spot_img
26 C
Vietnam
Thứ Sáu,24 Tháng Năm
spot_img

Bí ẩn về nguyên liệu khiến các công trình cổ đại trường tồn với thời gian

Tân Thế Kỷ – Có những kiến trúc vẫn bền vững dù trải qua thời gian đằng đẵng của lịch sử. Những kiến trúc này đã trở thành niềm tự hào của các quốc gia nó hiện diện. Tiêu biểu là kiến trúc thời La Mã,  người Maya và Vạn Lý Trường Thành. Bí ẩn về nguyên liệu tạo nên những kiến trúc này có gì đặc biệt khiến chúng trường tồn mãi với thời gian?

1. Bê tông siêu chắc thời La Mã cổ đại

Công thức chế tạo bê tông của La Mã cổ đại là một kỳ công ấn tượng trong lịch sử kiến trúc. Một số công trình La Mã được xây dựng ngoạn mục với vẻ đẹp hoành tráng, mà những người xây dựng hiện đại chưa bao giờ dám thử sức, ngay cả với công nghệ hiện nay.

dau truong Colosseum taly Rome 700x366 1
Đấu trường Colossium, Rome. Một công trình hoành tráng xây dựng bằng bê-tông La Mã (Ảnh: BigStockPhoto)

Hiện nay các kỹ sư đang bắt đầu tìm hiểu tại sao bê tông của người La Mã cổ đại lại mang những đặc tính độc đáo đến vậy.

Bê tông để xây dựng nhiều tòa nhà và tượng đài trong thành Rome được tạo từ hỗn hợp đá vôi, cát và đá núi lửa. Các tòa nhà và công trình kiến trúc của La Mã cổ đại, một trong những công trình ngoạn mục nhất trên thế giới, vẫn có thể đứng vững sau khi phải chịu không biết bao nhiêu tác động hóa học và vật lý trong suốt 2.000 năm qua.

Nghiên cứu trước đây đã phát hiện được rằng bê tông của người La Ma bền vững hơn nhiều so với bê tông hiện đại vốn chỉ có thể tồn tại trong khoảng 120 năm. 

Người ta đã biết rằng cát núi lửa sử dụng trong bê tông và vữa vôi La Mã đã giúp những tòa nhà của họ tồn tại lâu đến vậy. Giờ đây, nghiên cứu mới đây của một nhóm các kỹ sư và nhà nghiên cứu đã tìm ra công thức chính xác giúp bê tông La Mã có khả năng tồn tại lâu dài hơn bê tông ngày nay.

Sử dụng công thức cổ xưa của kiến trúc sư người La Mã Vitruvius, các nhà nghiên cứu đã tạo nên một hỗn hợp vữa và để nó đông chắc lại trong vòng 6 tháng. Khi quan sát bằng kính hiển vi, họ phát hiện những đám khoáng chất dày đặc đang hình thành trong quá trình trộn vữa của người La Mã. Những tinh thể strätlingite (xi măng), hình thành bởi cát núi lửa khi nó hòa trộn với đá vôi, đã giúp ngăn chặn các vết nứt phát triển rộng hơn bằng cách gia cố thêm cho vùng tiếp giáp giữa các bề mặt, vốn là những liên kết yếu bên trong khối bê tông.

be tong la ma 1
Hình ảnh phóng đại của một mảnh bê tông La Mã gồm đá vôi, cát núi lửa và đá. ( Wikimedia Commons)

Phương pháp này không chỉ giúp bê tông tồn tại lâu hơn mà còn không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường trong quá trình sản xuất, bởi hỗn hợp chỉ cần nung đến 900 độ C (thay vì 1.450 độ C như bê tông hiện đại).

