콘크리트는 오늘날의 사회뿐만 아니라 고대 로마 제국이 건설된 믿을 수 없을 정도로 유용하고 다재다능한 건축 자재입니다. 오늘날까지 로마 콘크리트 구조물은 항구와 같은 일상적인 위치에서 찾을 수 있지만 판테온 오늘날까지 직경 43.3m의 현존하는 가장 큰 비철근 콘크리트 돔을 형성하고 있으며 거의 1,900년이 되었음에도 불구하고 최상의 상태를 유지하고 있습니다.
로마제국이 멸망하고 비잔틴 제국으로 후퇴했을 때도 동부 로마 – 로마 건축의 마지막 잔재를 둘러싼 제국과 세계는 변하고 또 변했습니다. 이러한 모든 콘크리트 구조물은 그러한 구조물을 건축하는 방법에 대한 지식이 세월 속에 사라졌음에도 불구하고 남아 있었습니다. 아마도 가장 놀라운 점은 철근으로 보강하는 것과 같은 현대적인 발명품에도 불구하고 오늘날에도 콘크리트가 거의 내구성이 없다는 것입니다.
리버스 엔지니어링 고대 로마 콘크리트는 수십 년 동안 집중적인 연구와 논쟁의 원천이었습니다. 최근 논문 퍼즐에 중요한 단서를 추가하는 Linda M. Seymour와 동료들. 경화된 콘크리트 내부에 반응성 석회 덩어리가 있는 소위 '열간 혼합'이 자가 치유 특성을 제공할 수 있습니까?
구체적인 조리법
현대 콘크리트와 모르타르의 핵심에는 시멘트: 모래, 자갈 등의 부원료를 혼합하여 콘크리트로 만드는 바인더입니다. 각 유형의 시멘트는 탄산 칼슘 (칼슘3), 이 기본 재료가 처리되고 혼합되는 방식에 따라 경화 방법과 다른 재료 특성이 표시됩니다. 가장 기본적인 유형은 비수압식 시멘트로, 산화칼슘과 이산화탄소를 생성하는 탄산칼슘(석회석이라고도 함)을 소성하여 시작합니다.
도둑3 → CaO + CO2
CaO는 일반적으로 생석회, 뿐만 아니라 구운 석회. 다음 단계에서는 이 생석회를 물과 혼합하여 '슬레이크'합니다.
대기 중 이산화탄소 농도에서 이것은 매우 느린 과정이므로 일반적으로 건설에 그다지 실용적이지 않습니다. 다음과 같은 일반적인 시멘트 유형 포틀랜드 시멘트 따라서 혼합물의 일부인 클링커 광물과 반응하여 굳는 수경 시멘트입니다. 포틀랜드 시멘트는 규산칼슘의 XNUMX/XNUMX 이상으로 구성된 미세한 분말로, 엘리트 (Ca3SiO5) and 벨라이트 (카2SiO4), 추가 실리케이트 및 알루미네이트와 함께.
수경성 시멘트 생산의 초기 단계는 비수경성 시멘트와 동일하며 탄산칼슘을 소성합니다.
도둑3 → CaO + CO2
다음 단계는 산화칼슘이 규산염 및 알루미네이트와 반응하기 때문에 상황이 흥미로워지는 단계입니다.
2 CaO + SiO2 → 2 CaO·SiO2
3 CaO + SiO2 → 3 CaO·SiO2
3 CaO + Al2O3 → CaO·Al2O3
마지막으로, 산화물(예를 들어, 산화칼슘, 산화알루미늄 및 산화철, 갈색 밀러 라이트) 최종 수경 시멘트 혼합물을 형성하기 위해 반응:
4CaO + 알2O3 + 철2O3 → 4 CaO·Al2O3 · 철2O3
핵심은 이것이 소위 '수경 시멘트'가 사용하는 제조법입니다.로마 시멘트', 포틀랜드 시멘트 또는 고대 로마 시멘트. 만들기 위해 사용하는 경우 콘크리트, 이 시멘트는 골재, 일반적으로 작은 암석, 돌 및 모래와 혼합됩니다. 이 혼합물에 물을 추가하면 수화 과정으로 인해 시멘트가 이산화탄소를 추가하지 않고 굳게 됩니다.
