الخرسانة، تلتئم بنفسها – الخرسانة الرومانية القديمة يمكن أن تلتئم ذاتيًا بفضل “الخلط الساخن” مع الجير الحي – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

CONCRETE, HEAL THYSELF —
Ancient Roman concrete could self-heal thanks to “hot mixing” with quicklime
“Jennifer Ouellette – بقلم: جينيفر أوليت^(1)”

ملخص المقالة:

يضم معبد البانثيون في روما أكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم – وهي أعجوبة معمارية صمدت لآلاف السنين، بفضل المتانة المذهلة للخرسانة الرومانية القديمة. وعلى مدى عقود، كان العلماء يحاولون تحديد ما الذي يجعل المادة متينة للغاية. وأسفر تحليل جديد للعينات المأخوذة من الجدران الخرسانية لموقع “بريفيرنوم” الأثري بالقرب من روما عن رؤى ثاقبة لأسرار التصنيع المراوغة، حيث يبدو أن الرومان وظفوا “الخلط الساخن” مع الجير الحي، من بين استراتيجيات أخرى، التي أعطت وظيفة الإلتئام الذاتي للمادة.

 ( المقالة )

كسور الجير الغامضة، التي تم اعتبارها عيوبًا، تتحول إلى غرض مفيد.

يضم معبد البانثيون⁽²⁾ الشهير في روما أكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم – وهي أعجوبة معمارية صمدت لآلاف السنين، بفضل المتانة المذهلة للخرسانة الرومانية القديمة.

وعلى مدى عقود، كان العلماء يحاولون تحديد ما الذي يجعل المادة متينة للغاية. وأسفر تحليل جديد للعينات المأخوذة من الجدران الخرسانية لموقع “بريفيرنوم”⁽³⁾ الأثري بالقرب من روما عن رؤى ثاقبة لأسرار التصنيع المراوغة. ويبدو أن الرومان وظفوا “الخلط الساخن” مع الجير الحي⁽⁴⁾، من بين استراتيجيات أخرى، التي أعطت وظيفة الإلتئام الذاتي للمادة، وفقًا لورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة “تطورات العلوم” (Science Advances).

وكما أبلغنا سابقًا، مثل الأسمنت البورتلاندي المستخدم هذه الأيام (مكون أساسي للخرسانة الحديثة)، كانت الخرسانة الرومانية القديمة في الأساس مزيجًا من الملاط شبه السائل والبحص. ويصنع الأسمنت البورتلاندي عادة عن طريق تسخين الحجر الجيري والطين (وكذلك الحجر الرملي والرماد والطباشير والحديد) في الفرن. ويتم بعد ذلك طحن الكلنكر⁽⁵⁾ الناتج إلى مسحوق ناعم، مع إضافة لمسة من الجبس المضاف فقط – الأفضل للحصول على سطح ناعم ومسطح. ولكن البحص المستخدم في صناعة الخرسانة الرومانية كان مكونًا من قطع بحجم قبضة اليد من الحجر (الحصى) أو الطوب.

في أطروحته “في العمارة”⁽⁶⁾ (De architecture)، كتب المهندس المعماري والمهندس الروماني “فيتروفيوس” عن كيفية بناء جدران خرسانية للهياكل الجنائزية التي يمكن أن تدوم لفترة طويلة دون أن تتحول الى أطلال. وأوصى بأن تكون الجدران بسمك لا يقل عن قدمين، مصنوعة إما من “الحجر الأحمر المربّع أو الطوب أو الحمم البركانية الموضوعة في مسارات”. ويجب أن تكون كتلة الطوب أو الصخور البركانية مرتبطة بملاط مكون من الجير المطفأ وشظايا مسامية من الزجاج وبلورات من الانفجارات البركانية (المعروفة باسم التيفرا البركانية⁽⁷⁾).

