ძველრომაელი ინჟინრები მშენებლობისა და ინჟინერიის ნამდვილი ოსტატები იყვნენ; მათ შედევრებს შორის კი ალბათ ყველაზე ცნობილია აკვედუკები (წყალსადენი არხი). დღემდე მოქმედი ეს საინჟინრო სასწაულები ერთ სამშენებლო მასალას ეფუძნება: პუცოლანიან ცემენტს (ვულკანის ფერფლიანი) — საოცრად გამძლე ბეტონს, რომელმაც რომაულ სტრუქტურებს წარმოუდგენელი სიმტკიცე მისცა.
მათი ერთ-ერთი სტრუქტურა, რომის პანთეონი, დღემდე, 2000 წლის შემდეგაც ხელუხლებელია და რკინაბეტონის გარეშე აგებული მსოფლიოში ყველაზე დიდი გუმბათის რეკორდს ფლობს.
ბეტონის თვისებებს ზოგადად განაპირობებს მისი ინგრედიენტები: პუცოლანი, ანუ ვულკანური ფერფლის ნაზავი — რომელსაც სახელი იტალიის ქალაქ პოცუოლის მიხედვით უწოდეს, სადაც მისი მნიშვნელოვანი დანალექები გვხვდება — და კირი. წყალთან შერევისას, ეს ორი მასალა ერთმანეთთან რეაქციაში შედის და წარმოქმნის მტკიცე ბეტონს.
თუმცა, როგორც ჩანს, ამბავი ამით არ სრულდება. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის (MIT) მკვლევართა საერთაშორისო ჯგუფმა დაადგინა, რომ მასალები არა მხოლოდ ოდნავ განსხვავდება იმისგან, რაც გვეგონა, არამედ ასევე სხვანაირია მათი შერევის მეთოდიც.
მთავარ როლს თამაშობდა კირის პატარა, თეთრი ნატეხები, რომლებიც ერთი შეხედვით კარგად შერეულ ბეტონში შეიმჩნევა. აქამდე ამ ნატეხების არსებობას ცუდად შერევას უკავშირებდნენ, მაგრამ ამას არ ეთანხმება MIT-ის მასალების მეცნიერი ადმირ მასიკი.
„ყოველთვის არ მომწონდა აზრი იმის შესახებ, რომ კირის ამ ნატეხების არსებობას უბრალოდ ხარისხის დაბალ კონტროლს უკავშირებდნენ. თუკი რომაელები ამხელა ძალისხმევას ხარჯავდნენ გამორჩეული სამშენებლო მასალების დასამზადებლად, იცავდნენ მრავალი საუკუნის განმავლობაში ოპტიმიზებულ დეტალურ რეცეპტებს, რატომ უნდა გაეღოთ ასე ცოტა ძალისხმევა საბოლოო პროდუქტის კარგად შერევაში? ამ ამბავში აშკარად რაღაც სხვა იმალებოდა“, — ამბობს მასიკი.
მასიკმა და ჯგუფმა, რომელსაც MIT-ის სამოქალაქო ინჟინერი ლინდა სეიმური ხელმძღვანელობდა, სათუთად შეისწავლა იტალიის არქეოლოგიურ ძეგლ პრივერნოდან აღებული 2000 წლის რომაული ბეტონის ნიმუშები. ნიმუშების შესასწავლად გამოიყენეს დიდი ფართობის სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი, ენერგიის დისპერსიული რენტგენული სპექტროსკოპია, ფხვნილის რენტგენული დიფრაქცია და რამანის კონფოკალური ვიზუალიზაცია, რათა კირქვის ნატეხების შესახებ უკეთესი წარმოდგენა შეჰქმნოდათ.
ერთ-ერთი პირველი კითხვა ეხებოდა გამოყენებული კირის ბუნებას. სტანდარტული გაგების მიხედვით, პუცოლანიანი ცემენტში იყენებენ ჩამქრალ კირს. კირქვას ჯერ მაღალ ტემპერატურაზე აცხელებენ, რის შედეგადაც მიიღება მაღალრეაქციული კაუსტიკური ფხვნილი, სახელად ჩაუმქრალი კირი, იგივე კალციუმის ოქსიდი.
