रोमन कंक्रीट हजारों साल तक कैसे टिका? 1,900 साल पुराने शौचालय से मिले सुराग

• Hadrian's Villa के 1,900 साल पुराने सामुदायिक शौचालय के नमूने दिखाते हैं कि टिकाऊपन में मौजूदा pozzolanic reaction के अलावा लंबे समय की carbonation ने भी योगदान दिया
• वातावरण में मौजूद carbon dioxide जब कंक्रीट के calcium compounds से प्रतिक्रिया करती है, तो कठोर calcite बनता है, जो छोटी दरारों और pores को भर देता है
• जिस शौचालय की सीटों के नीचे से नमूने लिए गए थे, उनमें restoration या बदलाव लगभग नहीं हुआ था; microscope, X-ray और chemical analysis से जांच में calcite मुख्य binder के रूप में पुष्टि हुई
• अगर 2023 की study ने quicklime से बचे calcium deposits और पानी की प्रतिक्रिया से self-healing को समझाया था, तो यह नई study carbonates की मुख्य भूमिका का समर्थन करती है
• दुनिया के carbon dioxide emissions के लगभग 8% के लिए जिम्मेदार concrete production में इस durability principle को लागू किया जाए, तो कम पर्यावरणीय बोझ वाले और लंबे समय तक चलने वाले construction materials के विकास में मदद मिल सकती है

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1,900 साल तक सुरक्षित रहे कंक्रीट का विश्लेषण

• Italy में लगभग 2,000 साल तक टिके concrete buildings, roads और aqueducts अब भी मौजूद हैं, लेकिन modern concrete आम तौर पर लगभग 100 साल के भीतर टूटने लगता है
• पहले माना जाता था कि volcanic ash का lime और water के साथ प्रतिक्रिया करना, यानी pozzolanic reaction, Roman concrete की लंबी उम्र बनाने वाली मुख्य प्रक्रिया थी
• शोधकर्ताओं ने Rome से लगभग 17 miles पूर्व में स्थित UNESCO World Heritage site Hadrian's Villa के सामुदायिक शौचालय की जांच की
  • जिस शौचालय को restore करने की लगभग कोई वजह नहीं थी, उसने आधुनिक हस्तक्षेप से अछूते original concrete का अध्ययन करने का अवसर दिया
  • शौचालय की सीटों के नीचे से नमूने लेकर high-performance microscope, X-ray scans और chemical composition analysis किया गया
• नमूनों में उम्मीद के मुताबिक volcanic ash, lime और water के जुड़ने के संकेत मिले, लेकिन pores और cracks को करीब से देखने पर calcium, carbon और oxygen से बना calcite मुख्य binder निकला
• वातावरण में मौजूद carbon dioxide और कंक्रीट के भीतर calcium compounds के बीच होने वाली carbonation प्रक्रिया में calcium carbonate से भरपूर calcite बनता है
  • calcite छोटी दरारों और pores को भरकर समय के साथ संरचना को मजबूत करता है और क्षतिग्रस्त हिस्सों को अपने-आप सील करने में मदद करता है
  • शोध के नतीजे 8 जुलाई को journal Science Advances में प्रकाशित हुए

Self-healing principle और modern concrete की संभावना

• 2023 की study ने Roman concrete बनाने की प्रक्रिया में quicklime reaction से बचे calcium deposits पर ध्यान दिया था
  • ये deposits बारिश के पानी जैसे water से प्रतिक्रिया कर फिर से crystallize हो सकते हैं और खाली जगहों को भर सकते हैं
• नए नतीजे इस व्याख्या को मजबूत करते हैं कि carbonates कोई secondary component नहीं, बल्कि concrete के भीतर dynamic तरीके से काम करने वाला core element हैं
• Concrete दुनिया में सबसे ज्यादा इस्तेमाल होने वाली materials में से एक है, और इसके production process में दुनिया के greenhouse gas emissions के लगभग 8% के बराबर carbon dioxide निकलती है
• UN के अनुसार, 2050 में मौजूद रहने वाली इमारतों में से लगभग आधी अभी बनी नहीं हैं, इसलिए कम carbon footprint वाले construction materials विकसित करना महत्वपूर्ण है
• Roman concrete की long-term carbonation और crack-sealing principles को समझकर ज्यादा durable और कम environmental burden वाले modern infrastructure concrete के विकास में उपयोग किया जा सकता है