وقد درس الروفيسور أدمير ماسيك، المهندس البيئي (استاذ الهندسة المدنية المشارك) في معهد ماساتشوستس للتقنية، الخرسانة الرومانية القديمة لعدة سنوات. فعلى سبيل المثال، في عام 2019، ابتكر البرفيسور ماسك واثنان من زملائه (الدكتور جانيل مارا من معهد ماساتشوستس للتقنية والدكتور جيمس ويفر من جامعة هارفارد) مجموعة جديدة من الأدوات لتحليل عينات الخرسانة الرومانية من “بريفيرنوم” بمقاييس أطوال متعددة – ولا سيما مطياف رامان⁽⁸⁾ (Raman spectroscopy) للتنميط الكيميائي ومطيافية تشتت الطاقة متعدد الكواشف⁽⁹⁾ (multi-detector energy dispersive spectroscopy – EDS) لرسم خرائط الطور للمادة.

وكان البروفيسور ماسك أيضًا مؤلفًا مشاركًا لدراسة عام 2021 لتحليل عينات من الخرسانة القديمة المستخدمة في بناء ضريح عمره 2000 عام على طول طريق أبيان⁽¹⁰⁾ (Appian) في روما المعروف باسم قبر كايسيليا ميتيلا، وهي امرأة نبيلة عاشت في القرن الأول الميلادي. وتعتبر على نطاق واسع واحدةً من أفضل المعالم الأثرية المحفوظة على طريق أبيان. واستخدموا (الفريق العلمي المشارك للبروفيسور ماسك) مصدر الضوء المتقدم للتعرف على العديد من المعادن المختلفة الموجودة في العينات واتجاهها، بالإضافة إلى المسح المجهري الإلكتروني.

وقد اكتشفوا أن ملاط القبر كان مشابهًا لجدران أسواق تراجان⁽¹¹⁾: تيفرا بركانية من تدفق الحمم البركانية في بوزولاين روس⁽¹²⁾، حيث ربطت معًا قطعًا كبيرة من الطوب وبحص الحمم البركانية. ومع ذلك، فإن مادة التيفرا المستخدمة في ملاط القبر تحتوي على الكثير من الليوسيت⁽¹³⁾ (Leucite) الغني بالبوتاسيوم. ويذوب البوتاسيوم في الملاط بدوره ويعيد تشكيل مرحلة الربط (التماسك) بشكل فعال. وقد ظلت بعض الأجزاء سليمة بعد أكثر من 2000 عام، بينما بدت مناطق أخرى أكثر نعومة وأظهرت بعض علامات الانقسام (الانفصال). وفي الواقع، يشبه الهيكل إلى حد ما البلورات النانوية. ولذا فإن المناطق البينية تتطور باستمرار من خلال إعادة التشكيل على المدى الطويل، مما يعزز تلك المناطق البينية.

وفي هذه الدراسة الأخيرة، أراد البروفيسور ماسك إلقاء نظرة فاحصة على القطع المعدنية البيضاء الغريبة المعروفة باسم “كسور الجير”، والتي تجاهلها آخرون إلى حد كبير على أنها ناتجة عن مواد خام رديئة أو اختلاط سيئ. وقال البروفيسور ماسك: “فكرة أن وجود هذه الكسور الجيرية كان يُعزى ببساطة إلى تدني مراقبة الجودة كانت تزعجني دائمًا”. وتابع: “إذا بذل الرومان الكثير من الجهد في صنع مادة بناء متميزة، باتباع جميع الوصفات التفصيلية التي تم تحسينها على مدار عدة قرون، فلماذا يبذلون القليل من الجهد لضمان إنتاج منتج نهائي جيد الخلط ؟ يجب أن يكون هناك المزيد لهذه القصة”.

وكان يعتقد أن الرومان قاموا بدمج الماء مع الجير لصنع معجون شديد التفاعل كيميائيًا (رخو)، لكن هذا لا يفسر كسور الجير. وقد اعتقد البروفيسور ماسك أنهم ربما استخدموا الجير الحي الأكثر تفاعلًا (ربما بالاشتراك مع الجير الرخو المطفأ)، وقد تأكدت شكوكه بواسطة تحليل المختبر مع الخرائط الكيميائية وأدوات التصوير متعددة المقاييس. وكانت الكسور عبارة عن أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم، وأظهر التحليل الطيفي أن تلك الكسور تكونت في درجات حرارة عالية للغاية، ويعرف أيضًا باسم الخلط الساخن.

