הנוסחה האבודה של הבטון הרומאי

עודכן ב: פבר 8

קרני רנטגן ממוקדות חשפו את המרכיב המולקולרי של בטון ממזח רומאי, וחשפו כיצד הוא קיבל את חוזקו ועמידותו לאורך זמן. מעבר להתקדמות אל עבר גילוי הנוסחה הרומאית האבודה, המחקר עשוי גם להשלים את אחד החוסרים הגדולים ביותר בהבנתנו כיצד לעצור את ההתחממות הגלובלית.


הנדסה מעולה תרמה להצלחה של האימפריה הרומית, אך כמובן שכבר מזמן עקפנו את הטכנולוגיה שלהם. בטון הוא יוצא מן הכלל גדול בעניין הזה. התוצר העתיק היה במובנים רבים מתקדם יותר מזה שאיתו אנו בונים כיום, כפי שהוכיחה שרידותם של כמה דרכים ומבנים בני 2000 שנה, אפילו באזורי רעידות אדמה. יתר על כן, בטון רומאי לא בישל את כדור הארץ, והיה לו חלק קטן מאד בהשפעה הסביבתית. למרבה הצער, עדיין לא הבנו כיצד הוא נוצר.

צוות גיאולוגים מאוניברסיטת יוטה גילה את הסוד שמאחורי כוח העמידה של מבנים הבנויים מצמנט רומאי. מבנים מעשה ידי אדם אלה, כמו הנמל בקיסריה, מחזיקים מעמד במקום בו מבני בטון מודרניים מתפוררים. כדי למצוא את המפתח, צוות בראשות הגיאולוגית פרופ' מארי ג'קסון (Prof. Marie Jackson) מאוניברסיטת יוטה, פנה לזקני השבט, כלומר לפליניוס הזקן. באנציקלופדיה מהמאה הראשונה לספירה "תולדות הטבע" כתב פליניוס הזקן על חומרים דמויי אבן הכוללים אפר וולקני "שברגע שהוא בא במגע עם גלי הים וטובל בהם הוא הופך למסה של אבן אחת, בלתי פגיעה לגלים וכל יום חזקה יותר", כפי שצוטט על ידי ג'קסון במחקר שפורסם ב-American Mineralogist.


הצוות של ג'קסון השתמש ב'מקור האור המתקדם' (Advanced Light Source) של 'המעבדה הלאומית לורנס ברקלי', כדי לבחון בטון שנדגם ממזח בן 2000 מאורבטלו (Orbetello), איטליה. הצוות של ג'קסון סיכם: "עמידות כימית ארוכת טווח של הבטון התבססה ככל הנראה על אינטראקצית אבן-מים, כפי שהסביר פליניוס הזקן."


ג'קסון מגלה ב-American Mineralogist שגבישים של חומר שכבתי שנקרא "טוברמוריט אלומיניום" (Tobermorite) סיפקו חוזק מבני. אותם גבישים נראים בסלעים שנוצרו כאשר התפרצויות געשיות ייצרו את האי סירטסיי ליד חופי איסלנד בשנות ה-60, אך חשבו כי הם דורשים טמפרטורות גבוהות. "איש לא ייצר טוברמוריט ב-20 מעלות צלזיוס", אמרה ג'קסון בהצהרה. "אה - חוץ מהרומאים!"

מדען אוסף דגימות בטון מהתקופה הרומית ממזח פורטוס קוסנוס באורבטלו, איטליה / Credit: JP Oleson

על פי מאמר על המחקר שפורסם ב-Phys.org, סוג זה של גבישים מינרליים "נוצרו בחלקיקי סיד באמצעות תגובה פוזולנית (Pozzolanic reaction) בטמפרטורות גבוהות". מכיוון שקשה ליצור טוברמוריט אפילו במעבדה המודרנית הטובה ביותר, נוכחותו הפתיעה את ג'קסון.


ידוע כי בטון רומאי כלל אפר וולקני, סיד ומי ים. שיכפול הנוסחה בצורה מדויקת מספיק כדי שמהנדסים ירגישו בנוח להשתמש בה למבנים שחייבים להחזיק עשרות שנים, הוכח כמאתגר. מכיוון שהכימיה שלהם הייתה בסיסית, חושבים שהרומאים מצאו את הנוסחה על ידי צפייה באפר וולקני ההופך לאבן בחשיפה למי ים. אולם באופן טרגי, הפרטים אבדו מתישהו לאחר שרומא נפלה לפולשים פחות מוכוונים טכנולוגית. עבודה כמו של ג'קסון, המנסה לזהות את המרכיבים, יכולה לעזור לנו להנדס אותם לאחור.


