นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาลึกลับว่าทำไมคอนกรีตโรมันโบราณถึงทนทาน

นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาลึกลับว่าทำไมคอนกรีตโรมันโบราณถึงทนทาน

คอนกรีตโรมันโบราณมีอายุยืนยาวนับพันปี แต่ความรู้เชิงลึกด้านกลไกเกี่ยวกับความทนทานเป็นสิ่งที่น่าฉงนสนเท่ห์ เพื่อไขปริศนานี้ นักวิจัยจาก MIT และที่อื่น ๆ ได้วิเคราะห์ตัวอย่างคอนกรีตโรมันจากกำแพงเมืองของเมืองโบราณ Privernum ใกล้กรุงโรม ประเทศอิตาลี Privernum ถูกครอบครองตั้งแต่ศตวรรษที่ 2 ก่อนคริสตศักราชจนถึงศตวรรษที่ 13 และไซต์นี้ถูกขุดขึ้นครั้งแรกในศตวรรษที่ 18 โดยมีงานล่าสุดที่ดำเนินการตั้งแต่ปี 1990 จนถึงปัจจุบัน

เป็นเวลาหลายปีที่นักวิจัยสันนิษฐานว่ากุญแจสำคัญในความทนทานของคอนกรีตโบราณนั้นขึ้นอยู่กับส่วนผสมเดียว: วัสดุปอซโซลาน เช่น เถ้าภูเขาไฟจากพื้นที่ปอซซูโอลีบนอ่าวเนเปิลส์

ขี้เถ้าชนิดนี้ถูกส่งไปทั่วอาณาจักรโรมันอันกว้างใหญ่เพื่อใช้ในการก่อสร้าง และได้รับการอธิบายว่าเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับคอนกรีตในบัญชีโดยสถาปนิกและนักประวัติศาสตร์ในเวลานั้น

ภายใต้การตรวจสอบอย่างใกล้ชิด ตัวอย่างโบราณเหล่านี้ยังมีลักษณะแร่สีขาวสว่างขนาดเล็กที่โดดเด่นในระดับมิลลิเมตร ซึ่งได้รับการยอมรับมาช้านานว่าเป็นส่วนประกอบที่แพร่หลายในคอนกรีตโรมัน

ก้อนสีขาวเหล่านี้มักเรียกกันว่าปูนขาว มีต้นกำเนิดมาจากปูนขาว ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักอีกประการหนึ่งของส่วนผสมคอนกรีตโบราณ

“ตั้งแต่ฉันเริ่มทำงานกับคอนกรีตโรมันโบราณ ฉันรู้สึกทึ่งกับคุณสมบัติเหล่านี้มาโดยตลอด” ศาสตราจารย์ Admir Masic จาก MIT ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าว

“สิ่งเหล่านี้ไม่พบในสูตรคอนกรีตสมัยใหม่ แล้วทำไมจึงมีอยู่ในวัสดุโบราณเหล่านี้”

ศาสตราจารย์ Masic และเพื่อนร่วมงานเสนอแนะว่ากลุ่มปูนขาวขนาดเล็กเหล่านี้ทำให้คอนกรีตมีความสามารถในการรักษาตัวเองโดยที่ก่อนหน้านี้ไม่รู้จัก

“ความคิดที่ว่าการมีอยู่ของเปลือกปูนเหล่านี้มีสาเหตุมาจากการควบคุมคุณภาพต่ำทำให้ฉันรำคาญอยู่เสมอ” ศาสตราจารย์มาซิกกล่าว

“หากชาวโรมันใช้ความพยายามอย่างมากในการสร้างวัสดุก่อสร้างที่โดดเด่น ทำตามสูตรที่มีรายละเอียดทั้งหมดซึ่งได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมตลอดหลายศตวรรษ ทำไมพวกเขาถึงใช้ความพยายามเพียงน้อยนิดในการสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่มีการผสมอย่างดี ? เรื่องนี้ต้องมีอะไรมากกว่านี้”

นักวิจัยได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับฟังก์ชันการทำงานของมะนาวเหล่านี้

ในอดีต สันนิษฐานว่าเมื่อผสมปูนขาวเข้ากับคอนกรีตของโรมัน เริ่มแรกจะผสมกับน้ำเพื่อก่อตัวเป็นวัสดุที่มีลักษณะเหนียวเหนอะหนะซึ่งมีปฏิกิริยาสูง ในกระบวนการที่เรียกว่า slaking แต่กระบวนการนี้เพียงอย่างเดียวไม่สามารถอธิบายถึงการมีอยู่ของปูนขาวได้

