수수께끼 풀기: 로마 콘크리트가 왜 그렇게 내구성이 있었습니까?

[아름이]

수수께끼 풀기: 로마 콘크리트가 왜 그렇게 내구성이 있었습니까?
날짜:
2023년 1월 6일
원천:
매사추세츠 공과대학
요약:
예상치 못한 고대 제조 전략이 수천 년 동안 지속되는 콘크리트 설계의 열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다.

전체 이야기
고대 로마인들은 도로, 수로, 항구 및 거대한 건물의 광대한 네트워크를 건설하는 공학의 대가였으며, 그 유적은 2천년 동안 살아 남았습니다. 이러한 구조물의 대부분은 콘크리트로 지어졌습니다. 세계에서 가장 큰 비강화 콘크리트 돔이 있고 서기 128년에 헌납된 로마의 유명한 판테온은 여전히 ​​손상되지 않았으며 일부 고대 로마 수로는 오늘날에도 여전히 로마에 물을 공급합니다. 한편, 많은 현대식 콘크리트 구조물은 수십 년 후에 무너졌습니다.

연구원들은 특히 부두, 하수구, 방파제 또는 지진이 활발한 위치에 건설된 구조물과 같이 특히 가혹한 조건을 견디는 구조물에서 이 초내구성 고대 건축 자재의 비밀을 알아내기 위해 수십 년을 보냈습니다.

이제 MIT, 하버드 대학교, 이탈리아와 스위스의 연구실에서 온 조사팀이 이 분야에서 진전을 이루어 몇 가지 주요 자가 치유 기능을 통합한 고대 콘크리트 제조 전략을 발견했습니다. 연구 결과는 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 MIT 토목 및 환경 공학 교수인 Admir Masic, 전 박사 과정 학생인 Linda Seymour 외 4명의 논문으로 발표되었습니다.

수년 동안 연구자들은 고대 콘크리트의 내구성에 대한 열쇠가 한 가지 성분, 즉 나폴리 만의 Pozzuoli 지역에서 나오는 화산재와 같은 포졸란 물질에 기반한다고 가정했습니다. 이 특정한 종류의 화산재는 건설에 사용하기 위해 광대한 로마 제국 전역으로 운송되기까지 했으며 당시 건축가와 역사가들은 콘크리트의 핵심 성분으로 설명했습니다.

면밀한 조사를 통해 이 고대 샘플에는 로마 콘크리트의 유비쿼터스 구성 요소로 오랫동안 인식되어 온 작고 독특한 밀리미터 규모의 밝은 흰색 광물 특징도 포함되어 있습니다. 종종 "라임 쇄설물"이라고 하는 이 흰색 덩어리는 고대 콘크리트 혼합물의 또 다른 핵심 구성 요소인 석회에서 유래합니다. "고대 로마 콘크리트로 처음 작업을 시작한 이후로 저는 항상 이러한 기능에 매료되었습니다."라고 Masic은 말합니다. "이것들은 현대 콘크리트 제형에서는 발견되지 않는데 왜 고대 재료에는 존재합니까?"

이전에는 조잡한 혼합 관행이나 품질이 좋지 않은 원료의 증거로만 무시되었던 새로운 연구는 이 작은 석회 덩어리가 콘크리트에 이전에는 인식할 수 없었던 자가 치유 능력을 부여했다고 제안합니다. "이러한 석회 덩어리의 존재가 단순히 낮은 품질 관리 때문이라는 생각이 항상 저를 괴롭혔습니다."라고 Masic은 말합니다. "로마인들이 수세기에 걸쳐 최적화된 모든 세부적인 제조법을 따라 뛰어난 건축 자재를 만들기 위해 많은 노력을 기울였다면 잘 혼합된 최종 제품의 생산을 보장하는 데 왜 그렇게 적은 노력을 기울였을까요? ? 이 이야기에는 더 많은 것이 있어야 합니다."

Masic의 연구실에서 개척한 고해상도 멀티스케일 이미징 및 화학 매핑 기술을 사용하여 이러한 석회암의 추가 특성화를 통해 연구자들은 이러한 석회암의 잠재적 기능에 대한 새로운 통찰력을 얻었습니다.

