Antik Romalılar, özellikle su kemerleri gibi yapılarla tanıdığımız usta inşaatçılar ve mühendislerdi. Bugün bile ayakta kalan bu olağanüstü yapıların temelinde ise eşsiz bir malzeme yatıyordu: Puzolanik beton. Roma yapılarına inanılmaz bir dayanıklılık kazandıran bu özel beton, binlerce yıl boyunca ayakta kalmayı başardı.
Öyle ki, neredeyse 2.000 yıllık geçmişine rağmen hala sağlam bir şekilde ayakta duran Roma Pantheon'u, dünyanın takviyesiz en büyük beton kubbesi rekorunu elinde tutuyor.
Bu betonun dayanıklılığı genellikle içeriğindeki malzemelere bağlanıyordu: Adını İtalya'daki Pozzuoli şehrinde bulunan büyük bir yataktan alan volkanik kül karışımı puzolana ve kireç. Bu iki malzeme suyla karıştırıldığında güçlü bir beton elde edilebileceği düşünülüyordu.
Ancak 2023 yılında yapılan bir araştırma, hikayenin tamamının bu olmadığını gösterdi. Büyük bir uluslararası araştırma ekibi, kullanılan malzemelerin sanılandan biraz farklı olduğunu ve karıştırma tekniklerinin de bilindiği gibi olmadığını ortaya çıkardı.
Araştırmacıların dikkatini çeken şey, iyi karıştırılmış gibi görünen betonun içinde bulunan küçük, beyaz kireç parçacıklarıydı. Daha önce bu parçacıkların kalitesiz karıştırma veya malzemeden kaynaklandığı düşünülüyordu, ancak bu durum, malzemeler bilimi alanından bir uzmanın dikkatini çekmişti.
Uzman, "Bu kireç kalıntılarının varlığının sadece düşük kalite kontrole bağlanması beni her zaman rahatsız etti" diyordu. "Romalılar, yüzlerce yıl boyunca optimize edilmiş tüm detaylı tarifleri takip ederek olağanüstü bir inşaat malzemesi yapmak için bu kadar çaba harcadıysa, neden iyi karıştırılmış bir nihai ürün elde etmek için bu kadar az çaba göstersinler ki? Bu hikayenin daha fazlası olmalı."
Ekip, İtalya'daki Privernum arkeolojik alanından alınan 2.000 yıllık Roma beton örneklerini dikkatle inceledi. Kireç kalıntılarını daha iyi anlamak için çeşitli gelişmiş analiz teknikleri kullanıldı.
Akla gelen sorulardan biri, kullanılan kirecin doğasıydı. Puzolanik betonun, sönmüş kireç (kalsiyum hidroksit) kullanılarak yapıldığı genel kabul görmüş bir bilgiydi. Teoride, kireçtaşı yüksek sıcaklıklarda ısıtılarak sönmemiş kireç (kalsiyum oksit) adı verilen oldukça reaktif bir toz elde edilir. Sönmemiş kirecin suyla karıştırılmasıyla ise sönmüş kireç elde edilir. Teoriye göre Romalılar puzolanayı bu sönmüş kireçle karıştırıyordu.
Ancak ekibin analizleri, örneklerdeki kireç kalıntılarının bu yöntemle tutarlı olmadığını gösterdi. Romalı betonunun, muhtemelen sönmemiş kirecin puzolana ve su ile doğrudan, son derece yüksek sıcaklıklarda karıştırılmasıyla yapıldığı anlaşıldı. Ekibin 'sıcak karıştırma' olarak adlandırdığı bu süreç, kireç kalıntılarının oluşmasına neden oluyordu.
Uzman, sıcak karıştırmanın iki faydası olduğunu belirtti: "Birincisi, genel beton yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında, sadece sönmüş kireç kullanıldığında mümkün olmayan kimyasal reaksiyonlara izin veriyor ve normalde oluşmayacak yüksek sıcaklıkla ilişkili bileşikler üretiyor. İkincisi, artan bu sıcaklık, tüm reaksiyonları hızlandırdığı için kürlenme ve sertleşme sürelerini önemli ölçüde azaltarak çok daha hızlı inşaat yapılmasına olanak tanıyor."
Ve bir faydası daha var: Kireç kalıntıları, betona dikkat çekici bir kendini onarma yeteneği kazandırıyor.
Betonda çatlaklar oluştuğunda, bu çatlaklar tercihen matristeki diğer parçacıklardan daha yüksek yüzey alanına sahip olan kireç kalıntılarına doğru ilerliyor. Çatlağa su girdiğinde, kireçle reaksiyona girerek kalsiyum açısından zengin bir çözelti oluşturuyor. Bu çözelti kuruyup sertleşerek kalsiyum karbonata dönüşüyor ve çatlağı tekrar birbirine yapıştırarak daha fazla yayılmasını engelliyor.
Bu özellik, başka bir 2.000 yıllık yapı olan Caecilia Metella Mezarı'nın betonunda da gözlemlenmişti; buradaki çatlakların kalsit ile dolduğu görülmüştü. Bu aynı zamanda, 2.000 yıl önce inşa edilmiş deniz duvarlarındaki Roma betonunun, okyanusun sürekli yıpratmasına rağmen neden binlerce yıl sağlam kaldığını da açıklayabilir.
Araştırmacılar, bulgularını test etmek için sönmemiş kireç kullanarak hem antik hem de modern tariflere göre puzolanik beton ürettiler. Ayrıca sönmemiş kireçsiz bir kontrol betonu da hazırladılar ve çatlak testleri yaptılar. Sonuçlar şaşırtıcıydı: Sönmemiş kireçli beton iki hafta içinde tamamen kendini onardı, ancak kontrol betonu çatlak kaldı.
Ekip şu anda bu betonu, mevcut betonlara kıyasla daha çevre dostu bir alternatif olarak ticarileştirmek için çalışıyor.
Uzman, "Bu daha dayanıklı beton formülasyonlarının sadece malzemelerin kullanım ömrünü nasıl uzatabileceğini değil, aynı zamanda 3D baskılı beton formülasyonlarının dayanıklılığını da nasıl iyileştirebileceğini düşünmek heyecan verici" dedi.
Bu önemli araştırma, Science Advances dergisinde yayımlandı.
