Rahasia Dibalik Bangunan Peninggalan Romawi, yang 'Masih Kokoh Berdiri Selama Ribuan Tahun'

SENI BUDAYA - Di dalam bangunan peninggalan bangsa Romawi, Colosseum, pengunjung bisa membayangkan betapa arena di dalamnya pernah dipadati sekitar 50.000 orang yang berjubel untuk berbagai acara, mulai dari pertempuran gladiator yang berdarah, hingga prosesi upacara mewah dan balap kereta.

Dikenal juga sebagai Flavian Amphitheatre, upacara pembukaan Colosseum pada 80 Masehi menampilkan permainan dan kengerian - yang konon termasuk pembantaian sekitar 9.000 hewan - selama 100 hari berturut-turut.

Dengan tinggi empat lantai dan lebar 188 meter, struktur bangunan berbentuk oval itu tetap menjadi amfiteater (gelanggang terbuka) terbesar di dunia.

Dibangun sekitar 40 tahun kemudian, peninggalan Romawi yang lain, Pantheon, memiliki kubah menakjubkan yang membentang setinggi 43 meter dan jendela melingkar seperti pupil di puncaknya, yang dikenal sebagai oculus yang membanjiri interior dengan cahaya alami.

Nama Pantheon, yang menggabungkan kata Yunani untuk "semua" dan "dewa", menunjukkan tempat itu sebagai fungsi keagamaan, tetapi beberapa sejarawan berpikir, monumen itu dibangun untuk membayar upeti kepada kaisar Romawi.

Terlepas dari kerusakan akibat tergerus waktu, bangunan yang ikonik itu tetap utuh dan masih menjadi kubah beton terbesar di dunia.

Ketika membangun peninggalan berukuran raksasa, bangsa Romawi jelas tahu apa yang mereka lakukan. 

Hampir 2.000 tahun setelah dibangun, dua struktur besar dan menakjubkan itu secara teknis bertahan dari gempa bumi, banjir, dan konflik militer, bertahan lebih lama dari kekaisaran yang melahirkannya dan menjadi perwujudan fisik dari pengaruh abadi budaya Romawi di seluruh dunia.

Tapi bagaimana Roma kuno mencapai arsitektur yang monumental dan tahan lama di masa lalu?

Insinyur dan ilmuwan material masih mempelajari struktur Romawi hingga hari ini, dan mereka mengatakan rahasianya adalah perkawinan antara desain yang cerdik dengan resep inovatif untuk beton, bahan yang sangat tahan lama dan mudah beradaptasi yang masih digunakan di seluruh dunia.

Meskipun bangsa Romawi tidak menciptakan beton, mereka tentu saja meningkatkan standar untuk membangun bangunan dengan beton itu.

Penuangan beton memungkinkan arsitek Romawi untuk mencapai hampir semua bentuk yang dapat mereka bayangkan, hanya dibatasi oleh kemampuan mereka untuk membangun bentuk kayu yang diperlukan untuk membentuk bubur batu.

Namun lengkungan dan kubah yang menjadi ciri khas bangunan Romawi bukanlah sekadar fantasi. 

Resep beton yang berbeda

Ekspresi tertinggi dari bangunan peninggalan Kekaisaran Romawi menghadapkan pengunjung modern dengan "pendekatan teknik", kata Renato Perucchio, seorang insinyur mesin di Universitas Rochester, New York.

"Bangsa Romawi melakukan analisis canggih yang mengarahkan mereka ke desain ini, yang kemudian diekspresikan melalui proses konstruksi yang sangat hati-hati."

Beton yang menyatukan desain ini juga unik dan sangat diperhatikan.

Beton Romawi menggunakan resep yang berbeda dari beton modern, dan para peneliti yang mempelajari bahan kuno ini mengatakan bahwa bahan-bahannya tampaknya memberi materi tersebut ketahanan yang fenomenal terhadap degradasi.

Saat ini, sebagian besar beton terbuat dari semen portland - kombinasi pasir silika, batu kapur, tanah liat, kapur, dan mineral lainnya yang dipanggang sekitar 2.000C dan dihancurkan menjadi bubuk halus - dan potongan batu atau pasir yang disebut agregat.

Mencampur agregat berbatu, yang ukurannya bervariasi dari pasir ke kerikil hingga bongkahan batu kecil, dengan semen membuat beton yang dihasilkan lebih kuat dan menghemat semen.