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Hacker News की राय

• जो लोग इससे परिचित नहीं हैं, उनके लिए राज़ lime cycle में है: quicklime (CaO), slaked lime (Ca(OH)2), limestone (CaCO3)
  आम तौर पर शुरुआत quicklime से होती है, और निर्माण के बाद ये तीनों पदार्थ मिश्रित अवस्था में रहते हैं। फिर सैकड़ों वर्षों तक हवा और बारिश के संपर्क में रहने पर इसका अधिकांश हिस्सा limestone में बदल जाता है। यह धीमा बदलाव पत्थर की संरचनाओं को self-healing क्षमता देता है और समय के साथ उन्हें और मज़बूत बनाता है
  lime putty नमी मिलने पर इतना क्षारीय होता है कि फफूंद के बढ़ने के लिए अनुकूल नहीं रहता, इसलिए नम वातावरण में भी यह फफूंद को दबाता है
  Portland cement आधारित concrete के विपरीत, lime अपने आप waterproof नहीं होता, लेकिन राख या टूटी हुई pottery/ceramic मिलाए गए Roman concrete में pozzolanic reaction के ज़रिए waterproofing आ जाती है, इसलिए माना जाता है कि इसे पानी के संपर्क वाले स्थानों पर इस्तेमाल किया जाता था
  lime प्राचीन पत्थर-आधारित निर्माण में व्यापक रूप से मिलता है, और इसकी breathability, workability और sustainability बहुत अच्छी है, लेकिन maintenance की ज़रूरत के कारण यह Portland cement से पीछे रह गया। बड़े ढाँचों के लिए modern concrete बेहतरीन है, लेकिन कम-से-कम putty और छोटे घरों के क्षेत्र में lime की वापसी देखना चाहूँगा
  https://en.wikipedia.org/wiki/Lime_(material)
  https://en.wikipedia.org/wiki/Roman_concrete
  https://en.wikipedia.org/wiki/Pozzolanic_activity#Reaction

  • क्या इस गुण का उपयोग करके बाथरूम में grout की जगह lime putty इस्तेमाल करने का कोई तरीका हो सकता है?
  • यह कहना कि Portland cement आधारित concrete waterproof होता है, स्पष्ट रूप से ग़लत है। अगर ऐसा होता, तो concrete sealer की ज़रूरत ही नहीं पड़ती
  • आज lime की तुलना में Portland cement को प्राथमिकता देने का एक और बड़ा कारण इसके सख्त होने की रफ़्तार है। lime को जमने में कई दिन लगते हैं, जबकि cement इससे तेज़ जमता है
  • Victorian दौर के ईंट के घरों में ईंटों के बीच का mortar, बाहरी plaster, और अंदर का lime plaster सब lime आधारित होता है, और मेरा घर भी लगभग 140 साल पुराना है
    lime लचीला होता है, इसलिए ऐसे घरों के लिए उपयुक्त है जिनकी नींव लगभग नहीं होती और जो लगातार थोड़ा-बहुत हिलते रहते हैं। इसकी breathability नमी कम करती है और indoor air quality भी बेहतर बनाती है। सूखने में घंटों की बजाय कई दिन या हफ्ते लगते हैं, इसलिए काम झंझट वाला हो जाता है, लेकिन लंबे समय में छोटे भवनों के लिए यह कहीं बेहतर सामग्री है। बस यह त्वचा पर लग जाए तो जलन या रासायनिक जलन कर सकता है

