağanüstü bir kendi kendini iyileştirme yeteneği kazandırıyor.
Betonda çatlaklar oluştuğunda, bunlar tercihen matristeki diğer parçacıklardan daha yüksek bir yüzey alanına sahip olan kireç parçacıklarına doğru hareket eder. Su çatlağa girdiğinde, kireçle reaksiyona girerek kalsiyum açısından zengin bir çözelti oluşturur ve bu çözelti kuruyup kalsiyum karbonat olarak sertleşerek çatlağı tekrar birbirine yapıştırır ve daha fazla yayılmasını önler.
Bu , 2.000 yıllık başka bir alan olan Caecilia Metella Mezarı'ndaki betonda gözlemlendi ; burada betondaki çatlaklar kalsit ile doldurulmuştu. Ayrıca, 2.000 yıl önce inşa edilen deniz duvarlarındaki Roma betonunun okyanusun sürekli darbelerine rağmen binlerce yıl boyunca bozulmadan kalmasını da açıklayabilir.
Bu nedenle ekip bulgularını kireç kullanarak eski ve modern tariflerden puzolanik beton yaparak test etti. Ayrıca kireçsiz bir kontrol betonu yaptılar ve çatlak testleri gerçekleştirdiler. Gerçekten de çatlamış kireçli beton iki hafta içinde tamamen iyileşti, ancak kontrol betonu çatlak kaldı.
Ekip şu anda betonlarını mevcut betonlara göre daha çevre dostu bir alternatif olarak ticarileştirmek için çalışıyor.
Masic, "Bu daha dayanıklı beton formüllerinin yalnızca bu malzemelerin hizmet ömrünü uzatmakla kalmayıp, aynı zamanda 3 boyutlu yazdırılmış beton formüllerinin dayanıklılığını nasıl artırabileceğini düşünmek heyecan verici." dedi .