Gần 2.000 năm đã trôi qua, Đấu trường La Mã (Colosseum) và Điện Pantheon vẫn đứng vững, bất chấp những trận động đất, thiên tai lũ lụt và các cuộc xung đột quân sự.
Bên trong bức tường xây lên từ đá và vữa của Đấu trường La Mã, du khách có thể ngắm nhìn một không gian rộng rãi, từ đó tưởng tượng về cảnh đám đông náo nhiệt hơn 50.000 người từng ngồi kín trên khán đài xem các trận tỉ thí đẫm máu của võ sĩ giác đấu, những buổi rước lễ xa hoa hay các cuộc đua song luân chiến xa.
Địa điểm này có lễ ra mắt hoành tráng vào năm 80 sau Công nguyên, với 100 ngày liên tục tổ chức các trận đấu tàn khốc, hạ sát khoảng 9.000 con thú.
Có chiều cao tương đương tòa nhà bốn tầng và bề rộng ở điểm rộng nhất là 188m, cấu trúc hình bầu dục này cho đến nay vẫn giữ vững ngôi vương là nhà hát ngoài trời lớn nhất thế giới.
Được xây sau Colosseum chừng 40 năm, Điện Pantheon có mái vòm gây ấn tượng cực kỳ mạnh mẽ. Mái vòm hình bán cầu với đường kính 43m và ở phần đỉnh là cửa sổ giếng trời tròn như con ngươi, nơi ánh sáng tự nhiên ùa vào tràn ngập lòng nhà bên dưới.
Tên gọi của điện "Pantheon" được kết hợp từ các từ Hy Lạp "tất cả" và "các vị thần", có nghĩa là ngôi đền thờ các vị thần, cho thấy đây là công trình này có chức năng tôn giáo. Nhưng một số nhà sử học cho rằng ngôi đền này được xây dựng chủ yếu là để tỏ lòng tôn kính các vị hoàng đế La Mã.
Bất chấp sự tàn phá của thời gian, mái vòm hình bán cầu đầy tính biểu tượng vẫn nguyên vẹn và vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới.
Nói đến việc xây dựng những công trình lớn thì người La Mã hiểu rất rõ họ làm những gì.
Gần 2.000 năm sau khi được xây cất, hai công trình kiến trúc khổng lồ và đáng kinh ngạc về mặt kỹ thuật này đã đứng vững qua các trận động đất, lũ lụt và xung đột quân sự, tồn tại lâu dài hơn đế chế đã sinh ra chúng và trở thành biểu tượng của ảnh hưởng lâu dài văn hóa La Mã trên toàn cầu.
Nhưng làm thế nào mà người La Mã cổ đại lại hoàn thành được công trình kiến trúc đồ sộ, lâu đời đến vậy?
Bê tông 'vĩnh cửu' của người La Mã
Các kỹ sư và các nhà khoa học chuyên nghiên cứu vật liệu ngày nay vẫn đang nghiên cứu các cấu trúc La Mã, và họ nói rằng bí quyết nằm ở sự kết hợp giữa thiết kế khéo léo với công thức trộn bê tông sáng tạo, loại vật liệu cực kỳ bền và dễ thích ứng vẫn được sử dụng rộng rãi khắp thế giới hiện đại.
Mặc dù người La Mã không phát minh ra bê tông, nhưng họ chắc chắn đã nâng tầm cho việc sử dụng bê tông để xây cất các công trình.
Việc đúc bê tông vào khuôn cho phép các kiến trúc sư La Mã tạo ra được hầu hết mọi hình khối họ có thể tưởng tượng ra, miễn là họ tạo được khuôn gỗ thích hợp để đúc hỗn hợp đá và xi măng thành những hình khối mong muốn.
Tuy nhiên, những khung cửa vòm, khung vòm cuốn và mái vòm vốn là những nét đặc trưng của các tòa nhà La Mã thì không chỉ là sản phẩm của trí tưởng tượng bay bổng.
