Từ lâu đế chế La Mã đã không còn tồn tại, nhưng các công trình kiến trúc họ để lại vẫn sừng sững với thời gian nhờ các khối bê tông La Mã thuộc loại bền chắc nhất thế giới. Thứ vật liệu xây dựng này của La Mã cổ đại từ lâu đã thách đố các nhà khoa học. Giờ đây, một nghiên cứu cho biết hỗn hợp đặc biệt của loại bê tông này có sự giúp sức của “Mẹ Thiên nhiên” nên mới cứng cáp đến vậy.

Khoảng năm 79 SCN, Pliny the Elder – tác gia, nhà triết học tự nhiên của thế giới La Mã đã viết trong tác phẩm Naturalis Historia rằng các kiến trúc bê tông ở các bến cảng, đối mặt với các cơn sóng biển liên tục, trở thành một khối đá vững chắc, không thể bị phá hủy bởi sóng biển và mỗi ngày trở nên vững chắc hơn.

Pliny đã không phóng đại, trong khi các cấu trúc bê tông biển hiện đại vẫn sụp đổ trong vài thập kỷ qua, những bến cảng và các con đê chắn sóng của đế chế La Mã có tuổi đời 2.000 năm vẫn tồn tại cho đến ngày nay và chúng hiện còn vững chắc hơn thời điểm mới được xây dựng.

Nhà địa chất học Marie Jackson tại Đại học Utah, Hoa Kỳ, đã nghiên cứu các khoáng chất và cấu trúc vi thể của bê tông La Mã như nghiên cứu các tảng đá núi lửa. Bà và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng, nước biển ngấm vào bê tông sẽ kích thích các khoáng chất liên kết với nhau, giúp cho bê tông được gắn kết tốt hơn. Kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí American Mineralogist.

Sự khác biệt của bê tông La Mã cổ đại và bê tông Portland

Người La Mã làm bê tông bằng cách trộn tro núi lửa với vôi và nước biển để làm vữa, và sau đó cho thêm các khối đá núi lửa vào khối vữa – được coi là “cốt liệu” trong bê tông. Sự kết hợp của tro, nước, và vôi làm tạo ra phản ứng có tên pozzolanic (phản ứng xảy khi vật liệu kết hợp với canxi hiđroxit thì tạo thành hợp chất có tính chất xi măng).

Người La Mã có thể đã nảy ra ý tưởng về hỗn hợp này khi quan sát các trầm tích từ đá núi lửa được bọc trong các loại xi măng tự nhiên từ tro núi lửa – vốn rất phổ biến ở thành phố Pozzouli bên Vịnh Naples. Loại bê tông kết khối này được sử dụng trong rất nhiều công trình, bao gồm đền Pantheon, chợ Trajan ở Rome, các công trình biển khổng lồ để bảo vệ các bến cảng, kho bãi, đồng thời là điểm neo đậu cho tàu bè.

Bê tông xi măng Portland hiện đại cũng sử dụng cốt liệu đá, nhưng có một khác biệt quan trọng: các hạt cát và sỏi được coi là trơ với phản ứng hóa học. Bởi vì bất kỳ phản ứng hóa học nào xảy ra với bột xi măng có thể hình thành các chất làm giãn nở và phá vỡ bê tông. Jackson cho biết: “Phản ứng kiềm và silic này xảy ra trên toàn thế giới và đây là một trong những nguyên nhân chính gây hủy hoại kết cấu bê tông xi măng Portland.”

Quá trình phản ứng hóa học trong bê tông La Mã cổ đại

Marie Jackson và các đồng nghiệp phát hiện rằng, phản ứng hóa học giữa cốt liệu và vữa của bê tông La Mã đã giúp ngăn ngừa các vết nứt, trong khi các bề mặt trên cốt liệu trơ của bê tông Portland chỉ khiến các vết nứt lan rộng.

Khi nước biển thấm qua các khối bê tông La Mã ở đê chắn sóng và bến tàu, nó đã giải phóng các thành phần của tro núi lửa và cho phép các khoáng chất mới hình thành từ các chất lỏng có độ kiềm cao, đặc biệt là Al-tobermorite và phillipsite. Al-tobermorite này có các thành phần giàu silic, tương tự như tinh thể hình thành trong đá núi lửa. Các tinh thể có hình đĩa dẹt đã củng cố liên kết của vữa và làm tăng khả năng chống nứt gãy của bê tông.

Jackson nói rằng quá trình này tương tự như quá trình ăn mòn – thường là điều xấu đối với vật liệu hiện đại. “Chúng ta đang nhìn vào một hệ thống trái ngược với bình thường, những điều không mong muốn xảy ra trong bê tông xi măng”, cô nói. “Chúng ta đang nhìn vào một hệ thống phát triển nhờ các trao đổi hóa học mở với nước biển.”

Vì không có văn bản nào ghi chép lại công thức của bê tông La Mã trong quá khứ, nên hiện tại, Marie Jackson và đồng nghiệp vẫn đang tìm kiếm công thức thay thế chính xác.

Các khối bê tông La Mã cổ đại cần thời gian để gia tăng độ bền vững từ nước biển, chúng chịu sức nén kém hơn so với bê tông xi măng Portland thông thường. Vì những lý do đó, không chắc rằng bê tông La Mã có thể trở nên phổ biến trong tương lai, nhưng nó có thể rất hữu ích trong các hoàn cảnh cụ thể, đặc biệt là các công trình biển vốn rất tốn kém và độ bền không cao.