“Bền chắc hơn, tuổi thọ cao hơn, sử dụng ít nhiên liêu và thải ít khí cacbon vào khí quyển, đây có thể là di sản về cách thức chế tạo loại xi măng độc nhất vô nhị của người La Mã”, trang Ancient Origins nhận xét. Theo nghiên cứu mới đây, việc nung nóng đá vôi để sản xuất 19 tỷ tấn xi măng Portland hằng năm chiếm 7% lượng khí cacbon con người thải vào bầu khí quyển.

Trần nhà bên trong đền Pantheon, làm hoàn toàn từ bê tông La Mã. (Ảnh: Giulio Menna / flickr)

Rome nằm giữa 2 vùng núi lửa, Monti Sabatini ở phía Bắc và Alban Hills ở phía Nam. Khi trở thành Hoàng đế đầu tiên của La Mã vào năm 27, Vua Augustus đã khởi xướng một chiến dịch xây dựng. Sau khi những người thợ tạo nên hỗn hợp vữa bằng cách dùng tro Pozzolonic từ dòng chảy tro Pozzolane Rosse của Alban Hills, Vua Augustus đã ra sắc lệnh tuyên bố vữa Pozzolonic trở thành vật liệu tiêu chuẩn để xây dựng các công trình của La Mã. Kiến trúc sư La Mã phát hiện, loại vữa này cải tiến đáng kể biên độ an toàn cho các công trình, ngày càng được họ thiết kế táo bạo hơn.

Ứng dụng đầu tiên có thể kể đến là đền Pantheon, một công trình kiến trúc mái vòm cao hơn 42 m bằng bê tông được xây dựng vào khoảng thế kỷ 2 SCN.

Đền Pantheon là một công trình bê tông lớn đã tồn tại qua gần 2.000 năm. (Ảnh: BigStockPhoto)

“Cấu tạo toàn bộ bằng bê tông mà không được gia cố bằng khung thép, không có bất kỳ kỹ sư nào hiện nay dám xây dựng một công trình như vậy”, David Moore, tác giả của cuốn The Roman Pantheon: The Triumph of Concrete (tạm dịch: Đền Pantheon La Mã: Thành tựu của bê tông) nói. ‘Các kỹ thuật hiện đại không cho phép một trò đùa tai hại như vậy,’” trang Smithsonian.com nói.

2. Công trình đá vôi của người Maya hàng nghìn năm không đổ

Văn hóa cổ đại của người Maya luôn khiến mọi người bị hấp dẫn, một trong số đó chính là kiến ​​trúc. Điều gì đã giúp những công trình khổng lồ bằng đá vôi vào thời Maya có thể trụ vững hàng nghìn năm trong môi trường ẩm ướt? Gần đây, các khoa học gia cuối cùng đã khám phá ra bí mật này.

id13986268 000 IE74F 600x400 1
Đại học Granada ở Tây Ban Nha đã phát hiện ra rằng, các công trình kiến trúc cổ đại bằng đá vôi của người Maya có thể tồn tại trong môi trường ẩm ướt hàng nghìn năm là do được bổ sung hai loại chiết xuất đặc biệt từ thực vật. Ảnh chụp Công viên Khảo cổ Copán ở Honduras. (Ảnh: Orlando Sierra / AFP)

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Granada (UGR), Tây Ban Nha, một đại học với lịch sử gần 500 năm tuổi, do Giáo sư Carlos Rodríguez-Navarro thuộc Khoa Khoáng vật học và Thạch học dẫn đầu, đã tiến hành hợp tác với Đại học Harvard và Phòng thí nghiệm Bảo tồn Điêu khắc Maya ở Copán (Honduras). Họ phát hiện ra rằng, người Maya đã thêm các chất chiết xuất đặc biệt từ thực vật vào thạch cao để cường hóa tính năng của thạch cao. Kết quả của nhóm nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science vào ngày 19/04/2023.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã đến Copán ở phía tây Honduras, Trung Mỹ. Họ thu thập nhiều mẫu kiến ​​trúc kinh điển từ thời kỳ giữa đến cuối nền văn minh Maya (540~850 sau Công nguyên), bao gồm cả đền thờ Rosalila nổi tiếng trên điểm cao nhất của Cung điện Hoàng gia. Các bức tường bên ngoài của ngôi đền được trát bằng chất liệu vôi thạch cao màu hồng rất mịn, là kiến trúc rất tiêu biểu trong nền văn minh Maya.