จากการศึกษาตัวอย่างคอนกรีตโบราณนี้จากเมือง Privernum ในยุคโรมันโบราณ ผู้เขียนได้พิจารณาแล้วว่าการเจือปนสีขาวนั้นแท้จริงแล้วทำมาจากแคลเซียมคาร์บอเนตรูปแบบต่างๆ

และการตรวจสอบด้วยสเปกโทรสโกปีได้ให้เบาะแสว่าสิ่งเหล่านี้ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูง ตามที่คาดไว้จากปฏิกิริยาคายความร้อนที่เกิดจากการใช้ปูนขาวแทนหรือนอกเหนือจากปูนขาวในส่วนผสม

ทีมงานกล่าวว่าการผสมแบบร้อนเป็นกุญแจสำคัญในธรรมชาติที่ทนทานเป็นพิเศษ

“ประโยชน์ของการผสมร้อนมีสองเท่า” ศาสตราจารย์มาซิกอธิบาย

“ประการแรก เมื่อคอนกรีตโดยรวมถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง จะช่วยให้เกิดเคมีที่ไม่สามารถทำได้หากคุณใช้ปูนขาวเพียงอย่างเดียว ทำให้เกิดสารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูงซึ่งจะไม่ก่อตัวเป็นอย่างอื่น”

“ประการที่สอง อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยลดเวลาการบ่มและเซ็ตตัวได้อย่างมาก เนื่องจากปฏิกิริยาทั้งหมดถูกเร่งขึ้น ทำให้การก่อสร้างเร็วขึ้นมาก”

ในระหว่างกระบวนการผสมแบบร้อน เปลือกปูนขาวจะพัฒนาโครงสร้างอนุภาคนาโนที่เปราะเป็นพิเศษ ซึ่งสร้างแหล่งแคลเซียมที่แตกง่ายและทำปฏิกิริยาได้ง่าย ซึ่งสามารถให้ฟังก์ชันการรักษาตัวเองที่สำคัญ

ทันทีที่รอยแตกเล็กๆ เริ่มก่อตัวขึ้นภายในคอนกรีต รอยแตกสามารถเคลื่อนผ่านกลุ่มปูนขาวที่มีพื้นผิวสูงได้

จากนั้นวัสดุนี้สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำ เกิดเป็นสารละลายที่อิ่มตัวด้วยแคลเซียม ซึ่งสามารถตกผลึกใหม่เป็นแคลเซียมคาร์บอเนตและเติมรอยแตกอย่างรวดเร็ว หรือทำปฏิกิริยากับวัสดุปอซโซลานเพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้กับวัสดุคอมโพสิต

ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และดังนั้นจึงรักษารอยแตกโดยอัตโนมัติก่อนที่จะลุกลาม

การสนับสนุนสมมติฐานนี้ก่อนหน้านี้พบได้จากการตรวจสอบตัวอย่างคอนกรีตโรมันอื่น ๆ ที่แสดงรอยแตกที่เต็มไปด้วยแคลไซต์

เพื่อพิสูจน์ว่านี่เป็นกลไกที่รับผิดชอบต่อความทนทานของคอนกรีตโรมันจริงๆ ทีมงานได้ผลิตตัวอย่างคอนกรีตผสมร้อนที่ผสมผสานทั้งสูตรโบราณและสมัยใหม่เข้าด้วยกัน โดยจงใจทำให้แตกออก จากนั้นให้ฉีดน้ำผ่านรอยแตก

ภายในสองสัปดาห์รอยแตกก็หายสนิทและน้ำไม่สามารถไหลได้อีกต่อไป

คอนกรีตก้อนเดียวกันที่ทำโดยไม่ใช้ปูนขาวไม่เคยสมานตัว และน้ำก็ไหลผ่านตัวอย่างไปเรื่อยๆ

“เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่จะคิดว่าสูตรคอนกรีตที่ทนทานมากขึ้นเหล่านี้จะช่วยยืดอายุการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ได้อย่างไร และยังช่วยเพิ่มความทนทานของสูตรคอนกรีตจากการพิมพ์ 3 มิติได้อย่างไร” ศาสตราจารย์ Masic กล่าว