ההנדסה המודרנית הביאה לנו גורדי שחקים וגשרים תלויים ענקיים, אבל במה שנוגע לבנייה בים יש לנו הרבה ללמוד מהרומאים – ששוברי הגלים שלהם עומדים איתן כבר אלפיים שנה. מהו סוד העמידות של הבנייה הימית הרומית?
במקומות רבים לאורך חופי הים התיכון, וגם בישראל, פזורים שרידים מרשימים של נמלים, מזחים ושוברי גלים רומיים בני כאלפיים שנה. אף על פי שההנדסה התקדמה רבות בזמן הזה, המבניים הימיים העתיקים הללו עמידים בפני בלאי טבעי פי מאה ממבנים מודרניים דומים. הפלא הטכנולוגי הזה סקרן במשך שנים רבות מדענים ומהנדסים, שניסו לפענח את סודות המתכון של הבטון הרומי.
נכון, המבנים הימיים המודרניים מחוזקים בפלדה וחלק מהכשל שלהם נובע מקורוזיה של המתכת, אולם ללא הפלדה המלט לבדו יהיה גמיש מדי ובעל חוזק מתיחה נמוך, ולכן לא יחזיק מעמד זמן רב. לעומת זאת, נמל קיסריה נבנה בתקופתו של המלך הורדוס, לפני כ-2,050 שנה והוא עדיין עומד על תילו ברובו, ואילו מעגן פורטוס באיטליה נבנה לפני קצת פחות מאלפיים שנה ושרידיו מעידים על היסטוריה ימית עשירה.
יש כיום עניין רב בפענוח המתכון הרומי לבטון, שבעזרתו נוכל להפיק בטון איכותי ועמיד יותר, ואולי אף להוזיל את העלויות וההשפעות הסביבתיות של התהליך הנוכחי שבו אנו מייצרים קירות ומבנים מלאכותיים אחרים. מחקר אמריקאי-סיני בחן דוגמאות של בטון רומי בעזרת טכניקות מתקדמות ששפכו אור חדש על המבנה של הבטון ותהליך היצירה שלו.
סוד האפר הוולקני
בטון מודרני מבוסס על תערובת של אבן גיר, אבן חול, אפר פחם, גיר, ברזל וחרסית. התערובת מחוממת ליצירת חומר זכוכיתי שלאחר מכן נטחן ומעורבב עם חומרים מחזקים שאינם מגיבים כימית, כגון חול. הבטון הרומי, לעומת זאת, מבוסס על תערובת של סיד ומשקעים של אפר וולקני. במגע עם מי ים הוא יוצר תגובה כימית איטית שמחזקת אותו באופן משמעותי.
התהליך תלת-שלבי. ראשית, נפלט אפר בהתפרצות של הרי געש, כשהמקור העיקרי שבו השתמשו הרומאים היה הר הגעש קמפי פלגריי, באזור נפולי של ימינו. בתגובה עם אדי מים מעובים נוצרה תערובת בסיסית לבסיס (pH גבוה), וכך נוצר משקע של האפר המכיל בין היתר את המינרל פיליפסיט (phillipsite).
בשלב השני ערבבו המהנדסים הרומיים את משקע האפר עם סיד, הרטיבו את התערובת במי ים והיא התקשתה במהירות ואז הוכנסה לים לתוך תבניות במבנים הרצויים. בדומה לשלב הראשון, מי הים הגיבו עם האפר וגרמו לפירוק או המסה של רכיביו. בתגובה השתחררו יוני הידרוקסיד (OH-) והסביבה הפכה בסיסית יותר ומועשרת ברכיבים כימיים מסוימים.
התנאים האלה הביאו להתגבשות של המינרלים טוברמוריט האלומיניום וקלציום אלומיניום סיליקאט הידראט בתוך שברי הסיד ושברי הפיליפסיט. המינרלים שהתגבשו הם חומרי המלט שמדביקים את הבטון ומקור עמידותו. טוברמוריט האלומיניום הוא מינרל נדיר, שתכונותיו המבניות והכימיות הופכות אותו לחומר מלט מוצלח במיוחד. הבטון שנוצר בתהליך הזה מכיל נקבוביות שכולאות בתוכן מי ים. השלב הזה נמשך 10-5 שנים והטמפרטורה של מי הים באזור, כתוצאה מהחום שהשתחרר בתהליך, הגיעה לכ-90 מעלות צלזיוס.
השלב השלישי התרחש בתוך הנקבוביות, לאחר שהטמפרטורה של מי הים ירדה ל-28-14 מעלות צלזיוס. שאריות האפר במבנה הבטון הגיבו עם מי הים הכלואים בנקבוביות, העלו שוב את הבסיסיות של המים והביאו להתגבשות המינרל פיליפסיט. פני השטח של הפיליפסיט המשיכו להגיב עם מי הים, התמוססו או התפרקו, ובמקומם התגבש המינרל טוברמוריט האלומיניום, שהוסיף חוזק למבנה הבטון. תהליך ההיווצרות המתמשך של המינרלים שמשמשים חומרי מלט של הבטון היא האחראית לעמידות יוצאת הדופן של הבטון העתיק.
כעת צוות המחקר מחפש את יחס הרכיבים המדויק שיאפשר שחזור אופטימלי של הבטון. מי יודע, אולי הוא יוכל אפילו להיכנס מחדש לשימוש בתעשיית הבטון המודרנית וכך להקטין את התלות שלנו באפר הפחם, לצמצם את עלויות הייצור ולהפחית את הפגיעה בסביבה.
