بتن، شالوده امپراتوری روم باستان بود. این ماده امکان‌پذیرکننده انقلاب معماری مشهور روم و همچنین احداث ساختمان‌ها، پل‌ها و آب‌برها (آکوادوکت‌ها) بود؛ سازه‌هایی که بسیاری از آن‌ها حدود ۲٬۰۰۰ سال پس از ساخت، همچنان مورد استفاده قرار دارند.

در سال ۲۰۲۳، دریاسالار ماسیک، دانشیار مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، به‌همراه همکاران خود مقاله‌ای منتشر کرد که فرآیند ساخت بتنی را توصیف می‌کرد که عامل اصلی دوام استثنایی بتن رومی بوده است. بر اساس این پژوهش، قطعات آهک با خاکستر آتشفشانی و سایر اجزای خشک مخلوط می‌شدند و سپس آب به این مخلوط افزوده می‌شد. با اضافه شدن آب، واکنش گرمازا رخ می‌داد. در حین گیرش بتن، این فرآیند موسوم به «اختلاط گرم» (Hot-Mixing) باعث به دام افتادن و حفظ آهک بسیار واکنش‌پذیر به‌صورت ذرات سفید و دانه‌مانند می‌شد. با ایجاد ترک در بتن، این کلوخه‌های آهکی مجدداً حل شده و ترک‌ها را پر می‌کردند و بدین‌ترتیب، خاصیت خودترمیمی به بتن می‌بخشیدند.

با این حال، یک چالش اساسی وجود داشت: فرآیندی که تیم ماسیک توصیف کرده بود، با روش ذکرشده توسط معمار برجسته روم باستان، ویتروویوس، تفاوت داشت. ویتروویوس که عملاً نخستین کتاب معماری جهان را نگاشته است، در اثر بسیار تأثیرگذار خود با عنوان «De architectura» (نگاشته‌شده در قرن اول پیش از میلاد)، بیان می‌کند که رومیان ابتدا آب را به آهک اضافه کرده و ماده‌ای خمیری‌شکل تولید می‌کردند و سپس آن را با سایر اجزا مخلوط می‌نمودند.

نظر ماسیک درباره ویتروویوس

اکنون ماسیک و همکارانش تأیید کرده‌اند که فرآیند اختلاط گرم واقعاً توسط رومیان مورد استفاده قرار می‌گرفته است. این نتیجه‌گیری حاصل مطالعه یک کارگاه ساختمانی باستانی تازه‌کشف‌شده در پمپئی است که به‌واسطه فوران آتشفشان وزوو در سال ۷۹ میلادی، به‌طرزی استثنایی حفظ شده است. همچنین، پژوهشگران نوع خاکستر آتشفشانی مورد استفاده رومیان را شناسایی کردند و دریافتند که این ماده شامل مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از کانی‌های واکنش‌پذیر بوده که نقش مؤثری در افزایش قابلیت خودترمیمی بتن، حتی سال‌ها پس از ساخت سازه‌ها، ایفا کرده‌اند.

اهمیت علمی و فناورانه

نتایج این پژوهش امروز در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است. نویسندگان مقاله شامل الی واسرمن (دانشجوی سال ۲۰۲۵)، جیمز ویور (دانشمند ارشد پژوهشی)، کریستین برگمن (دانشیار)، کلر هی‌هو (دانشجوی دکتری) و شش همکار ایتالیایی دیگر هستند.

کشف اسرار باستانی

ماسیک نزدیک به یک دهه به مطالعه ترکیب شیمیایی بتنی پرداخته است که به سازه‌های رومی امکان دوام بسیار طولانی‌تر نسبت به سازه‌های مدرن را داده است. مقاله سال ۲۰۲۳ او با تحلیل ترکیب شیمیایی این ماده، چگونگی ساخت آن را استنباط کرده بود.

آن پژوهش از نمونه‌هایی متعلق به دیوار شهری در پریورنو، واقع در جنوب‌غربی ایتالیا، استفاده کرده بود؛ شهری که در قرن چهارم پیش از میلاد توسط رومیان فتح شد. با این حال، این پرسش مطرح بود که آیا این دیوار نماینده سایر سازه‌های بتنی در سراسر امپراتوری روم بوده است یا خیر.

کشف اخیر یک کارگاه ساختمانی فعال باستانی در پمپئی—شامل توده‌های مواد اولیه و ابزارها—فرصتی بی‌سابقه برای پاسخ به این پرسش فراهم کرد.

در این مطالعه، پژوهشگران نمونه‌هایی از توده‌های مواد خشک پیش‌مخلوط، دیواری در حال ساخت، دیوارهای حائل و سازه‌ای تکمیل‌شده، و همچنین ملات‌های ترمیمی در یک دیوار موجود را مورد تحلیل قرار دادند.

این سایت شواهد روشنی ارائه داد که نشان می‌دهد رومیان از اختلاط گرم در تولید بتن استفاده می‌کردند. افزون بر وجود کلوخه‌های آهکی شناسایی‌شده در پژوهش پیشین ماسیک، تیم تحقیقاتی قطعات دست‌نخورده آهک زنده (Quicklime) را نیز در میان مواد خشک پیش‌مخلوط کشف کرد؛ مرحله‌ای کلیدی در آماده‌سازی بتن با اختلاط گرم.

کریستین برگمن، دانشیار علوم زمین و سیارات، در توسعه ابزارهای لازم برای تمایز این مواد نقش داشت.

پژوهشگران همچنین اجزای آتشفشانی سیمان، از جمله نوعی خاکستر آتشفشانی موسوم به پومیس، را بررسی کردند. آن‌ها دریافتند که ذرات پومیس در طول زمان به‌طور شیمیایی با محلول موجود در حفرات واکنش داده و رسوبات معدنی جدیدی ایجاد می‌کنند که موجب افزایش بیشتر مقاومت بتن می‌شود.

بازنویسی تاریخ

ماسیک تأکید می‌کند که باستان‌شناسانی که به‌عنوان نویسنده همکار در مقاله حضور داشتند، نقشی اساسی در این پژوهش ایفا کردند. او نخستین بازدید خود از سایت پمپئی را چنین توصیف می‌کند:

ماسیک اشاره می‌کند که کلسیم عنصر کلیدی هم در بتن‌های باستانی و هم در بتن‌های مدرن است و درک رفتار آن در طول زمان، برای فهم فرآیندهای پویای سیمان‌های امروزی نیز آموزنده است. در همین راستا، او شرکتی به نام DMAT تأسیس کرده است که با الهام از بتن رومی، بتن‌های مدرن با دوام بالا توسعه می‌دهد.

در مورد ویتروویوس، ماسیک احتمال می‌دهد که نوشته‌های او به‌درستی تفسیر نشده باشند. او خاطرنشان می‌کند که ویتروویوس به گرمای نهان در فرآیند اختلاط سیمان نیز اشاره کرده است؛ نکته‌ای که می‌تواند مؤید استفاده از اختلاط گرم باشد.

این پژوهش بخشی از حمایت‌های کمیته پشتیبانی پژوهش MIT (RSC) و مرکز پایداری بتن MIT بهره‌مند شده است.