چرا بناهای روم باستان پس از دو هزار سال هنوز سر پا هستند؟

دو هزار سال از ساخت کولوسئوم و پانتئون می‌گذرد. چگونه این بناها هنوز با وجود زلزله، سیل و جنگ سر پا ایستاده‌اند؟

زمانی بیش از ۵۰ هزار نفر در کاسه سنگ و ساروج کولوسئوم جمع می‌شدند تا شاهد نبردهای خونین میان گلادیاتورها، برنامه‌های دسته‌جمعی و مسابقه‌های ارابه‌رانی باشند. در سال هشتاد میلادی افتتاح این بنا با ۱۰۰ روز مسابقه و خون‌ریزی همراه بود، بنایی به شکل بیضی که ۴ طبقه ارتفاع دارد و پهنترین نقطه‌اش ۱۸۸ متر است.

حدود ۴۰ سال بعد از آن که پانتئون ساخته شد گنبدی شگفت‌انگیز به قطر ۴۳ متر دارد که در مرکزش حفره‌ای برای ورود نور طبیعی تعبیه شده است. پانتئون ترکیبی از دو کلمه یونانی “همه” و “خدایان” است و کارکردی مذهبی را تداعی می‌کند، اما بعضی از مورخان اندیشه می‌کنند که این بنا بیشتر برای ادای احترام به امپراتورهای روم ساخته شده بود. گنبد این بنا هنوز هم بزرگترین گنبد بتنی غیرمسلح در دنیا محسوب میشود.

این بناها از زلزله، سیل و جنگ جان سالم به در برده‌اند و عمرشان حالا به مراتب بیشتر از حکومتی است که آن‌ها را ساخته بود. واضح است که رومی‌ها می‌دانستند چطور بناهای بزرگ بسازند.

مهندسان و دانشمندان علم مواد همچنان دارند سازه‌های رومی را بررسی می‌کنند، و می‌گویند که راز دیرپایی آن‌ها ترکیب طراحی ماهرانه و ترکیبی مبتکرانه برای ساخت بتن است.

پانتئون رم یکی از بزرگترین گنبدهای جهان را دارد

مهندس مکانیک رناتو پروکیو، در دانشگاه روچستر نیویورک، می‌گوید گردشگر معاصر هنگامی که با بناهای امپراتوری روم روبه‌رو می‌شود یاد “برخورد مهندسی” می‌افتد. “این طراحی‌ها نیز نتیجه تحلیل‌های پیچیده بودند و سپس از طریق فرایندهای ساختمانی دقیق به واقعیت تبدیل می‌شدند.”

در این بناها بتنی استفاده شده است که خاص و نتیجه بررسی‌های عمیق بود. ترکیب بتن رومی با ترکیب بتن امروزی بسیار متفاوت است، و پژوهشگران می‌گویند که این ترکیب باعث می‌شد که بتن مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر فرسایش داشته باشد.

امروزه، بتن را از ترکیب سیمان، سنگدانه‌های گوناگون و آب تهیه می‌کنند. اضافه شدن آب به سیمان باعث آغاز واکنشی شیمیایی می‌شود که عناصر این ترکیب را به یکدیگر می‌چسباند. سنگدانه‌ها را به گونه‌ای انتخاب می‌کنند که تا حد ممکن از نظر شیمیایی خنثی باشند. بعد از پایان واکنش شیمیایی اولیه، هدف این است که واکنش دیگری رخ ندهد، چرا که هر واکنشی در آینده می‌تواند باعث ترک خوردن و تضعیف بتن شود.

بتن رومی اما ترکیب ساده‌تری از آهک و سنگدانه‌های آتشفشانی گوناگون است که در نواحی اطراف شهر رم فراوان یافت می‌شد. برخلاف سنگدانه‌های امروزی، این سنگدانه‌های آتشفشانی، اصلا خنثی نیستند و همین باعث می‌شد که واکنش‌های شیمیایی در بتن تا قرن‌ها ادامه پیدا کند.

ادامه واکنش‌ها باعث می‌شود که بتن رومی به مرور زمان محکمتر شود و، برای مثال، ترک‌های ریزی را که بین سنگدانه‌ها و سیمان ایجاد می‌شود پر می‌کند. دلیل دیرپایی بتن رومی همین خاصیت نوزایی آن است.

