Antik Roma, kalıntıları iki bin yıldır ayakta kalan geniş yol ağları, su kemerleri, limanlar ve devasa binalar inşa ederek mühendislik alanında ne derece usta olduğunu tarihe altın harflerle yazdırdı. Bu yapıların birçoğu betonla inşa edildi, öyle ki Roma’nın dünyanın en büyük betonarme kubbesine sahip olan ve MS 128’de inşa edilmiş ünlü Pantheon hala sağlam ve bazı antik Roma su kemerleri bugün hala Roma’ya su taşıyor. Bu arada, birçok modern beton yapı birkaç on yıl sonra ufalanıp gitti.
Araştırmacılar, özellikle rıhtımlar, kanalizasyonlar ve deniz duvarları gibi özellikle zorlu koşullara dayanan yapılarda veya sismik olarak aktif konumlarda inşa edilen yapılarda kullanılan ultra dayanıklı eski yapı malzemesinin sırrını çözmek için onlarca yıl harcadılar.
Kendini iyileştirme işlevi
Şimdi ABD’de bulunan Massachussets Teknoloji Enstitüsü (MIT), Harvard Üniversitesi ve İtalya ile İsviçre’deki laboratuvarlardan bir grup araştırmacı, bu tür betonlardaki “kendi kendini iyileştirme/tamir etme” olarak adlandırılabilecek bir yönteme başvurulduğunu öğrendi. Bulgular Science Advances dergisinde, MIT inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Admir Masic, eski doktora öğrencisi Linda Seymour ve diğer dört kişinin bir makalesinde yayınlandı.
Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, antik betonun dayanıklılığının anahtarının tek bir bileşene dayandığını varsaydılar: Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinden gelen volkanik kül gibi puzolan adı verilen malzeme. Bu özel kül türü, inşaatta kullanılmak üzere geniş Roma imparatorluğunun her yerine sevk edildi ve o dönemde mimarlar ve tarihçiler tarafından yapılan hesaplarda beton için önemli bir bileşen olarak tanımlandı.
Bu gizemli beton daha yakından incelendiğinde, uzun süredir Roma betonunun temel bileşenlerinden biri olduğu kabul edilen “kireç kırıntıları (İng. lime casts)” olarak adlandırılabilecek
Daha yakından incelendiğinde, bu eski örnekler ayrıca, uzun süredir Roma betonlarıda temel bir bileşeni olarak kabul edilen milimetre ölçeğine kadar küçük parlak beyaz mineraller bulunur. Genellikle “kireç kırıntıları” olarak adlandırılan bu beyaz parçalar, antik çağlarda üretilmiş beton üretimine dair tarif metinlerinde bulunmamakta. O halde beton bulgularında neden bulunuyor?
Daha önce sadece özensiz karıştırma uygulamalarının veya düşük kaliteli ham maddelerin kanıtı olarak göz ardı edilen bu bulgu, küçük kireç kırıntılarının betona daha önce fark edilmeyen bir kendi kendini iyileştirme yeteneği kazandırdığını öne sürüyor. Zira Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri takip ederek olağanüstü bir yapı malzemesi yapmak için bu kadar çok çaba harcadıysa, iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için neden bu kadar az çaba sarf etsinler? Bu hikayede daha fazlası olmalı.
Araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü çok ölçekli görüntüleme ve kimyasal haritalama teknikleri kullanılarak bu kireç kırıntılarının özelliklerinin belirlenmesi üzerine üzerine, bu kireç kırıntılarının potansiyel işlevselliği hakkında yeni görüşler elde ettiler.
Tarihsel olarak, kirecin Roma betonuna dahil edildiğinde, söndürme olarak bilinen bir süreç sonucu, yüksek oranda etkileşime yatkın macun benzeri bir malzeme oluşturmak için su ile birleştirildiği varsayılmıştır. Ancak bu işlem tek başına kireç kırıntılarının varlığını açıklayamaz.
Çatladıkça giren “kireç kırıntıları”
Eski beton örneklerini inceleyen ekip, beyaz kalıntıların gerçekten de çeşitli Kalsiyum Karbonat formlarından oluştuğunu belirlediler. Renkserim incelemesi, karışımdaki sönmüş kirecin yerine veya ek olarak sönmemiş kireç kullanılarak, betonun yüksek sıcaklıklarda meydana geldiğine dair ipuçları elde ettiler. Ekip, yüksek sıcaklıklarda yapılan beton karıştırma işleminin, betonun süper dayanıklı doğasının anahtarı olduğu sonucuna vardı.
Betonu sıcak karıştırmanın iki faydalı yanı bulunmakta. İlk olarak, genel beton yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, yalnızca sönmüş kireç kullandığınızda oluşması mümkün olmayan kimyasalları oluşturarak, başka türlü oluşmayacak olan yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretir. İkincisi, bu artan sıcaklık, sertleşme süresini önemli ölçüde azaltır, çünkü tüm tepkimeler hızlanır ve inşaatın da hızlanması sağlanır.
Sıcak karıştırma işlemi sırasında, kireç kırıntıları karakteristik olarak kırılgan bir nanoparçacık mimarisı geliştirerek, ekibin önerdiği gibi, kritik bir kendi kendini iyileştirme işlevi sağlayabilecek ve kolayca kırılabilen bir kalsiyum kaynağı oluşturur. Betonda küçük çatlaklar oluşmaya başlar başlamaz, yüksek yüzey alanlı kireç kalıntıları içeri girmeye başlar. Akabinde suyla tepkimeye girerek kalsiyum karbonat olarak yeniden kristalleşebilen ve çatlağı hızla doldurabilen kalsiyuma doymuş bir çözelti oluşur ve beton “iyileşmiş” olur.
Bunun gerçekten de Roma betonunun dayanıklılığından sorumlu mekanizma olduğunu kanıtlamak için ekip, hem eski hem de modern beton yapma tarifleri aracılığıyla sıcak karışım beton numuneleri üretti, bunları kasıtlı olarak kırdı ve ardından çatlaklardan su akıttı. İki hafta içinde antik Roma betonu olduğu düşünülen örnekte çatlaklar tamamen iyileşti ve su artık akamaz hale geldi. Sönmemiş kireç kullanılmadan yapılmış özdeş bir beton parçası asla iyileşmedi ve su, numunenin içinden akmaya devam etti. Bu başarılı testler sonucunda ekip, bu modifiye edilmiş çimento malzemesini ticarileştirmek için çalışıyor.
Uzatılmış işlevsel ömür ve daha hafif beton formların geliştirilmesi sayesinde, bu çabaların şu anda küresel sera gazı yayılımlarının yaklaşık yüzde 8’ini oluşturan çimento üretiminin çevresel etkisini azaltmaya yardımcı olabileceğini umuyor. Ayrıca ekip, bir başka güncel araştırma odağı olan havadaki karbondioksiti gerçekten emebilen beton gibi diğer yeni fikirler de üretmekte olduklarını söylüyorlar.
