Nếu có thể tái tạo và ứng dụng bê tông La Mã cổ đại vào xã hội hiện đại, chúng ta sẽ tăng tuổi thọ các công trình kiến trúc thêm vài lần.
Trong số vô vàn những địa điểm thu hút khách du lịch tại Rome, hầm mộ 2.000 năm tuổi nằm dọc con đường Via Appia, có tên gọi Lăng mộ của Caecilia Metella, là một trong những nơi an nghỉ ấn tượng nhất thế giới.
Các nhà sử học nhận định đây là nơi cất giấu thi hài của một nữ quý tộc sống trong thế kỷ đầu tiên Sau Công nguyên. Còn các nhà khoa học vật chất cạo tường khu mộ để tìm hiểu về thứ bê tông cổ đại được dùng trong xây cất công trình khổng lồ. Báo cáo nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Journal of the American Ceramic Society hồi tháng 10 năm ngoái.
“Riêng việc xây dựng công trình tiên tiến, tráng kiện và trở thành điểm mốc trên đường Via Appia Antica cho thấy [bà Caecilia Metella] đã rất được trọng vọng”, đồng tác giả Marie Jackson, nhà vật lý địa chất công tác tại Đại học Utah nhận định. “Lớp bê tông dù 2.050 tuổi vẫn phô diễn được sức mạnh và sức bền của mình”.
Lăng mộ của Caecilia Metella
Cũng khá giống với xi măng hiện đại, bê tông La Mã cổ đại cũng là hỗn hợp đơn giản của vữa bán lỏng và cốt liệu*. Chúng ta thường chế tạo xi măng bằng việc đưa vào lò nung đá vôi và đất sét (hoặc sa thạch, tro, phấn hoặc sắt), để ra sản phẩm là một loại bột mịn. Tuy nhiên, cốt liệu làm nên bê tông La Mã lại cấu thành từ những viên đá, viên gạch to bằng nắm tay.
Trong cuốn chuyên luận de Architecture (thảo năm 30 SCN), vị kỹ sư, kiến trúc sư người Hy Lạp Vitruvius viết về cách dựng tường lăng tẩm sao cho công trình trụ vững với thời gian. Ông nhận định tường khu an nghỉ phải dày ít nhất nửa mét, làm từ “khối đá đỏ vuông, hoặc gạch, hoặc nham thạch xếp thành lớp”. Cốt liệu làm từ gạch hay đá núi lửa sẽ được trộn với vữa cấu thành từ đá vôi hoặc mạt vụn núi lửa (tồn tại dưới dạng mảnh thủy tinh hoặc tinh thể).
Nhà vật lý địa chất Jackson đã nghiên cứu các đặc tính khác thường của bê tông La Mã suốt nhiều năm. Bà và các cộng sự từng tiến hành phân tích vữa dùng trong quá trình xây dựng Chợ Trajan, được hoàn thành vào khoảng năm 100, và có lẽ là khu thương xá lâu đời nhất lịch sử.
Nhóm nghiên cứu đặc biệt tập trung vào thứ “keo” gắn kết các vật liệu xây dựng lại: nó là tổ hợp chất chứa canxi, nhôm, silicat và hydrat, được cường hóa bởi những tinh thể strätlingite. Phân tích cho thấy các tinh thể strätlingite ngăn chặn sự hình thành các kẽ nứt trong vữa, vốn có thể biến thành những vết nứt lớn làm hỏng cả công trình kiến trúc.
Năm 2017, bà Jackson trở thành đồng tác giả nghiên cứu phân tích bê tông đắp thành tường chắn sóng dọc bờ biển Ý, là công trình tồn tại suốt 2 thiên niên kỷ trước điều kiện vô cùng khắc nghiệt của biển mặn. Sóng nước vỗ liên tục vào tường chắc chắn sẽ kiến công nghệ bê tông hiện đại sớm sụp đổ, vậy mà tường chắn sóng của người La Mã cổ đại dường như mạnh lên theo từng con sóng.
Tường chắn sóng cổ đại vẫn đứng vững dù đối diện với điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Bà Jackson và cộng sự phát hiện ra công thức bí mật duy trì tuổi thọ bức tường: nó là sự kết hợp giữa các tinh thể hiếm và một khoáng chất rỗ. Khi tổ hợp chất tiếp xúc với nước biển, phản ứng hóa học xảy ra, khiến khoáng chất phillipsite (thường thấy trong tro bụi núi lửa) biến thành tinh thể nhôm tobermorite. Tinh thể bám chặt vào tường đá, tiếp tục ngăn chặn các vết nứt hình thành.
Với tiền đề dồi dào những nghiên cứu liên quan tới các công trình cổ đại, hiển nhiên nhà nghiên cứu Jackson quan tâm sâu sắc tới Lăng mộ của Caecilia Metella. Tháng 6/2006, trong lần đầu tiên bà Jackson thăm lăng mộ, bà đã lấy về những mẫu vữa vụn để phân tích. Theo lời nhà nghiên cứu kể lại, ngày Hè năm ấy có nhiệt độ cao, nhưng không khí trong lăng mộ lại rất mát và ẩm.
Bên trong Lăng mộ của Caecilia Metella.
