Giới khoa học giải mã bí quyết xây dựng các công trình hàng nghìn năm tuổi

Học từ người cổ đại

Hãng thông tấn AP (Mỹ) ngày 3/10 cho biết ngày càng có nhiều nhà khoa học nghiên cứu vật liệu từ thời xưa với hy vọng khám phá ra bí quyết giúp chúng tồn tại hàng nghìn năm. Họ đã đẽo gọt các khối nhà, nghiền ngẫm các văn bản lịch sử, thử nghiệm các công thức mô phỏng... Kỹ thuật này đã đưa ra ánh sáng một danh sách đáng ngạc nhiên gồm các vật liệu người cổ đại sử dụng trong xây dựng như vỏ cây, tro núi lửa, gạo, bia và thậm chí cả nước tiểu.

Chúng là chìa khóa cho một số thuộc tính khá ấn tượng, chẳng hạn như khả năng rắn chắc hơn theo thời gian và “chữa lành” các vết nứt. Việc bắt chước được những đặc điểm này có thể tác động thực sự cho các công trình ngày nay. Mặc dù bê tông hiện đại có đủ sức chống đỡ cho những tòa nhà chọc trời đồ sộ và cơ sở hạ tầng hạng nặng nhưng nó không thể cạnh tranh với độ bền của những vật liệu cổ xưa.

Với mối đe dọa ngày càng tăng từ biến đổi khí hậu, việc xây dựng công trình bền vững hơn là cấp thiết. Một báo cáo gần đây của Liên hợp quốc ước tính rằng môi trường xây dựng gây ra hơn 1/3 lượng khí thải CO2 toàn cầu, trong đó riêng sản xuất xi măng đã chiếm hơn 7% lượng khí thải đó.

Nhà nghiên cứu Carlos Rodriguez-Navarro tại Đại học Granada (Tây Ban Nha) giải thích: “Nếu cải thiện được các đặc tính của vật liệu bằng cách sử dụng công thức truyền thống từ người Maya hoặc người Trung Quốc cổ đại, bạn có thể sản xuất vật liệu sử dụng trong xây dựng hiện đại theo cách bền vững hơn nhiều”.

Bê tông La Mã cổ đại tốt hơn bê tông ngày nay?

Từ khoảng năm 200 trước Công nguyên, các kiến trúc sư của Đế chế La Mã đã xây dựng những công trình bê tông ấn tượng trường tồn theo thời gian - từ mái vòm cao vút của Đền Pantheon đến hệ thống dẫn nước vững chắc vẫn có tác dụng cho đến ngày nay.

Nhà khảo cổ học John Oleson tại Đại học Victoria (Canada), cho biết ngay cả ở các bến cảng, nơi nước biển đã “vùi dập” các công trình kiến trúc trong thời gian dài, người ta vẫn thấy bê tông về cơ bản giống như cách đây 2.000 năm.

Hầu hết bê tông hiện đại đều bắt đầu bằng xi măng Portland hình thành từ phương pháp nung đá vôi và đất sét đến nhiệt độ siêu cao rồi nghiền chúng. Xi măng Portland được trộn với nước để tạo ra một hỗn hợp có phản ứng hóa học. Sau đó, các khối vật liệu như đá và sỏi được trộn vào và hồ xi măng sẽ liên kết chúng thành một khối bê tông.

Theo ghi chép từ các kiến trúc sư cổ đại như Vitruvius, quá trình xây dựng của người La Mã cũng tương tự. Thợ xây dựng cổ đại trộn các vật liệu như đá vôi cháy và cát núi lửa với nước và sỏi, tạo ra các phản ứng hóa học để liên kết mọi thứ lại với nhau.

Giờ đây, các nhà khoa học cho rằng họ đã tìm ra câu trả lời giải thích tại sao một số loại bê tông La Mã có thể giúp các công trình trụ vững hàng nghìn năm: Vật liệu cổ xưa này có khả năng tự sửa chữa khác thường.

Tuy vẫn chưa thể chính xác tuyệt đối, nhưng các nhà khoa học đang bắt đầu tìm ra manh mối. Trong một nghiên cứu được công bố đầu năm nay, kỹ sư Admir Masic tại Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) cho rằng sức mạnh này đến từ những khối vôi được rải khắp vật liệu La Mã thay vì được trộn đều. Các nhà nghiên cứu từng nghĩ rằng những khối này là dấu hiệu cho thấy kỹ năng trộn vật liệu của người La Mã chưa tốt.

Thay vào đó, sau khi phân tích các mẫu bê tông từ Privernum - một thành phố cổ ngoại ô Rome, các nhà khoa học phát hiện ra rằng những khối vôi này có thể thúc đẩy khả năng “tự phục hồi” của vật liệu. Ông Masic giải thích: “Khi vết nứt hình thành, nước có thể thấm vào bê tông. Nước đó sẽ kích hoạt các khối vôi còn sót lại, tạo ra các phản ứng hóa học mới có thể lấp đầy những phần bị hư hỏng”.

