Antik Romalılar, kalıntıları iki bin yıldır ayakta kalan geniş yol ağları, su kemerleri, limanlar ve devasa binalar inşa eden mühendislik ustalarıydı. Bu yapıların çoğu betonla inşa edildi: Dünyanın en büyük betonarme kubbesine sahip olan ve MS 128’de açılan Roma’nın ünlü Pantheon’u hala sağlam ve bazı antik Roma su kemerleri bugün hala Roma’ya su taşıyor. Bu arada, birçok modern beton yapı birkaç on yıl sonra ufalandı.
Araştırmacılar, özellikle rıhtımlar, kanalizasyonlar ve deniz duvarları gibi özellikle zorlu koşullara dayanan yapılarda veya sismik olarak aktif konumlarda inşa edilen yapılarda, bu ultra dayanıklı eski yapı malzemesinin sırrını çözmek için onlarca yıl harcadılar.
Şimdi, MIT, Harvard Üniversitesi ve İtalya ve İsviçre’deki laboratuvarlardan bir araştırmacı ekibi, birkaç önemli kendi kendini iyileştirme işlevini içeren eski beton üretim stratejilerini keşfederek bu alanda ilerleme kaydetti. 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, eski betonun dayanıklılığının anahtarının tek bir bileşene dayandığını varsaydılar: Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinden gelen volkanik kül gibi puzolanik 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.
Daha yakından incelendiğinde, bu eski örnekler ayrıca, uzun süredir Roma betonlarının her yerde bulunan bir bileşeni olarak kabul edilen küçük, ayırt edici, milimetre ölçeğinde parlak beyaz mineral özellikleri içerir. Genellikle “kireç kırıntıları” olarak adlandırılan bu beyaz parçalar, eski beton karışımının bir diğer önemli bileşeni olan kireçten kaynaklanır. Masic, “Antik Roma betonuyla çalışmaya başladığımdan beri, bu özellikler beni her zaman büyülemiştir” diyor. “Bunlar modern beton formülasyonlarında bulunmuyor, öyleyse neden bu eski malzemelerde bulunuyorlar?”
Daha önce sadece özensiz karıştırma uygulamalarının veya düşük kaliteli ham maddelerin kanıtı olarak göz ardı edilen yeni çalışma, bu küçük kireç kırıntılarının betona daha önce fark edilmeyen bir kendi kendini iyileştirme yeteneği kazandırdığını öne sürüyor. Masic, “Bu kireç kırıntılarının varlığının basitçe düşük kalite kontrolüne atfedilmesi fikri beni her zaman rahatsız etmiştir,” diyor. “Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri takip ederek olağanüstü bir yapı malzemesi yapmak için bu kadar çaba harcadıysa, iyi karıştırılmış bir nihai ürünün üretimini sağlamak için neden bu kadar az çaba sarf etsinler? Bu hikayede daha fazlası olmalı.”
Araştırmacılar, Masic’in araştırma laboratuvarında öncülük edilen yüksek çözünürlüklü çok ölçekli görüntüleme ve kimyasal haritalama tekniklerini kullanarak bu kireç kırıntılarının daha fazla karakterizasyonu üzerine, bu kireç kırıntılarının potansiyel işlevselliği hakkında yeni görüşler elde ettiler.
Tarihsel olarak, kirecin Roma betonuna dahil edildiğinde, söndürme olarak bilinen bir süreçte, yüksek oranda reaktif macun benzeri bir malzeme oluşturmak için su ile birleştirildiği varsayılmıştır. Ancak bu işlem tek başına kireç kırıntılarının varlığını açıklayamaz. Masic merak etti: “Romalıların kireci doğrudan sönmemiş kireç olarak bilinen daha reaktif formunda doğrudan kullanmış olmaları mümkün mü?”
Bu eski beton örneklerini inceleyen Masic ve ekibi, beyaz kalıntıların gerçekten de çeşitli kalsiyum karbonat formlarından yapıldığını belirlediler. Ve spektroskopik inceleme, karışımdaki sönmüş kirecin yerine veya ona ek olarak sönmemiş kireç kullanılarak üretilen ekzotermik reaksiyondan bekleneceği gibi, bunların aşırı sıcaklıklarda oluştuğuna dair ipuçları sağladı. Ekip, sıcak karıştırmanın aslında süper dayanıklı doğanın anahtarı olduğu sonucuna vardı.
Masic, “Sıcak karıştırmanın faydaları iki yönlüdür” diyor. “İlk olarak, genel beton yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, yalnızca sönmüş kireç kullandığınızda mümkün olmayan kimyalara izin vererek, başka türlü oluşmayacak olan yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretir.
İkincisi, bu artan sıcaklık, tüm reaksiyonlar hızlandırıldığı için sertleşme ve sertleşme sürelerini önemli ölçüde azaltır ve çok daha hızlı inşaat sağlar.”
Sıcak karıştırma işlemi sırasında, kireç kırıntıları karakteristik olarak kırılgan bir nanopartikülat mimari geliştirerek, ekibin önerdiği gibi, kritik bir kendi kendini iyileştirme işlevi sağlayabilecek, kolayca kırılan ve reaktif bir kalsiyum kaynağı oluşturur. Betonda küçük çatlaklar oluşmaya başlar başlamaz, tercihen yüksek yüzey alanlı kireç kırıntıları arasından geçebilirler. Bu malzeme daha sonra suyla reaksiyona girerek kalsiyum karbonat olarak yeniden kristalleşebilen ve çatlağı hızla doldurabilen kalsiyuma doymuş bir çözelti oluşturabilir veya kompozit malzemeyi daha da güçlendirmek için puzolanik malzemelerle reaksiyona girebilir. Bu reaksiyonlar kendiliğinden gerçekleşir ve bu nedenle çatlakları yayılmadan otomatik olarak iyileştirir. Bu hipotez için önceki destek, kalsit dolgulu çatlaklar sergileyen diğer Roma beton örneklerinin incelenmesiyle bulundu.
Bunun gerçekten de Roma betonunun dayanıklılığından sorumlu mekanizma olduğunu kanıtlamak için ekip hem eski hem de modern formülasyonları içeren sıcak karışım beton numuneleri üretti, bunları kasıtlı olarak kırdı ve ardından çatlaklardan su akıttı. Tabii ki: İki hafta içinde 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.
Masic, “Bu daha dayanıklı beton formülasyonlarının yalnızca bu malzemelerin hizmet ömrünü nasıl uzatabileceğini değil, aynı zamanda 3D baskılı beton formülasyonlarının dayanıklılığını nasıl artırabileceğini düşünmek heyecan verici” diyor.
Uzatılmış işlevsel ömür ve daha hafif beton formların geliştirilmesi sayesinde, bu çabaların şu anda küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık yüzde 8’ini oluşturan çimento üretiminin çevresel etkisini azaltmaya yardımcı olabileceğini umuyor. Masic laboratuvarının bir başka güncel araştırma odağı olan havadaki karbondioksiti gerçekten emebilen beton gibi diğer yeni formülasyonların yanı sıra, bu iyileştirmeler betonun küresel iklim etkisini azaltmaya yardımcı olabilir.
Araştırma ekibi MIT’den Janille Maragh, İtalya’daki DMAT’tan Paolo Sabatini, İsviçre’deki Instituto Meccanica dei Materiali’den Michel Di Tommaso ve Harvard Üniversitesi’ndeki Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering’den James Weaver’ı içeriyordu. Çalışma, İtalya Priverno arkeoloji müzesinin yardımıyla gerçekleştirildi.
Kaynak: Science Daily