אולי מדהים באותה מידה לאינטואיציה של הבנאים הרומאים לתהליכים הכימיים הכרוכים ביצירת המינרל מייצב הבטון טוברמוריט, זו הסטנדרטיזציה של חומרי הבנייה שלהם לפרויקטים מרוחקים ברחבי האימפריה הרומית. הנמל של קיסריה, עיר נמל שנקראה כך לכבוד אוגוסטוס קיסר, מייסד האימפריה הרומית, הוקם על ידי הורדוס הגדול, ששלט בשנים 37–4 לפנה"ס, על פי 'האגודה הארכיאולוגית המקראית' (Biblical Archaeological Society). "אין ספק שהורדוס בנה את הנמל הגדול הזה בכדי לספק צורך מעשי, כי לא היה שום מעגן מוגן אחר לאורך הדרך מאלכסנדריה, במצרים, לנמלי סוריה ואסיה הקטנה", על פי האגודה. אחרי הורדוס, העיר הימית והנמל המסיבי שלה - הגדול ביותר בזמנו - הפכו למקום מושבו של המושל הרומאי המקומי.


בבניית שוברי הגלים של העיר היה שימוש גאוני ב"בטון הידראולי" דחוס, תערובת של טיט וחול וולקני בשם pulvis puteolanus שיובא מאיטליה (נחצב ממפרץ ליד נאפולי), פומיס וסיד. "הרומאים העבירו מאות אלפי טונות של אותו אפר וולקני סביב לים התיכון כדי לבנות נמלים, מחופי איטליה לישראל, לאלכסנדריה במצרים ולפומפייאופוליס (Pompeiopolis) שבטורקיה", אמרה ג'קסון למגזין Smithsonian.

שחזור נמל קיסריה

לדברי הארכיאולוג קנת ג. הולום (Kenneth G. Holum), "אנשיו של הורדוס בנו את שוברי הגלים על ידי הנחת סדרת גושי בטון עצומים על קרקעית הים, ויצרו שרשרת של איים מלאכותיים שאליהם הצטרפה בנייה קונבנציונאלית יותר". תערובת מי הים עם נוסחת הבטון יצרה מבנה יציב במיוחד. בעוד שמי ים פוגעים בבטון מודרני, בטון רומאי Pulvis Puteolanus "למעשה ממלא תפקיד בהפחתת ההידרדרות כאשר מים מחלחלים דרכו", אמרה ג'קסון למגזין Smithsonian Magazine.


צוותה של ג'קסון מצא כי חלחול מי הים דרך הבטון "המיס רכיבים של האפר הוולקני ואפשר למינרלים חדשים לצמוח מהנוזלים המחלחלים המאד אלקלינים, במיוחד טוברמוריט ופיליפסיט (Phillipsite)", לפי Phys.org. "אנו מסתכלים על מערכת שמנוגדת לכל מה שלא הייתם רוצים בבטון על בסיס מלט. אנו מסתכלים על מערכת שמשגשגת בחילוף כימי פתוח עם מי ים", אמרה ג'קסון.


על אף שג'קסון בילתה שנים עם טקסטים רומאיים בחיפוש אחר הנוסחה הסודית, היא "אבודה לחלוטין", אמרה. עם זאת, מכיוון שמהנדסי בניין מודרניים שוקלים פרויקטים עתידיים, אמרה ג'קסון לגרדיאן, היא מקווה שעבודתה תפתח את ראשם לתהליך פוטנציאלי אלטרנטיבי חדש. "אני חושבת ש[המחקר] מעניק נקודת מבט חדשה לחלוטין לאופן בו ניתן לייצר בטון - מה שאנו מחשיבים כתהליכי קורוזיה יכולים למעשה לייצר מלט מינרלי מועיל ביותר שיביא לעמידות ממושכת, למעשה, אולי עמידות שמתגברת לאורך זמן", אמרה ג'קסון.

תמונה מיקרוסקופית זו מציגה את החומר הגושי של סידן-אלומיניום-סיליקט-הידרט הנוצר כאשר מערבבים אפר וולקני, סיד ומי ים.

בטון מודרני, כולל את המרכיב החיוני של צמנט פורטלנד, מהווה פליטה מרכזית של גזי חממה, המהווה כ-5% מהפליטות הנגרמות על ידי האדם. גם אם זה לא נשמע הרבה, שקלו את המאמצים העצומים והמוצלחים יותר ויותר להחליף מקורות גדולים יותר בטכנולוגיות נקיות. עם זאת, עולם המתקיים על אנרגיה מתחדשת ומכוניות חשמליות עדיין יכול להכשל אם צמאוננו ההולך וגובר לבטון הפולט פחמן יאכל את תקציב הפחמן שנותר.


שליש מנזקי הבטון נגרמים מהחום הדרוש לאש הכבשן בו מיוצר המלט, ואילו מחציתם מגיעים מפחמן דו חמצני המשתחרר בעת חימום אבן גיר. התהליך הרומאי גרם לתגובה של הסיד עם הפחמן הדו חמצני במי הים, ולמעשה הפחית את ריכוזו. אם נמל קיסריה ומבני הרומאים הם אינדיקציה כלשהי, יהיה זה נבון להקשיב לזקני רומא.

מקורות:

Times of Israel

Iflscience

Phys.org