Công trình hiện đại chỉ 'trụ' được vài chục đến vài trăm năm, nhưng kỳ quan La Mã đứng vững suốt 2.000 năm nhờ bí mật này

Nhiều kỳ quan của thế giới cổ đại gắn liền với bàn tay và khối óc của người La Mã, điển hình như đền Pantheon hay đấu trường Colosseum. Dù đã có tuổi đời hơn 2.000 năm, trải qua nhiều lần thiên tai, thời tiết, chiến tranh, phá hoại... chúng vẫn sừng sững cùng thời gian.

Những bức tường bê tông của chúng mà bạn chạm tay vào hôm nay đều là cùng bức tường những người La Mã đã dựng lên cách đây 2 thiên niên kỷ. Chưa hết, mái vòm của đền Pantheon vẫn là mái vòm lớn nhất không cần cấu trúc đỡ trên toàn thế giới.

Pantheon sở hữu mái vòm không cần cấu trúc đỡ lớn nhất thế giới.

Đáng tiếc, có vẻ như bí mật tạo nên sức mạnh của bê tông La Mã đã thất truyền. Cho tới gần đây, một nhóm các nhà khoa học từ Hoa Kỳ, Thụy Sĩ và Ý đã cùng phối hợp giải mã thành công bí mật đó. Công việc nghiên cứu này đã kéo dài hàng chục năm qua bởi nhiều nhóm nghiên cứu tò mò hoặc muốn ứng dụng "công nghệ" xây dựng thời La Mã vào những công trình cần độ bền cao như bến tàu, cống thoát nước hay ở các khu vực thường xảy ra động đất.

Họ phân tích các mẫu được lấy từ một bức tường thành tại địa điểm khảo cổ Privernum, miền trung nước Ý, có thành phần tương tự như các loại bê tông khác được tìm thấy trên khắp La Mã cổ.

Họ phát hiện ra rằng các khối màu trắng trong bê tông, được gọi là cục đá vôi (lime clast), giúp bê tông có khả năng tự hàn gắn các vết nứt hình thành theo thời gian. Các khối màu trắng trước đây đã bị bỏ qua vì người ta tưởng nó là hậu quả từ việc trộn bê tông cẩu thả hoặc nguyên liệu kém chất lượng.

Phát hiện mới có thể giúp việc sản xuất bê tông ngày nay bền vững hơn, có khả năng làm rung chuyển xã hội loài người như người La Mã đã từng làm được

"Bê tông cho phép người La Mã có một cuộc cách mạng kiến trúc", giáo sư Admir Masic ở viện MIT trong nghiên cứu nói. "Người La Mã đã có thể tạo ra và biến các thành phố thành một nơi phi thường và đẹp đẽ để sinh sống. Và cuộc cách mạng đó đã thay đổi hoàn toàn cách con người sinh hoạt".

Cách mà đá vôi khiến bê tông La Mã bền chắc: Khả năng tự chữa lành độc nhất

Bê tông thực chất là đá nhân tạo, được hình thành bằng cách trộn xi măng - chất liên kết thường được tạo ra từ đá vôi, cốt liệu mịn (cát hoặc đá dăm được nghiền mịn) và cốt liệu thô (sỏi hoặc đá dăm), cùng với nước.

Masic cho biết, các văn bản La Mã đã đề xuất việc sử dụng vôi tôi (khi vôi được kết hợp với nước trước khi trộn) trong chất kết dính, và đó là lý do tại sao các học giả cho rằng đây là cách bê tông La Mã được tạo ra.

Với nghiên cứu sâu hơn, các nhà nghiên cứu kết luận rằng các cục vôi trắng phát sinh do sử dụng vôi sống (canxi oxit) - dạng đá vôi khô, phản ứng mạnh nhất và nguy hiểm nhất - khi trộn bê tông, chứ không phải thêm vào vôi tôi.

Cấu trúc hiển vi của một mảnh bê tông La Mã cổ. Màu đỏ là nguyên tố canxi, xanh dương là silic và xanh lá cây là nhôm. Phần màu đỏ lớn ở phần dưới là mảnh đá vôi giàu canxi chịu trách nhiệm cho tính năng tự chữa lành của bê tông La Mã.

Phân tích bổ sung về bê tông cho thấy các lớp vôi hình thành ở nhiệt độ khắc nghiệt do sử dụng vôi sống và "trộn nóng" là chìa khóa tạo nên tính chất bền vững của bê tông.

Masic cho biết trong một thông cáo báo chí: "Lợi ích của việc trộn nóng là mũi tên trúng 2 đích. Đầu tiên, khi toàn bộ bê tông được nung nóng ở nhiệt độ cao, nó tạo ra các chất hóa học không thể có nếu bạn chỉ sử dụng vôi tôi, tạo ra các hợp chất liên quan nếu không có nhiệt độ cao sẽ không hình thành. Thứ hai, nhiệt độ tăng này làm giảm đáng kể quá trình bảo dưỡng và đông kết nhiều lần vì tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép xây dựng nhanh hơn nhiều".

Để điều tra xem liệu các cục đá vôi có phải là nguyên nhân khiến bê tông La Mã có khả năng tự chữa lành hay không, nhóm đã tiến hành một thí nghiệm.

Họ đã làm hai mẫu bê tông, một mẫu theo công thức La Mã và mẫu còn lại được làm theo tiêu chuẩn hiện đại, và cố tình làm nứt chúng. Sau 2 tuần, nước không thể chảy xuyên qua bê tông được làm theo công thức của người La Mã, trong khi nó chảy thẳng qua khối bê tông được làm không có vôi sống theo cách hiện đại.

Phát hiện của họ cho thấy các cục đá vôi có thể hòa tan vào các vết nứt và kết tinh lại sau khi tiếp xúc với nước, chữa lành các vết nứt do thời tiết tạo ra trước khi chúng lan rộng. Các nhà nghiên cứu cho biết, tiềm năng tự phục hồi này có thể mở đường cho việc sản xuất bê tông hiện đại lâu dài hơn và do đó bền vững hơn.

Theo nghiên cứu, một động thái như vậy sẽ làm giảm lượng khí thải carbon của bê tông, chiếm tới 8% lượng khí thải nhà kính toàn cầu.

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã nghĩ rằng tro núi lửa từ khu vực Pozzuoli, trên Vịnh Naples, là thứ đã làm cho bê tông La Mã trở nên chắc chắn như vậy. Loại tro này đã được vận chuyển khắp đế chế La Mã rộng lớn để sử dụng trong xây dựng, và được các kiến trúc sư và nhà sử học thời bấy giờ mô tả là thành phần chính để sản xuất bê tông.

Masic nói rằng cả hai thành phần là tro và đá vôi đều quan trọng, nhưng đá vôi đã bị bỏ qua trong các nghiên cứu quá khứ.