นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาหลายทศวรรษในการพยายามค้นหาความลับของวัสดุก่อสร้างที่ “ทนทานเป็นพิเศษ” ของชาวโรมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงสร้างที่ทนทานต่อสภาวะที่รุนแรงมากๆ เช่น ท่าเรือ ท่อระบายน้ำ และกำแพงกันคลื่น เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่นักวิจัยเชื่อว่ากุญแจสำคัญในความทนทานของคอนกรีตโบราณคือส่วนผสมอย่างหนึ่งที่เรียกว่าวัสดุปอซโซลาน เช่น เถ้าภูเขาไฟจากเมือง Pozzuoli บนอ่าวเนเปิลส์ และล่าสุดทีมวิจัยได้ค้นพบเทคนิคการผลิตคอนกรีตแบบโบราณที่ทำให้เกิดคุณสมบัติ “การซ่อมแซมตัวเอง”
นักประวัติศาสตร์กล่าวว่าเถ้าภูเขาไฟถูกส่งไปทั่วอาณาจักรโรมันเพื่อใช้ในโครงการก่อสร้าง แสดงว่ามันเป็นส่วนผสมหลักสำหรับคอนกรีตในเวลานั้น และเมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดพบว่าคอนกรีตของชาวโรมันยังมีส่วนประกอบเป็นก้อนปูนสีขาวขนาดเล็กๆที่เรียกว่า “lime clasts” ซึ่งไม่เคยปรากฏหรือพบเห็นในคอนกรีตสมัยใหม่มาก่อน ก่อนหน้านี้สิ่งนี้เคยถูกมองข้ามด้วยคิดว่ามันเป็นสัญญาณของการผสมที่ไม่ดีหรือการใช้วัสดุคุณภาพต่ำ แต่ Admir Masic ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมของ MIT ไม่ได้คิดเช่นนั้น
“ความคิดที่ว่าการมีอยู่ของก้อนปูนขาวเหล่านี้มีสาเหตุมาจากการควบคุมคุณภาพต่ำทำให้ฉันรำคาญอยู่เสมอ” Masic กล่าว “หากชาวโรมันใช้ความพยายามอย่างมากในการสร้างวัสดุก่อสร้างที่โดดเด่น โดยทำตามสูตรและรายละเอียดทั้งหมดซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมตลอดหลายศตวรรษ ทำไมพวกเขาถึงใช้ความพยายามเพียงน้อยนิดในการทำให้มั่นใจว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่มีการผสมอย่างดี? มันต้องมีอะไรมากกว่านี้”
Masic และทีมงานได้ศึกษาตัวอย่างคอนกรีตโรมันอายุ 2,000 ปีที่ได้จากแหล่งโบราณคดี Privernum ในอิตาลีอย่างระมัดระวัง ตัวอย่างเหล่านี้ถูกนำไปตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด,เครื่องเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีแบบกระจายพลังงาน, เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์แบบผงผลึก และการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์รามานแบบคอนโฟคอล เพื่อให้เข้าใจถึงก้อนปูนขาว หรือ lime clasts ที่พบในคอนกรีตได้ดียิ่งขึ้น
ในอดีตนักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าเมื่อชาวโรมันเติมปูนขาวลงในคอนกรีต พวกเขาเริ่มต้นด้วยการผสมปูนขาวกับน้ำเพื่อสร้างสารคล้ายแป้งที่มีปฏิกิริยาสูงที่เรียกว่า slaked lime แต่จากการวิเคราะห์ของทีมวิจัยพบว่าก้อนปูนขาวที่พบในตัวอย่างคอนกรีตไม่สอดคล้องกับวิธีการนี้ และพวกเขายังพบว่าก้อนปูนขาวเหล่านั้นก่อตัวขึ้นจากอุณหภูมิที่ร้อนจัดซึ่งอาจเป็นผลลัพธ์ที่เกิดจากการใช้ quicklime แทน slaked lime ในส่วนผสมคอนกรีต ทีมวิจัยเชื่อว่า “การผสมร้อน” (Hot mixing) เป็นกุญแจสำคัญที่แท้จริงของคอนกรีตที่มีความทนทานเป็นพิเศษโดยธรรมชาติ
“ประโยชน์ของการผสมร้อนมีสองอย่าง อย่างแรกเมื่อคอนกรีตถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงจะช่วยให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สามารถทำได้หากคุณใช้ปูนขาวเพียงอย่างเดียว ก่อให้เกิดสารประกอบที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูง” Masic อธิบาย “ประการที่สองอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยลดเวลาการบ่มและการเซ็ตตัวได้อย่างมาก เนื่องจากปฏิกิริยาทั้งหมดถูกเร่งขึ้น ทำให้การก่อสร้างเร็วขึ้นมาก”
Masic เสริมว่าในระหว่างกระบวนการผสมร้อน ก้อนปูนขาว (lime clasts) จะพัฒนาอนุภาคนาโนที่เปราะบางเป็นพิเศษซึ่งสร้างแหล่งแคลเซียมที่แตกหักได้ง่ายและทำปฏิกิริยาได้ และเจ้าสิ่งนี้เองที่ทำให้คอนกรีตมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง ทันทีที่รอยแตกเล็กๆเริ่มก่อตัวขึ้นภายในคอนกรีต รอยแตกสามารถเคลื่อนผ่านอนุภาคนาโนของก้อนปูนขาวที่มีพื้นผิวสูงได้ อนุภาคนาโนสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำทำให้เกิดสารละลายที่อิ่มตัวด้วยแคลเซียม จากนั้นจะตกผลึกใหม่เป็นแคลเซียมคาร์บอเนตและเติมเต็มรอยแตกอย่างรวดเร็ว เชื่อมประสานรอยแตกเข้าด้วยกันและป้องกันไม่ให้มันลุกลามต่อไป คอนกรีตจึงมีความแข็งแกร่งยิ่งกว่าเดิม
ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และด้วยเหตุนี้จึงรักษารอยแตกได้โดยอัตโนมัติก่อนที่จะลุกลาม ทีมวิจัยได้ผลิตตัวอย่างคอนกรีตผสมร้อนที่มีทั้งสูตรโบราณและสูตรสมัยใหม่ จากนั้นพวกเขาจงใจทำให้แตกและปล่อยให้น้ำไหลผ่านรอยแตก ภายในสองสัปดาห์รอยแตกของคอนกรีตผสมร้อนสูตรโบราณ “สมาน” อย่างสมบูรณ์และน้ำไม่สามารถไหลได้อีกต่อไป ขณะที่คอนกรีตสูตรสมัยใหม่ที่ทำโดยไม่ใช้ปูนขาวไม่เคยสมานตัวและน้ำก็ไหลผ่านตัวอย่างไปเรื่อยๆ จากผลการทดสอบที่ประสบความสำเร็จนี้ ทีมงานกำลังทำงานคิดค้นวัสดุซีเมนต์แบบใหม่เพื่อใช้งานในเชิงพาณิชย์ต่อไป
“เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่จะคิดว่าสูตรคอนกรีตที่ทนทานมากขึ้นเหล่านี้จะช่วยยืดอายุการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ได้อย่างไร และยังช่วยเพิ่มความทนทานของสูตรคอนกรีตสำหรับการพิมพ์ 3 มิติได้อย่างไร” Masic สรุป
ข้อมูลและภาพจาก studyfinds, sciencealert