Bí mật giúp công trình 2.000 năm vẫn đứng vững

Người La Mã đã xây dựng đền Pantheon cách đây khoảng 2.000 năm, nhưng nó kiên cố đến nỗi người ta vẫn sử dụng nó cho đến ngày nay. Ảnh: Pexels.

Gần hai thiên niên kỷ sau thời kỳ cực thịnh của Đế chế La Mã, nhiều công trình vẫn sừng sững như thách thức thời gian. Có thể kể đến đền Pantheon ở Rome, hệ thống dẫn nước tại Segovia (Tây Ban Nha) hay các nhà tắm La Mã ở Anh.

Điểm chung của những công trình này là đều được xây dựng bằng bê tông La Mã - loại vật liệu được xem là một trong những bí quyết giúp đế chế này để lại những công trình trường tồn.

Điều gì khiến loại bê tông này đặc biệt đến vậy? Vì sao nó có thể tồn tại hàng nghìn năm, trong khi bê tông hiện đại thường chỉ có tuổi thọ khoảng một thế kỷ?

Các nhà khoa học vẫn chưa thể giải mã hoàn toàn công thức của người La Mã, nhưng nhiều nghiên cứu gần đây đã hé lộ những bí mật quan trọng, từ thành phần độc đáo cho đến khả năng tự vá các vết nứt khi gặp nước.

Bê tông hiện đại được tạo ra như thế nào?

Bê tông hiện đại bắt đầu từ xi măng - loại bột mịn tạo thành hỗn hợp kết dính khi trộn với nước.

Thành phần chính của xi măng là đá vôi, chứa nhiều canxi cacbonat. Đá vôi được trộn với đất sét rồi nung ở nhiệt độ khoảng 1.482°C, tạo thành vật liệu gọi là clinker. Sau khi nghiền clinker cùng một số phụ gia sẽ thu được xi măng.

Ngày nay, loại được sử dụng phổ biến nhất là xi măng Portland. Theo bà Somayeh Nassiri, Phó giáo sư Kỹ thuật Dân dụng và Môi trường tại Đại học California, Davis, các công trình sử dụng xi măng Portland thường có tuổi thọ khoảng 75-100 năm, tùy điều kiện môi trường.

Thực tế, vật liệu giống bê tông đã xuất hiện từ rất sớm. Khoảng năm 6500 trước Công nguyên, người Syria thời kỳ đồ đá đã vô tình tạo ra vôi khi đốt đá bằng hố lửa. Đến khoảng 1100 trước Công nguyên, người Maya ở Trung Mỹ cũng sử dụng vôi sống làm vật liệu xây dựng.

Tuy nhiên, bê tông La Mã mới là bước đột phá thực sự.

"Bê tông đã xây dựng nên cả một đế chế", Kevin Dicus, Phó giáo sư ngành Khảo cổ học tại Đại học Oregon, nhận định.

Theo ông, người La Mã đã sử dụng loại bê tông này từ khoảng thế kỷ III trước Công nguyên.

Lăng mộ Caecilia Metella được xây dựng vào thế kỷ I TCN gần Rome, được xây bằng bê tông và vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Ảnh: Mausoleums

Bí mật nằm ở tro núi lửa và những mảnh vôi

Theo Dicus, yếu tố tạo nên khác biệt lớn nhất của bê tông La Mã là pozzolan - loại tro núi lửa lấy từ khu vực Pozzuoli (Italy).

Tro núi lửa chứa nhiều silica và alumina. Khi kết hợp với vôi và nước, chúng tạo ra phản ứng hóa học giúp bê tông cứng hơn, bền hơn và thậm chí có thể đông cứng ngay dưới nước. Đây cũng là nguyên lý của xi măng thủy lực hiện đại.

Tuy nhiên, thành phần đặc biệt nhất lại là những mảnh vôi sống nhỏ còn sót lại trong bê tông.

Theo thời gian, bê tông sẽ xuất hiện các vết nứt. Khi nước mưa thấm vào bên trong, các mảnh vôi này phản ứng với nước và tạo thành tinh thể canxit, lấp đầy các khe nứt.

Nói cách khác, bê tông La Mã có khả năng tự phục hồi.

Một ví dụ điển hình là Lăng mộ Caecilia Metella, công trình gần 2.000 năm tuổi ở ngoại ô Rome. Các nhà nghiên cứu phát hiện nhiều vết nứt trong bê tông đã được lấp đầy bằng canxit, cho thấy nước từng kích hoạt quá trình "tự chữa lành" này.

Người La Mã đã làm điều đó bằng cách nào?

Năm 2023, nhóm nghiên cứu tại MIT công bố một nghiên cứu trên tạp chí Science Advances nhằm tìm hiểu bí mật của bê tông La Mã.

Bằng kính hiển vi điện tử và phân tích tia X, họ phát hiện người La Mã nhiều khả năng đã sử dụng kỹ thuật trộn nóng trực tiếp.

Thay vì dùng vôi tôi như quy trình hiện đại, họ trộn trực tiếp vôi sống, tro núi lửa và nước ở nhiệt độ cao. Phương pháp này không chỉ giúp bê tông đông kết nhanh hơn mà còn giữ lại các mảnh vôi nhỏ – yếu tố tạo nên khả năng tự phục hồi.

Theo Dicus, quy trình sản xuất xi măng Portland hiện nay nghiền clinker thành bột rất mịn, khiến những hạt vôi này biến mất. Đó cũng là lý do bê tông hiện đại không thể tự hàn gắn các vết nứt như bê tông La Mã.

Hệ thống dẫn nước La Mã ở Tây Ban Nha là một trong nhiều cống dẫn nước từ thời La Mã vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Nguồn: Shutterstock

Bí mật vẫn chưa được giải mã hoàn toàn

Dù đã đạt được nhiều tiến triển, các nhà khoa học cho rằng vẫn còn nhiều điều chưa biết về công thức của người La Mã.

"Chúng tôi vẫn đang khám phá cách họ trộn và chuẩn bị vật liệu", bà Somayeh Nassiri, Phó giáo sư kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Đại học California cho biết.

Ông Kevin Dicus cũng đặt ra câu hỏi: "Đây chỉ là một sự trùng hợp may mắn, hay người La Mã thực sự hiểu rõ những gì họ đang làm?",

Dù câu trả lời là gì, kết quả vẫn hiện hữu sau gần 2.000 năm.

"Bức tường này đã 2.000 năm tuổi và vẫn cứng chắc như ngày đầu tiên được đổ", ông Dicus nói thêm.

Những bức tường ấy không chỉ là minh chứng cho kỹ thuật xây dựng vượt thời đại của người La Mã, mà còn là nguồn cảm hứng để các nhà khoa học ngày nay nghiên cứu những loại bê tông bền vững hơn, có khả năng kéo dài tuổi thọ công trình và giảm phát thải trong ngành xây dựng.