Theo các khoa học gia, việc sử dụng vôi thạch cao (vôi trộn với thạch cao) có từ khoảng 10,000 đến 12,000 năm trước Công nguyên. Thông thường là đem nung đá vôi tự nhiên (calci cacbonat, CaCO3) hoặc vỏ sò v.v. Đá cacbonat thu được sau khi loại bỏ carbon dioxide được sử dụng để làm vôi sống (calci oxide, CaO). Vôi sống được tôi với nước để thành vôi ngậm nước (Ca(OH)2), cuối cùng nó sẽ kết hợp với carbon dioxide trong không khí để ngưng kết thành xi măng calci cacbonat với độ tinh khiết cao.

Vào khoảng năm 1100 trước Công nguyên, người Maya đã sử dụng công thức vôi thạch cao để tạo ra một loại vật liệu vôi bền dùng cho các công trình kiến trúc, cho phép chúng đứng vững trong môi trường nhiệt đới nóng ẩm trong hơn 1,200 năm. Điều này đã chứng tỏ vữa và thạch cao trong loại vật liệu này có thể chống lại sự phân rã, nứt hoặc co giãn của kết cấu.

Trước đây, rất nhiều khoa học gia đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về vật liệu trong kiến trúc cổ đại của người Maya, bao gồm một lượng lớn bằng chứng dân tộc học, khảo cổ học và phân tích, cho thấy những người thợ hồ thời đó đã sử dụng chiết xuất từ thực vật, nhưng vẫn chưa thực sự xác nhận được nguyên nhân. Mãi cho đến bây giờ, bí mật của loại vật liệu hiệu suất cao này mới chính thức được tiết lộ.

Trong quá trình nghiên cứu, các thành viên trong nhóm của Giáo sư Carlos Rodríguez-Navarro đã tìm thấy cảm hứng từ cuốn biên niên sử “Bán đảo Yucatan” (Península de Yucatán) do giám mục Diego de Landa biên soạn vào thế kỷ 16. Cuốn sách có đề cập cụ thể rằng, mái của những tòa kiến trúc của người Maya phần lớn đều được trát bằng vật liệu vôi đặc biệt, khiến cho chúng rất chắc chắn. Và vật liệu này sử dụng một số loại nhựa cây nào đó.

Các khoa học gia đã nghiên cứu các mẫu vật thu thập được từ vùng Copán thông qua các kỹ thuật phân tích như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X và kính hiển vi ánh sáng phân cực v.v.

Trong quá trình kiểm tra, họ phát hiện ra rằng những mẫu này đều chứa các hợp chất hữu cơ và các chất kết dính có tinh thể calcit sinh học (calci cacbonat, CaCO3), giống như xi măng phiên bản hiện đại có chứa các đặc điểm cấu trúc nano của khoáng chất calcit sinh học (ví như vỏ của động vật thân mềm hai mảnh vỏ). Những chất hữu cơ này làm cho vôi thạch cao có độ dẻo, độ dai, khả năng chống chịu thời tiết và chống hư hại tốt.

Để hiểu nguồn gốc của những tinh thể đặc biệt này và để chứng minh rằng các hợp chất hữu cơ carbohydrate trong vữa vôi (hỗn hợp của vôi, cốt liệu, cát và nước) giống với các khoáng chất calcit sinh học (về mặt cơ học mạnh hơn nhiều so với calcit vô cơ nguyên chất), nhóm nghiên cứu đã tìm sự trợ giúp của những người thợ hồ Maya địa phương.

Những người thợ hồ này có công thức làm thạch cao riêng được truyền từ đời này sang đời khác. Họ chiết xuất nhựa từ vỏ của các loại cây địa phương có tên là Chukum và Jiote. Sau đó chiết xuất nhựa cây này được thêm vào vôi thạch cao.