فضای داخلی پانتئون با نور طبیعی پر می‌شود

آقای پروکیو می‌گوید “بلی، ما امروزه می‌توانیم بتنی بسازیم که مقاومت کششی بیشتری داشته باشد. اما اگر بتن مدرن نیز خوب نگهداری شود شاید ۱۰۰ سال دوام بیاورد، در حالی که بعضی از بناهای رومی بالای  ۱٫۰۰۰ سال یا حتی بیشتر، آن هم بدون نگهداری خاصی، پا بر جا مانده‌اند.”

 پژوهشگران با این که از سال‌ها پیش گمان می‌کردند که دلیل دیرپایی بتن رومی استفاده از کانی‌های آتشفشانی است، شناخت دقیق از فرایندهای شیمیایی حاضر در این بتن تنها در سال ۲۰۱۴ حاصل شد.

زمین‌شناس در دانشگاه یوتا، ماری جکسون، و همکارانش ترکیبی بتنی را آزمایش کردند که بر اساس بتنی که در بازار تراجان در شهر رم استفاده شده است تهیه شده بود. آن‌ها متوجه شدند که بین سنگدانه‌های آتشفشانی و سیمان کریستال‌های صفحه‌ای ماده‌ای رشد می‌کند که استرتلینایت نام دارد. این کریستال‌ها به گفته این پژوهشگران، باعث تقویت این نقاط تماس می‌شوند، نقاطی که در بتن‌های امروزی نقطه ضعف اصلی به شمار می‌روند.

اخیرا نتایج پژوهش دیگری توسط خانم جکسون و همکارانش منتشر شده است که نشان می‌دهد کریستال‌های استرتلینایت تنها محصول ادامه واکنش‌های شیمیایی در بتن باستانی نیست که باعث پایداری آن می‌‌شود. آن‌ها با بررسی بتن مصرفی در مقبره یکی از زنان سرشناس رومی که در سال ۳۰ پیش از میلاد ساخته شده بود متوجه شدند که سنگدانه‌های آتشفشانی موجود در آن حاوی مقدار زیادی پتاسیم است.

بازار تراجان، مجموعه‌ای تاریخی که از بتن و آجر سرخ ساخته شده، به “نخستین مرکز خرید دنیا” معروف است

در ۲۰۰۰ سالی که از ساخت این بنا می‌گذرد آب باران به داخل بتن نیز نشت کرده است و باعث پخش شدن پتاسیم در آن شده است. اگر از پتاسیم اشباع شوند بتن‌های امروزی ترک می‌خورند و فرسوده می‌شوند. اما پژوهشگران فهمیدند که مواد آتشفشانی موجود در بتن رومی نتیجه‌ای متفاوت را رقم زده‌اند. پتاسیم باعث تغییر در “چسبی” شده بود که بنمایه بتن است و باعث ادامه استحکام آن شده است، حتی با وجود این که میزان استرتلینایت موجود در این بتن به میزان قابل توجهی کمتر از بتن بازار تراجان بود.

دانشجوی دکترا در موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی)،لیندا سیمور، می‌گوید دلیل این که به نظر می‌رسد دیرپایی بتن رومی توضیح یکسانی ندارد این است که “سنگدانه‌هایی که رومی‌ها استفاده می‌کردند ترکیب شیمیایی یکسانی نداشتند، اما نقطه اشتراک ادامه واکنش‌های شیمیایی است که بدون آسیب زدن به بتن باعث تغییر آن به مرور زمان می‌شد.”

در همه موارد گوناگونی شیمیایی بتن رومی احتمالا به این معنی است که پاسخ مناسبی نمی‌گرفتند، اما کولوسئوم و پانتئون دو مثال انکارناپذیر برای موفقیت آن محسوب می‌شوند.

در کولوسئوم البته بتن لزوما ستاره مجلس نیست، اما نقشی بنیادین در دیرپایی این بنا ایفا می‌کند. مهمترین ماده‌ای که در کولوسئوم استفاده شده است سنگ رسوبی تراورتن است. نقش بتن در کولوسئوم در پشت صحنه است.

بسیاری از بناهای رومی بسیار بیشتر از حکومتی که آن‌ها را ساخت دوام آورده‌اند

خانم جکسون می‌گوید “از چشم گردشگران مخفی است اما دلیل دیرپایی کولوسئوم این است که پی بتنی بسیار محکمی دارد.” این پی بتنی که ۱۲ متر ضخامت دارد همان چیزی است که مانع از تخریب کولوسئوم توسط زلزله‌های پیاپی این منطقه شده است.