• Roman concrete, carbonation से सख्त होने वाले lime cement में pozzolan मिलाकर ऐसा बनाया गया था कि वह पानी में भी जम सके। इसलिए कुछ हद तक carbonation का जारी रहना आश्चर्यजनक नहीं है
  modern concrete में rebar के जंग लगने से दरारें पड़ती हैं, और अगर बहुत लंबी उम्र चाहिए तो fiberglass rebar इस्तेमाल किया जा सकता है या बिना rebar के भी निर्माण हो सकता है, लेकिन लागत अधिक होती है और दक्षता कम रहती है

  • stainless rebar महँगा होता है, लेकिन संरचना की उम्र काफ़ी बढ़ा देता है। Washington राज्य ने खारे पानी के ऊपर बनने वाले पुलों में इसका उपयोग अनिवार्य किया है, और सामग्री लागत बहुत अधिक होने पर भी कुल परियोजना लागत में बढ़ोतरी 10% से कम रहती है
    epoxy-coated rebar कुछ समय तक आशाजनक लगा था, लेकिन कटे हुए हिस्सों और जोड़ो से पानी घुस जाता है, इसलिए साइट पर हर जगह मरम्मत करनी पड़ती है और यह धीरे-धीरे बाहर हो रहा है। 1940 के दशक में साथ-साथ बने carbon steel rebar वाले pier और stainless rebar वाले pier की तुलना काफ़ी प्रभावशाली है
    https://worldstainless.org/wp-content/uploads/2025/02/ref19_...
  • concrete compression में मज़बूत और tension में कमज़ोर होता है, जबकि rebar इसका उलटा होता है, इसलिए दोनों को इस तरह मिलाया जाता है कि rebar tensile load ले और concrete compressive load संभाले। दोनों सामग्रियों का thermal expansion coefficient मिलता-जुलता होता है, इसलिए तापमान बदलने पर भी वे साथ काम करते हैं
    fiberglass को भी वही thermal expansion coefficient और पर्याप्त tensile strength के साथ डिज़ाइन किया जा सकता है, लेकिन अगर beam बिना rebar के बनाई जाए, तो क्या नीचे वाले हिस्से में, जहाँ tension पड़ता है, पहले दरारें नहीं आएँगी?
  • अगर अधिक टिकाऊ concrete आर्थिक रूप से अक्षम है, तो शायद यही वजह है कि concrete 100 साल बाद ढह जाता है

• modern concrete में rebar उपयोगी है, लेकिन अंततः उसमें भी corrosion होता है। अगर उम्र वास्तव में महत्वपूर्ण है, तो stainless rebar इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन आमतौर पर इमारत पहले ही कार्यात्मक रूप से पुरानी पड़ जाती है और उसके बदले जाने की संभावना अधिक होती है, इसलिए ऐसा नहीं किया जाता

  • rebar सिर्फ़ तब corrode होता है जब वह concrete से पूरी तरह घिरा न हो; concrete इस प्रतिक्रिया को रोकता है। उसका कुछ हिस्सा भी खुल जाए, तो समय के साथ वह अंततः जंग खाकर टूट जाता है
  • coated rebar और non-metallic rebar भी मौजूद हैं
  • stainless तक जाने की भी ज़रूरत नहीं; sacrificial anode का उपयोग भी किया जा सकता है: https://de.wikipedia.org/wiki/Opferanode
  • "कार्यात्मक रूप से पुरानी पड़ जाना" से क्या मतलब है, यह स्पष्ट होना चाहिए। ज़्यादातर ऊँची इमारतें reinforced concrete frame पर टंगे हुए glass की संरचनाएँ हैं, और अगर अंततः उन्हें वैसे ही किसी समान frame से बदलना है, तो मौजूदा frame को जितना संभव हो उतना लंबे समय तक बनाए रखते हुए केवल अंदरूनी हिस्से का नवीनीकरण करना अधिक तर्कसंगत लगता है