역사적으로 석회가 로마 콘크리트에 통합될 때 먼저 물과 결합하여 슬레이킹으로 알려진 공정에서 반응성이 높은 페이스트와 같은 재료를 형성한다고 가정했습니다. 그러나 이 과정만으로는 석회 덩어리의 존재를 설명할 수 없습니다. Masic은 다음과 같이 궁금해했습니다. "로마인들이 실제로 생석회로 알려진 더 반응적인 형태의 석회를 직접 사용했을 가능성이 있었습니까?"

이 고대 콘크리트의 샘플을 연구하면서 그와 그의 팀은 흰색 내포물이 실제로 다양한 형태의 탄산칼슘으로 만들어졌다는 것을 확인했습니다. 그리고 분광학적 조사는 혼합물에서 소석회 대신에 또는 소석회에 추가하여 생석회를 사용하여 생성된 발열 반응에서 예상되는 것처럼 극한의 온도에서 형성되었다는 단서를 제공했습니다. 팀은 이제 뜨거운 혼합이 실제로 초내구성 특성의 핵심이라고 결론지었습니다.

"뜨거운 혼합의 이점은 두 가지입니다."라고 Masic은 말합니다. "첫째, 전체 콘크리트가 고온으로 가열되면 소석회만 사용하는 경우에는 불가능한 화학 반응이 일어나 다른 방법으로는 형성되지 않는 고온 관련 화합물이 생성됩니다. 둘째, 이렇게 증가된 온도는 양생 및 경화를 크게 줄입니다. 모든 반응이 가속화되어 훨씬 더 빠른 건설이 가능합니다."

뜨거운 혼합 과정에서 석회 쇄설물은 특징적으로 부서지기 쉬운 나노입자 구조를 개발하여 팀이 제안한 대로 중요한 자가 치유 기능을 제공할 수 있는 쉽게 부서지고 반응하는 칼슘 공급원을 생성합니다. 콘크리트 내부에 작은 균열이 형성되기 시작하면 높은 표면적의 석회 덩어리를 우선적으로 통과할 수 있습니다. 이 물질은 물과 반응하여 탄산칼슘으로 재결정화되어 균열을 빠르게 채우거나 포졸란 물질과 반응하여 복합 물질을 더욱 강화할 수 있는 칼슘 포화 용액을 생성할 수 있습니다. 이러한 반응은 자발적으로 발생하므로 균열이 퍼지기 전에 자동으로 균열을 치유합니다.

이것이 실제로 로마 콘크리트의 내구성에 책임이 있는 메커니즘임을 증명하기 위해 팀은 고대 및 현대 공식을 모두 포함하는 고온 혼합 콘크리트 샘플을 생산하고 의도적으로 균열을 낸 다음 균열을 통해 물을 흘렸습니다. 아니나 다를까: 2주 안에 균열이 완전히 치유되었고 더 이상 물이 흐르지 않았습니다. 생석회 없이 만들어진 동일한 콘크리트 덩어리는 결코 치유되지 않았고 물은 샘플을 통해 계속 흐르고 있었습니다. 이러한 성공적인 테스트 결과로 팀은 이 개질된 시멘트 재료를 상용화하기 위해 노력하고 있습니다.

Masic은 "더욱 내구성이 강한 콘크리트 제형이 이러한 재료의 사용 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅된 콘크리트 제형의 내구성을 개선할 수 있는 방법에 대해 생각하는 것은 흥미진진합니다."라고 말했습니다.

연장된 기능 수명과 더 가벼운 콘크리트 형태의 개발을 통해 그는 이러한 노력이 현재 전 세계 온실 가스 배출량의 약 8%를 차지하는 시멘트 생산의 환경 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있기를 희망합니다. Masic 연구소의 또 다른 현재 연구 초점인 대기 중 이산화탄소를 실제로 흡수할 수 있는 콘크리트와 같은 다른 새로운 공식과 함께 이러한 개선 사항은 콘크리트의 지구 기후 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구팀에는 MIT의 Janille Maragh, 이탈리아 DMAT의 Paolo Sabatini, 스위스 Instituto Meccanica dei Materiali의 Michel Di Tommaso, 하버드 대학교 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering의 James Weaver가 포함되었습니다. 이 작업은 이탈리아 Priverno의 고고학 박물관의 도움으로 수행되었습니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/