Kalıntıları iki bin yıl boyunca ayakta kalan büyük yol ağları, su kemerleri, limanlar ve devasa binalar inşa eden Antik Romalılar, mühendislik ustalarıydı. Bu yapıların çoğu ise betonla yapılmıştı: Dünyanın en büyük donatısız beton kubbesine sahip olan ve M.S. 128 yılında hizmete giren meşhur Pantheon kilisesi hâlâ varlığını sürdürüyor. Antik Roma’nın bazı su kemerleri ise bugün halen Roma’ya su taşıyor. Fakat modern beton yapıların birçoğu, aradan onlarca yıl geçtikten sonra un ufak oluyor.
Araştırmacılar onlarca yıldır bu ultra dayanıklı antik inşaat malzemesinin sırrını çözmeye çalışıyor; özellikle de limanlar, kanalizasyonlar ve dalgakıranlar ya da deprem yönünden faal bölgelerde inşa edilen yapılarda kullanılan malzemelerin…
Şimdiyse Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), Harvard Üniversitesi ve İtalya ile İsviçre’deki laboratuvarlarda çalışan araştırmacılar, alanda bir miktar ilerleme kaydederek malzemenin kendi kendini onarmasını sağlayan bazı antik beton üretim stratejilerini keşfetmişler. MIT’de çevre ve inşaat mühendisliği profesörü olarak görev yapan Admir Masic, eski doktora öğrencisi Linda Seymour ve dört diğer araştırmacının imzasını taşıyan yeni makale, Science Advances bülteninde yayımlandı.
Araştırmacılar pek çok yıldır bu antik betonun dayanıklılığında bir bileşenin; Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinde bulunan volkanik küller gibi puzolanik malzemelerin anahtar önem taşıdığını düşünmüş. Hatta zamanın mimar ve tarihçilerinin beton yapımında önemli bir bileşen olarak tarif ettiği bu özel kül türü, inşaatta kullanılmak üzere Roma İmparatorluğu’nun her yerine gönderilmiş.
Bu antik örnekler, yakından bakıldığında ufak, özgün, milimetre ölçeğinde beyaz ve parlak mineral özellikler bile sergiliyor. Roma betonlarında bu özelliklerin sıkça görüldüğü uzun bir süredir biliniyor. “Kireç kırıntıları” şeklinde de adlandırılan bu beyaz parçalar, antik beton karışımının bir diğer önemli bileşeni olan kireçten geliyor. “Söz konusu özellikler Antik Roma betonu üzerinde çalışmaya başladığımdan beri beni hep büyülemiştir” diyor Masic. “Modern beton formüllerinde bulunmuyorlar. O halde neden bu antik malzemelerde varlar?”
Daha önce sadece dikkatsiz yapılan karıştırma uygulamalarının kanıtı veya düşük kaliteli hammaddeler olduğu düşünülen bu küçük kireç kırıntılarının, yeni çalışmada daha önce bilinmeyen bir onarım işlevi sergilediği öne sürülüyor. “Bu kireç kırıntılarının kalite kontrolün yetersiz olmasına bağlanması benim hep canımı sıkmıştı” diyor Masic. “Romalılar seçkin bir inşaat malzemesi oluşturmaya bu kadar çaba harcıyor ve pek çok yüzyıl boyunca en uygun duruma getirilmiş detaylı tariflerin hepsine uyuyorlarsa, iyi karışımlı bir son ürün meydana getirirken neden bu kadar az gayret göstersinler? Bence burada daha başka olması gerekiyor.”
Masic’in araştırma laboratuvarının öncüsü olduğu yüksek çözünürlüklü çok ölçekli görüntüleme ve kimyasal haritalandırma yöntemleriyle kireç kırıntılarını daha yakından analiz eden araştırmacılar, kireç kırıntılarının potansiyel işlevine dönük yeni fikirler edinmişler.
Eskiden beri Roma betonuna kireç katıldığında, kirecin suyla birleşip kireç söndürme şeklinde bilinen bir işlem yoluyla macun benzeri, çok tepkisel bir malzeme oluşturduğu düşünülüyormuş. Fakat bu işlem, kireç kırıntılarının varlığını tek başına açıklayamıyor. Masic de “Romalılar aslında kireci sönmemiş kireç şeklinde bilinen daha tepkisel haliyle kullanıyor olabilir miydi?” diye merak etmiş.
Bu antik betonun örneklerini inceleyen Masic ve araştırma takımı, çeşitli kalsiyum karbonat formları oluşturmuşlar. Tayfölçüm yöntemiyle yaptıkları inceleme sonucunda, karışımda sönmüş kireç yerine veya ona ilaveten sönmemiş kirecin kullanılmasıyla oluşan egzotermik tepkimeden bekleneceği üzere; bu maddelerin son derece yüksek sıcaklıklarda oluştuğuna dönük ipuçları elde etmişler. Araştırma takımı, malzemenin bu süper dayanıklı niteliğinde sıcak karıştırmanın kilit önem taşıdığına karar vermiş.
“Sıcak karıştırmanın iki yönlü faydası var” diyor Masic. “İlk olarak genel beton ısıtılıp yüksek sıcaklıklara çıkartıldığında, sadece sönmüş kireç kullanmanız halinde mümkün olmayan kimyasal işlemlere olanak sağlıyor ve yüksek sıcaklıkla ilişkili, başka türlü oluşmayacak bileşenler meydana getiriyor. İkincisi ise artan bu sıcaklık, kür ve priz sürelerini önemli oranda azaltıyor çünkü bütün tepkimeler hızlanıyor ve çok daha hızlı inşaata olanak sağlıyor.”
Bu sıcak karıştırma işleminde kireç kırıntıları, kendilerine özgü nanoparçacıklı kırılgan bir yapıya bürünüyor ve araştırmacılara göre kendini onarmasını sağlayan, kolayca parçalanan ve tepkisel bir kalsiyum kaynağı meydana getiriyor. Betonun içerisinde ufak çatlaklar oluşmaya başlar başlamaz ise tercihen bu yüksek yüzey alanlı kireç kırıntıları boyunca yolculuk edebiliyorlar. Bu malzeme daha sonra suyla tepkimeye girerek, kalsiyum karbonat şeklinde yeniden kristalleşebilen veya puzolanik malzemelerle tepkimeye girerek kompozit malzemeyi daha da güçlendiren kalsiyuma doymuş bir çözelti meydana getiriyor. Bu tepkimeler kendiliğinden gerçekleştiği için de çatlakları yayılmadan önce otomatik olarak onarabiliyorlar. Daha önce Roma dönemine ait kalsitle dolu başka beton örnekleri incelendiği zaman, bu hipotezi destekler nitelikte bulgulara ulaşılmış.
Araştırma takımı Roma betonunun sağlamlığından gerçekten de bu mekanizmanın sorumlu olduğunu kanıtlamak için, hem antik hem de modern formüllerin bir araya getirildiği sıcak karışımlı beton örnekleri oluşturup bunları kasıtlı şekilde çatlatarak aralarından su geçirmiş. Beklendiği gibi; iki hafta içinde çatlaklar tamamen kapanmış ve suyun geçeceği yer kalmamış. Sönmemiş kireç olmadan yapılan aynı beton parçası ise hiç onarılmamış ve su, numune boyunca akmaya devam etmiş. Araştırma takımı, bu başarılı testlerin sonucunda modifiye beton malzemesini ticari hale getirmek için çalışmalar yürütüyor.
Yazar: David Chandler/Massachusetts Teknoloji Enstitüsü. Çeviren: Ozan Zaloğlu.