• अभी जो बहुत-सी concrete संरचनाएँ तेज़ी से विफल हो रही हैं, वे उस समय बनाई गई थीं जब material technology अभी नई थी। यह ज़रूरी नहीं कि अच्छी तरह design और construct किया गया modern high-performance polymer modified concrete भी वही समस्याएँ झेले
  Zypex paste जैसे additives से waterproofing और self-healing क्षमता बढ़ाई जा सकती है, और permeable formwork liner से सतह की density बढ़ाई जा सकती है या chemical hardener भी इस्तेमाल किए जा सकते हैं

  • सिर्फ़ सामग्री के नया होने की वजह नहीं, यह भी हो सकता है कि designer ज़रूरत से ज़्यादा creative रहे हों: https://edition.cnn.com/2025/05/15/style/432-park-avenue-sky...

• यह Grady Hillhouse द्वारा कवर किए गए Roman concrete के myth से जुड़ा है। आधुनिक chemistry high-performance water reducers जैसे कई admixtures के साथ ऐसी properties हासिल कर लेती है जिनकी Roman engineers कल्पना भी नहीं कर सकते थे, लेकिन modern concrete के कम टिकाऊ होने की एक वजह economics है
  structural engineers design requirements के लिए गैर-ज़रूरी चीज़ें हटा देते हैं, और lifespan भी कई मानकों में से सिर्फ़ एक है। Roman स्तर पर निर्माण करना शायद ही कभी असंभव होता है, लेकिन इसकी लागत आसानी से उस सीमा से ऊपर चली जाती है जिसे आम लोग तर्कसंगत मानें। Roman concrete के लंबे समय तक टिकने के पीछे यह भी था कि ऐसे आत्ममुग्ध सम्राट काफ़ी थे जो पूरी अर्थव्यवस्था को अपनी अमरता के लिए लगा सकते थे
  https://practical.engineering/blog/2019/3/9/was-roman-concre...

  • बढ़िया लिंक है, लेकिन Practical Engineering इसे खास तौर पर ‘myth’ नहीं कहता लगता। Roman concrete की high performance खुद कोई myth नहीं है, इसलिए यह बात ज़्यादा उचित लगती है
  • अगर 10 गुना ज़्यादा लागत देकर lifespan को 100 गुना या 1,000 गुना बढ़ाया जा सकता है, तो क्या उसका भुगतान करना सही नहीं होगा? शुरुआती लागत भले ज़्यादा हो, total cost of ownership (TCO) कम हो जाती है। अगर lifespan को जानबूझकर घटाने वाली engineering design पर भी काफ़ी पैसा खर्च हो रहा है, तो वह आखिरकार planned obsolescence के काफ़ी करीब है
  • यह भी कहा जाता है कि classical architecture अब लागत की वजह से नहीं बनती, लेकिन इसके इतने counterexamples हैं कि यह बात ज़्यादातर बढ़ा-चढ़ाकर कही गई लगती है। capitalism में स्वाभाविक झुकाव थोड़ा भी सस्ते विकल्प की ओर होता है, और styles के तेज़ी से बदलने के कारण हम अनजाने में कम lifespan को स्वीकार करने लगे हैं; साथ ही cars और बड़े overhang structures के लिए practical forms को प्राथमिकता देने का भी बड़ा असर है

• lime और natural hydraulic lime (NHL) का उपयोग करने वाला hempcrete, या Roman-style cement का एक प्रकार Baumit Trassitplus, ऐसे modern construction methods हैं जो इन सिद्धांतों का उपयोग करते हैं
  ये दूसरी विधियों की तुलना में carbon neutrality के ज़्यादा करीब हैं, इनकी thermal performance और wall breathability बेहतर होती है, और इन्हें सीधे site पर बनाना भी आसान है