Là công trình có mái vòm đổ bằng bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới,
Điện Pantheon là bằng chứng cho thấy kỹ thuật xây dựng siêu việt của người La Mã cổ đại
Những cách thể hiện đỉnh cao về xây dựng của Đế chế La Mã khiến du khách hiện đại cần có "cách tiếp cận kỹ thuật", Renato Perucchio, kỹ sư cơ khí tại Đại học Rochester ở New York, nói. "Người La Mã đã thực hiện những phân tích tinh vi để cho ra những thiết kế thế này, và các bản thiết kế sau đó được thi công với một quá trình xây dựng cực kỳ cẩn thận."
Loại bê tông được dùng để xây nên các công trình này cũng rất độc đáo và được cân nhắc lựa chọn hết sức cẩn thận.
Bê tông La Mã được pha trộn theo công thức khác với bê tông hiện đại. Các nhà nghiên cứu sau khi phân tích thứ vật liệu cổ này nói rằng các loại vật liệu xây dựng được dùng để tạo ra bê tông dường như đã giúp các công trình chống chọi rất tốt nguy cơ xuống cấp.
Ngày nay, hầu hết bê tông được tạo thành từ xi măng portland - hỗn hợp gồm cát silica, đá vôi, đất sét, đá phấn và các khoáng chất khác được nung ở nhiệt độ 2.000C rồi nghiền thành bột mịn - và đá vụn hoặc cát, được gọi là cốt liệu.
Việc trộn cốt liệu đá với kích thước khác nhau, từ mịn như cát đến sỏi hay to như đá vụn, với xi măng sẽ làm bê tông chắc hơn và tiết kiệm xi măng.
Cuối cùng, nước được cho vào để trộn đều hỗn hợp này, tạo phản ứng hóa học trong xi măng để dính kết các thành phần lại với nhau.
Thường thì cốt liệu trong bê tông hiện đại được lựa chọn cẩn thận để đạt độ trơ càng cao càng tốt, nhằm tránh tình trạng xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học không mong muốn nào sau khi phản ứng ban đầu kết thúc, bởi những phản ứng xảy ra sau đó sẽ thường làm nứt rạn hoặc làm suy yếu bê tông.
Vậy nhưng bê tông La Mã lại là một hỗn hợp đơn giản gồm vôi sống làm từ đá vôi được nung nóng rồi nghiền vụn, trộn với thành phần quan trọng nhất là các loại đá núi lửa khác nhau, vốn có rất sẵn ở khu vực xung quanh Rome.
Trái ngược với cốt liệu dùng trong bê tông hiện đại, những vật liệu núi lửa được người La Mã sử dụng có tính phản ứng cao, và kết quả là bê tông vẫn tiếp tục có những phản ứng hoá học bên trong nhiều thế kỷ sau khi đã qua giai đoạn đông cứng ban đầu.
"Xi măng portland ngày nay được sản xuất ra nhằm không tạo thay đổi hóa học sau khi trộn thành bê tông, và nếu chúng thay đổi thì thường sẽ có tác động xấu," Marie Jackson, nhà địa chất học từ Đại học Utah, người đã nghiên cứu bê tông La Mã trong nhiều thập kỷ, nói.
"Người La Mã muốn bê tông của họ tiếp tục có phản ứng sau khi đã đông cứng. Họ chọn một loại cốt liệu có thể tiếp tục tham gia vào quá trình bê tông hóa theo thời gian."
Trái ngược với bê tông hiện đại, khả năng phản ứng liên tục này cho phép bê tông La Mã trở nên cứng hơn theo thời gian.
Những phản ứng hóa học lâu dài này có thể có tác dụng gia cố các vết rạn nứt nhỏ vốn thường xuất hiện giữa các mảnh cốt liệu và xi măng liên kết, khiến các vết nứt đó không toác ra lớn hơn. Nhờ khả năng tái tạo này, phát sinh từ phản ứng hoá học của các loại khoáng chất có trong đá núi lửa, mà bê tông La Mã rất bền vững.
"Chắc chắn là ngày nay chúng ta có thể sản xuất được bê tông với độ cường lực lớn hơn, nhưng vậy thì sao?" Perucchio nói. "Các công trình xây bằng bê tông hiện đại có thể tồn tại được 100 năm nếu được bảo trì, nhưng một số công trình kiến trúc La Mã đã tồn tại cả nghìn năm mà không hề có cốt thép bên trong."
