Antik Romalılar, kalıntıları bugün hala görülebilen geniş yollar, su kemerleri, limanlar ve devasa binalar inşa eden parlak mühendislerdi. Bu binaların birçoğu betondan yapılmıştır; Roma’nın en büyük betonarme kubbeye sahip olan ve M.S. 128 yılında kutsanan ünlü Pantheon’u da bunlardan biridir. Diğer tarihi Roma su kemerleri bugün hala Roma’ya su sağlamaktadır. Bu arada, birçok çağdaş beton bina birkaç on yıl içinde parçalanmıştır.
Araştırmacılar, özellikle rıhtımlarda, kanalizasyonlarda, deniz duvarlarında ve sismik olarak aktif bölgelerde inşa edilen veya özellikle zor koşullara dayanması gereken diğer yapılarda, bu inanılmaz derecede dayanıklı antik yapı malzemesini onlarca yıldır incelemektedir.
MIT, Harvard Üniversitesi ile İsviçre ve İtalya’daki laboratuvarlardan araştırmacılar, bir dizi temel kendi kendini iyileştirme işlevine sahip eski beton üretim tekniklerini tanımlayarak bu alanda bir ilerleme kaydettiler. Araştırma MIT profesörü Admir Masic, Linda Seymour ve diğer dört kişi tarafından yapıldı ve Science Advances dergisinde yayınlandı.
Bilim insanları uzun bir süre boyunca, Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinden gelen volkanik kül gibi puzolanik malzemenin eski betonun dayanıklılığının temeli olduğuna inanıyordu. Hatta bu özel kül türü, inşaatlarda kullanılmak üzere devasa Roma İmparatorluğu’nun dört bir yanına ihraç ediliyordu. O dönemde mimarlar ve tarihçiler bunun betonun önemli bir bileşeni olduğunu kabul ediyorlardı.
Roma betonlarının ortak bir unsuru olduğu uzun zamandır bilinen mikroskobik, hatasız, milimetre ölçekli parlak beyaz mineral yapılar, yakından incelendiğinde bu antik örneklerde de mevcuttur. Genellikle “kireç parçaları” olarak bilinen bu beyaz parçalar, eski beton karışımındaki bir diğer temel bileşen olan kireçten gelmektedir. Masic, antik Roma betonuyla çalışmaya başladığımdan beri bu özelliklerin beni büyülediğini söylüyor.
Peki bunlar neden bu eski malzemelerde var da çağdaş beton formülasyonlarında yok?
Mevcut çalışma, bu küçük kireç parçalarının betona daha önce bilinmeyen bir kendi kendini iyileştirme gücü verdiğini ve bunun daha önce yalnızca kötü karıştırma tekniklerinin veya düşük kaliteli hammaddelerin kanıtı olarak göz ardı edildiğini iddia ediyor.
Bir zamanlar kirecin Roma betonuna suyla karıştırıldıktan sonra yüksek oranda reaktif macun benzeri bir madde oluşturmak için eklendiğine inanılıyordu. Ancak kireç parçalarının varlığı yalnızca bu işlemle açıklanamazdı. Masic, kirecin daha reaktif bir formu olan sönmemiş kirecin Romalılar tarafından doğrudan kullanılmış olabileceği ihtimali üzerinde durdu.
O ve ekibi bu beton örneklerini inceledi ve beyaz kalıntıların aslında farklı kalsiyum karbonat bileşiklerinden oluştuğunu keşfetti. Buna ek olarak, spektroskopik analiz, karışımın sönmüş kireci yerine sönmemiş kireç kullanılmasının neden olduğu ekzotermik reaksiyonun tahmin edeceği gibi, bunların son derece yüksek sıcaklıklarda oluştuğuna dair ipuçları ortaya çıkardı.
Ekip şimdi bu son derece sağlam yapının sırrının gerçekten de sıcak karıştırma olduğunu keşfetti.
Masic, sıcak karıştırmanın iki avantajı olduğunu iddia ediyor. “Birincisi, tüm beton yığınını yüksek sıcaklıklara ısıtmak, sadece sönmüş kireçle mümkün olmayacak kimyasal reaksiyonları mümkün kılıyor ve yüksek sıcaklıklarla bağlantılı kimyasalların oluşmasına yol açıyor. İkincisi, tüm reaksiyonlar yüksek sıcaklıkla hızlandırıldığı için kürlenme ve priz süreleri büyük ölçüde kısalıyor ve inşaatın çok daha hızlı yapılmasını sağlıyor.”
Sıcak karıştırma işlemi sırasında kireç parçalarının belirgin bir şekilde kırılgan nanopartiküllü bir mimari geliştirmesiyle kolayca kırılan ve reaktif bir kalsiyum kaynağı yaratılır ve bu da araştırmacıların önerdiği gibi önemli bir kendi kendini iyileştirme faaliyeti sağlayabilir.
Betonda oluşan küçük çatlaklar, geniş yüzey alanları nedeniyle tercihen kireç parçalarından geçebilir. Bu madde daha sonra suyla birleşerek kalsiyuma doymuş bir çözelti oluşturabilir ve bu çözelti kalsiyum karbonat olarak yeniden kristalleşerek çatlağı hızla doldurabilir veya kompozit malzemeyi daha da güçlendirmek için puzolanik maddelerle karışabilir. Bu spontane refleksler çatlakların yayılmasını engeller çünkü bunu otomatik olarak yaparlar. Kalsitle dolu çatlaklara sahip diğer beton örneklerinin incelenmesi, bu teori lehine daha önce kanıt sağlamıştır.
Bilim insanları, hem geleneksel hem de çağdaş formülasyonları bir araya getiren sıcak karışımlı beton örnekleri oluşturdular, bunları kasıtlı olarak kırdılar ve ardından Roma betonuna uzun ömürlü kalitesini veren sürecin aslında bu olduğunu göstermek için çatlaklardan su akmasına izin verdiler.
Elbette, iki hafta sonra su akışı durdu ve çatlaklar tamamen iyileşti. Çabuk kireç içermeyen aynı beton parçası hiçbir zaman iyileşmedi ve su numunenin içinden akmaya devam etti. Bu olumlu testlerin ardından ekip, bu modifiye çimento ürününü pazarlamaya çalışıyor.
Masic’e göre, bu daha dayanıklı beton formülasyonlarının 3D baskılı beton formülasyonlarının dayanıklılığını ve bu malzemelerin hizmet ömrünü nasıl artırabileceğini düşünmek ilginç.
Masic, bu girişimlerin, işlevsel ömrün uzatılması ve daha hafif beton formların oluşturulması yoluyla, şu anda küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık %8’ini oluşturan çimento üretiminin çevresel etkisinin azaltılmasına katkıda bulunacağını düşünüyor.
Bu gelişmeler, Masic grubunun bir diğer güncel araştırma önceliği olan havadaki karbondioksiti toplayabilen beton gibi diğer yeni formülasyonlarla birlikte betonun küresel iklim etkisini azaltmaya yardımcı olabilir.
Kaynak: techxplore