Phương pháp này là để quan sát xem các tinh thể được chế thành có giống với của các tinh thể từ công trình kiến trúc cổ Maya hay không. Kết quả cho thấy, vật liệu được tạo ra bằng phương pháp này có cấu trúc tinh thể và đặc điểm tương tự như các hợp chất hữu cơ (Polysaccarit) có trong thạch cao của người Maya cổ đại.

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng người Maya cổ đại và các nền văn minh cổ đại khác đã khéo léo sử dụng kỹ thuật mô phỏng sinh học (tức là mô phỏng theo tự nhiên) khi phát triển kỹ thuật làm vôi của riêng họ, bổ sung các chất phụ gia hữu cơ tự nhiên để cường hóa khả năng kết dính giữa vữa vôi và bùn vôi.

Trên thực tế, rất nhiều nền văn minh cổ đại trên thế giới đều đã sử dụng thạch cao vôi và vôi vữa để làm vật liệu xây dựng, đồng thời họ cũng cho thêm các thành phần hữu cơ tự nhiên, chẳng hạn như chiết xuất từ thực vật, gạo nếp, nước ép, dầu, mỡ động vật, thậm chí thêm chất hữu cơ như máu và bia v.v. để cường hóa vật liệu, làm cho các công trình kiến trúc thêm vững chắc.

Hầu hết các công trình kiến trúc lớn được xây dựng trước triều đại Bắc Ngụy ở Trung Quốc (386~535) đều lấy đất nện làm chủ (hỗn hợp gồm bùn đỏ, cát thô, vôi và một lượng nhỏ máu động vật). Sau này, khi nhu cầu xây dựng tăng lên, rất nhiều công trình kiến trúc lớn sau thời Đường và thời Tống đều đã sử dụng vữa chế từ gạo nếp và đất nện để kết dính các khối đá xây. Sức chống đỡ của nó mạnh hơn nhiều so với vữa vôi đơn thuần, khả năng chống nước cũng tốt hơn.

Ví dụ, nhiều ngôi tháp và cầu cổ vào thời Đường và thời Tống, tường thành cổ ở Nam Kinh vào thời nhà Minh, Cố Cung Bắc Kinh, Vạn Lý Trường Thành vào thời nhà Minh, Sơn trang nghỉ mát Thừa Đức, Đê sông Tiền Đường, cũng như các công trình khác của nhà Minh và nhà Thanh đều được xây dựng bằng vật liệu này. Những công trình kiến trúc này đã tồn tại hàng trăm năm qua, trải qua bao mưa gió và nhiều trận động đất lớn, nhưng vẫn đứng sừng sững.

3. Vạn Lý Trường Thành trường tồn suốt hơn 2000 năm

Người ta nói: “Bất đáo Trường Thành phi hảo hán” (chưa đến Trường Thành không phải hảo hán). Suốt hơn 2000 năm, bức tường thành vĩ đại ấy đã “trơ gan cùng tuế nguyệt”, là chứng nhân lịch sử của biết bao thăng trầm thời đại. Bí mật nào đã giúp Vạn Lý Trường Thành trường tồn mãi với thời gian? 

1646660606
Vạn Lý Trường Thành – Ảnh: Internet

Những viên gạch đầu tiên được đặt lên Vạn Lý Trường Thành là vào thời Xuân Thu – Chiến Quốc (770 – 221 TCN). Đến thời nhà Tần, sau khi thống nhất Trung Hoa, để ngăn chặn người Hung Nô xâm lấn, Tần Thủy Hoàng cho nối lại tường thành cũ của các nước và xây thêm một Trường Thành chạy dọc từ bờ biển phía đông đến vùng sa mạc cực tây. Người ta ước tính rằng, nếu chắp nối tất cả các đoạn của Vạn Lý Trường Thành lại, chiều dài thật sự của nó có thể lên tới 56.000 km với chiều cao cách mặt đất 7 mét.

