रोमन काँक्रीट

सुमारे दोन हजार वर्षांपूर्वी होऊन गेलेल्या रोमन साम्राज्यानं मोठा भूभाग व्यापला होता. या रोमन साम्राज्याच्या खुणा आजही युरोपात भूमध्य सागराजवळच्या देशांत, तसंच उत्तर आफ्रिका आणि पश्चिम आशिआतल्या अनेक भागांत, त्याकाळच्या वैशिष्ट्यपूर्ण बांधकामांच्या स्वरूपात दिसून येतात. यांत रोमन लोकांनी बांधलेल्या रस्त्यांचा, बंदरांचा, जलवाहिन्यांचा आणि भव्य इमारतींचा समावेश आहे. यांतील अनेक बांधकामं, सर्व ऋतूंना प्रदीर्घ काळ तोंड देऊन आतापर्यंत शाबूत राहिली आहेत. आजही दिमाखात उभ्या असलेल्या पॅन्थिऑनसारख्या प्रचंड वास्तू, हे अशा बांधकामांचं उत्तम उदाहरण आहे. ही बांधकामं इतका दीर्घकाळ टिकून राहण्यामागे, या बांधकामांत वापरलेल्या काँक्रिटचा मजबूतपणा, हे महत्त्वाचं कारण आहे. या काँक्रिटच्या मजबूतपणाचं रहस्य शोधण्याचा प्रयत्न शास्त्रज्ञांकडून दीर्घकाळ होतो आहे. शास्त्रज्ञांच्या या प्रत्यत्नांना आता यश आलं आहे. अमेरिकेतल्या मॅसेच्यूसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी या संस्थेतील लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, या बांधकामांत वापरलेल्या काँक्रिटला हा दीर्घकाळ टिकलेला बळकटपणा कशामुळे लाभला, ते शोधून काढलं आहे. लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांचं हे संशोधन ‘सायन्स अ‍ॅडव्हान्सेस’ या शोधपत्रिकेत अलीकडेच प्रसिद्ध झालं आहे.

आजचं काँक्रीट हे सिमेंट, खडी, रेती, इत्यादी पदार्थांच्या मिश्रणापासून बनलेलं असतं. यापैकी सिमेंट हे चुनखडी, चिकणमाती, यासारख्या विविध घटकांचं मिश्रण तेराशे-चौदाशे अंश सेल्सिअस इतक्या उच्च तापमानाला भाजून तयार केलं जातं. जेव्हा हे मिश्रण पाण्याच्या संपर्कात येतं, तेव्हा विविध रासायनिक क्रियांद्वारे या मिश्रणाला घट्टपणा येऊ लागतो. रोममधील बांधकामांत वापरलेलं काँक्रीट काहीसं वेगळ्या प्रकारचं होतं. हे काँक्रीट बनवताना, त्यात ज्वालामुखीतून उत्सर्जित झालेली राख मिसळली जायची. ही ज्वालामुखीजन्य राख मुख्यतः नेपल्सच्या उपसागराजवळील पॉत्झुओली येथून आणली जात होती. रोमन काँक्रिटचा दीर्घकालीन मजबूतपणा हा, त्याच्यातील या ज्वालामुखीजन्य राखेमुळे आला असल्याचा आतापर्यंत समज होता. लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी केलेल्या संशोधनानुसार मात्र ज्वालामुखीतली राख नव्हे तर, एक वेगळाच अनपेक्षित पदार्थ या काँक्रिटला दीर्घकालीन बळकटी देण्यास कारणीभूत ठरला असल्याचं दिसून आलं आहे!

लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी आपलं संशोधन, इटलीतील रोम जवळच्या ‘प्रायवेर्नम’ या पुरातन शहरातील अवशेषांवर केलं. त्यासाठी त्यांनी इथून गोळा केलेल्या एकूण दहा नमुन्यांचा वापर केला. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकासारख्या साधनांचा वापर करून, तसंच क्ष-किरणांवर आधारलेल्या उपकरणांद्वारे या काँक्रिटची रासायनिक आणि भौतिक जडणघडण त्यांनी व्यवस्थितपणे अभ्यासली. या अभ्यासात त्यांना या रोमन काँक्रिटमध्ये कॅल्शिअमयुक्त गुठळ्या आढळून आल्या. या गुठळ्यांत कॅल्शियमच्या रसायनांचं अस्तित्व तर दिसून आलंच, पण त्याचबरोबर या गुठळ्यांत अ‍ॅल्युमिनिअम, सिलिकॉन, ही मूलद्रव्यंही अस्तित्वात होती. वर्णपटशास्त्रावर आधारलेल्या निष्कर्षांनुसार, या गुठळ्या उच्च तापमानाला निर्माण झाल्या असल्याचं दिसत होतं. या गुठळ्यांच्या स्वरूपावरून या काँक्रिटमध्ये, चुनकळीचा थेटरीत्या वापर केला गेला असल्याची शक्यता या संशोधकांना दिसून आली. मात्र, त्याचबरोबर काँक्रिटच्या घटकांचं मिश्रण योग्यरीत्या न केल्या गेल्यानं, या गुठळ्या राहिल्या असण्याची शक्यताही व्यक्त केली गेली. परंतु इतक्या मोठ्या प्रमाणावर, भव्य बांधकामं करणाऱ्या रोमन तंत्रज्ञांकडून अशी सदोष मिश्रणं तयार होणं, शक्यच नव्हतं. त्यामुळे या गुठळ्यांचाच या काँक्रिटला बळकट करण्यात सहभाग असावा, अशी शक्यता या संशोधकांना वाटली. साहजिकच या संशोधकांनी पुढील प्रयोगांत आपलं लक्ष या गुठळ्यांवर केंद्रित केलं. या पुढच्या प्रयोगांसाठी या संशोधकांनी प्रथम रोमन काळातलं जुनं लिखाण अभ्यासून, त्यावरून प्रयोगासाठी वापरण्याच्या काँक्रिटचं स्वरूप निश्चित केलं.

यानंतर त्यांनी रोमन काँक्रिटवर आधारलेली रासायनिक घडण असलेलं काँक्रीट तयार केलं. या काँक्रिटमध्ये त्यांनी पंधरा टक्क्यांपर्यंत वेगवेगळ्या प्रमाणात चुनकळीचा वापर केला. आश्चर्य म्हणजे, आता बनवलेल्या या काँक्रिटच्या विविध नमुन्यांचं निरीक्षण केल्यानंतर, या संशोधकांना या काँक्रिटमध्येही कॅल्शिअमयुक्त गुठळ्या निर्माण झालेल्या आढळल्या. याचा अर्थ, या गुठळ्या काँक्रिटच्या मिश्रणातील त्रुटीमुळे निर्माण झाल्या नव्हत्या, तर त्या या रोमन काँक्रिटमध्ये घडून आलेल्या रासायनिक प्रक्रियेचाच एक भाग होता. या काँक्रिटमध्ये घडून येणाऱ्या विविध रासायनिक क्रिया लक्षात घेताच, या गुठळ्यांच्या निर्मितीमागचं कारणही स्पष्ट झालं; तसंच रोमन काळात काँक्रिटमध्ये चुनकळीचा थेट स्वरूपात वापर केला जात असल्याचंही नक्की झालं. चुनकळी म्हणजे कॅल्शिअम ऑक्साइड. काँक्रीट तयार करताना जेव्हा ही चुनकळी पाण्याच्या संपर्कात यायची, तेव्हा तिचं रूपांतर कॅल्शिअम हायड्रोक्साइडमध्ये व्हायचं. ही रासायनिक क्रिया घडून येताना, मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जा निर्माण होऊन स्थानिक स्वरूपाचं उच्च तापमान निर्माण व्हायचं – दोनशे अंश सेल्सिअसहून अधिक. या स्थानिक स्वरूपाच्या उष्ण परिस्थितीमुळे, या कॅल्शिअमयुक्त गुठळ्या निर्माण होत होत्या.

