beton-catlaklari
Okuma Süresi 5 dakika
Paylaş:

Beton Çatlakları: Kendi Kendini İyileştiren Antik Roma Betonu

Modern muadillerinin aksine, antik Roma harçları ve betonları, çeşitli iklimlerde, deprem bölgelerinde ve hatta deniz suyuyla doğrudan temas halinde bile dayanıklı kalmıştır. Binlerce yıllık kanıtlanmış uzun ömürlü, bu eski inşaat malzemeleri, modern mühendislik uygulamalarına sürdürülebilir, dayanıklı çimentolu kompozitlerin tasarımı için model olmuştur.

Bu yazımızda, sıcak karıştırma yönetimi ile hazırlanan ve genişliği 0,5 mm’ye kadar olan beton çatlaklarını etkili bir şekilde kendi kendini iyileştirdiği gözlemlenen, Roma esintili çimentolu karışımı inceleyeceğiz.

Kendi kendini iyileştirilen beton neden önemlidir?

Çimentonun karbon ayak izini azaltmanın bir yöntemi de, kendi kendini iyileştiren beton tasarımı ile yapı ömrünün uzatılmasıdır. Onarım ihtiyacındaki azalmayla, ortaya çıkan uzun kullanım ömrü, çevresel etkiyi azaltabilir ve modern çimentolu yapıların ekonomik yaşam döngüsünü iyileştirebilir.

Antik Roma betonları binlerce yıl hayatta kaldı.

Antik Romalılar, kalıntıları iki bin yıldır ayakta kalan yolları, su kemerlerini, limanları ve devasa binaları inşa eden mühendislik ustalarıydı. Bu yapıların birçoğu betonla inşa edildi. Dünyanın en büyük donatısız beton kubbesine sahip MS 128’de inşa edilen Roma’nın ünlü Pantheon’u (Resim.1) hala sağlam. Bazı antik Roma su kemerleri bugün hala Roma’ya su taşıyor. 

antik-roma-betonlari

Resim 1. Roma Pantheon Tapınağı

Tüm antik Roma İmparatorluğu boyunca, duvarlar ve temeller gibi mimari unsurlar ve su kemerleri, yollar ve köprüler gibi altyapı sistemleri donatısız betondan yapılmıştır. Bu beton, tipik olarak kireç ve volkanik kül gibi puzolanik malzemelere dayalı bir harçla bağlanıyordu. Volkanik tüf ve diğer kaba agregalardan oluşuyordu.

Araştırmacılar, özellikle rıhtımlar, kanalizasyonlar ve deniz duvarları gibi özellikle zorlu koşullara dayanan yapılarda veya sismik olarak aktif deprem bölgelerine inşa edilen yapılarda, bu ultra dayanıklı eski yapı malzemesinin sırrını çözmek için onlarca yıl harcadılar.

Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, antik betonun dayanıklılığının anahtarının tek bir bileşene dayandığını varsaydılar: Napoli Körfezi’ndeki Pozzuoli bölgesinden gelen puzolanik bir malzeme olan volkanik kül. Bu özel kül türü, inşaatta kullanılmak üzere geniş Roma imparatorluğunun her yerine sevk edildi ve o dönemde mimarlar ve tarihçiler tarafından yapılan hesaplarda beton için önemli bir bileşen olarak tanımlandı.

Ancak, önemli olarak, kireç kırıntıları, Roma betonlarının her yerde bulunan ve göze çarpan bir özelliğiydi. 

Eski bir üretim stratejisi, binlerce yıl sürecek beton tasarımının anahtarını elinde tutabilir.

Şimdi, MIT (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü), Harvard Üniversitesi, İtalya ve İsviçre’deki laboratuvarlardan bir araştırmacı ekip, kendi kendini iyileştiren beton özelliğini içeren eski beton üretim stratejisini keşfetti. Bulgular, Science Advances dergisinde, MIT inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Admir Masic, Linda Seymour vd. 4 kişinin birlikte hazırladığı makalede yayınlandı.

Yeni çalışma, daha önce düşük kaliteli hammadde olarak göz ardı edilen bu küçük kireç kırıntılarının daha önce fark edilmeyen bir kendi kendini iyileştiren beton özelliğini kazandırdığını öne sürüyor. Prof. Admir Masic, “Romalılar, yüzyıllar boyunca optimize edilmiş tüm ayrıntılı tarifleri takip ederek olağanüstü bir yapı malzemesi yapmak için bu kadar çok çaba harcadıysa, bu hikayede daha fazlası olmalı.” diyor.

Çalışma, henüz çözülmemiş bu soruları ele almak için, İtalya’nın Privernum arkeolojik alanından (Resim.2) alınan 2000 yıllık Roma beton örneklerinde bulunan kalıntı kireç kırıntılarının kimyasal karakterizasyonunu rapor etti. İncelenen örnekler, Roma İmparatorluğu boyunca karşılaşılan diğer mimari harçlarla bileşimsel olarak uyumludur. Açık hava yapısı olan şehir duvarının yığma harcından alınmıştır. 

Araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü çok ölçekli görüntüleme ve kimyasal haritalama teknikleri kullanılarak bu kireç kırıntılarının potansiyel işlevselliği hakkında yeni görüşler elde ettiler.

Bu spektroskopik incelemeler harç hazırlama metodolojilerine yeni bakış açıları sağladı. Romalıların, sönmüş kireçle birlikte veya onun yerine sönmemiş kireç kullanarak sıcak karıştırma kullandıklarına dair kanıt sağladı. Sönmemiş kireç kullanılarak üretilen ekzotermik (dışarıya ısı veren) reaksiyondan bekleneceği gibi, bunların aşırı sıcaklıklarda oluştuğuna dair ipuçları sağladı. Ekip, sıcak karıştırmanın aslında süper dayanıklı doğanın anahtarı olduğu sonucuna vardı.

roma-beton-parcasi

Resim 2. İtalya, Privernum arkeolojik alanından toplanmış antik Roma beton parçası

Sağda: Element haritası (Kalsiyum: kırmızı, Silikon: mavi, Alüminyum: yeşil)

Bu antik malzemenin kendi kendini iyileştiren beton özelliğini sağlayan kalsiyum açısından zengin kireçtaşı (kırmızı), görüntünün alt bölgesinde açıkça görülmektedir.

Sıcak karıştırmanın faydaları iki yönlüdür.

  • İlk olarak, sıcak karıştırma işlemi sırasında, kireç kırıntıları karakteristik olarak kırılgan bir nanopartikül mimari geliştirir. Kendi kendini iyileştiren beton özelliğini sağlayabilecek, kolayca kırılan ve reaktif bir kalsiyum kaynağı oluşturur. Küçük beton çatlakları oluşmaya başlar başlamaz, bu malzeme daha sonra suyla reaksiyona girerek kalsiyum karbonat olarak yeniden kristalleşebilen ve beton çatlaklarını hızla doldurabilen kalsiyuma doymuş bir çözelti oluşturabilir veya kompozit malzemeyi daha da güçlendirmek için puzolanik malzemelerle reaksiyona girebilir. Bu reaksiyonlar kendiliğinden gerçekleşir ve bu nedenle beton çatlakları yayılmadan otomatik olarak iyileştirir (Şekil 1). 
  • İkincisi, bu artan sıcaklık, sertleşme ve sertleşme sürelerini önemli ölçüde azaltır, çünkü tüm reaksiyonlar hızlanır ve çok daha hızlı inşaat sağlar.

Şekil 1. Eski Roma kendi kendini iyileştiren beton tasarımı için önerilen mekanizmanın şeması.

Beton çatlakları iyileştirme çalışmaları:

Bunun gerçekten de Roma betonunun dayanıklılığından sorumlu mekanizma olduğunu kanıtlamak için ekip, hem eski hem de modern formülasyonları içeren sıcak karışım beton numuneleri üretti, bunları kasıtlı olarak kırdı ve ardından beton çatlaklarından su akıttı. Tabii ki: 2 hafta içinde beton çatlakları tamamen iyileşti ve su artık akamaz hale geldi (Şekil.2). Sönmemiş kireç kullanılmadan yapılmış özdeş bir beton parçası asla iyileşmedi ve su, numunenin içinden akmaya devam etti. Bu başarılı testler sonucunda ekip, bu modifiye edilmiş çimento malzemesini ticarileştirmek için çalışıyor.