  • hempcrete पारंपरिक concrete से बहुत कमज़ोर और कम सख्त होता है, इसलिए इसे मूलतः non-structural filler नहीं माना जाता?
    autoclaved aerated concrete का भी ज़िक्र किया जा सकता है। इसकी insulation ठीक होती है, यह अपेक्षाकृत eco-friendly है, हल्का है, काटना आसान है, और सीमित रूप से structural material के तौर पर भी इस्तेमाल हो सकता है

• engineering का लक्ष्य सिर्फ़ खड़ा रहने वाला पुल बनाना नहीं, बल्कि ऐसा पुल बनाना है जो आवश्यकताओं को बस-बस पूरा करे। 500 साल चलने वाला पुल क़ीमती संसाधनों की बर्बादी हो सकता है, इसलिए 100 साल का पुल बनाकर संसाधन बचाना बेहतर है
  100 साल बाद technology काफ़ी आगे बढ़ चुकी होगी और नया पुल बनाना बहुत आसान होगा; कम-से-कम India जैसे कई देशों में तो ऐसा ही माना जा सकता है

  • 500 साल चलने वाला पुल बुरा क्यों है? 500 साल पहले अच्छी तरह बनाए गए पुल आज भी पूरी तरह काम कर रहे हैं: https://en.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Segovia,_Madrid
  • यह दावा कि technology की प्रगति से 100 साल बाद पुल को कहीं ज़्यादा आसानी से फिर बनाया जा सकेगा, पिछले 200 सालों में भी सच नहीं रहा है
  • सिर्फ़ technology बदल जाने से लोग भारी लागत उठाकर पुराने पुल को गिराकर नया नहीं बनाते। कुछ ढाँचे ऐसे भी होते हैं जिन्हें दोबारा बनाया नहीं जा सकता या बनाया ही नहीं जाएगा, इसलिए शुरुआत से ही उन्हें टिकाऊ बनाना ज़्यादा मूल्यवान है
  • modern concrete में polypropylene जैसी plastic fibers, fly ash जो arsenic, lead, mercury का स्रोत हो सकती है, silica fume, formaldehyde, और यहाँ तक कि PFAS भी डाले जाते हैं
    ऐसे concrete को तोड़ना या modify करना environment और public health के लिए ख़तरा बन सकता है, इसलिए यह भविष्य के reconstruction या upgrades के लिए ज़्यादा flexibility भी नहीं देता
  • क्या पुल जैसे structures को design standard के न्यूनतम 1.5 गुना load पर test नहीं किया जाता? हमारे क्षेत्र में pressure और lifting lug strength के लिए आम तौर पर 2x लगाया जाता है

• अच्छा होता अगर ऐसे toilet की एक फोटो भी होती कि यह दिखता कैसा है

  • https://www.science.org/cms/10.1126/sciadv.aeb0754/asset/924...
    स्रोत: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb0754

• अच्छा है कि Pantheon अब भी खड़ा है, लेकिन क्या modern architecture में सचमुच कुछ ऐसा है जो 2,000 साल तक संरक्षित रखने लायक हो? architects लंबे समय से सुंदरता से ज़्यादा originality के पीछे रहे हैं, और originality टिकती नहीं
  2,000 साल बाद मानवता यह सोच सकती है कि हमारा समाज atomic-level microchips तो बना सकता था, लेकिन संरक्षित रखने लायक एक भी इमारत क्यों नहीं बना पाया

