Bí mật giúp bê tông La Mã tự hàn vết nứt suốt gần 2.000 năm

Các nhà khoa học đã tìm ra bí mật bên trong bê tông giúp các công trình La Mã đứng vững suốt ngàn năm - Ảnh: SCIENCE FRIDAY

Công trường Pompeii hé lộ cách người La Mã trộn bê tông

Trong nhiều thế kỷ, các nhà nghiên cứu đặt câu hỏi vì sao nhiều công trình La Mã như đền Pantheon, cầu dẫn nước, bến cảng hay tường thành vẫn bền vững sau gần 2.000 năm, trong khi nhiều kết cấu bê tông hiện đại xuống cấp sau vài chục năm. 

Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho rằng lời giải nằm ở một kỹ thuật cổ là trộn vôi sống với tro núi lửa và cốt liệu khô trước khi thêm nước.

Theo MIT, bê tông là nền tảng cho "cuộc cách mạng kiến trúc" của La Mã, giúp người xưa xây dựng nhà cửa, cầu, kênh dẫn nước và nhiều công trình quy mô lớn. Một số công trình vẫn được sử dụng sau khoảng hai thiên niên kỷ. 

Nhóm nghiên cứu của phó giáo sư Admir Masic, khoa kỹ thuật dân dụng và môi trường MIT, tiếp tục làm rõ kỹ thuật sản xuất bê tông La Mã từ một công trường đang xây dở ở Pompeii.

Một mẩu bê tông La Mã - Ảnh: EUREKALERT

Nghiên cứu đăng trên Nature Communications phân tích "Domus IX 10, 1" - một công trường được bảo tồn ngay trước thời điểm núi Vesuvius phun trào năm 79. 

Tại đây, các nhà khảo cổ tìm thấy tường đang xây, vật liệu khô, đá, mảnh gạch ngói và dấu tích chuẩn bị vữa. Chính trạng thái đang thi công giúp nhóm nghiên cứu tiếp cận trực tiếp quá trình làm vật liệu, thay vì chỉ suy đoán từ những công trình đã hoàn thiện.

Phân tích vi cấu trúc và hóa học cho thấy người La Mã đã trộn vôi sống với tro núi lửa pozzolan và các vật liệu khô, sau đó mới thêm nước. Khi nước gặp vôi sống, phản ứng tỏa nhiệt xảy ra, tạo nên quá trình gọi là "trộn nóng". 

Nhóm nghiên cứu nhận định chính quá trình này giữ lại các hạt vôi giàu hoạt tính trong bê tông, dưới dạng những mảnh trắng nhỏ giống sỏi.

Ông Masic nói công trường Pompeii cung cấp bằng chứng rõ ràng nhất đến nay rằng người La Mã thật sự dùng kỹ thuật trộn nóng. Ông nhấn mạnh: "Vật liệu này có thể tự lành qua hàng nghìn năm". 

Kỹ thuật xây dựng công trình của người La Mã được các nhà khoa học ngày nay đánh giá cao - Ảnh: TIME

Những hạt vôi từng bị xem là lỗi hóa ra là chìa khóa

Trước các nghiên cứu của MIT, những hạt vôi trắng trong bê tông La Mã thường bị xem là dấu hiệu của kỹ thuật trộn kém. 

Tuy nhiên trong công bố cũ hơn (năm 2023), nhóm của ông Masic đặt lại vấn đề: nếu người La Mã có thể xây những công trình bền bỉ bậc nhất lịch sử, rất khó tin rằng họ để lại hàng loạt "lỗi kỹ thuật" trong vật liệu quan trọng như bê tông.

Nhóm nghiên cứu cho rằng các hạt vôi này là "kho dự trữ" canxi bên trong vật liệu. Khi bê tông xuất hiện vết nứt nhỏ, nước mưa hoặc nước ngầm thấm vào, làm hạt vôi hòa tan. Canxi sau đó kết tinh lại, lấp đầy khe nứt trước khi vết nứt lan rộng. 

Nhờ vậy, bê tông La Mã có cơ chế tự hàn ở cấp độ vi mô.

Để kiểm chứng, nhóm MIT tạo các mẫu bê tông theo công thức lấy cảm hứng từ La Mã, sau đó làm nứt mẫu và cho nước chảy qua. 

Kết quả được MIT mô tả là các mẫu có sử dụng vôi sống có thể "khâu" lại vết nứt trong vài tuần, còn mẫu đối chứng không thể hiện khả năng tương tự. Ông Masic từng nói đây là một bước quan trọng trong việc cải thiện tính bền vững của bê tông hiện đại bằng chiến lược lấy cảm hứng từ La Mã.

Năm 2017, nhà địa chất học Marie Jackson thuộc Đại học Utah và các cộng sự nghiên cứu bê tông biển La Mã trong các bến cảng cổ. Nhóm phát hiện nước biển thấm qua bê tông đã thúc đẩy sự hình thành các khoáng chất đan xen, giúp tăng độ kết dính của vật liệu theo thời gian.

Theo nhóm, người La Mã tạo bê tông biển bằng cách trộn tro núi lửa với vôi và nước biển để tạo vữa, sau đó thêm đá núi lửa làm cốt liệu. 

Khi nước biển tiếp tục thấm qua bê tông, nó hòa tan một phần tro núi lửa và tạo điều kiện cho các khoáng như tobermorite giàu nhôm và phillipsite phát triển. Các tinh thể dạng phiến này đan vào nền vật liệu, giúp bê tông chống nứt tốt hơn.

Nhà địa chất Marie Jackson nói: "Chưa ai tạo được tobermorite ở 20 độ C, trừ người La Mã".

Với bê tông hiện đại, nước biển thường là tác nhân phá hủy vì gây ăn mòn cốt thép và làm suy yếu kết cấu. Trong một số bê tông biển La Mã, quá trình trao đổi hóa học với nước biển lại giúp vật liệu phát triển thêm các khoáng chất gia cường.