Các nhà sử học không biết nhiều về người phụ nữ quý tộc nằm lại trong lăng mộ cổ đại, ngoài việc bà Caecilia Metella là con gái của quan chấp chính La Mã Quintus Caecilius Metellus Creticus. Bà cưới Marcus Licinius Crassus, con trai của Marcus Licinius Crassus, một trong ba người lãnh đạo thuộc Chế độ tam hùng lần thứ nhất, bên cạnh Julius Caesar và Pompey Vĩ đại.
Nhiều khả năng, con trai bà Caecilia Metella là Marcus Licinius Crassus là người ra lệnh xây cất lăng tẩm lớn cho mẹ mình; các dấu vết khảo cổ cho thấy lăng hoàn thành vào khoảng giữa năm 30 và năm 10 Trước Công nguyên. Còn một điều đáng chú ý nữa trong câu chuyện trên: ba đời ông, cha và cháu đều mang tên Marcus Licinius Crassus có thể gây nhầm lẫn cho các nhà sử học.
Tại Cung điện Farneses có một quan tài đá cẩm thạch được cho là lấy từ Lăng mộ của Caecilia Metella, tuy nhiên khả năng cao nó không chứa thi hài của người phụ nữ quý tộc, bởi lẽ niên đại của quan tài đá rơi vào khoảng năm 180-190 SCN. Ở thời Caecilia Metella còn sống, tục hỏa táng rất thịnh hành, nên nhiều khả năng trong lòng Lăng mộ của Caecilia Metella, có một hũ tro đựng hài cốt của người đàn bà được tôn trọng.
Bối cảnh xây dựng công trình tuy thú vị, nhưng cấu trúc kiến trúc của lăng mộ mới khiến nhà nghiên cứu Jackson và cộng sự hứng thú. Lăng mộ nằm trên đỉnh một quả đồi, cấu trúc gồm một mái vòm hình tròn đặt trên một bậc đài vòng hình vuông, bên cạnh lăng là một lâu đài được xây vào thế kỷ 14. Bên ngoài lăng là tấm bảng khắc bằng đá:
“Thân tặng Caecilia Metella, con gái của Quintus Creticus [và vợ] của Crassus”.
Để nghiên cứu kỹ hơn về cấu trúc vi mô của vữa xây lăng, bà Jackson nhờ tới sự giúp đỡ của các chuyên gia tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley. Bằng công nghệ Nguồn Sáng Tiên tiến (ALS), nhóm nghiên cứu tại Berkeley vừa phát hiện ra nhiều loại khoáng chất tồn tại trong bê tông. Tia X với bề ngang tương đương một con vi khuẩn đã xuyên được qua mẫu vữa cổ đại, mang lại những dữ liệu khoa học quý giá.
Lớp nham thạch nằm trên lớp mạt vụn núi lửa trong lăng mộ.
Họ phát hiện thấy vữa của lăng mộ cũng tương tự với vật liệu tạo nên tường Chợ Trajan: mạt vụn núi lửa từ sự kiện phun trào được dùng trong việc liên kết những viên gạch lớn với các cốt liệu nham thạch. Tuy nhiên, mạt vụn dùng trong xây dựng Lăng mộ của Caecilia Metella chứa nhiều khoáng chất leuxit giàu kali. Suốt nhiều thế kỷ, nước mưa và nước ngầm đã ngấm vào tường lăng, hòa tan leuxit để sinh ra kali. Trong tường bê tông hiện đại, tổ hợp chất này chắc chắn sẽ gây ra những vết nứt, khiến cấu trúc tường bất ổn.
Nhưng rõ ràng, Lăng mộ của Caecilia Metella vẫn đứng vững cho tới giờ. Theo lời bà Jackson, việc kali hình thành trong vữa đã một lần nữa cường hóa liên kết giữa canxi, nhôm, silicat và hydrat có trong tường. Một số phần tường vẫn còn nguyên vẹn sau 2.000 năm, tuy một số nơi đã bắt đầu có dấu hiệu nứt. Thực tế, lăng mộ mang cấu trúc tương tự một tinh thể nano.
Hình ảnh chụp cắt lớp bê tông La Mã cổ đại.
“Hóa ra, bề mặt tiếp xúc [giữa cốt liệu và vữa] trong bê tông La Mã cổ đại xây nên Lăng mộ của Caecilia Metella liên tục tiến hóa thông qua khả năng tái cấu trúc lâu dài”, giáo sư Admir Masic tới từ MIT nhận định. “Quá trình tái cấu trúc đã gia cố các bề mặt tiếp xúc và từ đó, có thể giúp cải thiện hiệu năng công trình và khả năng kháng ăn mòn của vật liệu cổ đại”.
Càng tìm hiểu sâu về thành phần tạo nên bê tông La Mã, các nhà khoa học nhiều bước gần hơn tới việc tái tạo lại vật liệu xây dựng đã đi vào huyền thoại, để cải thiện bê tông của thời hiện đại. Đột phá có thể giảm thiểu năng lượng dùng trong sản xuất bê tông, đồng thời tăng tuổi thọ của các công trình thời nay.
“Tập trung vào việc thiết kế bê tông có các bề mặt tiếp xúc [giữa cốt liệu và vữa] tự gia cố mình sẽ giúp ta cải thiện sức bền của vật liệu xây dựng hiện đại”, nhà nghiên cứu Masic kết luận. “Nhờ ứng dụng ‘trí tuệ người La Mã’ đã được thử lửa thời gian, ta có thể cải thiện tuổi thọ của công trình hiện đại thêm vài lần”.