ჩაუმქრალი კირის წყალთან შერევით მიიღება ჩამქრალი კირი, ანუ კალციუმის ჰიდროქსიდი: ოდნავ ნაკლებად რეაქციული, ნაკლებად კაუსტიკური პასტა. თეორიის მიხედვით, სწორედ ჩამქრალ კირს ურევდნენ ძველი რომაელები პუცოლანს.
ჯგუფის ანალიზების მიხედვით, ნიმუშებში არსებული კირის ნამტვრევები ამ მეთოდთან შეუსაბამოა. ამის ნაცვლად, რომაულ ბეტონს სავარაუდოდ ამზადებდნენ ჩაუმქრალი კირის პირდაპირ პუცოლანთან და წყალთან შერევით უკიდურესად მაღალ ტემპერატურაზე, თავად მას ან ჩამქრალი კირის დამატებით; ამ პროცესს ჯგუფმა „ცხელი შერევა“ უწოდა, რის შედეგადაც მიიღება კირის ნამტვრევები.
„ცხელი შერევის სარგებელი ორმაგია. პირველ რიგში, მთლიანი ბეტონის მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელება განაპირობებს ქიმიას, რომელიც შეუძლებელია, თუ მხოლოდ ჩამქრალ კირს იყენებ; წარმოქმნის მაღალ ტემპერატურასთან დაკავშირებულ ნაერთებს, რომელთა მიღებაც სხვაგვარად შეუძლებელია. მეორე — მაღალი ტემპერატურა მნიშვნელოვნად ამცირებს გამაგრების და გამტკიცების დროს, რადგან ყველა რეაქცია აჩქარებულია და უფრო სწრაფი მშენებლობის საშუალებას იძლევა“, — ამბობს მასიკი.
ამ ყველაფერს აქვს კიდევ ერთი სარგებელი: კირის ნამტვრევები ბეტონს თვითგათბობის მნიშვნელოვან უნარს აძლევს.
როდესაც ბეტონში ბზარები ჩნდება, ისინი ძირითადად კირის ნამტვრევებისკენ მიდის, რომლებსაც ზედაპირის უფრო დიდი არეალი აქვთ, ვიდრე დუღაბში არსებულ სხვა ნაწილაკებს. როდესაც ბზარებში წყალი ჩადის, ის კირთან ურთიერთქმედებს და წარმოქმნის კალციუმით მდიდარ ხსნარს, რომელიც გაშრობისას კალციუმის კარბონატის სახით მკვრივდება, ბზარებს ავსებს და მის შემდეგ გავრცელებას უშლის ხელს.
ასეთი რამ 2000 წლის წინანდელ ბეტონის კიდევ ერთ ძეგლზე შენიშნეს, ცეცილია მეტალას საფლავზე, სადაც ბეტონში არსებული ბზარები კალციტით იყო ამოვსებული. ამან ასევე შეიძლება ახსნას, რატომ გადარჩა 2000 წლის წინ აგებული რომაული ზღვის კედლების ბეტონი ხელუხლებელი იმის მიუხედავად, რომ წყალი მათ ათასწლეულების განმავლობაში ურტყამდა.
შედეგების შესამოწმებლად, მკვლევრებმა ჩაუმქრალი კირის გამოყენებით, ძველი და ახალი რეცეპტით შექმნეს პუცოლანიან ბეტონი. ჩაუმქრალი კირის გარეშე ასევე დაამზადეს საკონტროლო ბეტონი და ბზარებზე ტესტირება ჩაატარეს. მართლაც, ბზარებიანი ჩაუმქრალი კირის ბეტონის ბზარები ორ კვირაში სრულად ამოივსო, საკონტროლო ბეტონი კი კვლავ დაბზარული დარჩა.
ჯგუფი ამჟამად მათ მიერ მიღებული ბეტონის კომერციალიზაციაზე მუშაობს, რომელიც ამჟამინდელი ბეტონების უფრო ეკომეგობრული ალტერნატივაა.
კვლევა Science Advances-ში გამოქვეყნდა.
მომზადებულია eurekalert.org-ისა და ScienceAlert-ის მიხედვით.
