Antik Roma Betonunun Neden Binlerce Yıl Dayanabildiğini Nihayet Biliyoruz

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

Bu betonun özellikleri genellikle içeriğindeki maddelere bağlanmıştır: volkanik kül karışımı olan puzolan - adını önemli miktarda bulunduğu İtalyan şehri Pozzuoli'den almıştır - ve kireç. Su ile karıştırıldığında, bu iki malzeme reaksiyona girerek güçlü beton üretebiliyor.

Ancak anlaşıldığı kadarıyla hikayenin tamamı bu değil. 2023 yılında, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, sadece malzemelerin düşündüğümüzden biraz farklı olmadığını, aynı zamanda bunları karıştırmak için kullanılan tekniklerin de farklı olduğunu keşfetti.

Dumanı tüten silahlar, başka türlü iyi karıştırılmış gibi görünen betonda bulunabilen küçük, beyaz kireç parçalarıdır. Bu parçaların varlığı daha önce kötü karışıma ya da malzemelere bağlanmıştı, ancak bu MIT'den malzeme bilimci Admir Masic'e mantıklı gelmiyordu.

Masic Ocak 2023'te yaptığı açıklamada, “Bu kireç parçalarının varlığının basitçe düşük kalite kontrolüne atfedilmesi fikri beni her zaman rahatsız etti” dedi.

“Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri izleyerek olağanüstü bir inşaat malzemesi yapmak için bu kadar çaba harcadılarsa, neden iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için bu kadar az çaba harcasınlar? Bu hikâyede daha fazlası olmalı.”

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

Akıllardaki sorulardan biri de kullanılan kirecin doğasıydı. Puzolanik betonla ilgili standart anlayış, sönmüş kireç kullanıldığı yönündedir. İlk olarak, kireçtaşı yüksek sıcaklıklarda ısıtılarak sönmemiş kireç veya kalsiyum oksit adı verilen oldukça reaktif bir kostik toz elde edilir.

Sönmemiş kirecin suyla karıştırılmasıyla sönmüş kireç veya kalsiyum hidroksit elde edilir: biraz daha az reaktif, daha az kostik bir macun. Teoriye göre, antik Romalıların puzolana karıştırdığı şey bu sönmüş kireçti.

Ekibin analizlerine göre, örneklerdeki kireç parçaları bu yöntemle tutarlı değil. Bunun yerine, Roma betonu muhtemelen sönmemiş kirecin doğrudan puzolan ve su ile son derece yüksek sıcaklıklarda, tek başına veya sönmüş kirece ek olarak karıştırılmasıyla yapılmıştır; ekibin “sıcak karıştırma” olarak adlandırdığı bu işlem kireç parçalarının ortaya çıkmasına neden olmaktadır.

Masic, “Sıcak karıştırmanın faydaları iki yönlüdür” dedi.

“İlk olarak, tüm beton yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, sadece sönmüş kireç kullandığınızda mümkün olmayan kimyasallara izin verir ve aksi takdirde oluşmayacak yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretir. İkincisi, tüm reaksiyonlar hızlandığı için bu yüksek sıcaklık kürlenme ve priz sürelerini önemli ölçüde azaltıyor ve çok daha hızlı inşaat yapılmasına olanak sağlıyor.”

Bir başka faydası daha var: Kireç parçaları betona olağanüstü kendi kendini iyileştirme kabiliyeti kazandırıyor.

Betonda çatlaklar oluştuğunda, bunlar tercihen matristeki diğer parçacıklardan daha yüksek bir yüzey alanına sahip olan kireç parçacıklarına gider. Çatlağa su girdiğinde, kireçle reaksiyona girerek kalsiyum açısından zengin bir çözelti oluşturur ve bu çözelti kuruyup kalsiyum karbonat olarak sertleşerek çatlağı tekrar birbirine yapıştırır ve daha fazla yayılmasını önler.

Bu durum, betondaki çatlakların kalsit ile doldurulduğu 2.000 yıllık bir başka alan olan Caecilia Metella'nın Mezarı'ndaki betonda da gözlemlenmiştir. Bu aynı zamanda 2,000 yıl önce inşa edilen deniz surlarındaki Roma betonunun okyanusun sürekli darbelerine rağmen neden bin yıl boyunca bozulmadan kaldığını da açıklayabilir.

Ekip, bulgularını sönmemiş kireç kullanarak antik ve modern tariflerden puzolanik beton yaparak test etti. Ayrıca sönmemiş kireç içermeyen bir kontrol betonu hazırladılar ve çatlak testleri yaptılar. Elbette, çatlamış sönmemiş kireçli beton iki hafta içinde tamamen iyileşti, ancak kontrol betonu çatlak kalmaya devam etti.

Ekip şimdi betonlarını mevcut betonlara daha çevre dostu bir alternatif olarak ticarileştirmek için çalışıyor.

Masic, “Bu daha dayanıklı beton formülasyonlarının yalnızca bu malzemelerin hizmet ömrünü nasıl uzatabileceğini değil, aynı zamanda 3D baskılı beton formülasyonlarının dayanıklılığını nasıl artırabileceğini düşünmek heyecan verici” dedi.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.