Akhirnya, menambahkan air ke dalam campuran beton memicu reaksi kimia dalam semen yang mengikat elemen-elemen ini bersama-sama.

Sebagian besar, agregat dalam beton modern dipilih secara hati-hati agar sedapat mungkin lembam secara kimiawi.

Idenya adalah untuk menghindari bahan kimia yang tidak diinginkan setelah reaksi awal ini selesai, karena reaksi tambahan setelahnya biasanya melemahkan beton dan membuat bangunan retak.

Beton Romawi, di sisi lain, adalah campuran kapur tohor yang lebih sederhana yang dibuat dengan memanggang dan menghancurkan batu kapur dan, yang paling penting, agregat batuan vulkanik dari berbagai jenis, yang berlimpah di wilayah sekitar Roma.

Berbeda dengan agregat yang digunakan dalam beton modern, bahan vulkanik yang digunakan oleh orang Romawi ini sangat reaktif dan beton yang dihasilkan tetap aktif secara kimiawi selama berabad-abad setelah pertama kali mengeras.

"Semen Portland saat ini tidak dimaksudkan untuk berubah secara kimiawi, dan jika mereka berubah, biasanya akan berdampak buruk," kata Marie Jackson, ahli geologi di Universitas Utah yang telah mempelajari beton Romawi selama beberapa dekade.

"Roma ingin beton mereka bereaksi. Mereka memilih agregat yang akan terus berpartisipasi dalam proses beton dari waktu ke waktu."

Berbeda dengan beton modern, reaksi yang berkelanjutan ini memungkinkan beton Romawi menjadi lebih kuat dari waktu ke waktu.

Reaksi kimia jangka panjang ini dapat berfungsi untuk memperkuat retakan kecil yang sering terbentuk antara potongan agregat dan semen pengikat dan mencegahnya menyebar lebih jauh.

Kapasitas regeneratif ini, yang disebabkan oleh mineral vulkanik reaktif, memungkinkan kapasitas luar biasa beton Romawi untuk bertahan.

"Tentu, kita bisa memproduksi beton dengan kekuatan tarik yang lebih besar hari ini, tapi lalu bagaimana?," kata Perucchio seperti dirilis BBC.

"Konstruksi beton modern mungkin bertahan 100 tahun dengan pemeliharaan, tetapi beberapa struktur Romawi bertahan selama 1.000 tahun atau lebih pada dasarnya tanpa bantuan."

Meskipun para peneliti telah menduga selama bertahun-tahun bahwa itu adalah mineral vulkanik yang memberi beton Romawi daya tahannya, baru pada tahun 2014 Jackson dan yang lainnya mengungkapkan bahan kimia yang tepat yang digunakan.

Dalam studi mereka, mereka menguji campuran beton berdasarkan apa yang digunakan dalam pembangunan Pasar Trajan di Roma dan mengamati pertumbuhan kristal seperti pelat dari mineral yang disebut strätlingite, di "zona antarmuka" yang terletak di antara bongkahan batu vulkanik dan semen yang menahan campuran bersama-sama.

Para peneliti menulis bahwa kristal ini berfungsi untuk memperkuat zona antarmuka ini, yang biasanya merupakan tautan terlemah dalam beton yang dibuat dengan semen portland, membuat beton Romawi lebih tahan terhadap retak.

Baru-baru ini, sebuah studi baru oleh Jackson dan lainnya yang diterbitkan pada musim gugur 2021 menunjukkan bahwa kristal strätlingite bukan satu-satunya produk sampingan dari reaksi berkelanjutan beton kuno yang membuatnya tetap kuat.

Tim mempelajari sampel beton dari makam silinder setinggi 21 meter dari seorang perempuan bangsawan Romawi bernama Caecilia Metella yang dibangun sekitar 30 SM di dekat jalan Romawi kuno, yang dikenal sebagai Jalan Appian. 

Beton ini ternyata dibuat menggunakan batuan vulkanik yang banyak mengandung mineral kaya kalium yang disebut leucite.

Selama 2.000 tahun setelah pembangunan makam, hujan dan air tanah merembes ke dinding makam dan melarutkan leucite, melepaskan potasiumnya ke dalam beton.

Dalam beton modern, dibanjiri dengan potasium akan membuat gel yang mengembang dan menyebabkan keretakan dan kerusakan.