وقال البروفيسور ماسك: “إن فوائد الخلط الساخن ذات شقين. أولاً، عندما يتم تسخين الخرسانة الكلية إلى درجات حرارة عالية، فإنها تسمح للكيمياء غير الممكنة إذا استخدمت الجير المطفأ فقط، منتجة مركبات مرتبطة بدرجة حرارة عالية والتي لن تتشكل بطريقة أخرى. وثانيًا، تقلل درجة الحرارة المرتفعة هذه بشكل كبير من أوقات المعالجة والإنضباط نظرًا لتسريع جميع التفاعلات، مما يسمح ببناء أسرع بكثير”.

ويبدو أيضًا أنه ينقل قدرات الإلتئام الذاتي. ووفقا للبروفيسور ماسك، عندما تبدأ التصدعات في التكون في الخرسانة، فمن المرجح أن تتحرك عبر الكسور الجيرية. ويمكن أن تتفاعل الكسور بعد ذلك مع الماء، مما ينتج عنه محلول مشبع بالكالسيوم. ويمكن إعادة بلورة هذا المحلول إما كربونات الكالسيوم لملء التصدعات أو التفاعل مع المكونات البوزولانية لتقوية المادة المركبة.

وقد وجد الروفيسور ماسيك وآخرون أدلة على وجود تصدعات مليئة بالكالسيت في عينات أخرى من الخرسانة الرومانية، مما يدعم فرضيتهم. كما قاموا بإنشاء عينات خرسانية في المختبر بعملية خلط ساخن، باستخدام وصفات قديمة وحديثة، ثم تعمدوا تكسير العينات وتمرير الماء خلالها. وقد وجدوا أن التصدعات في العينات المصنوعة من الجير الحي المخلوط على الساخن تلتئم تمامًا في غضون أسبوعين، في حين أن التصدعات لم تلتئم أبدًا في العينات بدون الجير الحي.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:
Ancient Roman concrete could self-heal thanks to “hot mixing” with quicklime | Ars Technica
لمراجعة الورقة البحثية كاملة: Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.add1602
الهوامش:

1. جينيفر أوليت هي كاتبة كبيرة في مجلة “آرس تيكنيكا” (Ars Technica) بتركيز خاص على مكان التقاء العلم بالثقافة، وتغطي كل شيء من الفيزياء والموضوعات متعددة التخصصات ذات الصلة إلى أفلامها ومسلسلاتها التلفزيونية المفضلة. تعيش جينيفر في لوس أنجلوس.

2. البانثيون (باللاتينية: البانثيون، أخذت من البانثيون اليوناني، وتعني “معبد جميع الآلهة”) هو معبد روماني سابق، ومنذ 609 م، كنيسة كاثوليكية (اسمها بازيليك سانتا ماريا أد مارتيرز أو بازيليك القديسة ماري و شهداء) في روما، إيطاليا، في موقع معبد سابق بتكليف من ماركوس أغريبا في عهد أغسطس (27 قبل الميلاد – 14 بعد الميلاد). أعيد بناؤها من قبل الإمبراطور هادريان ولكن تاريخ اعادة البناء غير مؤكد، لأن هادريان اختار عدم تسجيل المعبد الجديد بل الاحتفاظ بنقش معبد أغريبا الأقدم، الذي احترق. ويكيبيديا.

3. بريفيرنو (Priverno) هي بلدة تقع في مقاطعة لاتينا، لاتسيو، وسط إيطاليا

4. الجير الحي: مادة قلوية كاوية بيضاء تتكون من أكسيد الكالسيوم، الذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين الحجر الجيري والذي يتحد مع الماء مع إنتاج الكثير من الحرارة.

5. الكلنكر هو الرماد والمخلفات المنصهرة جزئيًا من فرن يعمل بحرق الفحم أو النار.

