เคล็ดลับที่ทำให้คอนกรีตยุคโรมันแข็งแรงทนทานนานนับพันปีคือ “น้ำทะเล”

แม้ว่าเทคโนโลยีด้านคอนกรีตในปัจจุบันจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก มีการคิดค้นสูตรคอนกรีตที่มีคุณสมบัติพิเศษต่างๆมากมาย แต่มีสิ่งหนึ่งที่ยังไม่สามารถจะเทียบกับคอนกรีตในยุคโรมันโบราณได้เลยก็คือความทนทาน คอนกรีตที่ท่าเทียบเรือและเขื่อนกันคลื่นยุคโรมันอายุ 2,000 ปียังอยู่ดีจนทุกวันนี้ แต่ถ้าเป็นคอนกรีตปัจจุบันเจอกับน้ำทะเลเพียงไม่กี่สิบปีก็แตกร้าวพังยับเยิน นักวิจัยจึงพยายามค้นหาสาเหตุที่ทำให้คอนกรีตยุคโรมันทนทานถึงขนาดนั้น ในที่สุดก็พบว่าเคล็ดลับสำคัญอยู่ที่ “น้ำทะเล”

คอนกรีตเป็นวัสดุสำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในงานก่อสร้าง ส่วนผสมของคอนกรีตประกอบด้วยปูนซีเมนต์ ทราย หิน และน้ำ (จืด) ปูนซีเมนต์กับน้ำผสมกันเรียกว่ามอร์ตาร์เมื่อเซ็ตตัวจะทำหน้าที่เหมือนกาวยึดทรายและหินหรือมวลรวม (Aggregate) เข้าด้วยกันกลายเป็นวัสดุที่แข็งแรง ความแข็งแรงทนทานของคอนกรีตขึ้นอยู่กับอัตราส่วนผสมของวัสดุทั้ง 4 อย่างนี้ โดยเฉพาะอัตราส่วนระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำ

ในยุคโรมันโบราณยังไม่มีปูนซีเมนต์ สูตรคอนกรีตในยุคนั้นก็หายสาบสูญไปนานแล้ว ทีมนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ที่นำโดย Marie D. Jackson ได้ค้นคว้าและพบว่าชาวโรมันทำคอนกรีตโดยใช้เถ้าภูเขาไฟผสมกับปูนขาว (ได้จากการเผาหินปูน) และน้ำทะเลทำเป็นมอร์ตาร์ แล้วนำมาผสมรวมกับหินภูเขาไฟกลายเป็นคอนกรีต

การผสมกันเถ้าภูเขาไฟ, น้ำ และปูนขาวทำให้เกิดปฏิกิริยาปอซโซลาน (Pozzolanic Reaction) ซึ่งก่อให้เกิดสารเชื่อมประสานสร้างความแข็งแรงให้กับคอนกรีต ชาวโรมันอาจจะได้รับแนวคิดในการสร้างส่วนผสมนี้จากหินเถ้าภูเขาไฟ (Tuff) ที่เกิดจากการทับถมของเถ้าภูเขาไฟซึ่งพบเห็นได้ทั่วไปในยุคนั้น

คอนกรีตของชาวโรมันถูกนำไปใช้ในงานสถาปัตยกรรมหลายแห่ง รวมทั้งวิหารแพนธีออน (Pantheon) และตลาดจักรพรรดิทราจัน (Trajan Market) ในกรุงโรม ใช้ทำโครงสร้างในทะเลขนาดใหญ่ที่ช่วยปกป้องท่าเรือจากน้ำทะเล เป็นที่สำหรับจอดเรือและคลังสินค้า

ประมาณปี 79 นักประพันธ์ชาวโรมันได้เขียนบทความในหนังสือของเขาว่าโครงสร้างคอนกรีตที่ท่าเรือเผชิญกับการจู่โจมของคลื่นน้ำทะเลจนกลายเป็นหินแกร่งที่ต้านทานคลื่นไว้ได้และแข็งแรงมากขึ้นทุกวัน ไม่น่าเชื่อว่าสิ่งที่เขาเขียนไว้มันไม่ได้เกินความจริงไปเลย จนถึงเดี๋ยวนี้ล่วงเลยมาเกือบ 2,000 ปีแล้วโครงสร้างพวกนั้นก็ยังแข็งแรงดีอยู่และดูเหมือนว่าจะแข็งแรงมากกว่าช่วงที่ทำเสร็จตอนแรกอีกด้วย

ancient-roman-concrete-2

ทีมวิจัยของ Marie Jackson ได้ศึกษาจนพบว่าน้ำทะเลที่ซึมผ่านเข้าไปในคอนกรีตทำให้เกิดปฏิกิริยาสร้างสารเชื่อมประสานระหว่างมวลรวมกับมอร์ตาร์ที่ช่วยเพิ่มแรงยึดเหนึ่ยวของคอนกรีตช่วยป้องกันการเกิดรอยร้าวจากการยืดตัวส่งผลให้มีความทนทานมากขึ้น

