Bí quyết trường tồn của các công trình La Mã cổ đại

Vậy làm thế nào bê tông họ sử dụng lại giúp cho công trình đồ sộ như đền Pantheon hay đấu trường Colosseum đứng vững hơn 2.000 năm? Một nhóm nghiên cứu tập hợp các nhà khoa học đến từ Mỹ, Ý, Thụy Sĩ đã giải mã được bí ẩn này.

Phân tích nhiều mẫu bê tông 2.000 năm tuổi lấy từ một bức tường thành ở địa điểm khảo cổ Privernum miền Trung nước Ý có thành phần tương tự các loại bê tông khác được tìm thấy trên khắp đế chế La Mã, nhóm nghiên cứu đã phát hiện khối màu trắng bên trong - gọi là cục đá vôi (lime cast) - giúp bê tông có khả năng tự trám các vết nứt hình thành theo thời gian. Trước đây cục đá vôi không được chú ý đến vì mọi người nghĩ rằng đây là hậu quả của trộn bê tông cẩu thả hay vật liệu kém chất lượng.

Phát hiện mới có thể giúp bê tông thời nay bền vững hơn. Theo Giáo sư Admir Masic (Viện Công nghệ Massachusetts), thành viên nhóm nghiên cứu: “Bê tông cho phép người La Mã tạo nên một cuộc cách mạng kiến trúc. Họ xây dựng và biến các thành phố thành nơi phi thường và đẹp đẽ để sinh sống. Cuộc cách mạng làm thay đổi hoàn toàn cách con người sinh sống.

Đá vôi giúp bê tông thêm bền chắc

Bê tông thực chất là đá nhân tạo được hình thành bằng cách trộn xi măng - chất liên kết từ đá vôi, cốt liệu mịn (cát hoặc đá dăm nghiền mịn), cốt liệu thô (sỏi hoặc đá dăm) và nước.

Giáo sư Masic cho biết các văn bản La Mã đề xuất dùng vôi tôi (vôi khoáy với nước trước khi trộn) trong chất kết dính. Vì vậy không ít học giả kết luận đây là cách bê tông La Mã được sản xuất.

Nhưng với nghiên cứu sâu hơn, các nhà khoa học nhận định cục đá vôi trắng bên trong bê tông hình thành do sử dụng vôi sống (canxi oxit) - dạng đá vôi khô, phản ứng mạnh và nguy hiểm nhất - chứ không phải vôi tôi.

Phân tích bổ sung còn chỉ ra nhiệt độ cao khiến cục đá vôi hình thành, “trộn nóng” là chìa khóa giúp bê tông thêm bền chắc.

“Trộn nóng đem lại lợi ích gấp đôi. Thứ nhất, toàn bộ bê tông khi được nung ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra vài chất hóa học mà nếu dùng vôi tôi không thể có được. Thứ nhì, nhiệt độ cao làm giảm đáng kể số lần cứng hóa và đông kết vì tất cả phản ứng đều tăng tốc, cho phép xây dựng nhanh hơn”, Giáo sư Masic phân tích.

Để xác thực liệu có phải cục đá vôi giúp bê tông có khả năng tự trám vết nứt hay không, nhóm nghiên cứu tiến hành một thí nghiệm.

Họ làm ra 2 mẫu bê tông, 1 mẫu theo công thức La Mã và mẫu còn lại theo công thức hiện đại, rồi cố tình làm nứt chúng. Sau 2 tuần, nước không thể chảy xuyên qua bê tông làm theo công thức La Mã nhưng xuyên qua được bê tông không có vôi làm theo công thức hiện đại.

Thí nghiệm cho thấy cục đá vôi có thể hòa tan vào vết nứt và kết tinh lại sau khi tiếp xúc với nước, trám vết nứt trước lúc chúng lan rộng.

Theo nhóm nghiên cứu, khả năng tự trám này không những khiến bê tông hiện đại bền chắc hơn mà còn góp phần giảm khí thải carbon của bê tông vốn chiếm đến 8% lượng khí thải nhà kính toàn cầu.

Lâu nay giới khoa học nghĩ rằng chính tro núi lửa từ khu vực Pozzuoli (vịnh Naples) làm bê tông La Mã bền chắc. Loại tro này được vận chuyển khắp đế chế La Mã để sử dụng trong xây dựng, được kiến trúc sư và nhà sử học thời bấy giờ mô tả là thành phần chính để sản xuất bê tông.

Theo Giáo sư Masic, cả tro núi lửa lẫn cục đá vôi đều quan trọng. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu trước đó chẳng chú ý đến cục đá vôi.