Người La Mã đã rất tài tình với việc làm giếng trời hình con ngươi
trên đỉnh vòm để lấy ánh sáng tự nhiên cho phần bên trong Điện Pantheon
Mặc dù các nhà nghiên cứu trong nhiều năm đã nghi ngờ rằng chính việc cho thêm các khoáng chất núi lửa đã khiến cho bê tông La Mã 'trường tồn', nhưng phải đến năm 2014, Jackson và những người khác mới tiết lộ thành phần hóa học chính xác được dùng đến.
Trong nghiên cứu của mình, họ đã thử nghiệm một hỗn hợp bê tông dựa trên những gì từng được sử dụng để xây dựng khu Chợ Trajan ở Rome, và quan sát sự tăng trưởng của các tinh thể dạng đĩa thuộc khoáng chất strätlingite, nằm ở "vùng bề mặt chung", tức là bề mặt tiếp giáp giữa các mảnh đá núi lửa và xi măng vốn được dùng để tạo kết dính giữa các thành phần trong hỗn hợp tạo thành bê tông.
Các nhà nghiên cứu viết rằng những tinh thể này làm vững chắc thêm khu vực "vùng bề mặt chung", nơi thường có độ liên kết yếu nhất trong các loại bê tông làm bằng xi măng portland, và đem lại cho bê tông La Mã khả năng chống rạn nứt tốt hơn.
Gần đây, một nghiên cứu mới của Jackson và những người khác được công bố vào mùa thu 2021 cho thấy tinh thể strätlingite không phải là sản phẩm phụ duy nhất giúp cho bê tông duy trì phản ứng hoá học liên tục và duy trì được độ bền vững.
Nhóm nghiên cứu đã xem xét mẫu bê tông lấy từ ngôi mộ hình trụ cao 21m của một nữ quý tộc La Mã tên là Caecilia Metella, được xây vào khoảng năm 30 trước Công nguyên, nằm gần con đường La Mã cổ đại, Đường Appian. Loại bê tông này hóa ra được làm bằng đá núi lửa có chứa nhiều khoáng chất giàu kali, gọi là leucite.
Trong suốt 2.000 năm sau khi được xây, mưa và nước ngầm đã thấm vào các bức tường của lăng mộ và hòa tan leucit, giải phóng kali vào bê tông. Trong bê tông hiện đại, khi bị ngấm kali, bê tông sẽ tạo ra các chất keo giãn nở, gây rạn nứt và khiến công trình xây dựng bị xuống cấp.
Nhưng Jackson và các đồng nghiệp của bà phát hiện ra rằng hoạt động gây phản ứng hoá học của các khoáng chất núi lửa có trong bê tông La Mã đã tạo điều kiện để cho ra một kết quả khác.
Kali hòa tan cuối cùng phản ứng hoá học để tái cấu trúc ra "keo" hóa học, tạo thành khung cốt để bê tông đạt độ cứng chắc, giúp duy trì và nâng cao độ bền của vật liệu, tuy mẫu bê tông này có tỷ lệ chất strätlingite ít hơn đáng kể so với mẫu bê tông mà nhóm đã lấy từ Chợ Trajan để quan sát.
Về lý do tại sao bê tông La Mã có tuổi thọ dài thì dường như có cách giải thích hơi khác nhau đối với hai trường hợp này.
Linda Seymour, người đã thực hiện nghiên cứu khi đang hoàn thành chương trình tiến sĩ tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ, cho biết một phần là "những cấu trúc này được xây dựng trong những môi trường khác nhau, dẫn đến áp dụng các quá trình phản ứng hoá học khác nhau".
Seymour nói rằng những khác biệt cũng có thể được giải thích bởi "các thành phần hóa học khác nhau của các cốt liệu mà người La Mã sử dụng - nhưng có một điểm chung xuyên suốt là việc liên tục có phản ứng hoá học bên trong khiến cho bê tông được tái định hình theo thời gian."