Loại vữa gạo nếp có một không hai

Rất nhiều công trình cổ đại của Trung Quốc như cung điện, lăng mộ, bảo tháp, nhìn bề ngoài chỉ như được dựng nên bởi những nguyên liệu bình thường nhất như đất đá, gạch vụn, gỗ, đá vôi… Tuy nhiên trải qua hàng nghìn năm, những công trình này vẫn trường tồn sừng sững, dù có dùng máy xúc máy ủi cũng khó xô đổ. 

Các chuyên gia đến từ Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) đã cố công tìm hiểu bí mật của loại nguyên liệu đặc biệt ấy. Họ phát hiện một đoạn tường thành của Vạn Lý Trường Thành xây dựng thời nhà Minh (cách đây khoảng 600 năm) có chứa một loại vữa đặc biệt, được làm từ gạo nếp trộn với vôi.

Theo các kết quả phân tích, chất amylopectin vốn có rất nhiều trong gạo nếp khi kết hợp với calcium carbonate (vôi) sẽ tạo nên một loại vữa có độ kết dính siêu việt. Loại vữa trộn bột gạo nếp này kết dính những viên gạch chặt đến nỗi ở nhiều chỗ cỏ dại cũng không thể phát triển được dù rất nhiều năm tháng đã trôi qua. Đây chính là thành phần bí mật của loại vữa cơm nếp, tạo nên sức mạnh “huyền thoại” của nó.

Những người phu xây dựng Trung Quốc cổ xưa đã phát triển loại vữa bằng cơm nếp từ 1.500 năm trước. Họ chế tạo nó bằng cách lấy cơm nếp nấu chín giã nhuyễn với một số thành phần vữa cơ bản như vôi tôi, vôi nung ở nhiệt độ cao rồi trộn với nước. Người Trung Quốc cổ đại thường dùng loại vữa đặc biệt này để xây dựng các công trình có quy mô lớn như lăng mộ, bảo tháp, trường thành… Rất nhiều kiến trúc sử dụng loại vật liệu đặc biệt này vẫn tồn tại đến ngày nay trải qua hàng nghìn năm mưa gió, phong hóa và các trận động đất.

Các chuyên gia cho rằng vữa làm bằng cơm gạo nếp chính là sản phẩm xây dựng đầu tiên của thế giới theo kiểu phức hợp (composite) bao gồm cả nguyên liệu hữu cơ và vô cơ. Theo tiến sĩ Trương Băng Kiên, vữa làm bằng cơm gạo nếp là một trong những sáng chế kỹ thuật vĩ đại nhất trong lịch sử, sánh ngang với phát minh về thuốc súng, la bàn hay giấy. Nó vững chắc hơn và chịu nước tốt hơn nhiều những loại vữa trộn bằng cát và đá sỏi thông thường. 

Phát hiện này đã khiến các nhà khoa học vô cùng bất ngờ. Để xác thực lại, họ đã chuẩn bị nhiều loại vữa vôi trộn cơm nếp với hàm lượng khác nhau. Cuộc thí nghiệm nhằm kiểm tra khả năng của loại vữa composite so với vữa truyền thống. Tiến sĩ Trương cho biết: “Kết quả kiểm tra cho thấy loại vữa kết hợp cơm nếp có nhiều đặc tính vật lý bền vững, tạo ra sức mạnh cơ cấu tốt hơn. Nó thực sự là sáng chế tuyệt vời của người xưa”.

“Loại vữa kết hợp giữa cơm nếp và vôi thực sự là một chất liệu tuyệt vời, là phép cộng của cả chất hữu cơ và vô cơ. Hơn nữa, chúng tôi phát hiện amylopectin còn hoạt động như một chất ức chế. Nó giúp kiểm soát quá trình phát triển của các tinh thể canxi cacbonat. Từ đó, sản sinh ra cấu trúc vi mô bền vững, giúp cho loại vữa có đặc tính tốt như vậy“. 

