Bí mật bê tông La Mã: Tự vá vết nứt, trường tồn suốt 2.000 năm

Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy người La Mã cổ đại không chỉ là bậc thầy trong lĩnh vực xây dựng và kỹ thuật, nổi bật nhất là hệ thống cống dẫn nước, mà còn sở hữu bí quyết chế tạo một loại bê tông có độ bền vượt trội: bê tông puzolan. Loại vật liệu này đã giúp các công trình kiến trúc của họ, trong đó có Đền Pantheon gần 2.000 năm tuổi, vẫn đứng vững cho đến ngày nay. Đền Pantheon hiện vẫn giữ kỷ lục là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới.

Từ lâu, các đặc tính vượt trội của bê tông La Mã được cho là nhờ thành phần gồm hỗn hợp tro núi lửa – gọi là pozzolana, đặt theo tên thành phố Pozzuoli ở Ý – và vôi. Khi được trộn với nước, hai nguyên liệu này phản ứng tạo ra một loại bê tông chắc chắn. Tuy nhiên, vào năm 2023, một nghiên cứu quốc tế do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu đã phát hiện ra rằng bí quyết thực sự không chỉ nằm ở nguyên liệu, mà còn ở kỹ thuật trộn.

Sơ đồ cơ chế đề xuất để tự chữa lành bên trong cối La Mã cổ đại.

Các nhà khoa học phát hiện trong mẫu bê tông cổ có chứa những cục vôi nhỏ màu trắng – từng bị xem là sản phẩm của quá trình trộn kém – nhưng thực tế lại là "chìa khóa" tạo nên sức bền kỳ diệu của loại vật liệu này. Nhà khoa học vật liệu Admir Masic của MIT nhận định vào tháng 1 năm 2023 rằng: “Tôi luôn thấy khó chịu khi cho rằng sự xuất hiện của những mảnh vôi này đơn giản là do kiểm soát chất lượng kém. Nếu người La Mã đã bỏ nhiều công sức để tạo ra một vật liệu xây dựng tuyệt vời, tại sao họ lại không đảm bảo sản phẩm cuối cùng được trộn đều? Câu chuyện này hẳn còn nhiều điều bí ẩn hơn thế”.

Masic cùng kỹ sư xây dựng Linda Seymour của MIT đã nghiên cứu kỹ lưỡng mẫu bê tông 2.000 năm tuổi từ địa điểm khảo cổ Privernum, Ý, bằng các phương pháp hiện đại như kính hiển vi điện tử quét diện tích lớn, phổ tia X phân tán năng lượng, nhiễu xạ tia X dạng bột và chụp ảnh Raman cộng hưởng.

Một trong những câu hỏi trọng tâm là bản chất của loại vôi được sử dụng. Thông thường, người ta tin rằng bê tông puzolan sử dụng vôi tôi – canxi hiđroxit – được tạo ra từ quá trình nung đá vôi để cho ra vôi sống (canxi oxit), rồi trộn vôi sống với nước. Nhưng qua phân tích, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng các mảnh vôi trong mẫu không phù hợp với quy trình này. Thay vào đó, người La Mã dường như đã trực tiếp trộn vôi sống với pozzolana và nước ở nhiệt độ rất cao – một kỹ thuật mà nhóm gọi là “trộn nóng”, từ đó tạo ra các mảnh vôi đặc trưng.

Masic giải thích: “Trộn nóng có hai lợi ích. Thứ nhất, nó cho phép các phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao, hình thành các hợp chất mà vôi tôi không thể tạo ra. Thứ hai, quá trình này làm giảm đáng kể thời gian bảo dưỡng và đông kết, giúp đẩy nhanh tiến độ thi công”.

Đặc biệt, kỹ thuật trộn nóng còn mang lại lợi thế quan trọng khác: khả năng tự phục hồi vết nứt. Khi xuất hiện vết nứt trong bê tông, chúng thường lan đến các mảnh vôi – có diện tích bề mặt lớn – nơi nước thẩm thấu và phản ứng với vôi để tạo ra dung dịch canxi giàu tính phản ứng. Dung dịch này sau đó khô lại thành canxi cacbonat, làm liền vết nứt và ngăn chúng lan rộng.

Hiện tượng này đã được quan sát tại Lăng mộ Caecilia Metella, một công trình 2.000 năm tuổi, nơi vết nứt trong bê tông được lấp đầy bằng tinh thể canxit. Cơ chế này cũng lý giải vì sao các bức tường chắn sóng La Mã được xây dựng cách đây hàng nghìn năm vẫn tồn tại bất chấp sự tàn phá liên tục của đại dương.

Để kiểm chứng phát hiện, nhóm nghiên cứu đã tái tạo bê tông puzolan dựa trên công thức cổ xưa và hiện đại, trong đó có sử dụng vôi sống. Họ cũng chế tạo một loại bê tông đối chứng không chứa vôi sống và tiến hành thử nghiệm nứt. Kết quả cho thấy bê tông có vôi sống tự liền vết nứt hoàn toàn sau hai tuần, trong khi bê tông đối chứng vẫn nứt.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang nỗ lực thương mại hóa loại bê tông này như một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường cho các loại bê tông hiện nay. Masic cho biết: “Thật thú vị khi nghĩ rằng các công thức bê tông bền hơn này không chỉ kéo dài tuổi thọ vật liệu mà còn có thể cải thiện độ bền của các loại bê tông in 3D trong tương lai”.

Bảo Ngọc (t/h)