Chợ Trajan, công trình xây dựng từ thời cổ đại ở Rome bằng đá đỏ và bê tông,
thường được gọi là 'trung tâm mua sắm đầu tiên trên thế giới'
Sự đa dạng hóa học trong bê tông La Mã nhiều khả năng cho thấy không phải mọi hình thức họ thử nghiệm đều đem đến kết quả tốt như nhau, nhưng Đấu trường La Mã và Điện Pantheon là hai minh chứng không thể chối cãi về sự thành công của vật liệu mà họ sử dụng.
Đấu trường La Mã (Colosseum)
Tại Đấu trường La Mã, bê tông không nhất thiết phải là thứ quan trọng nhất, nhưng nó đã đóng một vai trò không thể thiếu đối với khả năng trụ vững theo thời gian của công trình này.
Vật liệu nổi bật nhất tại Đấu trường La Mã là travertine, một loại đá vôi tồn tại dưới dạng trầm tích ở các suối nước khoáng, đặc biệt là suối nước nóng.
Tuy nhiên, bê tông mới là thứ tạo ra và duy trì những khung cổng vòm trên cao đầy tính biểu tượng của đấu trường.
Vậy nhưng có lẽ đóng góp đáng kể nhất của bê tông vào tuổi thọ của Đấu trường La Mã lại là điều không nhìn thấy được.
"Là du khách tới tham quan, bạn không nhìn thấy, nhưng điều giúp cho Colosseum vẫn đứng vững chính là phần nền móng bê tông cực kỳ vững chắc của nó," Jackson nói. Nền bê tông được làm bằng cốt liệu đá nham thạch nặng, dày đặc và dày tới 12m, bà cho biết thêm. Nếu không có một vật liệu bền như vậy đỡ ở phần nền móng, Đấu trường La Mã có lẽ đã hoàn toàn biến thành đống đổ nát sau các trận động đất trong khu vực.
Mái vòm Điện Pantheon: Kiệt tác và những câu hỏi chưa lời giải đáp
Không có chuyến đi nào đến Rome có thể coi là đã hoàn thành nếu thiếu đi phần ghé thăm Đấu trường La Mã, nhưng với những người muốn tìm hiểu về đỉnh cao trong kỹ thuật sử dụng bê tông để xây dựng thời cổ đại, thì Perucchio nói rằng mái vòm bê tông không cốt thép của Đền thờ các vị thần, Pantheon, là điều không thể bỏ qua.
Bên trong khu vực có mái vòm của Pantheon, khoảng cách từ sàn đến đỉnh mái vòm hầu như trùng khớp với đường kính 43m của mái vòm, khiến người đứng bên trong dễ liên tưởng tới một khối cầu khổng lồ, hoàn hảo có thể được đặt vừa gọn bên trong không gian đó. Khi nói đến mái vòm của đền Pantheon, "không được gia cố" thực sự là từ đắt giá.
Perucchio nói rằng nếu một kiến trúc sư thử tìm cách xây dựng Điện Pantheon ngày nay, kế hoạch sẽ bị bác bỏ vì nếu không có khung cốt, chẳng hạn như các thanh thép thường được sử dụng trong kết cấu bê tông hiện đại, mái vòm sẽ vi phạm quy tắc kỹ thuật dân dụng hiện đại.
Nhiều công trình, đài tưởng niệm ở Rome đã tồn tại được rất lâu
so với đế chế xây dựng nên chúng
"Mái vòm tạo ra độ căng giãn chịu lực rất cao, nhưng nó đã tồn tại được 19 thế kỷ," Perucchio nói. "Từ đó, bạn có thể rút ra một trong hai kết luận: hoặc là lực hấp dẫn của Trái Đất trong thời La Mã hoạt động khác so với bây giờ; hoặc là có những kiến thức mà chúng ta đã đánh mất."
Ngoài đặc tính hóa học độc đáo của bê tông, các kiến trúc sư La Mã xây dựng nên đền Pantheon đã áp dụng vô số thủ thuật để đạt được công trình ưng ý.
Có hai thủ thuật như thế đã được dùng, nhằm làm cho các bức tường của mái vòm có trọng lực nhẹ nhất có thể.
Trong quá trình xây dựng, bê tông tạo nên phần trần của hình bán cầu, mái vòm của tòa nhà phải được đổ khuôn dần dần từ phần đáy lên phần trên, trong những khung gỗ được sắp xếp thành các vòng tròn đồng tâm tiếp nối nhau.
