Các nhà khoa học giải quyết bí ẩn 2.000 năm tuổi về bê tông La Mã cực kỳ mạnh mẽ và nó có thể giúp chống lại biến đổi khí hậu
Bê tông hiện đại, bao gồm cả thành phần quan trọng của xi măng Portland, là một nguồn phát thải khí nhà kính chính. Nhưng tất cả có thể thay đổi với một khám phá mới.
Khoan các mẫu bê tông La Mã ở Tuscany năm 2003. Ảnh: JP Oleson
Nỗi ám ảnh của chúng ta về bê tông chiếm khoảng 5% lượng khí thải do con người gây ra. Một phần ba thiệt hại được thực hiện bởi nhiệt cần thiết để đốt lò nung trong đó xi măng được sản xuất, trong khi một nửa đến từ carbon dioxide được giải phóng khi đá vôi (CaCO3) được nung nóng. Nhưng người La Mã cổ đại đã làm điều đó theo một cách khác thân thiện với môi trường hơn nhiều. Theo nghiên cứu mới do Giáo sư Marie Jackson của Đại học Utah dẫn đầu, quá trình của họ đã phản ứng với vôi với carbon dioxide trong nước biển, thực sự làm giảm nồng độ của nó.
Nhưng đó không phải là lý do duy nhất tại sao quá trình La Mã vượt trội hơn chúng ta. Sản phẩm thu được cũng tồn tại lâu dài hơn nhiều, như được chứng minh bằng sự tồn tại của nhiều con đường và tòa nhà 2000 năm tuổi hoặc lâu hơn đã tồn tại ngay cả trong các khu vực động đất. Nhưng họ đã làm điều đó như thế nào?
Được xây dựng vào khoảng năm 18 trước Công nguyên – 12 trước Công nguyên, Kim tự tháp Cestius được làm bằng bê tông mặt gạch được bao phủ bởi các tấm đá cẩm thạch trắng đứng trên nền tảng travertine. Tín dụng hình ảnh: Dennis Jarvis
Trong American Mineralogist, Jackson tiết lộ rằng sức mạnh cấu trúc của bê tông La Mã được cung cấp bởi các tinh thể của một vật liệu phân lớp gọi là “nhôm tobermorite”. Các tinh thể tương tự có mặt khi đá đang hình thành, ví dụ như khi núi lửa phun trào tạo ra các hòn đảo. Tuy nhiên, các quá trình này được cho là đòi hỏi nhiệt độ cao.
“Không ai sản xuất tobermorite ở 20 độ C”, Jackson nói trong một tuyên bố. “Ồ – ngoại trừ người La Mã!”
Bê tông La Mã được biết là bao gồm vôi (CaO), tro núi lửa và nước biển. Bây giờ các nhà nghiên cứu đã lập bản đồ các mẫu lấy từ bê tông La Mã cổ đại bằng kính hiển vi điện tử, sau đó đi sâu xuống độ phân giải cực cao với vi nhiễu xạ tia X và quang phổ Raman. Sử dụng các kỹ thuật tiên tiến này, họ có thể xác định tất cả các hạt khoáng hình thành trong bê tông cổ đại qua nhiều thế kỷ.
“Chúng ta có thể đi vào các phòng thí nghiệm tự nhiên nhỏ bé trong bê tông, lập bản đồ các khoáng chất có mặt, sự kế thừa của các tinh thể xuất hiện và tính chất tinh thể học của chúng”, Jackson nói.
“Thật đáng kinh ngạc với những gì chúng tôi có thể tìm thấy.”
Sử dụng chùm tia X mạnh mẽ và rất tập trung, các nhà khoa học đã tiết lộ vật liệu kết dính canxi-nhôm-silicat-hydrat (C-A-S-H) dạng sần được hình thành bởi vôi, tro núi lửa và nước biển. Các tinh thể Platy của Al-tobermorite trong C-A-S-H cung cấp phần lớn sức mạnh của bê tông. Tín dụng hình ảnh: Marie Jackson
Hóa ra, tobermorite nhôm và một khoáng chất liên quan gọi là phillipsite thực sự phát triển trong bê tông nhờ nước biển chảy xung quanh nó, từ từ hòa tan tro núi lửa bên trong. Điều này tạo không gian để phát triển một cấu trúc gia cố từ các tinh thể lồng vào nhau này.
“Người La Mã đã tạo ra một loại bê tông giống như đá phát triển mạnh trong trao đổi hóa học mở với nước biển”, Jackson nói.
Điều đó hoàn toàn trái ngược với những gì xảy ra trong bê tông hiện đại, bị xói mòn khi nước mặn rửa trôi các hợp chất giữ vật liệu lại với nhau, bao gồm cả cốt thép.
Making concrete the way Roman way would be a blessing to the modern building industry, especially when it comes to constructing structures constantly exposed to seawater. Since the Romans weren’t too advanced in the area of chemistry, it is thought that they discovered the formula by watching volcanic ash turn to stone upon being exposed to seawater.
Nhưng thật không may, công thức thực tế đã bị mất một thời gian sau khi La Mã rơi vào tay những kẻ xâm lược kém phát triển về công nghệ, vì vậy cách duy nhất để tái tạo vật liệu cổ đại là thiết kế ngược nó dựa trên kiến thức của chúng ta về tính chất hóa học của nó. Và công việc của Jackson để xác định nội dung chính xác của nó có thể giúp chúng ta làm điều đó.
Hầm bê tông La Mã cổ đại ở Rome. Tín dụng hình ảnh: Michael Wilson
Tất nhiên, vì chúng ta không thể tiếp cận các thành phần núi lửa phù hợp ở khắp mọi nơi, nên không giống như chúng ta có thể thay thế tất cả xi măng của thế giới bằng những thứ lịch sử như vậy.
“Người La Mã đã may mắn trong loại đá mà họ phải làm việc cùng,” Jackson nói. “Chúng tôi không có những tảng đá đó ở nhiều nơi trên thế giới, vì vậy sẽ phải có sự thay thế được thực hiện.”
Nhưng nếu Jackson và các đồng nghiệp của cô có thể tìm ra công thức, các kỹ sư hàng hải cuối cùng có thể nắm giữ một vật liệu không cần cốt thép, có thể tồn tại trong nhiều thế kỷ và tạo ra ít khí thải carbon hơn.
Vì vậy, hãy hy vọng cuối cùng họ sẽ đến đó.
Tin liên quan