لماذا كانت الخرسانة الرومانية متينة للغاية؟ Roman-concrete

 

قد تحمل استراتيجية التصنيع القديمة غير المتوقعة مفتاح تصميم الخرسانة التي تدوم لآلاف السنين.

كان الرومان القدماء خبراء في الهندسة ، حيث قاموا ببناء شبكات شاسعة من الطرق والقنوات المائية والموانئ والمباني الضخمة ، التي بقيت آثارها على مدى ألفي عام. تم بناء العديد من هذه الهياكل بالخرسانة.

أكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم

لا تزال البانثيون الشهيرة في روما ، والتي تضم أكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم وتم تكريسها في عام 128 بعد الميلاد ، سليمة ، ولا تزال بعض القنوات الرومانية القديمة تنقل المياه إلى روما اليوم. في غضون ذلك ، انهارت العديد من الهياكل الخرسانية الحديثة بعد بضعة عقود.

أمضى الباحثون عقودًا في محاولة اكتشاف سر مادة البناء القديمة للغاية هذه ، لا سيما في الهياكل التي تحملت ظروفًا قاسية بشكل خاص ، مثل الأرصفة والمجاري والأسوار البحرية ، أو تلك التي شُيدت في مواقع نشطة زلزاليًا.

الرماد البركاني

لسنوات عديدة ، افترض الباحثون أن مفتاح متانة الخرسانة القديمة كان يعتمد على مكون واحد: المواد البوزولانية مثل الرماد البركاني من منطقة بوزولي ، على خليج نابولي. 

تم شحن هذا النوع المحدد من الرماد في جميع أنحاء الإمبراطورية الرومانية الشاسعة لاستخدامه في البناء ، ووُصف بأنه مكون رئيسي للخرسانة في الحسابات من قبل المهندسين المعماريين والمؤرخين في ذلك الوقت.

الكلس الجيري

تحت الفحص الدقيق ، تحتوي هذه العينات القديمة أيضًا على سمات معدنية بيضاء ساطعة صغيرة ومميزة بمقياس ملليمتر ، والتي تم التعرف عليها منذ فترة طويلة كمكون في كل مكان من الخرسانة الرومانية. هذه القطع البيضاء ، التي يشار إليها غالبًا باسم "الكلس الجيري" ، تنشأ من الجير ، وهو مكون رئيسي آخر لمزيج الخرسانة القديم.

تم تجاهلها سابقًا باعتبارها مجرد دليل على ممارسات الخلط غير المتقنة ، أو المواد الخام ذات الجودة الرديئة ، تشير الدراسة الجديدة إلى أن هذه الكتل الجيرية الصغيرة أعطت الخرسانة قدرة معالجة ذاتية لم يتم التعرف عليها سابقًا.

تقنيات التصوير متعدد النطاقات عالية

بعد مزيد من التوصيف لهذه الكتل الجيرية ، باستخدام تقنيات التصوير متعدد النطاقات عالية الدقة وتقنيات رسم الخرائط الكيميائية الرائدة في مختبرات الأبحاث ، اكتسب الباحثون رؤى جديدة حول الوظائف المحتملة لهذه الكسور الجيرية.

تاريخيًا ، كان يُفترض أنه عند دمج الجير في الخرسانة الرومانية ، تم دمجه أولاً مع الماء لتشكيل مادة شديدة التفاعل تشبه العجينة ، في عملية تُعرف باسم القطع. لكن هذه العملية وحدها لا يمكن أن تفسر وجود الكتل الجيرية.

الفحص الطيفي

من خلال دراسة عينات من هذه الخرسانة القديمة ، تبين أن المواد البيضاء كانت بالفعل مصنوعة من أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم. وقدم الفحص الطيفي أدلة على أنها تشكلت في درجات حرارة قصوى ، كما هو متوقع من التفاعل الطارد للحرارة الناتج عن استخدام الجير الحي بدلاً من الجير المطفأ في الخليط أو بالإضافة إليه. خلص الفريق الآن إلى أن الخلط الساخن كان في الواقع مفتاح الطبيعة فائقة التحمل.

تسخين الخرسانة

يقول ماسك: "إن فوائد الخلط الساخن ذات شقين". "أولاً ، عندما يتم تسخين الخرسانة الكلية إلى درجات حرارة عالية ، فإنها تسمح بالكيمياء غير الممكنة إذا استخدمت الجير المطفأ فقط ، مما ينتج عنه مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية لن تتشكل بخلاف ذلك. 

ثانيًا ، تقلل درجة الحرارة المتزايدة هذه المعالجة والإعداد بشكل كبير مرات حيث يتم تسريع جميع التفاعلات ، مما يسمح ببناء أسرع بكثير. "

عملية الخلط الساخن

أثناء عملية الخلط الساخن ، تقوم الكتل الجيرية بتطوير بنية جسيمات نانوية دقيقة جدا بشكل مميز ، مما يخلق مصدرًا للكالسيوم سهل التصدع والتفاعل ، والذي ، كما اقترح الفريق ، يمكن أن يوفر وظيفة معالج ذاتي مهمة. 

بمجرد أن تبدأ الشقوق الصغيرة في التكون داخل الخرسانة ، يمكن أن تنتقل بشكل تفضيلي عبر الكتل الجيرية ذات السطح المرتفع.

يمكن أن تتفاعل هذه المادة بعد ذلك مع الماء ، مما ينتج عنه محلول مشبع بالكالسيوم ، والذي يمكن أن يتبلور ككربونات الكالسيوم ويملأ الشق بسرعة ، أو يتفاعل مع المواد البوزولانية لزيادة تقوية المادة المركبة. 

المعالجة الذاتية للشقوق الخرسانية

تحدث هذه التفاعلات بشكل عفوي وبالتالي تلتئم الشقوق تلقائيًا قبل أن تنتشر. تم العثور على الدعم السابق لهذه الفرضية من خلال فحص عينات الخرسانة الرومانية الأخرى التي أظهرت تشققات مليئة بالكالسيت.

لإثبات أن هذه كانت بالفعل الآلية المسؤولة عن متانة الخرسانة الرومانية ، أنتج الفريق عينات من الخرسانة المختلطة على الساخن والتي تضمنت تركيبات قديمة وحديثة ، وقاموا بتكسيرها عن عمد ، ثم مرر الماء عبر الشقوق. 

من المؤكد: في غضون أسبوعين ، التئمت الشقوق تمامًا ولم يعد بإمكان الماء التدفق. لم تلتئم قطعة متطابقة من الخرسانة المصنوعة بدون الجير الحي ، وظل الماء يتدفق عبر العينة. نتيجة لهذه الاختبارات الناجحة ، يعمل الفريق على تسويق مادة الأسمنت المعدلة هذه.

التركيبات الخرسانية الأكثر ديمومة 

من المثير التفكير في كيف يمكن لهذه التركيبات الخرسانية الأكثر ديمومة أن تزيد ليس فقط من عمر خدمة هذه المواد ، ولكن أيضًا كيف يمكنها تحسين متانة تركيبات الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

من خلال العمر الافتراضي الطويل وتطوير أشكال خرسانية أخف وزنًا ، يأمل أن تساعد هذه الجهود في تقليل التأثير البيئي لإنتاج الأسمنت ، والذي يمثل حاليًا حوالي 8 في المائة من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية.

إلى جانب الصيغ الجديدة الأخرى ، مثل الخرسانة التي يمكنها بالفعل امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء ، يمكن لهذه التحسينات أن تساعد في تقليل تأثير المناخ العالمي للخرسانة.