Bê tông của người La Mã nổi tiếng với độ bền, giúp tạo nên những công trình xây dựng có thể tồn tại qua hàng ngàn năm mà dường như ngày càng trở nên vững chắc hơn. Sau quá nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học tuyên bố đã xác định được công thức cũng như các phản ứng hóa học có liên quan tới quá trình sản xuất của bê tông La Mã, từ đó có thể hồi sinh kỹ thuật xây dựng cổ xưa này để áp dụng ngày nay, hứa hẹn tiếp bước người xưa tạo ra những công trình có thể tồn tại qua hàng chục thế kỷ mà không hư hỏng.
Trên thực tế, đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học muốn tìm hiểu về độ bền đến khó hiểu của bê tông La Mã. Hồi năm 2014, một nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley dẫn đầu bởi Marie D. Jackson đã tìm ra công thức của bê tông La Mã: một hỗn hợp của tro núi lửa, vôi và nước biển kết hợp với đá núi lửa cốt liệu. Hỗn hợp này tạo ra một phản ứng hóa học với kết quả cuối cùng là loại bê tông siêu bền mà người La Mã dùng để xây dựng các công trình của họ. Vấn đề ở đây, nhóm của Jackson vẫn chưa hoàn toàn hiểu được làm thế nào người La Mã có thể tiến hành phản ứng phức tạp này.
Trong một nghiên cứu tiến hành sau đó, các nhà khoa học đã phát hiện rằng không hẳn là người La Mã đã tiến hành những phản ứng hóa học đó một cách trực tiếp. Thay vào đó, quá trình gia cố cho bê tông được tiến hành bằng cách liên tục cho thấm nước biển qua bê tông trong thời gian dài, từ đó kích thích sự phát triển của những loại khoáng chất hiếm. Các khoáng chất này sẽ đóng vai trò như những "chiếc khóa”, góp phần gia cố và tăng cường sự bền vững của kết cấu bê tông. Thật vậy, những cột trụ hoặc phiến đá được xây từ thời cổ đại thì sau 2000 năm, độ cứng của chúng ngày nay còn cao hơn khi xưa, trong khi đó, những cấu trúc bê tông dưới nước hiện đại vốn tạo thành từ đá hoặc sỏi trộn với xi măng và nước thì chỉ có tồn tại được vài thập niên.
Ảnh chụp dưới kính hiển vi cho thấy những cục calcium-aluminum-silicate-hydrate (C-A-S-H) kiên kế trong cấu trúc vật liệu hình thành khi tro núi lửa, vôi và nước biển trộn lại với nhau. Những tinh thể phèn tobermorite dạng dẹt được hình thành giữa C-A-S-H trong ma trận xi măng.
Lấy cảm hứng từ sự xi măng hóa tự nhiên của trầm tích tro núi lửa, người La Mã đã tìm cách tạo nên bê tông siêu bền bằng cách khai thác khả năng gia cố của một loại phản ứng hóa học mà các nhà khoa học ngày nay gọi là pozzolan - đặt tên theo thành phố Pozzuoli ở vịnh Naples. Kết quả của phản ứng là kích thích sự phát triển của một loại khoáng chất giữa cốt liệu và vữa hồ, trong trường hợp này hỗn hợp của silic oxit và vôi trong tro núi lửa có nhiệm vụ ngăn ngừa sự phát triển của các vế nứt. Bê tông hiện đại ngày nay còn sử dụng cả cốt liệu đá, nhưng chúng được cố tình giữ ở trạng thái trở để ngăn chặn phản ứng xảy ra. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là các hạt cốt liệu không phản ứng này lại vô tình giúp các vết nứt hình thành và lan rộng ra, khiến cho công trình dần trở nên xuống cấp.
Trên thực tế, đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học muốn tìm hiểu về độ bền đến khó hiểu của bê tông La Mã. Hồi năm 2014, một nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley dẫn đầu bởi Marie D. Jackson đã tìm ra công thức của bê tông La Mã: một hỗn hợp của tro núi lửa, vôi và nước biển kết hợp với đá núi lửa cốt liệu. Hỗn hợp này tạo ra một phản ứng hóa học với kết quả cuối cùng là loại bê tông siêu bền mà người La Mã dùng để xây dựng các công trình của họ. Vấn đề ở đây, nhóm của Jackson vẫn chưa hoàn toàn hiểu được làm thế nào người La Mã có thể tiến hành phản ứng phức tạp này.
Trong một nghiên cứu tiến hành sau đó, các nhà khoa học đã phát hiện rằng không hẳn là người La Mã đã tiến hành những phản ứng hóa học đó một cách trực tiếp. Thay vào đó, quá trình gia cố cho bê tông được tiến hành bằng cách liên tục cho thấm nước biển qua bê tông trong thời gian dài, từ đó kích thích sự phát triển của những loại khoáng chất hiếm. Các khoáng chất này sẽ đóng vai trò như những "chiếc khóa”, góp phần gia cố và tăng cường sự bền vững của kết cấu bê tông. Thật vậy, những cột trụ hoặc phiến đá được xây từ thời cổ đại thì sau 2000 năm, độ cứng của chúng ngày nay còn cao hơn khi xưa, trong khi đó, những cấu trúc bê tông dưới nước hiện đại vốn tạo thành từ đá hoặc sỏi trộn với xi măng và nước thì chỉ có tồn tại được vài thập niên.
