أظهرت البنية التحتية لروما القديمة قدرة مذهلة على تجاوز الزمن. في حين أن المباني الخرسانية الحديثة غالبًا ما تدوم حوالي مائة عام فقط، إلا أن المباني الخرسانية والطرق وقنوات المياه التي تعود إلى العصر الروماني والتي يمكن رؤيتها في كل مكان في إيطاليا لا تزال قائمة بعد حوالي ألفي عام. لقد عمل العلماء منذ فترة طويلة على حل لغز المتانة هذا.
اعتقدت الدوائر الأكاديمية سابقًا بشكل عام أن الأداء الممتاز للخرسانة الرومانية يرجع بشكل أساسي إلى "التفاعل البوزولاني"، أي التفاعل الكيميائي للرماد البركاني مع الجير الحي والماء. ومع ذلك، تظهر الأبحاث الجديدة أن هذه العملية ليست القصة بأكملها. تشير دراسة نشرت مؤخرا في مجلة Science Advances إلى أن عملية كيميائية أخرى تسمى "الكربنة" لعبت أيضا دورا رئيسيا في طول عمر الخرسانة الرومانية.
وللتعمق أكثر، أجرى الباحثون عملاً ميدانيًا في فيلا هادريان، التي تقع على بعد حوالي 17 ميلاً شرق روما، إيطاليا. إن موقع التراث العالمي التابع لليونسكو، والذي تم بناؤه قبل عام 1900، ليس مجرد أعجوبة معمارية، ولكن المراحيض العامة الموجودة بداخله توفر عينات قيمة للباحثين. ولأن هذه المراحيض لم يتم ترميمها بالوسائل الحديثة، فقد تم الحفاظ على الخرسانة الرومانية القديمة في حالتها الأصلية لمدة تسعة عشر قرنا، مما يوفر بيئة تجريبية طبيعية للبحث العلمي.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة بول جي إم مونتيرو، وهو مهندس مدني في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، إن المواد ظلت دون إزعاج لمدة تسعة عشر قرنا، مما أدى عن غير قصد إلى إكمال تجربة طويلة الأمد لم يكن من الممكن أن يبدأها أحد. استخرج فريق مونتيرو عينات خرسانية من تحت مقاعد المراحيض وقام بدراسة العينات بعناية في المختبر من خلال الفحص المجهري عالي الدقة والمسح بالأشعة السينية وتحليل التركيب الكيميائي.
وأظهر التحليل أنه على الرغم من وجود دليل بالفعل على وجود مزيج من الرماد البركاني والجير والماء في العينات، فقد كشف الفحص الإضافي لمسام الخرسانة وشقوقها أن الكالسيت، وهو معدن يتكون من الكالسيوم والكربون والأكسجين، كان المادة الرابطة الأساسية. عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء مع مركبات الكالسيوم في الخرسانة، يتكون معدن الكالسيت الصلب. وبمرور الوقت، يملأ هذا المعدن الشقوق والمسام الصغيرة في الخرسانة، مما يسمح للهياكل القديمة ليس فقط بالحفاظ على قوتها ولكن أيضًا بإصلاح نفسها.
تؤكد هذه الدراسة أيضًا أن الكربنة تعزز متانة الخرسانة في البيئات طويلة المدى وتساعدها على سد الشقوق أثناء الشيخوخة. تكمل نتائج البحث اكتشاف عام 2023 بأن الخرسانة الرومانية تحتوي على الجير الحي ويمكن إعادة بلورتها تحت تأثير الرطوبة مثل المطر، وبالتالي ملء الفجوات وتحقيق "الشفاء الذاتي". وعلق أدمير ماسيك، عالم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن هذا البحث الجديد يسلط الضوء على الدور الديناميكي للكربونات في هذه الأنظمة. إن وضعهم ليس هامشيًا بل حرجًا.
ويأمل الباحثون أنه من خلال كشف أسرار متانة الخرسانة الرومانية، يمكن لخبراء البناء الحديث تطوير مواد بناء أكثر استدامة ومرونة. تعتبر الخرسانة حالياً من أكثر المواد استهلاكاً في العالم، وتمثل الكمية الكبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة أثناء إنتاجها حوالي 8% من إجمالي الانبعاثات في العالم. وتتوقع الأمم المتحدة أنه بحلول عام 2050، لن يكون حوالي نصف المباني في العالم قد بدأ بناؤها بعد، مما يجعل من الملح بشكل خاص تطوير مواد البناء ذات البصمة الكربونية المنخفضة. وأشار مونتيرو إلى أن استكشاف تقنيات الهندسة القديمة يمكن أن يجلب اكتشافات مهمة، ومن خلال كشف أسرار متانة الخرسانة الرومانية، يمكن للبشرية أن تأمل في تحقيق تنمية أكثر استدامة للبنية التحتية الحديثة في المستقبل.