Nếu ta có thể dùng phép so sánh, người La Mã là bậc thầy về vữa xây dựng. Họ là những thiên tài thực sự trong lĩnh vực kỹ thuật. Nhờ kỹ năng kiến trúc xuất sắc, họ đã tạo ra những mạng lưới đường sá, cống dẫn nước, đấu trường, cảng và cầu rộng lớn với sự chuyên nghiệp đến mức nhiều công trình trong số đó vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Ví dụ, đấu trường Colosseum, công trình kiến trúc chính của La Mã cổ đại, bắt đầu được xây dựng vào năm 70 sau Công nguyên, hoàn thành 10 năm sau đó, và nó vẫn đứng vững, là biểu tượng của nền văn minh này.
Tây Ban Nha cũng có một số ví dụ tuyệt vời: nhà hát La Mã ở Mérida, "vị hoàng tử trong số các công trình kiến trúc của Mérida", được khánh thành vào thế kỷ 16-15 trước Công nguyên và vẫn là địa điểm tổ chức các buổi biểu diễn và hòa nhạc cho đến ngày nay. Trong khi đó, nhà hát La Mã ở Cartagena, được xây dựng từ thế kỷ 5 đến thế kỷ 1 trước Công nguyên, vẫn giữ được phần lớn cấu trúc trong tình trạng bảo tồn đáng kinh ngạc. Ngược lại, nhiều công trình kỹ thuật hiện đại đã sụp đổ chỉ sau vài thập kỷ.
Trong nhiều thập kỷ, khoa học đã cố gắng giải thích làm thế nào người La Mã có thể tạo ra những công trình kiên cố đến vậy cách đây hàng nghìn năm. Trong một số trường hợp, những công trình này chịu được sức nặng hàng tấn; trong những trường hợp khác, chúng được xây dựng ở những khu vực có hoạt động địa chấn mạnh và đã vượt qua được sự bào mòn của thời gian và hoạt động địa chấn phát ra từ sâu trong lòng đất.
Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ MIT, Đại học Harvard và nhiều phòng thí nghiệm khác nhau ở Ý và Thụy Sĩ đã giải mã được bí ẩn về độ bền của bê tông La Mã. Theo nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Science Advances, người La Mã đã sử dụng các chiến lược sản xuất tạo ra một khối vật liệu siêu bền, mang lại cho các công trình của họ sức mạnh đáng kinh ngạc nhờ quá trình "tự phục hồi".
Trong một thời gian dài, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng chìa khóa cho độ bền và độ chắc chắn của bê tông La Mã nằm ở một thành phần: việc sử dụng vật liệu pozzolanic—chứa silica—chẳng hạn như tro núi lửa được tìm thấy ở vùng Pozzuoli, phía bắc Naples. Loại tro này được vận chuyển khắp Đế chế La Mã để sử dụng trong xây dựng. Trên thực tế, nhiều kiến trúc sư và nhà sử học đã mô tả nó như một thành phần quan trọng trong bê tông.
Nhưng điều này không phải là mới. Một phân tích chi tiết hơn nhiều đã xác nhận rằng bí mật của bê tông La Mã không chỉ nằm ở các vật liệu pozzolanic mà nó chứa, mà còn ở các chất khoáng nhỏ, bóng, màu trắng, chỉ có kích thước vài milimét, được gọi là vụn vôi. "Kể từ khi bắt đầu nghiên cứu về bê tông La Mã cổ đại, tôi luôn bị cuốn hút bởi các đặc tính của nó," Admir Masic, giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường tại MIT và là một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết. "Chúng ta không tìm thấy những đặc tính này trong các công thức bê tông hiện đại. Vậy tại sao chúng lại có mặt trong những vật liệu cổ xưa này?" ông nói thêm.