  • हर structure संरक्षित किए जाने लायक है। इस लेख का विषय भी एक प्राचीन शौचालय है, जिसे शायद उस समय के लोग संरक्षित करने लायक नहीं मानते, लेकिन आज यह एक महत्वपूर्ण ऐतिहासिक स्रोत है
    Eiffel Tower को शुरू में बदसूरत कहा गया था और इसे एक अस्थायी structure के रूप में बनाया गया था, लेकिन आज यह Paris Pantheon की तुलना में, जो classical beauty के मानकों के ज़्यादा करीब है, Paris का ज़्यादा प्रसिद्ध प्रतीक बन गया है। यह अपने समय की technology और culture का बेहतर प्रतिनिधित्व करता है, इसलिए इसका ऐतिहासिक महत्व भी बड़ा है। हालाँकि, दोनों इमारतों का बिना लगातार maintenance के बच पाना मुश्किल है, और Eiffel Tower के मामले में यह बात खास तौर पर सही है
  • concrete के लिए इस्तेमाल होने वाली sand सीमित है, और उसके extraction से होने वाला pollution भी गंभीर है। इसलिए उसे बचाकर लंबे समय तक टिकने वाली इमारतें बनाने का कोई कारण न होने की बात समझ नहीं आती
  • कुछ modern buildings सचमुच संरक्षित करने लायक हैं। Sagrada Família इसका एक प्रमुख उदाहरण है, और पूजा-स्थल तथा अलग से डिज़ाइन किए गए निजी घर, standard housing या office buildings की तुलना में आम तौर पर ज़्यादा सुंदर होते हैं
    नई इमारतों में बहुत-सी बदसूरत भी हैं; London में St Paul's से पश्चिम की ओर से पूर्व में दिखने वाली बदसूरत background के साथ दृश्य उदास कर देता है
  • Sydney Opera House ऐसी इमारत लगती है जो 1,000 साल बाद भी रुचि जगाएगी
  • ऐसा मानने की कोई वजह नहीं कि अगले 2,000 साल में इमारतों के बारे में लोगों का आकलन नहीं बदलेगा। अलग-अलग जगहों की Tudor-era इमारतों को भी 600 साल पहले शायद कुछ खास नहीं माना जाता था

• इससे बेहतर फ़ॉर्मैट और डिस्ट्रीब्यूशन का तरीका होना चाहिए। ब्रांड और डोमेन वैचारिक रूप से मजबूत लगते हैं, लेकिन हर दो वाक्य बाद विज्ञापन आ जाता है, और ad blocker इस्तेमाल करने पर भी लगातार ध्यान भटकाने की कोशिश होती रहती है
  मुझे लगता है कि समुदाय की संज्ञानात्मक गिरावट short video से ज़्यादा उस रोज़मर्रा की मार से आती है, जहाँ जब भी कोई कुछ उपयोगी पढ़कर अपनी जिज्ञासा शांत करना चाहता है, उसे ऑटो-प्ले फुल-स्क्रीन विज्ञापनों और 720×90·300×250 विज्ञापनों से पीटा जाता है

  • बेहतर तरीका मौजूद है। यह Scientific American लेख के मूल स्रोत लेख से जुड़ता है, लेकिन इसके लिए 5 डॉलर प्रति माह का सब्सक्रिप्शन चाहिए
    लिंक में कहीं न कहीं बिना फालतू चीज़ों वाला शोध-पत्र भी होगा, लेकिन उसके लिए भी शायद पैसे देने पड़ें। विज्ञान रिपोर्टिंग कई चरणों से गुजरती है, जैसे शोध-पत्र, न्यूज़ रिपोर्ट, वयस्कों के लिए लोकप्रिय विज्ञान पत्रिका, और किशोरों के लिए लोकप्रिय विज्ञान पत्रिका, इसलिए अपनी पसंद के अनुसार चुन सकते हैं
  • यह भी सोचना चाहिए कि क्या हम अपनी जिज्ञासा शांत करने वाली सामग्री के लिए पैसे दे रहे हैं। संबंधित संस्था non-profit है और उसे सार्वजनिक फंडिंग भी मिलती है, इसलिए ऐसे विज्ञापनों की ज़रूरत है या नहीं, इस पर सवाल है
    फिर भी, Brave में पढ़ते समय मुझे कोई विज्ञापन बिल्कुल नहीं दिखा