Tapi Jackson dan rekan-rekannya malah menemukan bahwa mineral vulkanik reaktif dalam beton Romawi memfasilitasi hasil yang berbeda.

Kalium terlarut akhirnya mengkonfigurasi ulang "lem" kimia yang membentuk tulang punggung beton yang mengeras, yang mempertahankan dan meningkatkan kekuatan material meskipun mengandung strätlingite yang jauh lebih sedikit daripada yang diamati tim di beton pasar Trajan.

Adapun mengapa umur panjang beton Romawi tampaknya memiliki penjelasan yang sedikit berbeda dalam dua konteks ini.

Linda Seymour, yang mengerjakan penelitian tersebut sambil menyelesaikan PhD-nya di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di AS, mengatakan sebagian "bahwa struktur ini mengalami lingkungan yang berbeda, yang kemudian menghasilkan proses kimia yang berbeda".

Seymour mengatakan perbedaan juga dapat dijelaskan oleh "komposisi kimia yang bervariasi dari agregat yang digunakan orang Romawi - tetapi benang merahnya adalah reaksi berkelanjutan yang menghasilkan konfigurasi ulang beton dari waktu ke waktu".

Keragaman bahan kimia beton Romawi kemungkinan berarti, tidak semua yang mereka coba bekerja sama dengan baik, tetapi di Colosseum dan Pantheon, kami memiliki dua bukti yang tak terbantahkan untuk keberhasilan material tersebut.

Di Colosseum, beton belum tentu menjadi bintang pertunjukan, tetapi telah memainkan peran integral pada kekokohan bangunan itu.

Bahan yang paling menonjol di Colosseum adalah batu kapur travertine, tetapi beton adalah yang menahan banyak lengkungan ikonik amfiteater itu tinggi-tinggi.

Akan tetapi, mungkin kontribusi beton yang paling signifikan terhadap umur panjang Colosseum tidak terlihat.

"Anda tidak dapat melihatnya sebagai turis, tetapi alasan Colosseum masih berdiri adalah karena fondasi betonnya yang sangat kuat," kata Jackson.

Pondasi beton itu dikemas dengan agregat batuan lava yang padat dan berat dan setebal 12 meter, tambahnya.

Tanpa bahan yang kuat dan tahan lama pada pondasinya, Colosseum akan menjadi puing-puing karena gempa bumi yang mengguncang kawasan itu.

Kunjungan ke Roma tidak akan lengkap tanpa kunjungan ke Colosseum, tetapi bagi siapa pun yang mencari puncak konstruksi beton di dunia kuno, Perucchio mengatakan kubah Pantheon adalah suatu keharusan.

Di dalam rotunda Pantheon, jarak dari lantai ke bagian paling atas kubah hampir identik dengan diameter kubah sepanjang 43 meter, mengundang siapa pun di dalam untuk membayangkan bola besar dan sempurna yang dapat ditempatkan di dalam interiornya.

Saat mencoba menikmati keindahan kubah Pantheon, "tanpa tulang" adalah kata kuncinya.

Perucchio mengatakan bahwa jika seorang arsitek mencoba membangun Pantheon hari ini, rencana itu akan ditolak karena tanpa tulang, seperti batang baja yang biasa digunakan dalam struktur beton modern, kubah itu akan melanggar kode teknik sipil modern.

"Kubah itu menciptakan tegangan tarik yang sangat tinggi, namun telah berdiri selama 19 abad," kata Perucchio.

"Dari sini Anda dapat menarik salah satu dari dua kesimpulan: gravitasi bekerja secara berbeda di zaman Romawi; atau ada pengetahuan yang telah hilang dari kita."

Terlepas dari reaksi kimia unik dari beton mereka, arsitek Romawi di belakang Pantheon menggunakan trik yang tak terhitung banyaknya untuk mencapai visi mereka.

Dua trik tersebut ditujukan untuk membuat dinding kubah seringan mungkin.

Selama konstruksi, beton yang membentuk langit-langit bangunan berbentuk setengah bola itu harus dituangkan dari bawah ke atas ke dalam bingkai kayu yang membentuk cincin konsentris berturut-turut.

Tetapi untuk mengurangi tegangan tarik yang sangat besar yang disebutkan Perucchio, para pembangun menggunakan batuan vulkanik yang semakin ringan sebagai agregat saat mereka semakin dekat ke puncak kubah serta membuat dinding itu sendiri lebih tipis.

