ไขปริศนาคอนกรีตของชาวโรมันโบราณทำไมยังคงแข็งแรงแม้เวลาผ่านไปนับพันปี

ชาวโรมันโบราณเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการก่อสร้างและวิศวกรรม มีชื่อเสียงจากสิ่งปลูกสร้างอันน่าทึ่ง เช่น ท่อส่งน้ำและวิหารแพนธีออนที่ยังคงสภาพดีจนถึงปัจจุบัน โดยวัสดุสำคัญที่ใช้คือ คอนกรีตปอซโซลานิก (Pozzolanic Concrete) ซึ่งมีความทนทานสูงเป็นพิเศษ โครงสร้างอย่างวิหารแพนธีออนที่มีอายุเกือบ 2,000 ปี ยังคงครองสถิติโดมคอนกรีตที่ไม่ได้เสริมเหล็กที่ใหญ่ที่สุดในโลก

คอนกรีตชนิดนี้ผลิตจาก ปอซโซลานา (Pozzolan) เถ้าภูเขาไฟจากเมืองปอซซูโอลี ประเทศอิตาลี ผสมกับปูนขาวและน้ำ ซึ่งทำปฏิกิริยาให้กลายเป็นวัสดุก่อสร้างที่แข็งแรง อย่างไรก็ตาม ในปี 2023 ทีมนักวิจัยนานาชาติที่นำโดย สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ค้นพบว่า เทคนิคการผสมคอนกรีตของชาวโรมันมีความซับซ้อนและแตกต่างจากความเข้าใจเดิม

หนึ่งในเบาะแสสำคัญคือ “เศษปูนขาว” สีขาวที่พบในคอนกรีต ซึ่งก่อนหน้านี้เคยเชื่อว่าเป็นผลจากการผสมที่ไม่ดี แต่แอดเมียร์ มาซิค (Admir Masic) นักวิทยาศาสตร์วัสดุจาก MIT ไม่เห็นด้วย เขากล่าวว่า “แนวคิดที่ว่าเศษปูนขาวเกิดจากคุณภาพต่ำของการผสมนั้นไม่ถูกต้อง เพราะถ้าชาวโรมันทุ่มเทกับสูตรวัสดุอย่างละเอียด ทำไมจะไม่ใส่ใจกับคุณภาพของส่วนผสมขั้นสุดท้าย ?” 

ทีมวิจัยซึ่งรวมถึง ลินดา ซีมัวร์ (Linda Seymour) วิศวกรโยธาจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้ศึกษาตัวอย่างคอนกรีตจากแหล่งโบราณคดี Privernum เมืองโบราณของชาวโวลสกี (Volsci) ในแคว้นลาซิโอ ประเทศอิตาลี ด้วยเทคนิคหลากหลาย เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ และการถ่ายภาพรามาน เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างปูนอย่างละเอียด

โดยพวกเขาพบว่าเศษปูนขาวที่มีอยู่ในคอนกรีตเกิดจาก “การผสมแบบร้อน” (Hot Mixing) โดยใส่ปูนขาวในรูปแคลเซียมออกไซด์ลงไปในขณะที่วัสดุผสมยังร้อนอยู่ ซึ่งมีข้อดีสองประการ คือ

1. ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเฉพาะที่ต้องใช้อุณหภูมิสูง สร้างสารประกอบที่ไม่เกิดขึ้นในสภาวะปกติ

2. เร่งการแข็งตัวของคอนกรีต ช่วยให้ก่อสร้างได้เร็วขึ้น

ยิ่งไปกว่านั้น การมีอยู่ของปูนขาวยังทำให้คอนกรีตสามารถ “ซ่อมแซมตัวเอง” ได้เมื่อเกิดรอยร้าว โดยน้ำที่เข้าไปในรอยร้าวจะทำปฏิกิริยากับปูนขาว กลายเป็นสารละลายที่มีแคลเซียมสูง ซึ่งจะแข็งตัวเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต และอุดรอยแตกนั้นได้เอง

Schematic of the proposed mechanism for self-healing within ancient Roman mortars. (Seymour et al., Science Advances, 2023)

การค้นพบนี้ยังได้รับการสนับสนุนจากตัวอย่างคอนกรีตจากสุสาน Caecilia Metella สุสานโรมันโบราณที่ตั้งอยู่บน "ถนนอัปเปียน" ซึ่งเป็นถนนสายประวัติศาสตร์ของกรุงโรม ประเทศอิตาลี โดยพบว่ามีรอยร้าวถูกอุดด้วยแคลไซต์ และอธิบายได้ว่าทำไมโครงสร้างริมทะเลที่สร้างโดยโรมันจึงคงทนมานานหลายพันปี แม้จะต้องเผชิญกับคลื่นลมมหาสมุทรอย่างต่อเนื่อง

และเพื่อเป็นการพิสูจน์การค้นพบ ทีมวิจัยได้ทดลองสร้างคอนกรีตปอซโซลานิกด้วยสูตรโบราณทั้งแบบมีปูนขาวและไม่มีปูนขาว พร้อมทดสอบความสามารถในการซ่อมแซมรอยร้าว พบว่าคอนกรีตที่มีปูนขาวสามารถปิดรอยร้าวได้เองภายใน 2 สัปดาห์ ขณะที่คอนกรีตควบคุมยังคงแตกร้าวอยู่

ในปัจจุบัน ทีมวิจัยกำลังพัฒนาเทคนิคนี้ให้สามารถใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ โดยหวังว่าจะช่วยยืดอายุของวัสดุก่อสร้าง และทำให้คอนกรีตยุคใหม่ โดยเฉพาะแบบพิมพ์ 3 มิติ มีความทนทานมากยิ่งขึ้น งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances และเผยแพร่ครั้งแรกในเดือนมกราคม 2023