6. الأطروحة المعمارية الوحيدة التي بقيت على قيد الحياة من العصور الكلاسيكية القديمة، (De Architectura) (في العمارة)، كتبها حوالي 25 قبل الميلاد من قبل المهندس المعماري الروماني والمهندس العسكري ماركوس فيتروفيوس بوليو (90-ج .20 قبل الميلاد). استعار فيتروفيوس المصطلحات والمفاهيم من الأطروحات المعمارية اليونانية والهيلينستية السابقة، مثل كتابات هيرموجينيس من برييني حول مبادئ التناظر المعماري، لكن جميع المصادر التي استشهد بها فقدت. المصدر: Vitruvius, De Architectura (25 BCE) – Architectural Studies (carleton.edu)

7. شظايا صخرية وجسيمات ناتجة عن انفجار بركاني.

8. مطيافية رامان (سميت على اسم الفيزيائي الهندي سي في رامان) هي تقنية طيفية تُستخدم عادةً لتحديد الأنماط الاهتزازية للجزيئات، على الرغم من إمكانية ملاحظة الأنماط الدورانية والأنماط الأخرى ذات التردد المنخفض للأنظمة. يشيع استخدام مطياف رامان في الكيمياء لتوفير بصمة هيكلية يمكن من خلالها تحديد الجزيئات. وتعتمد مطيافية رامان على التشتت غير المرن للفوتونات، والمعروف باسم تشتت رامان. يتم استخدام مصدر للضوء أحادي اللون، عادةً من الليزر في النطاق المرئي أو القريب من الأشعة تحت الحمراء أو بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية، على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام الأشعة السينية. يتفاعل ضوء الليزر مع الاهتزازات الجزيئية أو الفونونات أو غيرها من الإثارة في النظام، مما يؤدي إلى إزاحة طاقة فوتونات الليزر لأعلى أو لأسفل. يعطي التحول في الطاقة معلومات حول أوضاع الاهتزازات في النظام. ينتج عن التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء عادةً معلومات مماثلة ولكنها تكميلية. ويكيبيديا.

9. التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS أو EDX أو EDXS أو XEDS)، والتي تسمى أحيانًا تحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDXA أو EDAX) أو التحليل الدقيق للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDXMA)، هي تقنية تحليلية مستخدمة لتحليل العناصر أو التوصيف الكيميائي للعينة. يعتمد على تفاعل بعض مصادر الإثارة بالأشعة السينية وعينة. ترجع قدرات التوصيف الخاصة به في جزء كبير منه إلى المبدأ الأساسي القائل بأن كل عنصر له بنية ذرية فريدة تسمح بمجموعة فريدة من القمم على طيف الانبعاث الكهرومغناطيسي الخاص به (وهو المبدأ الرئيسي للتحليل الطيفي). يتنبأ قانون (Moseley) بمواضع الذروة بدقة أفضل بكثير من الدقة التجريبية لأداة (EDX) النموذجية. لتحفيز انبعاث الأشعة السينية المميزة من عينة، يتم تركيز حزمة من الإلكترونات في العينة قيد الدراسة. في حالة الراحة، تحتوي الذرة داخل العينة على إلكترونات حالة أرضية (أو غير مستثارة) في مستويات طاقة منفصلة أو قذائف إلكترونية مرتبطة بالنواة. قد يثير الشعاع الساقط إلكترونًا في غلاف داخلي، ويخرجه من الغلاف بينما يخلق ثقبًا إلكترونيًا حيث كان الإلكترون. ثم يملأ إلكترون من غلاف خارجي عالي الطاقة الثقب، ويمكن إطلاق الفرق في الطاقة بين الغلاف عالي الطاقة وقذيفة الطاقة المنخفضة في شكل أشعة سينية. يمكن قياس عدد وطاقة الأشعة السينية المنبعثة من عينة بواسطة مطياف مشتت للطاقة. نظرًا لأن طاقات الأشعة السينية مميزة للاختلاف في الطاقة بين الغلافين والتركيب الذري للعنصر المنبعث، فإن التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة يسمح بقياس التركيب الأولي للعينة. ويكيبيديا.