Chất kết dính trong lịch sử kiến trúc, xây dựng

Các nhà khảo cổ phát hiện rằng chất kết dính được sử dụng trong các công trình kiến trúc từ trước thời nhà Thương (thế kỷ 17 TCN), chủ yếu là hỗn hợp bùn và cỏ vàng, từ thời nhà Chu mới dần dần dùng vôi để thay thế.

Vào thời Nam Bắc Triều (thế kỷ thứ 5) bắt đầu thịnh hành sử dụng loại bê tông kết hợp 3 nguyên liệu: vôi, đất sét và cát. Người ta trộn chúng với nhau theo tỉ lệ nhất định rồi pha thêm nước. Loại bê tông này có thể sử dụng trực tiếp để xây dựng tường thành, lăng mộ… Công thức này được cải tiến qua nhiều năm và mãi cho tới thế kỷ 20 vẫn còn được sử dụng. 

Trong quá trình không ngừng tìm kiếm các loại vật liệu mới, người cổ đại đã phát hiện ra công hiệu thần kỳ của cơm nếp khi dùng làm nguyên liệu xây dựng. Gạo nếp là lương thực chủ yếu của những vùng phía nam Trung Quốc. Loại gạo này nấu chín thì rất dẻo, dính lại thành khối, sau khi cho vào nước để khô lại trở nên vô cùng cứng chắc.

Chính điều này đã gợi ý cho người cổ đại ý tưởng dùng cơm nếp để làm vữa xây dựng. Cơm nếp sau khi nấu chín sẽ đóng vai trò là chất kết dính đặc biệt. Công nhân sẽ trộn đều cơm nếp chín với bê tông để tạo ra loại vữa “huyền thoại”, còn vững chắc hơn cả bê tông thông thường và lại chống thấm rất tốt. 

Từ thời nhà Tống, rất nhiều ngôi tháp cổ, cầu cổ xây dựng bằng loại vật liệu đặc biệt này có thể chịu được động đất 7,5 độ richter. Những bức tường thành cổ ở Nam Kinh, Tây An, Kinh Châu xây từ thời nhà Minh có lịch sử hơn 600 năm đến nay cũng vẫn tồn tại sừng sững hiên ngang.

Sau thời Tống – Nguyên, vữa trộn cơm nếp ngày càng được sử dụng thành thục hơn. Những công trình kiến trúc nổi tiếng lẫy lừng ở Bắc Kinh thời nhà Minh như Cố Cung, Minh Trường Thành, sơn trang nghỉ mát Thừa Đức, Đông Lăng và Tây Lăng (nhà Thanh)… đều sử dụng loại vật liệt đặc biệt này, trải qua ngàn năm vẫn được bảo tồn nguyên vẹn.

Để tối ưu hóa khả năng kết dính, ngoài cơm nếp người ta còn trộn thêm những nguyên liệu khác như lòng trắng trứng và đường đỏ… Sau khi trộn đều, họ đúc thành những viên gạch lớn để xây tường. Độ bền chắc của nó đôi khi còn lớn hơn cả xi măng hiện đại. Tuy nhiên loại vữa gạo nếp vẫn là một trong những loại nguyên liệu thượng đẳng, cao cấp, chỉ hoàng gia mới có thể sử dụng, không được phổ biến rộng rãi như bùn, vôi vữa.

Ngày nay khoa học phát triển nhưng chúng ta phải khâm phục người xưa với những kiến trúc này. Có cả những điều mà ngày nay vẫn học tập. Đặc biệt là nguyên liệu giúp các công trình còn mãi với thời gian.

Chân Tâm t/h
Tham khảo: DKN, Epoch Times Việt
Banner Visaoconhanloai Footer 5 1920x466 19

Xem thêm:

 

Xem thêm

- Quảng cáo -spot_img

Xem nhiều