आपल्या प्रयोगांतील पुढच्या टप्प्यांत लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी रोमन पद्धतीनुसार बनवलेल्या काँक्रिटचे, दहा सेंटिमीटर लांबी आणि दहा सेंटिमीटर व्यास असणारे, सिलिंडरच्या आकारातले ठोकळे तयार केले. हे ठोकळे त्यानंतर उभ्या दोन भागांत कापण्यात आले व दोन्ही भाग पुनः एकमेकांच्या अगदी जवळ ठेवण्यात आले. आता या दोन भागांत फट निर्माण झाली होती. ही फट मिलिमीटरच्या काही भागाइतक्याच रुंदीची होती. त्यानंतर ताशी सुमारे तीस लीटरपर्यंतच्या गतीनं या ठोकळ्यांतील फटींतून पाणी सोडण्यात आलं. या प्रयोगात, तीस दिवसांपर्यंत हे पाणी वाहतं ठेवलं गेलं. मात्र दोन ते तीन आठवड्यांच्या दरम्यान या भेगांतून पाणी पुढे जाणं थांबत असल्याचं दिसून आलं. या ठोकळ्यांच्या सूक्ष्मदर्शकाद्वारे केलेल्या निरीक्षणांतून, चुनकळीपासून बनवलेल्या या रोमन काँक्रिटमधील फटी पूर्णपणे बुजल्या असल्याचं दिसत होतं. हेच प्रयोग (थेट स्वरूपातली) चुनकळी न वापरता बनवलेल्या, अशाच प्रकारच्या क्राँक्रिटच्या ठोकळ्यांवर केल्यानंतर मात्र, या पाण्याच्या प्रवाहाला कोणताच अटकाव होत नसल्याचं दिसून आलं!

आधुनिक काँक्रिटमध्ये पन्नास-साठ वर्षांतच भेगा निर्माण होतात. रोमन काँक्रीट मात्र गेली दोन हजार वर्षं टिकून राहिलं आहे. या काँक्रिटमधील भेगा, हे काँक्रीट स्वतःच बुजवत असल्याचं, या प्रयोगांवरून दिसून आलं आहे. आजच्या आधुनिक काँक्रिटमध्ये निर्माण होणाऱ्या भेगा जर पाव मिलिमीटरपेक्षा जास्त रुंद असल्या, तर त्या भरून येत नाहीत. या उलट रोमन काँक्रिटमधल्या, अर्ध्या मिलिमीटरपेक्षा मोठ्या भेगाही सहजपणे भरून येत असल्याचं लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी केलेल्या विविध प्रयोगांनी दाखवून दिलं. या ठोकळ्यांचं त्यानंतर पुनः तपशीलवार निरीक्षण करण्यात आलं व त्यातून या पुरातन काळातील काँक्रिटमध्ये घडून येत असलेली, भेगा बुजवण्याची क्रिया स्पष्ट झाली. काँक्रिटला भेग पडली की बाहेरचं पाणी त्या भेगेतून आत शिरतं. हे पाणी एखाद्या गुठळीपर्यंत पोचलं की, त्या गुठळीतलं कॅल्शिअम हायड्रोक्साइड त्या पाण्यात विरघळतं. अल्प काळातच, हवेतील कार्बन डायऑक्साइडमुळे या कॅल्शिअम हायड्रोक्साइडचं रूपांतर कॅल्शिअम कार्बोनेटमध्ये होतं. कॅल्शिअम कार्बोनेट पाण्यात कमी प्रमाणात विरघळत असल्यानं त्याचं स्फटिकीकरण सहजपणे होऊन, या स्फटिकांद्वारे ती भेग बुजवली जाते. रोमन काँक्रिटमध्ये आढळलेल्या या गुठळ्या, फटी बुजवण्याचं महत्त्वाचं काम पार पाडत होत्या!

लिंडा सिमोर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी आता, या टिकावू काँक्रिटचं व्यावसायिक स्तरावरचं उत्पादन शक्य होण्याच्या दृष्टीनं आपलं संशोधन सुरू केलं आहे. कदाचित या काँक्रिटमध्ये त्यासाठी थोडेफार बदलही करावे लागतील. जर अशा काँक्रिटची व्यावसायिक स्तरावरची निर्मिती शक्य झाली तर भविष्यात, पुरातन रोमन काँक्रिटचं एखाद्या नव्या अवतारात पुनरागमनही होईल. रोमन काँक्रिटच्या दीर्घकाळाच्या टिकावूपणामुळे, बांधकामांचा आयुष्यकाळ वाढून काँक्रिटची गरजही कमी होऊ शकते. काँक्रिटमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सिमेंटची निर्मिती ही वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइडमध्ये मोठ्या प्रमाणावर भर घालत असल्याचं लक्षात घेता, भविष्यात हे रोमन काँक्रीट कदाचित बांधकाम उद्योगामध्ये महत्वाची भूमिकाही बजावू शकेल.

(छायाचित्र सौजन्य – Roberta Dragan / Wikimedia / Linda M. Seymour, et al)