Pada bagian kubah terluas dan terendah, beton mengandung balok-balok besar basal berat untuk kekuatan dan tebalnya sekitar 6 meter.

Sebaliknya, lapisan terakhir yang mengelilingi oculus menggunakan batu apung yang lapang, yang sangat ringan sehingga mengapung di air, sebagai agregat dan tebalnya kira-kira 2 meter.

Trik kedua bisa dilihat di seluruh bagian dalam kubah. 

Interior melengkung dari langit-langit ditutupi dengan persegi panjang berlubang yang dikenal sebagai pundi-pundi.

Pundi-pundi geometris ini memesona, tetapi tidak hanya ada untuk estetika.

Mereka juga mengurangi jumlah beton yang dibutuhkan untuk membangun kubah dan membuatnya lebih ringan, yang mengurangi tekanan pada material.

"Pantheon adalah tempat ajaib," kata Perucchio.

"Saya telah berada di sana berkali-kali, tetapi saya selalu dipenuhi dengan kekaguman yang luar biasa terhadap arsitektur dan teknik yang terlibat. Saya menganggapnya sebagai salah satu struktur paling luar biasa indah yang pernah dibangun."

Di Pantheon, beton mungkin telah mencapai bentuknya yang paling agung - sebuah buku tentang struktur menyatakannya sebagai " kemenangan beton ".

Namun Admir Masic, seorang ilmuwan material di MIT dan penulis studi tahun 2021, mengatakan bahwa di era modern beton dunia adalah bahan bangunan yang "agak jahat" terlepas dari semua hal yang berguna dan bahkan indah yang dapat dilakukannya.

Itu karena produksi semen portland yang menjadi beton saat ini bertanggung jawab atas setidaknya 8% emisi karbon global .

Masic dan Jackson kini sedang mempelajari beton Romawi dengan tujuan membuat beton saat ini lebih ramah lingkungan.

Keuntungan terbesar dari beton Romawi, kata Masic, adalah pengikatnya yang berbahan dasar kapur hanya perlu dipanaskan hingga sekitar 900C, sedangkan semen portland perlu dibakar hingga mendekati 2.000C.

Ini saja berarti bahwa beton Romawi memiliki potensi untuk menawarkan pengurangan besar-besaran dalam jejak karbon produksi beton.

Masic menambahkan, umur material yang panjang juga memungkinkan kami untuk lebih jarang mengganti infrastruktur.

"Bayangkan kita mulai membangun infrastruktur yang bertahan 500 tahun, bukan 100 tahun, dan kita menambahkan properti penyembuhan diri beton Romawi ke setiap proyek yang kita lakukan," kata Masic.

"Akibatnya, kita mungkin menjual lebih sedikit beton, tetapi itulah masalahnya dalam mode infrastruktur kita saat ini. Membuat hal-hal yang bertahan lebih lama mungkin merupakan cara paling sederhana untuk meningkatkan keberlanjutan."

Jackson dan kolaboratornya sedang mengerjakan proyek ARPA-e milik Departemen Energi AS untuk mengembangkan beton mirip Romawi dengan tujuan berpotensi mengurangi emisi yang terkait dengan produksi dan pemasangan beton hingga 85% dan melipatgandakan masa pakainya.

Pondasi beton dalam Colosseum telah melindunginya dari gempa bumi yang mengguncang kawasan itu.

Di antara hambatan terbesar untuk adopsi yang lebih luas dari resep Romawi adalah waktu pengerasan yang lama - dapat memakan waktu hingga enam bulan untuk mencapai kekuatan penuh, dibandingkan dengan beton standar 28 hari - dan kekuatan yang lebih rendah (Perucchio mengatakan sekitar 10 kali lebih lemah daripada beton modern), yang berarti mungkin gagal dalam beberapa aplikasi modern kelas berat.

Tapi Masic mengatakan ada cara untuk mempercepat proses kimia yang terlibat dalam proses pengawetan beton Romawi.

Dia sedang mengerjakan teknik yang melibatkan penyuntikan beton Romawi dengan karbon dioksida yang memungkinkan campuran untuk mengeras dalam hitungan hari.

"Kita tidak perlu meniru persis apa yang dilakukan orang Romawi," katanya, "tetapi dalam hal membuat beton lebih tahan lama dan lebih berkelanjutan, mereka jelas memiliki beberapa hal untuk diajarkan kepada kita."