Phát hiện đáng kinh ngạc về nguyên nhân độ bền của bê tông La Mã

Một trong những điều kỳ diệu của thế giới La Mã là một số công trình kiến trúc của nó vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Nhưng tại sao chúng lại trường tồn lâu đến vậy trong khi một số công trình tương đối hiện đại lại đang trong tình trạng xuống cấp chỉ sau vài thập kỷ?

Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng tuổi thọ cao này là do phản ứng hóa học giữa tro núi lửa và vôi. Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances đồng ý rằng phản ứng này là nền tảng nhưng lập luận rằng một quá trình khác, được gọi là cacbonat hóa, cũng đã tăng cường đáng kể độ bền của bê tông.

Vành hydrat hóa CaO bao gồm canxit đa hình thái. Nguồn: Science Advances

Các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận này sau khi phân tích một mảnh bê tông lấy từ nhà vệ sinh tại khu nghỉ dưỡng sang trọng của Hoàng đế Hadrian ở vùng nông thôn không xa Rome.

Năm 2023, một nghiên cứu của MIT đề xuất rằng những mảng vôi trắng sáng trong bê tông La Mã là bằng chứng cho thấy vật liệu này có khả năng tự phục hồi. Khi các vết nứt hình thành, nước sẽ hòa tan những mảnh vụn này và lấp đầy các khoảng trống bằng các khoáng chất mới.

Nghiên cứu mới tập trung vào một tấm bê tông được tìm thấy trong thùng chứa chất thải bên dưới bồn cầu của một nhà vệ sinh công cộng tại khu biệt thự của hoàng đế. Mẫu vật có niên đại khoảng 1.900 năm này được làm từ bê tông trộn với các mảnh đá núi lửa, tro núi lửa và vôi.

Cắt lớp 3D cấu trúc bên trong của một mảnh đá vôi chưa nung được bảo tồn trong bê tông La Mã.

Nhóm nghiên cứu đã quét tia X 3D, kính hiển vi điện tử công suất cao và hàng loạt các thử nghiệm hóa học và khoáng chất. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu lập bản đồ các lỗ rỗng, vết nứt, mảnh đá núi lửa và lớp vỏ khoáng chất nhỏ li ti mọc xung quanh chúng. Họ có thể nghiên cứu những chi tiết này ở các thang đo từ milimét đến nanomét.

Các kết quả quét cho thấy canxit, một dạng canxi cacbonat, là khoáng chất chính liên kết các thành phần của bê tông. Nó được hình thành thông qua phản ứng chậm giữa vôi, độ ẩm và carbon dioxide từ không khí, một quá trình được gọi là cacbonat hóa. Khi mạng lưới khoáng chất này phát triển, nó dần dần lấp đầy các vết nứt và lỗ rỗng nhỏ, làm cho bê tông đặc hơn.

Điều này tạo ra một lớp bịt kín chắc chắn, ngăn chặn sự xâm nhập của nước và các hóa chất gây hại có thể làm xuống cấp bê tông.

Một vết nứt trong bê tông La Mã được lấp đầy bằng canxit đa hình thái.

Các mảnh vụn núi lửa cũng không chỉ là chất độn thụ động. Các cạnh của chúng phản ứng với vôi để tạo ra một lượng nhỏ hợp chất giống xi măng khác. Điều này làm tăng cường độ bền của bê tông tại những vị trí tiếp xúc giữa các mảnh vụn đá và vôi.

Quá trình cacbonat hóa trong thời gian dài cũng làm tăng đáng kể độ bền và khả năng tự phục hồi của bê tông. Sự phát triển quá mức của canxit đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền của bê tông La Mã bằng cách lấp đầy các vết nứt và lỗ hổng nhỏ bên trong cấu trúc, các nhà nghiên cứu cho biết

Nhóm nghiên cứu hy vọng những phát hiện của họ sẽ truyền cảm hứng cho việc phát triển bê tông hiện đại bền vững với các đặc tính tự phục hồi tương tự.

Vành hydrat hóa CaO trong bê tông La Mã cho thấy hai lỗ hổng đáng kể (được đánh dấu bằng màu tím đậm).