 آقای پروکیو با این حال، معتقد است که نقطه اوج سازه‌های بتنی دنیای باستان گنبد بتنی غیرمسلح پانتئون است. وی می‌گوید اگر معماری بخواهد امروز پانتئون را بسازد، برای او پروانه ساخت صادر نخواهد شد. دلیلش هم این است که چنین گنبدی، بدون استفاده از میلگرد، ناقض قوانین ساختمانی خواهد بود.

وی در ادامه نیز می‌گوید ” در این گنبد تنش کششی حاضربسیار زیاد است، با این حال ۱۹ قرن است سر پا مانده است. دو نتیجه بیشتر نمی‌شود گرفت: یا جاذبه در زمان امپراتوری روم متفاوت بود؛ یا این که دانش آن‌ها فراموش شده است.”

معماران رومی برای ساخت این گنبد از دو کلک جدید استفاده کردند تا وزن آن را تا جای ممکن کم کنند.

یکی از این کلک‌ها مربوط به سنگدانه‌هایی بود که در بتن استفاده می‌شد. سازندگان هر چه به نوک گنبد نزدیکتر می‌شدند از سنگدانه‌های سبکتری در تهیه بتن استفاده می‌کردند. در پایینترین نقطه گنبد، بتن حاوی تکه‌های بزرگ سنگ بازالت است و حدود ۶ متر ضخامت دارد. اما در نوک گنبد که ضخامتی در حدود ۲ متر دارد، از پومیس به عنوان سنگدانه استفاده شده است که به خاطر سبکی حتی روی آب هم شناور می‌ماند.

در سطح داخلی گنبد کلک دوم را می‌شود دید. سقف مقعر گنبد حاوی فرورفتگی‌های چهار‌گوشی است که به خزانه معروفند. اما این خزانه‌ها با وجود زیبایی جنبه صرفا تزئینی ندارند و با کاهش میزان بتن مصرفی در ساخت گنبد باعث کاهش وزنش می‌شوند.

همکار خانم جکسون، ادمیر مسیک، می‌گوید که در دنیای امروز بتن، با وجود همه کاربردها و حتی زیبایی‌هایش، “کمابیش مضر” تلقی می‌شود. دلیلش هم این است که تولید سیمانی که در تهیه بتن کاربرد دارد منبع حداقل ۸ درصد کل کربنی است که وارد جو می‌شود.

پی بتنی عمیق کولوسئوم از این بنا در برابر زلزله‌ها حفاظت کرده است

خانم جکسون و آقای مسیک امید دارند که مطالعه بتن رومی به تولید بتنی کم‌ضررتر منجر شود. آقای مسیک می‌گوید بزرگترین مزیت بتن رومی این است که چسب آهکی آن را باید تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داد، در حالی که سیمان امروزی را باید تا حدود ۱٫۴۵۰ درجه گرم کرد.

همین مساله می‌تواند باعث کاهش بالقوه آسیب‌های محیط‌زیستی فرایند تولید بتن شود. اما او عقیده دارد که دیرپایی بتن رومی نیز شاید نیاز به جایگزینی زیرساخت‌ها را کاهش دهد.

وی می‌گوید “تصور کنید زیرساخت‌های ما به جای ۱۰۰ سال ۵۰۰ سال دوام بیاورند. شاید بتن کمتری بفروشیم، ولی مشکل اصلی زیرساخت‌های فعلی ما دقیقا همین است. ساختن چیزهایی که دوام بیشتری دارند ساده‌ترین راه برای کاهش آسیب‌هاست.”

خانم جکسون و همکارانش دارند روی توسعه بتنی شبیه بتن رومی کار می‌کنند که هدفش کاهش ۸۵ درصدی انتشارات گازی مرتبط با روند تهیه و نصب قطعات بتنی و چهار برابر کردن عمر این قطعات است.البته استفاده از بتن رومی با موانع بزرگی روبه‌رو است، از جمله مدت زمان عمل‌آوری آن – حدود شش ماه در مقایسه با ۲۸ روز بتن‌های امروزی – و استحکام کمتر آن – آقای پروکیو می‌گوید استحکام آن ۱۰ درصد استحکام بتن‌های امروزی است.اما آقای مسیک می‌گوید “لازم نیست دقیقا همان کاری را بکنیم که رومی‌ها می‌کردند، ولی وقتی پای دیرپاتر کردن و کاهش آسیب‌های بتن در میان است، قطعا چیزهایی هست که از آن‌ها یاد بگیریم.”