ส่วนคอนกรีตสมัยใหม่มวลรวมที่ส่วนใหญ่เป็นทรายกับหินปูนหรือกรวดเป็นวัสดุเฉื่อยไม่เกิดปฏิกิริยาใดๆ ดังนั้นเมื่อมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นกับมอร์ตาร์จะเกิดเป็นเจลซึ่งจะขยายตัวและทำให้คอนกรีตแตกร้าว

ในการศึกษาแท่งคอนกรีตที่เจาะมาจากคอนกรีตที่ท่าเรือยุคโรมันในโครงการ ROMACONS เมื่อปี 2002 – 2009 Jackson และทีมงานพบว่ามีสารพิเศษที่หายากมากคือ Aluminous tobermorite หรือ Al-tobermorite อยู่ในมอร์ตา ผลึกของสารนี้ก่อตัวอยู่ในอนุภาคปูนขาวผ่านทางปฏิกิริยาปอซโซลาน ซึ่งปกติสารชนิดเกิดขึ้นได้ยากมาก การสังเคราะห์สารนี้ในห้องแล็บต้องทำภายใต้อุณหภูมิสูงและจำนวนที่ได้ก็น้อยมาก

ในการวิจัยครั้งใหม่ Jackson และทีมงานกลับไปศึกษาแท่งคอนกรีตตัวอย่างจากโครงการ ROMACONS อีกครั้ง คราวนี้พวกเขาใช้เทคนิคหลายอย่างรวมทั้งเทคนิคการวิเคราะห์ด้วย Microdiffraction และ Microfluorescence พวกเขาพบว่า Al-tobermorite และสาร Phillipsite ก่อตัวในอนุภาคของหินภูเขาไฟและสารเชื่อมประสาน ซึ่งจะต้องมีบางอย่างเป็นสาเหตุทำให้สารพวกนี้เกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำหลังจากที่คอนกรีตได้แข็งตัวไปแล้ว

“ไม่มีใครสามารถสร้าง Al-tobermorite ได้ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส” Jackson กล่าว “นอกจากชาวโรมัน!”

ทีมวิจัยได้สรุปว่าเมื่อน้ำทะเลซึมผ่านเข้าไปในคอนกรีตมันจะละลายเถ้าภูเขาไฟและทำให้สารใหม่เกิดขึ้นจากของเหลวที่มีอัลคาไลน์สูง โดยเฉพาะ Al-tobermorite และ Phillipsite ซึ่ง Al-tobermorite นี้มีส่วนประกอบของซิลิก้าสูงคล้ายกับผลึกในหินภูเขาไฟ ผลึกของ Al-tobermorite มีรูปร่างแบนช่วยเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวทำให้คอนกรีตมีความทนทานต่อการแตกหักได้ดีขึ้น

ancient-roman-concrete-3

สิ่งที่เกิดขึ้นนี้สำหรับคอนกรีตสมัยใหม่มันคือกระบวนการสึกกร่อน ผลของมันคือการแตกร้าวของคอนกรีต แต่สำหรับคอนกรีตยุคโรมันกลับตรงกันข้ามมันทำให้คอนกรีตทนทานมากขึ้น

ตอนนี้ทีมนักวิจัยกำลังค้นหาสูตรคอนกรีตแบบเดียวกับยุคโรมัน โดยทำการทดลองกับน้ำทะเลและหินภูเขาไฟเพื่อพัฒนาเป็นสูตรคอนกรีตที่ใช้สำหรับโครงสร้างที่ต้องอยู่ในทะเลโดยเฉพาะ หากพวกเขาทำสำเร็จงานโครงสร้างคอนกรีตในทะเลอาจจะไม่ต้องเสริมเหล็กและมีอายุใช้งานได้หลายร้อยปี

 

ข้อมูลและภาพจาก   unews.utah.edu, newscenter.lbl.gov

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *