Đi tìm công thức cho Mái vòm bê tông không cốt thép

Được xây dựng từ năm 113 đến 125 sau Công nguyên - đền Pantheon là một trong những công trình kiến trúc có mái vòm hình bán cầu lớn nhất thời cổ đại.  Nhưng đến khi nhà thờ Santa ở Vatican xây dựng xong thì mái vòm của nhà thờ này lấy mất ngôi vị quán quân của Đền Pantheon kéo dài suốt 13 thế kỷ.

Với đường kính tới 45m đã không chỉ lớn hơn mái vòm của Đền Pantheon, mà điều đặc biệt hơn nữa, nếu không muốn nói là bí ẩn - là mái vòm Nhà thờ Thánh Peter còn được xây dựng không có cốt thép!  Nó trở thành mái vòm bê tông không có cốt thép lớn nhất và duy nhất trên toàn thế giới.  

Ngay ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học, công nghệ, nhưng  xây dựng những mái vòm có đường kính lớn cho các công trình kiến trúc, thì người ta vẫn không  sử dụng vật liệu bê tông,  bởi đây là loại vật liệu có khối lượng lớn, chỉ phù hợp để xây dựng những kết cấu dạng hình khối chữ nhật, hoặc vuông có độ dày chắc chắn. Nếu  sử dụng ở dạng tấm vỏ như trong kết cấu mái vòm thì sẽ gây nứt vỡ, phá huỷ công trình trong thời gian ngắn.

Vậy mà, mặc dù  xây dựng đã hơn 2.000 năm, lại không  dùng cốt thép hay các biện pháp gia cố khác, mái vòm bằng bê tông của nhà thờ Thánh Peter vẫn “trơ gan cùng tuế nguyệt”: Không có vết nứt; Không bị phá hoại hay hỏng hóc. Trong khi  với những công trình bằng bê tông mặt phẳng ngày nay, dù được gia cố bằng cốt thép, sử dụng nhiều loại công nghệ hiện đại lại vẫn xuất hiện vết nứt, hỏng hóc chỉ sau vài thập kỉ sử dụng.

Vậy người La Mã cổ đại đã dùng chất liệu gì để tạc nên mái vòm Nhà thờ Thánh Peter? Đương nhiên là khoa học phải đi tìm câu trả lời.

Trong quá trình nghiên cứu các nhà khoa học khám phá ra một bí mật trong công thức cổ xưa, giúp vật liệu xây dựng có khả năng tự phục hồi và bền vững,  đó là vôi sống. Để đi tới kết luận này, nhóm đã nghiên cứu các mẫu bê tông thời La Mã cổ đại có từ hơn 2.000 năm tuổi. Các mẫu này được soi bằng kính hiển vi, quét bằng quang phổ tia X tán sắc năng lượng, nhiễu xạ tia X dạng bột và chụp ảnh Raman đồng tiêu… Mục đích là để hiểu rõ hơn về các lớp vôi trên bề mặt của bê tông.

Dựa trên các phân tích hiện đại, các nhà khoa học kết luận bê tông La Mã có thể đã được tạo ra bằng cách trộn trực tiếp vôi sống với pozzolana (loại vật liệu xây dựng dùng phổ biến thời La Mã cổ đại) bằng  nước ở nhiệt độ cực cao. Đây là một quy trình mà các nhà khoa học gọi là "trộn nóng", dẫn đến thành quả là, các miếng vôi đóng rắn liên kết chặt chẽ lại với nhau.

Theo hoá học, nhiệt độ cao sẽ đẩy nhanh vận tốc của các phản ứng hoá học, cho phép quá trình liên kết vật liệu xẩy ra nhanh hơn. Nói cách khác, là tạo ra sự tự phục hồi cho vật liệu. Nghĩa là, khi các vết nứt hình thành trong bê tông thì đồng thời có nước chảy vào gây phản ứng với vôi để tạo thành một dung dịch giàu canxi. Dung dịch này sẽ khô và cứng lại dưới dạng canxi cacbonat, từ đó vừa hàn gắn các vết nứt lại với nhau, vừa ngăn chặn không cho vết nứt lan rộng hơn. Điều này cũng có thể giải thích rằng tại sao bê tông La Mã dù được xây dựng tại các công trình chắn sóng cách đây 2.000 năm, nhưng vẫn tồn tại nguyên vẹn trong nhiều thiên niên kỷ bất chấp sự va đập liên tục của sóng biển.

Thế nhưng, trong quá trình thử nghiệm có thể còn thiếu vắng một loại “phụ gia” hay công thức bí mật nào đó nữa, mà loại bê tông mới được các nhà khoa học tạo ra vẫn chưa thể đạt tới đẳng cấp như bê tông của người La Mã cổ đại. Dẫu rằng loại vật liệu mới này đã có khả năng “tự chữa lành” hơn hẳn các loại bê tông thông thường.

Nghĩa là, bí ẩn tạo nên loại bê-tông đặc biệt của người xưa vẫn đang là những câu hỏi khiến cho đương đại  đau đầu đi tìm lời giải.

Hoàng Nguyễn