Ảnh chụp dưới kính hiển vi cho thấy những cục calcium-aluminum-silicate-hydrate (C-A-S-H) kiên kế trong cấu trúc vật liệu hình thành khi tro núi lửa, vôi và nước biển trộn lại với nhau. Những tinh thể phèn tobermorite dạng dẹt được hình thành giữa C-A-S-H trong ma trận xi măng.
Lấy cảm hứng từ sự xi măng hóa tự nhiên của trầm tích tro núi lửa, người La Mã đã tìm cách tạo nên bê tông siêu bền bằng cách khai thác khả năng gia cố của một loại phản ứng hóa học mà các nhà khoa học ngày nay gọi là pozzolan - đặt tên theo thành phố Pozzuoli ở vịnh Naples. Kết quả của phản ứng là kích thích sự phát triển của một loại khoáng chất giữa cốt liệu và vữa hồ, trong trường hợp này hỗn hợp của silic oxit và vôi trong tro núi lửa có nhiệm vụ ngăn ngừa sự phát triển của các vế nứt. Bê tông hiện đại ngày nay còn sử dụng cả cốt liệu đá, nhưng chúng được cố tình giữ ở trạng thái trở để ngăn chặn phản ứng xảy ra. Tuy nhiên, vấn đề ở đây là các hạt cốt liệu không phản ứng này lại vô tình giúp các vết nứt hình thành và lan rộng ra, khiến cho công trình dần trở nên xuống cấp.
Cũng trong nghiên cứu thứ hai, nhóm của Jackson đã pháy hiện ra loại khoáng chất hiếm kết nối những hạt cốt liệu trong bê tông của người La Mã có tên gọi là phèn tobermorite. Các tinh thể khoáng vật này sẽ phát triển xung quanh các hạt vôi thông qua phản ứng pozzolan hóa. Tuy nhiên vấn đề là điều đó chỉ xảy ra tại nhiệt độ rất cao và các nhà khoa học vẫn chưa thể hiểu được làm sao người La Mã khi xưa có thể tạo ra được điều đó. Trên thực tế, việc làm điều này trong phòng thí nghiệm cũng đã khá khó khăn đối với các nhà khoa học, đồng thời nếu làm thành công thì cũng chỉ thu được một lượng nhỏ thành quả.
Cho rằng còn có thứ gì đó có liên quan tới hiệu ứng nói trên, các nhà nghiên cứu đã lấy mẫu phèn tobermorite và một loại khoáng chất khác có liên quan là phillipsite, mang tới phòng thí nghiệm Advanced Light Source tại Berkeley để quét bằng tia X. Kết quả, họ phát hiện rằng phèn tobermorite được hình thành tis trong các hạt đá bột và khe hở của hỗn hợp xi măng nhưng nó vẫn không thể tái tạo lại được hiệu ứng gia cố trong thời gian ngắn mà không có sự hỗ trợ của nhiệt lượng. Từ đó, họ càng khẳng định rằng có một thứ gì đó mà họ chưa biết được có liên quan tới quá trình tạo ra bê tông ngày càng bền.
Các nhà địa chất học đang khoan xuống một công trình dưới biển tại Portus Cosanus, Tuscany.
Bên cạnh đó, các nhà khoa học còn khẳng định rằng phải có sự tác động một cách liên tục của nước biển. Theo đó, thay vì dần bào mòn bê tông, nước biển lại được thấm vào vật liệu, hòa tan những thành phần trong tro núi lửa, tạo thành dung dịch có độ kiềm cao, cuối cùng là tạo điều kiện cho sự hình thành của những loại khoáng chất. Các tinh thể này sẽ hoạt động như những liên kết trong cấu trúc vật liệu, gia cố khả năng tồn tại của nó chống lại các nứt gãy. Tuy nhiên, đối với các loại vật liệu được tạo ra ngày nay thì quá trình này lại vô cùng có hại và các nhà khoa học luôn tìm cách ngăn cản điều đó.
Câu hỏi đặt ra là tại sao chúng ta không làm giống như người La Mã hồi xưa? Thứ nhất, tro núi lửa không phải là nguồn tài nguyên thiên nhiên có thể dễ dàng tiếp cận ở thời điểm hiện tại. Và quan trọng hơn nữa, kỳ thực người vẫn chưa thể xác tín 100% công thức làm bê tông của người La Mã, cũng như chưa thể tìm ra những vật liệu thay thế. Giáo sư Jackson cho biết: “Người La Mã đã may mắn khi có cơ hội tiếp cận được tới những loại đsa đặc biệt. Họ quan sát thấy tro núi lửa đã tạo ra xi măng và cuối cùng là có thể tạo ra vữa. Chúng ta không có nhiều những loại đá này trên thế giới và bởi thế cần phải tìm thứ thay thế.”
Được biết giáo sư Jackson cùng nhóm nghiên cứu đang tìm một công thức thay thế nhằm tạo ra được loại bê tông có đặc tính tương tự như người La Mã bằng các vật liệu có thể dễ tiếp cận ở thời đại này. Và nếu được phát triển thành công, đây sẽ là cơ hội để loài người tạo nên thêm những công trình ngầm dưới nước với tuổi thọ lên tới hàng trăm thậm chí là ngàn năm, bao gồm cả dự án xây dựng phá thủy triều ở Swansea, Anh Quốc dùng để thu năng lượng từ thủy triều và cần phải hoạt động đuọc 120 năm để có thể thu hồi vốn.
Tham khảo American Mineralogist