Để giảm bớt lực căng giãn rất lớn mà Perucchio nhắc tới, các thợ xây đã dùng các loại chất liệu đá núi lửa có trọng lượng nhẹ dần làm cốt liệu khi đổ khuôn cao dần cho tới phần đỉnh mái vòm, và vật liệu này cũng giúp cho các bức tường trở nên mỏng hơn.
Ở phần chân, rộng nhất của mái vòm, trong thành phần bê tông có các khối lớn đá bazan nặng để tăng độ bền, và nơi này dày khoảng 6m.
Thế nhưng ở phần 'mắt vòm' trên cùng nơi tạo thành giếng trời từ đỉnh mái, cốt liệu được sử dụng là loại đá bọt thoáng khí, nhẹ đến mức có thể nổi trong nước, chỉ dày khoảng 2m.
Thủ pháp thứ hai có thể được nhìn thấy ở tất cả mọi nơi ở phần bên trong của mái vòm.
Phần nội thất cong của trần nhà được bao phủ bởi các hình chữ nhật rỗng được gọi là khung trần (coffer). Những chiếc khung này đẹp đến mức mê hoặc, nhưng chúng tồn tại không đơn giản chỉ vì mục đích thẩm mỹ. Chúng giúp giảm lượng bê tông cần thiết để tạo nên mái vòm và làm cho phần mái nhẹ hơn, nhờ đó làm giảm độ căng giãn.
"Điện Pantheon là một nơi kỳ diệu," Perucchio nói. "Tôi đã đến đó không biết bao nhiêu lần, nhưng lần nào tôi cũng thấy vô cùng ngưỡng mộ kiến trúc và kỹ thuật xây dựng nên ngôi đền này. Tôi coi đây là một trong những công trình kiến trúc tuyệt đẹp nhất từng được xây cất."
Ở Pantheon, bê tông đã đạt được hình thức tuyệt vời nhất của nó - một cuốn sách về cấu trúc tuyên bố nó là "sự vinh quang của bê tông".
Tuy nhiên Admir Masic, nhà khoa học vật liệu tại MIT và là đồng tác giả của nghiên cứu năm 2021, nói rằng trong thế giới hiện đại, bê tông là thứ "hơi xấu xa" tuy chúng có thể đem lại những điều hữu ích, thậm chí đẹp đẽ. Đó là bởi vì việc sản xuất xi măng portland dùng trong bê tông ngày nay được cho là nguồn xả ra ít nhất 8% lượng khí thải carbon toàn cầu.
Nền móng bê tông sâu dưới đất của Đấu trường La Mã đã giúp công trình này
trụ vững được qua rất nhiều trận động đât từng xảy ra ở khu vực
Masic và Jackson đang nghiên cứu bê tông La Mã với mục tiêu làm cho bê tông ngày nay thân thiện hơn với môi trường.
Masic cho biết ưu điểm lớn nhất của bê tông La Mã là chất tạo kết dính có nguồn gốc từ đá vôi chỉ cần nung ở nhiệt độ khoảng 900C, trong khi xi măng portland ngày nay cần nung ở nhiệt độ gần 1.450C.
Chỉ riêng điều này đã khiến bê tông La Mã có khả năng làm giảm đáng kể lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất bê tông.
Masic nói vật liệu bền hơn cũng cho phép chúng ta thay thế cơ sở hạ tầng ở mức độ ít thường xuyên hơn.
"Hãy tưởng tượng chúng ta bắt đầu xây dựng các cơ sở hạ tầng tồn tại được 500 năm thay vì 100 năm, và ta bổ sung đặc tính tự phục hồi của bê tông La Mã vào mọi dự án mình thực hiện," Masic nói.
"Chúng ta sẽ bán được ít bê tông hơn, nhưng đó chính là vấn đề ta đang gặp trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng hiện tại của chúng tôi. Xây dựng những thứ tồn tại được lâu hơn có lẽ là cách đơn giản nhất để cải thiện tính bền vững."
BBC Travel
(Nguồn hình ảnh, Getty Images)
