Antik Roma Betonunun Nasıl Bu Kadar Dayanıklı Olduğunu Sonunda Öğrendik

Antik Romalılar, belki de tarihteki en meşhur inşaat ve mühendislik ustalarıydı. Ve hala işlev gören bu harikalar, benzersiz bir yapı malzemesine dayanıyor: Roma yapılarına inanılmaz bir güç veren olağanüstü derecede dayanıklı bir beton olan puzolanik beton.

Bugün bile, yapılarından biri olan Pantheon, hala bozulmamış ve yaklaşık 2.000 yaşında, dünyanın en büyük donatısız beton kubbesi rekorunu elinde tutuyor.

Bu betonun özellikleri genel olarak bileşenlerine atfedilmiştir: pozzolana, volkanik kül karışımı ve kireç. Su ile karıştırıldığında, iki malzeme reaksiyona girerek güçlü beton üretebilir.

Ancak, tüm hikâye bundan ibaret değil. Massachusetts Institute of Technology (MIT) liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, malzemelerin düşündüğümüzden biraz farklı olmasının yanı sıra bunları karıştırmak için kullanılan tekniklerin de farklı olduğunu keşfetti.

Küçük, beyaz kireç parçaların varlığı daha önce zayıf karıştırma veya malzemelere atfedilmişti, ancak bu, MIT'den malzeme bilimcisi Admir Masic'e mantıklı gelmiyordu.

Masic, "Bu kireç kırıntılarının varlığının basitçe düşük kalite kontrolüne atfedilmesi fikri beni her zaman rahatsız etmiştir," diyor.

"Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri takip ederek olağanüstü bir yapı malzemesi yapmak için bu kadar çaba harcadıysa, iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için neden bu kadar az çaba sarf etsinler? Bu hikâyede daha fazlası olmalı."

Masic ve MIT inşaat mühendisi Linda Seymour liderliğindeki ekip, İtalya'daki Privernum arkeolojik alanından alınan 2.000 yıllık Roma beton örneklerini dikkatle inceledi. Bu numuneler, kireç kırıntılarını daha iyi anlamak için geniş alan taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi, toz X-ışını kırınımı ve konfokal Raman görüntülemeye tabi tutuldu.

Akıllardaki sorulardan biri de kullanılan kirecin doğasıydı. Puzolanik betonun standart anlayışı, sönmüş kireç kullanmasıdır. İlk olarak, kireç taşı, sönmemiş kireç veya kalsiyum oksit adı verilen oldukça reaktif bir kostik toz üretmek için yüksek sıcaklıklarda ısıtılır.

Sönmemiş kireci suyla karıştırmak sönmüş kireç veya kalsiyum hidroksit üretir: biraz daha az reaktif, daha az yakıcı bir macun. Teoriye göre, eski Romalıların puzolana ile karıştırdıkları bu sönmüş kireçti.

Ekibin analizine göre, numunelerindeki kireç kırıntıları bu yöntemle uyumlu değil. Daha ziyade, Roma betonu muhtemelen sönmemiş kirecin doğrudan puzolana ve son derece yüksek sıcaklıklarda su ile tek başına veya sönmüş kirecin yanı sıra ekibin "sıcak karıştırma" olarak adlandırdığı ve kireç kırıntılarıyla sonuçlanan bir işlemle karıştırılmasıyla yapılmıştır.

Masic, "Sıcak karıştırmanın faydaları iki yönlüdür" diyor.

"Birincisi, genel beton yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, yalnızca sönmüş kireç kullandığınızda mümkün olmayan kimyasallara izin vererek, başka türlü oluşmayacak olan yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretir. İkincisi, bu artan sıcaklık kürlenmeyi ve sertleşmeyi önemli ölçüde azaltır."

Ve başka bir faydası daha var: Kireç taneleri, betona dikkate değer kendi kendini iyileştirme yetenekleri kazandırıyor.

Betonda çatlaklar oluştuğunda, tercihen matristeki diğer parçacıklardan daha yüksek yüzey alanına sahip olan kireç kırıntılarına giderler. Su çatlağa girdiğinde, kalsiyum açısından zengin bir çözelti oluşturmak için kireçle reaksiyona girer ve kalsiyum karbonat olarak kurur ve sertleşir, çatlağı tekrar birbirine yapıştırır ve daha fazla yayılmasını önler.

Bu, betondaki çatlakların kalsit ile doldurulduğu 2.000 yıllık başka bir yer olan Caecilia Metella Mezarı'ndaki betonda gözlemlenmiştir. Ayrıca, 2.000 yıl önce inşa edilen deniz duvarlarından elde edilen Roma betonunun, okyanusun sürekli hırpalanmasına rağmen neden binlerce yıldır bozulmadan hayatta kaldığını da açıklayabilir.

Bu nedenle ekip, sönmemiş kireç kullanarak eski ve modern tariflerden puzolanik beton yaparak bulgularını test etti. Ayrıca sönmemiş kireçsiz bir kontrol betonu yaptılar ve çatlak testleri yaptılar. Elbette, çatlamış sönmemiş kireç betonu iki hafta içinde tamamen iyileşti, ancak kontrol betonu çatlak olarak kaldı.

Ekip şimdi betonlarını mevcut betonlara göre daha çevre dostu bir alternatif olarak ticarileştirmeye çalışıyor.

Araştırma Science Advances'te yayınlandı.