Giải mã bí mật đằng sau sự bền vững của các công trình cổ đại

Đền Pantheon, Rome. Ảnh: AP

Bất chấp việc được xây dựng từ hàng nghìn năm trước, các công trình cổ đại được xây dựng bởi các kỹ sư La Mã, Maya hay Trung Quốc vẫn còn tồn tại và trở thành những di sản quý giá cho thế hệ tương lai. Tuy nhiên, rất nhiều công trình ngày nay lại không tồn tại được trong khoảng thời gian dài như vậy.

Trên thực tế, bê tông dùng trong xây dựng hiện đại chỉ có tuổi thọ từ 50 năm cho tới 100 năm. Dù bê tông hiện đại có đủ sức chịu đựng những tòa nhà chọc trời và cơ sở hạ tầng hạng nặng, nó không thể cạnh tranh với độ bền của những vật liệu cổ xưa này.

Chính điều này đã khiến các nhà khoa học quay trở về tìm kiếm câu hỏi từ các vật liệu từng được sử dụng trong quá khứ với hy vọng khám phá ra phương pháp giúp công trình tồn tại vững vàng trong nhiều thiên niên kỷ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra sự tồn tại của nhiều thành phần rất đáng ngạc nhiên được trộn trong quá trình xây dựng, ví dụ như vỏ cây, tro núi lửa, gạo hay bia. Những thành phần bổ trợ bất ngờ này có thể là chìa khóa cho một số thuộc tính khá ấn tượng của công trình như khả năng trở nên cứng cáp hơn theo thời gian hay khả năng “chữa lành” các vết nứt.

Trong bối cảnh các mối đe dọa từ biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, tính cấp thiết trong việc xây dựng các công trình bền vững cũng được đề cao. Theo AP trích dẫn một báo cáo gần đây của Liên Hợp Quốc, ngành xây dựng chịu trách nhiệm cho hơn 1/3 lượng khí thải CO2 toàn cầu và việc sản xuất xi măng đã chiếm hơn 7% lượng khí thải đó.

Sức bền của bê tông La Mã cổ đại

Bắt đầu từ khoảng năm 200 TCN, các kiến trúc sư của đế chế La Mã đã xây dựng những công trình bê tông ấn tượng trường tồn theo thời gian từ mái vòm cao vút của đền Pantheon đến hệ thống dẫn nước vẫn có thể hoạt động cho đến ngày nay. Kể cả tại các bến cảng, nơi nước biển gây ra các tác động phá hủy đối với các công trình kiến trúc lâu đời, ông John Oleson, nhà khảo cổ học tại Đại học Victoria ở Canada, cho biết bê tông của thời đại này “về cơ bản vẫn giống như khi được đổ cách đây 2.000 năm”.

Theo ghi chép từ các kiến trúc sư cổ đại như Vitruvius, người La Mã đã trộn các vật liệu như đá vôi cháy và cát núi lửa với nước và sỏi, tạo ra các phản ứng hóa học để liên kết mọi thứ lại với nhau. Quá trình này cũng tương tự như việc sản xuất xi măng hiện đại khi đá vôi và đất sét được nung đến nhiệt độ siêu cao và được nghiền thành bột xi măng. Xi măng sau đó được trộn với nước cùng các vật liệu khác như đá và sỏi để dùng trong xây dựng.

Tuy nhiên, nguyên nhân chính cho việc một số loại bê tông La Mã có thể trụ vững được hàng nghìn năm nằm ở việc chúng có khả năng tự sửa chữa. AP trích dẫn một nghiên cứu được công bố đầu năm 2023 của kỹ sư dân dụng và môi trường tại Viện Công nghệ Massachusetts Admir Masic cho biết bí kíp nằm ở những khối vôi được rải thay vì được trộn đều.

Trước đây, các nhà nghiên cứu từng nghĩ rằng những khối này là dấu hiệu cho thấy người La Mã trộn vật liệu của họ chưa đủ kỹ. Tuy nhiên sau khi phân tích các mẫu bê tông từ Privernum – một thành phố cổ bên ngoài Rome – các nhà khoa học phát hiện ra rằng các khối này có thể thúc đẩy khả năng “tự phục hồi” của vật liệu.

Theo giải thích của ông Masic, khi vết nứt hình thành, nước có thể thấm vào bê tông và kích hoạt các túi vôi còn sót lại, tạo ra các phản ứng hóa học mới có thể lấp đầy những phần bị hư hỏng.

Nhà địa chất tại Đại học Utah Marie Jackson lại có quan điểm khác. Bà nhận định chìa khóa có thể nằm ở những vật liệu núi lửa được người La Mã sử dụng. Cụ thể, bà cho rằng người La Mã cổ đại đã thu thập đá núi lửa còn sót lại sau các vụ phun trào để trộn vào bê tông của mình. Vật liệu phản ứng tự nhiên này sẽ thay đổi theo thời gian khi nó tương tác với môi trường, cho phép các vết nứt bị bịt kín.

Một bức phù điêu bên trong “Đường hầm Jaguar” tại Acropolis of Copan, một di tích Maya cổ đại ở phía tây Honduras. Ảnh: AP

Sử dụng nước ép vỏ cây để tạo ra các tác phẩm điêu khắc

Tại Copan, một di tích của người Maya ở Honduras, các tác phẩm điêu khắc và đền thờ bằng vôi phức tạp vẫn còn nguyên vẹn ngay cả sau hơn 1.000 năm tiếp xúc với môi trường nóng ẩm. Theo một nghiên cứu được công bố đầu năm nay, bí mật về tuổi thọ của những cấu trúc này có thể nằm ở cây xanh.

AP trích dẫn ông Rodriguez-Navarro, một trong các nhà khoa học tham gia nghiên cứu, cho biết những người thợ xây địa phương ở Honduras đề xuất sử dụng nước ép vỏ cây chukum và jiote địa phương trong hỗn hợp vôi. Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm công thức, họ nhận thấy thạch cao thu được có độ bền đặc biệt trước các hư hỏng vật lý và hóa học.

Khi nghiên cứu vật liệu kỹ hơn, các nhà khoa học phát hiện ra một số chất hữu cơ từ nước ép vỏ cây đã được tích hợp vào cấu trúc phân tử của thạch cao. Bằng cách này, thạch cao của người Maya có thể mô phỏng các cấu trúc tự nhiên chắc chắn như vỏ sò và gai nhím biển – và đạt được độ dẻo dai của chúng.

Ngoài nước ép vỏ cây, nhiều nghiên cứu trước đây cũng từng chỉ ra rằng những người thợ xây dựng cổ đại từng trộn nhiều vật liệu tự nhiên vào các công trình xây dựng, ví dụ như nước trái cây, sữa, sữa đông phô mai, bia, thậm chí cả nước tiểu. Lớp vữa kết dính một số công trình nổi tiếng nhất của Trung Quốc - bao gồm Vạn Lý Trường Thành và Tử Cấm Thành – đều có các dấu vết của bột gạo nếp.

Ở một diễn biến khác, nhà khoa học vật liệu tại Đại học Sheffield ở Anh Cecilia Pesce cho biết một số công trình chỉ đơn giản là đã gặp may mắn. Ông cho biết trong quá khứ, người cổ đại có thể đã sử dụng bất cứ thứ gì để xây dựng miễn là rẻ và có sẵn. Theo thời gian, những công trình không bền vững đều đã sụp đổ trong khi những công trình may mắn còn tồn tại. Do đó, chuyên gia này nhận định quá trình này giống như “chọn lọc tự nhiên”.

Ngân Hà