Çözüldü: Roma Betonu Neden Bu Kadar Dayanıklıydı?

En nihayetinde çözülen beklenmedik bir üretim stratejisi, Antik Roma’nın binlerce yıl dayanan betonlarının sırrını barındırıyordu.

Antik Romalılar, kalıntıları iki bin yıl boyunca ayakta kalan geniş yol ağları, su kemerleri, limanlar ve devasa binalar inşa eden mühendislik ustalarıydı. Bu yapıların çoğu beton ile inşa edilmişti. Dünyanın en büyük desteksiz beton kubbesine sahip olan Roma’nın ünlü Pantheon’u hala bozulmamış durumda ve bazı antik Roma su kemerleri bugün hala Roma’ya su taşıyor.

Günümüzde ise birçok modern beton yapı birkaç on yıl sonra ufalanıyor.

Araştırmacılar, özellikle rıhtımlar, kanalizasyonlar ve deniz duvarları gibi özellikle zorlu koşullara dayanan yapılarda veya sismik olarak aktif konumlarda inşa edilen yapılarda, bu ultra dayanıklı eski yapı malzemesinin sırrını çözmek için onlarca yıl harcadılar.

Şimdi ise bir araştırma ekibi bu alanda ilerleme kaydetti ve birkaç önemli “kendi kendini iyileştirme” işlevini içeren eski beton üretim stratejilerini keşfetti. Bulgular Science Advances dergisinde yayımlandı.

(İlgili: Günümüzü Hâlâ Şekillendiren 7 Roma İcadı)

Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, eski betonun dayanıklılığının anahtarının tek bir bileşene dayandığını varsaydılar: Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinden gelen volkanik kül gibi puzolanik malzeme.

Bu özel kül türü, inşaatta kullanılmak üzere geniş Roma imparatorluğunun her yerine sevk edildi ve o dönemde mimarlar ve tarihçiler tarafından yapılan kayıtlarda beton için önemli bir bileşen olarak tanımlandı.

Daha yakından incelendiğinde, bu eski örnekler ayrıca, uzun süredir Roma betonlarının her yerde bulunan bir bileşeni olarak kabul edilen küçük, ayırt edici, milimetre ölçeğinde parlak beyaz mineral özellikleri içeriyor. Genellikle “kireç kırıntıları” olarak adlandırılan bu beyaz parçalar, eski beton karışımının bir diğer önemli bileşeni olan kireçten kaynaklanıyor.

Masic, “Antik Roma betonuyla çalışmaya başladığımdan beri, bu özellikler beni her zaman büyüledi. Bunlar modern beton formülasyonlarında bulunmuyor, peki neden bu eski malzemelerde bulunuyorlar?” diyor.

Daha önce sadece özensiz karıştırma uygulamalarının veya düşük kaliteli hammaddelerin kanıtı olarak göz ardı edilen bu küçük kireç kırıntıları için yeni çalışma, betona daha önce fark edilmeyen bir kendi kendini iyileştirme yeteneği kazandırdığını öne sürüyor.

Masic, “Bu kireç kırıntılarının varlığının basitçe düşük kalite kontrolüne atfedildiği fikri beni her zaman rahatsız etti. Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri izleyerek olağanüstü bir inşaat malzemesi yapmak için bu kadar çok çaba harcadıysa, iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için neden bu kadar az çaba sarf etsinler? Bu hikayede daha fazlası olmalıydı.” diyor.

Araştırmacılar, bu kireç kayaçlarının daha fazla karakterizasyonu için yüksek çözünürlüklü çok ölçekli görüntüleme ve kimyasal haritalama teknikleri kullanılarak, bunların potansiyel işlevselliği hakkında yeni görüşler elde ettiler.

Tarihsel olarak, kirecin Roma betonuna dahil edildiğinde, söndürme olarak bilinen bir süreçte, yüksek oranda reaktif macun benzeri bir malzeme oluşturmak için su ile birleştirildiği varsayıldı. Ancak bu işlem tek başına kireç kırıntılarının varlığını açıklayamaz. “Romalıların kireci doğrudan sönmemiş kireç olarak bilinen daha reaktif formunda kullanmış olmaları mümkün müydü?”

Bu eski beton örneklerini inceleyen araştırmacılar, kireç kalıntılarının gerçekten de çeşitli kalsiyum karbonat formlarından yapıldığını belirlediler. Ve spektroskopik inceleme, karışımdaki sönmüş kirecin yerine veya ona ek olarak sönmemiş kireç kullanılarak üretilen ekzotermik reaksiyondan bekleneceği gibi, bunların aşırı sıcaklıklarda oluştuğuna dair ipuçları sağladı. Ekip, sıcak karıştırmanın aslında süper dayanıklı malzemenin anahtarı olduğu sonucuna vardı.

Masic, “Sıcak karıştırmanın faydaları iki yönlüdür. İlk olarak, 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, sertleşme sürelerini önemli ölçüde azaltır, çünkü tüm reaksiyonlar hızlanır ve sonuç olarak çok daha hızlı inşaat yapılabilir.” diyor.

Sıcak karıştırma işlemi sırasında, kireç kırıntıları karakteristik olarak kırılgan bir nanopartikülat mimari geliştirerek, ekibin önerdiği gibi, kritik bir kendi kendini iyileştirme işlevi sağlayabilecek, kolayca kırılan ve reaktif bir kalsiyum kaynağı oluşturur. Betonda küçük çatlaklar oluşmaya başlar başlamaz, bu çatlaklar tercihen yüksek yüzey alanlı kireç kırıntıları arasından geçebilirler.

Bu malzeme daha sonra suyla reaksiyona girerek kalsiyum karbonat olarak yeniden kristalleşebilen ve çatlağı hızla doldurabilen kalsiyuma doymuş bir çözelti oluşturabilir veya kompozit malzemeyi daha da güçlendirmek için puzolanik malzemelerle reaksiyona girebilir. Bu reaksiyonlar kendiliğinden gerçekleşir ve bu nedenle çatlakları yayılmadan otomatik olarak iyileştirir. Bu hipotez için önceki destek, kalsit dolgulu çatlaklar sergileyen diğer Roma beton örneklerinin incelenmesiyle bulundu.

Bunun gerçekten de Roma betonunun dayanıklılığından sorumlu mekanizma olduğunu kanıtlamak için ekip, hem eski hem de modern formülasyonları içeren sıcak karışım beton numuneleri üretti, bunları kasıtlı olarak çatlattı ve ardından çatlaklardan su akıttı.

İki hafta içinde çatlaklar tamamen iyileşti ve su artık akamaz hale geldi. Sönmemiş kireç kullanılmadan yapılmış özdeş bir beton parçası asla iyileşmedi ve su, numunenin içinden akmaya devam etti. Bu başarılı testler sonucunda ekip, bu modifiye edilmiş çimento malzemesini ticarileştirmek için çalışıyor.

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

Masic, uzatılmış fonksiyonel ömür ve daha hafif beton formların geliştirilmesi sayesinde, bu çabaların şu anda küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık yüzde 8’ini oluşturan çimento üretiminin çevresel etkisini azaltmaya yardımcı olabileceğini umuyor.

Massachusetts Institute of Technology. 6 Ocak 2023.

Makale: Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel Di Tommaso, James C. Weaver, and Admir Masic. 2023. Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Science Advances.