Şekil 2. Kendi kendini iyileştiren beton deneyleri.

  • Dökümden sonra, sıcak karışım beton numuneleri mekanik olarak kırıldı ve ardından yeniden birleştirildi (0,5 ± 0,1 mm boşlukla) (Şekil 2.A). 
  • 30 gün, numune boyunca su akışı bir akış ölçer ile kayıt altına alındı (Şekil 2.B). 
  • Açık beton çatlaklarından akış hızı başlangıç değerleri 10 ila 30 litre/saat arasındaydı. Beton çatlakları geometrisine bağlı olarak 1 ila 3 hafta boyunca, beton çatlakları sonunda kapatıldığında neredeyse sıfıra düştü (Şekil 2.C). 
  • Kireç kalıntısı içermeyen kontrol (turuncu çizgi) ile karşılaştırıldığında, 30 gün sonra, kireçtaşı içeren numuneden (mavi çizgi) su akışı durmuştur (Şekil 2.C). 
  • Beton çatlakları yüzeyinin incelenmesi ile beton çatlaklarının tamamen dolu olduğunu ortaya çıkarmıştır. Sonunda su akışı durduğunda (ve akış hızı sıfır veya ihmal edilebilir bir akışta olduğunda), test durduruldu.
  • İşlem sırasında beton çatlaklarında oluşan ikincil ürünlerin yapısı ve dağılımı (Şekil 2, D ila F) optik mikroskopi (Şekil 2, D ve E) ve Raman spektroskopisi (Şekil 2.F) kullanılarak değerlendirildi.

Antik Roma betonu veya harcı üretim süreci nasıldır?

Antik harç ve betonların ayrıntılı araştırmaları, puzolanik malzemeler ve hidratlı kireç arasındaki etkileşimlerle ilişkili bazı temel kimyasal ve mineralojik süreçlerin tanımlanmasına olanak tanıdı ve bu malzemelerin mekanik performansına ilişkin görüşler sağladı.

Roma harcı üretim süreci, sönmemiş kireç [kalsiyum oksit (CaO)] oluşturmak için kireçtaşı, mermer veya traverten (tümü ağırlıklı olarak kalsit, CaCO3) gibi bir kaynaktan kirecin kalsine edilmesiyle başladı. Su kullanılarak hidratlanabilen (söndürme olarak bilinen bir işlem) veya doğrudan eklenebilen (sıcak karıştırma olarak bilinen bir işlem) bu kireç bazlı malzemeye daha sonra volkanik kül, seramik parçaları veya hidrolik harcı oluşturmak için diğer puzolan, kum ve su eklenmesiyle oluşuyor. 

Eski bilginler Vitruvius ve Pliny, özellikle saf beyaz olması gereken kireçtaşı için katı spesifikasyonlar detaylandırmıştı. Roma mimari harçları üzerinde yapılan önceki çalışmalar, bu örneklerdeki kalsine kirecin sıklıkla CaO dışında ağırlıkça <%5 oksit içerdiğini belirlemiştir.

Bu çalışma, İtalya’daki Priverno Arkeoloji Müzesi’nin yardımıyla gerçekleştirilmiştir.

Kaynaklar:

Riddle solved: Why was Roman concrete so durable?

https://news.mit.edu/2023/roman-concrete-durability-lime-casts-0106

Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1602

Yazar: Fulya Gülen Şahin

İnşaat ve yapı malzemeleri sektörü, hayatımızın birçok alanında karşımıza çıkan ve her anlamda etkileşimde bulunan malzemelerle dolu. Ancak çimento, bu geniş yelpazede …

Çimsa Blog’da hazırladığımız bu yazıda, Çimsa’nın yeni inovatif ürünü olan Flycrete hakkında bilgi vermek istiyoruz. Flycrete, sadece birkaç saat içinde yüksek dayanıma …