온타리오 주 나이아가라 폭포에 있는 퀸 엘리자베스 웨이의 웰랜드 강 다리에 있는 콘크리트와 녹슬고 노출된 철근(철근). (제공: Achim Hering)
모든 건축 자재와 마찬가지로 콘크리트도 다음과 같은 많은 영향을 받습니다. 저하시키다 시간이 지남에. 일부 유형의 손상에는 재료를 깎아내리거나 균열을 일으키는 산화 재킹 및 벌크 균열을 비롯한 기계적 및 화학적 원인이 포함됩니다. 다른 유형의 손상은 콘크리트를 보강하기 위해 삽입된 금속 철근으로 인해 발생하며, 이 철근이 부식되고 그에 따른 체적 팽창으로 인해 콘크리트가 내부에서 파괴됩니다. 콘크리트에 균열이 발생하여 수분이 스며들어 철근에 도달할 뿐만 아니라 겨울 동안 동결되어 현대식 콘크리트의 수명을 제한합니다.
이러한 유형의 손상을 방지하고 복구하는 것은 시멘트, 에폭시 또는 수지를 사용하여 눈에 보이는 균열의 수동 복구를 포함하여 시도된 다양한 접근 방식과 함께 지난 수십 년 동안 많은 연구의 주제였습니다. 그럼에도 불구하고 현대의 콘크리트는 물의 영향에 무자비하게 노출되어 급속히 분해됩니다. 수천 년 동안 날씨와 요소에 노출되어 살아남은 고대 로마 콘크리트의 거의 깨끗한 상태를 고려할 때 이것은 분명히 많은 질문을 제기했습니다.
고대 콘크리트
고대 로마인만이 콘크리트에 대해 알고 사용했던 것은 아닙니다. 고대 그리스인도 같은 양은 아니더라도 건축 자재를 사용했습니다. 우리가 이미 알고 있었던 로마 콘크리트에 대한 한 가지 측면은 Pozzolan특히 포졸라나 화산재와 같은. 이들은 자연적으로 풍부한 실리케이트 및 알루미네이트이며 로마 엔지니어가 수경 시멘트를 발견한 큰 이유입니다.
포틀랜드 시멘트와 같은 현대 시멘트에는 천연 또는 인공 포졸란도 포함되어 있기 때문에 성분으로서의 존재가 유일한 이유는 될 수 없습니다. 균열과 균열이 이 고대 콘크리트를 산산조각내어 미세한 먼지로 만들지 않은 다른 비밀은 무엇입니까? 이에 대한 답을 위해 이 연구의 연구자들은 최근의 연구 이탈리아의 Privernum이라는 작은 이전 로마 정착지로 바뀌었습니다.
로마 콘크리트 테스트 샘플은 이탈리아 로마 근처의 Privernum 고고학 유적지에서 가져왔으며(A) 사진 측량 기반의 3차원 재구성으로 표시되었습니다(B). 건축 모르타르 샘플은 경계 콘크리트 도시 벽(C)에서 수집되었습니다. 파단 표면(D)의 대면적 EDS 매핑은 모르타르의 칼슘이 풍부한(빨간색), 알루미늄이 풍부한(파란색), 실리콘이 풍부한(녹색) 및 황이 풍부한(노란색) 영역을 나타냅니다. 연마된 단면(E)의 추가 이미징은 모르타르 내의 골재 규모 잔존 석회 쇄설을 보여줍니다(별표로 표시된 큰 빨간색 특징). (E)의 컬러 화살표는 칼슘(빨간색) 또는 황(노란색)이 풍부한 EDS 데이터에서 볼 수 있는 기공 경계 링을 나타내며 오른쪽에서 확대되어 추가 세부 정보를 표시합니다. 사진 크레딧(B 및 C): Roberto Scalesse 및 Gianfranco Quaranta, Associazione AREAXNUMX, 이탈리아.