10. طريق أبيان (Appian Way) أو (Via Appia Antica) في روما هو طريق قديم تم بناؤه عام 312 قبل الميلاد بواسطة أبيوس كلاوديوس كايكوس (Appius Claudius Caecus). ربطت بوابة المدينة إلى الشرق روما بمدينة كابوا (في غرب وسط ايطاليا). امتدت من المنتدى الروماني مسافة 400 ميل إلى برينديزي (في جنوب شرق ايطاليا)، حيث أبحرت السفن إلى مصر واليونان، وكانت بمثابة شريان عسكري واقتصادي.

11. سوق تراجان عبارة عن مجمع كبير من الأطلال في مدينة روما بإيطاليا، ويقع في شارع فيا ديي فوري امبيريالي (Via dei Fori Imperiali)، في الطرف المقابل من الكولوسيوم. تقدم المباني والهياكل الباقية، والتي تم بناؤها كجزء لا يتجزأ من منتدى تراجان وتقع مقابل الجانب المحفور من تل كويرينال، نموذجًا حيًا للحياة في العاصمة الرومانية ولمحة عن الترميم في المدينة، والتي تكشف عن كنوز جديدة و رؤى حول العمارة الرومانية القديمة. يُعتقد أن الأروقة الموجودة في سوق تراجان، التي يُعتقد أنها أقدم مركز تسوق في العالم، هي مكاتب إدارية للإمبراطور تراجان. تم بناء المحلات التجارية والشقق في هيكل متعدد المستويات ولا يزال من الممكن زيارة العديد من الطوابق. تشمل المعالم البارزة أرضيات رخامية دقيقة وبقايا مكتبة. ويكيبيديا.

12. بوزولين روس (Pozzolane Rosse) عبارة عن رواسب تدفق حممي عالية البوتاسيوم نفثت منذ حوالي 456000 عام من منطقة هضاب ألبان (Alban Hills) البركانية، وتشير الدراسات البتروغرافية للملاط إلى أن بعض البوزولان روز سكوريا (scoriae) [حمم بازلتية حويصلية، وعادة ما يكون لها نسيج رغوي] المعدلة تحتفظ بآثار من العقيق [العقيق: حجر كريم يتكون من شكل من أشكال السيليكا المائية، وعادة ما يكون شبه شفاف ويظهر العديد من النقاط الصغيرة من اللون المتغير على أرضية شاحبة أو داكنة] والطين البلوري السيئ، بينما يحتفظ البعض الآخر بآثار الزيوليت، سواء فيليبيسايت أو تشابازيت. هذه الطلاءات السطحية هي مكونات ثانوية، أو ذاتية، من التجوية الكيميائية التي تنتجها تربة منتصف العصر الجليدي التي تشكلت على سطح الرواسب. يولد الرماد المتغير تفاعلًا بوزولانيًا جيدًا مع الجير المطفأ الروماني، والذي يحتوي على تركيبات نقية جدًا مع حوالي 95 بالمائة بالوزن من اكسيد الكالسيوم (CaO) وأقل من 0.3 بالمائة بالوزن اوكسيد الالمنيوم (Al2O3). البوزولان عبارة عن مواد غير عضوية تحتوي على مكونات تفاعلية، بشكل عام ألومينات وسيليكات، والتي تتحد مع الجير في وجود الرطوبة لتكوين هيدرات ملزمة ثابتة. هذه هي “القدرة التفاعلية”، أو بوتيستاس (potestas)، التي يصفها فيتروفيوس بحفريات هاريناي المثالية (harenae fossiciae) في اطروحة الهندسة المعمارية. المصدر: (PDF) Assessment of material characteristics of ancient concretes, Grande Aula, Markets of Trajan, Rome (researchgate.net)

13. معدن مكون للصخور من مجموعة فيلدسباثويد (feldspathoid)، والسيليكا غير المشبعة ويتكون من البوتاسيوم وتيكتوسيليكيت الألومنيوم KAlSi₂O_6.