Marie Jackson, một nhà địa chất tại Đại học Utah (Mỹ), lại có quan điểm khác. Nghiên cứu của bà đã phát hiện ra rằng chìa khóa có thể nằm ở vật liệu núi lửa. Người La Mã thường thu thập đá núi lửa còn sót lại sau các vụ phun trào để trộn vào bê tông. Theo bà Jackson, vật liệu tự nhiên này thay đổi theo thời gian cho phép nó bịt kín các vết nứt hình thành. Bà Jackson ca ngợi khả năng tiếp tục thích ứng theo thời gian của vật liệu thật kỳ diệu. Bà đánh giá: “Bê tông được thiết kế tốt đến mức nó có thể tự giữ vững”.

Sử dụng nước từ cây

Tại Copan, một di tích của người Maya cổ đại ở Honduras, các tác phẩm điêu khắc và đền thờ bằng vôi phức tạp vẫn còn nguyên vẹn sau hơn 1.000 năm tiếp xúc với môi trường nóng ẩm. Theo một nghiên cứu được công bố đầu năm nay, bí mật về tuổi thọ của những cấu trúc này có thể nằm ở cây cối. Các nhà nghiên cứu đã gặp những người thợ xây địa phương ở Honduras, "mối liên hệ sống" với những nhà xây dựng Maya cổ đại.

Những người thợ xây này gợi ý sử dụng chiết xuất từ cây chukum và jiote địa phương trong hỗn hợp vôi. Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm công thức, thu thập vỏ cây, cho các khối vôi vào nước và thêm "nước ép" từ cây chukum và jiote vào vật liệu, họ nhận thấy thạch cao thu được có độ bền đặc biệt trước các tác động vật lý và hóa học. Khi các nhà khoa học phóng to, họ phát hiện một số chất hữu cơ từ nước ép cây đã được tích hợp vào cấu trúc phân tử của thạch cao. Bằng cách này, thạch cao của người Maya có thể mô phỏng các cấu trúc tự nhiên chắc chắn như vỏ sò và gai nhím biển.

Nhiều nghiên cứu đã phát hiện các loại vật liệu tự nhiên trong các công trình cổ: chiết xuất từ trái cây, sữa, cục vón phô mai, bia, thậm chí cả phân và nước tiểu. Lớp vữa kết dính một số công trình nổi tiếng nhất của Trung Quốc - bao gồm Vạn Lý Trường Thành và Tử Cấm Thành - có dấu vết tinh bột từ gạo nếp.

May mắn hay kỹ thuật?

Nhà khoa học Cecilia Pesce tại Đại học Sheffield (Anh), cho biết một số nhà xây dựng cổ xưa có thể đã gặp may mắn. Họ sẽ trộn bất cứ thứ gì vào hỗn hợp của mình, miễn là nó rẻ và có sẵn và những thứ không hiệu quả đã sụp đổ từ lâu. Bà Pesce nói: “Họ sẽ đưa đủ thứ vào xây dựng. Và bây giờ, chúng ta chỉ có những công trình còn sót lại. Vì vậy, nó giống như một quá trình chọn lọc tự nhiên”.

Tuy nhiên, một số vật liệu dường như được sử dụng một cách có chủ đích. Giáo sư Thirumalini Selvaraj tại Viện Công nghệ Vellore (Ấn Độ) cho biết các nhà xây dựng Ấn Độ đã chế tạo hỗn hợp vật liệu địa phương để tạo ra các đặc tính khác nhau.

Theo nghiên cứu của ông Selvaraj, tại những khu vực ẩm ướt của Ấn Độ, các nhà xây dựng đã sử dụng thảo mộc địa phương để giúp công trình chống ẩm. Dọc theo bờ biển, họ đã thêm đường thốt nốt, một loại đường chưa tinh chế, giúp bảo vệ công trình khỏi tác hại từ muối. Và ở những khu vực có nguy cơ động đất cao hơn, họ đã sử dụng “gạch nổi” siêu nhẹ làm từ vỏ trấu. Ông Selvaraj nói: “Họ nắm được khu vực, hiểu điều kiện đất đai, khí hậu. Vì vậy, họ chế tạo vật liệu dựa trên điều này”.

Các nhà xây dựng ngày nay không thể chỉ sao chép các công thức cổ xưa. Ông Oleson nói: “Mặc dù bê tông La Mã có tuổi thọ rất lâu nhưng nó không thể chịu được tải nặng. Bạn không thể xây dựng một tòa nhà chọc trời hiện đại bằng bê tông La Mã. Nó sẽ sụp đổ khi lên tới tầng thứ ba”. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đang cố gắng sử dụng một số đặc tính đặc biệt của vật liệu cổ xưa và thêm chúng vào hỗn hợp hiện đại.