Privernum의 콘크리트 성벽 샘플을 채취하고 그 구성을 연구한 결과, 그들은 이전에 아마도 관련이 없는 것으로 대부분 무시되었던 특징인 산화칼슘 주머니를 발견했습니다. 천년 전에 콘크리트를 만들기 위해. 그러나 Linda M. Seymour와 동료들이 여기에서 테스트하고 싶었던 이론은 이러한 산화칼슘 주머니가 의도적으로 거기에 있었을 뿐만 아니라 이러한 혼합물을 만든 엔지니어가 그들이 무엇을 하고 있는지 알고 있었을 가능성이 있다는 것입니다.
실험
이 이론을 테스트하기 위해 연구원들은 포틀랜드 시멘트, 분쇄된 비산재, 모래 및 물을 특징으로 하는 Privernum 샘플 분석에서 영감을 얻은 콘크리트 배치를 만들었습니다. 이러한 배치에 다양한 양의 생석회를 추가하고 각 배치를 원통형 주형으로 주조했습니다. 28일 동안 양생한 후, 양생된 샘플을 Privernum 샘플과 비교했는데, 석회 쇄설물의 밝은 흰색이 둘 다 명확하게 보입니다. 자가 치유 특성을 가능하게 하는 생석회 포켓인지 테스트하기 위해 경화된 샘플을 세로로 분할하고 각 샘플의 파단면 사이에 0.5mm 거리를 두고 흐름 회로에 삽입했습니다.
주조 후, 로마에서 영감을 받은 열간 콘크리트 샘플을 기계적으로 파단한 다음 재결합(0.5 ± 0.1 mm 간격으로)하고 균열 치유 연구를 위해 전처리했습니다. (제공: Seymour et al., 2023)
이 흐름 회로에서 물은 측정된 유속과 함께 각 샘플의 균열을 통해 지속적으로 강제되었습니다. 샘플에 따라 시간당 10~30리터의 초기 유속 이후, XNUMX일 후 석회 덩어리가 있는 샘플의 유속은 거의 XNUMX으로 감소한 반면, 석회 덩어리가 없는 일반 콘크리트 믹스 샘플의 유속은 본질적으로 변하지 않았습니다.
이 실험의 결과는 석회 덩어리의 칼슘이 나머지 유리 포졸란 물질과 상호 작용하여 골절을 치료할 수 있는 신선한 결정을 형성했을 가능성이 있음을 보여주었습니다. 이러한 실험 결과는 유사한 미세 균열 충전이 보고된 Caecilia Metella 무덤의 로마 모르타르에서 수행된 분석과 일치하는 것으로 나타납니다.
비바트 로마노룸 아키텍투스
고대 로마 시대의 많은 공학적 지식이 지난 수천 년 동안 손실되었음에도 불구하고 고대 로마 콘크리트에 대한 수집된 증거는 거친 생석회를 혼합하여 자가 치유 콘크리트가 표준이었다는 것을 명백하게 보여주는 것처럼 보입니다. 그러한 콘크리트가 만들어진 방식. 이것이 어떻게 생겨났는지, 어떤 엔지니어가 처음 발명했는지는 아마 결코 알려지지 않을 것이지만 현대 콘크리트에 의문의 여지 없이 적용할 수 있는 기술인 것 같습니다.
Linda Seymour와 그녀의 동료들은 이 옵션을 고려하여 굵은 골재와 고성능감수제를 사용하여 두 번째 혼합물을 만들었습니다. 여기서 주요 관심사는 주로 응결 과정의 요인인 수축률이었습니다. 여기서 결과는 1년 후 일반 콘크리트와 실험 콘크리트의 건조 수축 차이가 XNUMX% 미만으로 잠재적으로 상업적으로 실행 가능한 콘크리트 믹스가 된다는 것입니다.
이 연구를 기반으로 새로 배합된 시멘트 혼합물을 사용하여 상업용 콘크리트를 붓는 것을 볼 수 있을지 여부는 여전히 미해결 문제로 남아 있지만 전체 문명보다 오래 지속될 수 있는 콘크리트 구조물의 이점을 고려하면 시멘트 산업의 이산화탄소 배출 감소와 콘크리트 구조물의 유지 보수 및 교체에 대한 급격한 감소 – 우리가 그렇게 하지 않는다면 참으로 이상할 것입니다.