Xi măng có "khả năng tự phục hồi"
Người đọc có thể nghĩ rằng người La Mã đã tìm ra công thức này thông qua việc trộn bê tông một cách cẩu thả. Tuy nhiên, khoa học đã bác bỏ điều này. Nghiên cứu mới này lập luận rằng các mảnh vôi mà người La Mã đưa vào bê tông của họ đã mang lại cho nó khả năng "tự phục hồi" đáng kinh ngạc, điều chưa từng được biết đến trước đây. Hơn nữa, bê tông của họ không chỉ đơn thuần là may mắn, mà là kết quả của hàng thế kỷ tối ưu hóa. "Nếu người La Mã đã bỏ ra nhiều công sức để tạo ra một vật liệu xây dựng xuất sắc, tuân theo các công thức chi tiết đã được tinh chỉnh qua nhiều thế kỷ, tại sao họ lại bỏ ra quá ít công sức để đảm bảo sản xuất bê tông được trộn đều?" Masic đặt câu hỏi.
Thực tế là, vấn đề còn phức tạp hơn thế. Giáo sư MIT và các nhà nghiên cứu khác tham gia vào nghiên cứu này đã sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh đa tỷ lệ, độ phân giải cao và lập bản đồ hóa học để phân tích sâu hơn loại xi măng cổ đại này. Nhờ các phương pháp này, họ đã thu được những phát hiện mới liên quan đến chức năng tiềm năng của các mảnh vôi được người La Mã sử dụng.
Trước đây người ta cho rằng vôi được trộn vào bê tông La Mã đã được trộn sẵn với nước để tạo thành một hỗn hợp sệt, có tính phản ứng cao. Tuy nhiên, chỉ riêng quá trình này không thể giải thích sự hiện diện của các mảnh vôi. Do đó, bằng cách nghiên cứu các mẫu bê tông cổ mới, họ kết luận rằng các chất màu trắng này chứa các dạng cacbonat silic khác nhau. "Kiểm tra quang phổ đã cung cấp manh mối cho thấy chúng được hình thành ở nhiệt độ cực cao, như dự đoán từ phản ứng tỏa nhiệt được tạo ra do việc sử dụng vôi sống thay vì, hoặc ngoài vôi tôi trong hỗn hợp.".
Nói cách khác, việc trộn nóng các thành phần khác nhau của bê tông La Mã là chìa khóa để tạo ra một khối vật liệu siêu bền và cực kỳ chịu lực. "Lợi ích của việc trộn nóng là gấp đôi," Masic giải thích. "Thứ nhất, việc trộn ở nhiệt độ cao cho phép các quá trình hóa học diễn ra mà không thể thực hiện được nếu chỉ sử dụng vôi tôi, tạo ra các hợp chất liên quan đến nhiệt độ cao này mà nếu không sẽ không hình thành. Thứ hai, việc tăng nhiệt độ này làm giảm đáng kể thời gian đông kết và đóng rắn, vì tất cả các phản ứng đều được tăng tốc, cho phép xây dựng nhanh hơn nhiều," chuyên gia nhấn mạnh.
Nhưng đó chưa phải là tất cả. Phát hiện quan trọng của nghiên cứu, được công bố hôm nay trên tạp chí Science Advances, chỉ ra rằng vật liệu này có khả năng tái tạo hoặc "tự phục hồi". "Trong quá trình trộn nóng, các mảnh vôi phát triển cấu trúc hạt nano giòn đặc trưng, tạo ra nguồn canxi dễ bị vỡ và phản ứng." Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nguồn canxi này giúp bê tông có khả năng tái tạo khi bị nứt.
"Vật liệu này có thể phản ứng với nước, tạo ra dung dịch canxi bão hòa có thể kết tinh lại thành canxi cacbonat và nhanh chóng lấp đầy vết nứt, hoặc phản ứng với các vật liệu pozzolanic để tăng cường hơn nữa độ bền của vật liệu composite.".
Theo các nhà khoa học, những phản ứng này xảy ra một cách tự phát, tự động hàn gắn các vết nứt trước khi chúng lan rộng khắp cấu trúc. Trên thực tế, để chứng minh phát hiện của mình, các nhà nghiên cứu đã tạo ra xi măng theo cách mà người La Mã đã làm: nung nóng, sau đó đập vỡ và cho nước chảy qua các vết nứt. Họ đã có thể xác minh rằng, "trong vòng hai tuần", bê tông đã tự phục hồi và nước ngừng thấm vào bên trong. Sau phát hiện này, nhóm nghiên cứu do Masic dẫn đầu đã tuyên bố đang nỗ lực thương mại hóa loại bê tông cải tiến này để có thể sử dụng trong các dự án xây dựng hiện đại.
