2,050年前のローマ時代の墓から、古代のコンクリートの復元力についての知見が得られる

2,050年前のローマ時代の墓から、古代のコンクリートの復元力についての知見が得られるテクノロジー

古代ローマ時代のコンクリートに関する新しい研究が、耐久性と持続性に優れた現代の建築物にインスピレーションを与えています。

コンクリートは、数十年使用すると、ひび割れたり、崩れたりすることが多いのですが、不思議なことに、ローマ時代の多くの建造物では、そのようなことはありませんでした。

現代のコンクリートでは破壊されてしまうような状況下でも、驚くべき耐久性を発揮して建造物が残っているのです。

その一つが、1世紀の貴族であるチェチーラ・メテッラの大きな円筒形の墓1この墓廟は紀元前1世紀に建てられてもので、紀元前69年に執政官を務めたクィントゥス・カエキリウス・メテッルス・クレティクスの娘で、第一回三頭政治で有名なマルクス・リキニウス・クラッススの妻であったチェチーラ・メテッラのための墓であるである。

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者らが「Journal of the American Ceramic Society」に発表した新しい研究によると、彼女の墓のコンクリートの品質は、同時代の男性の記念碑よりも優れている可能性があることがわかりました。

本研究の主な共著者であるマサチューセッツ工科大学(MIT)土木・環境工学准教授のAdmir Masic氏と、ユタ大学地質・地球物理学研究准教授のMarie Jackson氏は、古代のコンクリート構造物の鉱物組成を理解するためにチームを組みました。

「古代の材料の形成とプロセスを理解することで、将来的に耐久性のある持続可能な建築材料を作るための新しい方法を研究者に伝えることができます。チェチーラ・メテッラの墓は、現存する最古の建造物のひとつであり、現代の建築にヒントを与えるものです。」とMasic氏は言います。

不思議なまとまりのあるコンクリート

チェチーラ・メテッラの墓は、アッピア街道と呼ばれる古代ローマ時代の道路にあり、アッピア・アンティカ通りのランドマークとなっています。

この墓は、正方形の台座の上にロタンダ型2円形の建物を指し、通常その上部はドームになっている。の塔が乗っており、高さは約70フィート(21メートル)、直径は約100フィート(29メートル)です。

紀元前30年頃、ローマ共和国が紀元前27年にアウグストゥス皇帝率いるローマ帝国に変貌した際に建てられたこの墓は、アッピア街道で最も保存状態の良い遺跡の一つとされています。

チェチーラ自身は、貴族の家系に属していました。

彼女は、ジュリアス・シーザーやポンペイと同盟を結んだことで有名なマルクス・クラッススの家に嫁いだ。

Jackson氏は、「アッピア・アンティカ通りに、非常に革新的で堅牢なモニュメントとランドマークが建設されたことは、彼女が高く評価されていたことを示しています。」と述べています。

この墓は、共和制末期のローマにおけるコンクリート建築の洗練された技術の一例です。

その技術は、チェチーラ・メテッラの墓の建設中に、建築家のウィトルウィウス3紀元前1世紀のローマの建築家、技術者。によって説明されました。

粗いレンガや火山岩の骨材4コンクリートやアスファルト混合物を作る際に用いられる材料である砂利や砂などのことを石灰と火山テフラ(爆発的噴火によるガラスや結晶の多孔質の破片)で作ったモルタルで固めて厚い壁を作ると、『長い時間が経っても廃墟にならない』構造になる。

ウィトルウィウスの言葉は、トラヤヌスの市場(墓から1世紀以上経った紀元100年から110年の間に建設された)や、桟橋や防波堤などの海洋構造物など、現在残っている多くのローマの建造物によって証明されています。

しかし、古代ローマ人が知らなかったのは、火山性骨材に含まれるカリウムを多く含むリューサイトという鉱物の結晶が、時間の経過とともに溶解し、火山性骨材とセメント系結合材の界面を有益に改造・再編成し、コンクリートの凝集力を向上させるということでした。

「界面を常に強化する現代のコンクリートを設計することは、現代の建築材料の耐久性を向上させるための新たな戦略となるかもしれません。時間的に証明された『ローマの知恵』を統合してこれを行うことで、現代のソリューションの寿命を桁違いに向上させることができる持続可能な戦略となります。」

MITのMasic氏の研究室の博士課程の学生としてこの研究に参加したLinda Seymour氏は、科学的なツールを使ってコンクリートの微細構造を調査しました。

Seymour氏は、「使った道具の一つ一つが、モルタルの中のプロセスを知る手がかりになりました。」と語ります。

走査型電子顕微鏡では、モルタルの構成要素の微細構造をミクロン単位で見ることができました。

また、エネルギー分散型X線分析では、各構成要素を構成する元素が明らかになりました。

「この情報をもとに、モルタルのさまざまな場所を素早く探索し、疑問に関連する構成要素を見つけ出すことができました。」と彼女は言います。

髪の毛1本分の幅しかないモルタルの中から、それぞれの機器で同じ成分を正確に検出するのがコツだと言います。

唯一無二の強さを持つ物質を支える科学

チェチーラ・メテッラの墓の厚いコンクリートの壁には、火山テフラを含むモルタルがレンガや溶岩の骨材の大きな塊を結合しています。

これは、120年後のトラヤヌスの市場で使われたモルタルに似ています。

トラヤヌスの市場のモルタルの接着剤は、C-A-S-H結合相(カルシウム-アルミニウム-ケイ酸塩水和物)と呼ばれる構成要素と、ストラトリンガイトと呼ばれる鉱物の結晶で構成されています。

しかし、ローマ人がチェチーラ・メテッラのモルタルに使用したテフラには、カリウムを多く含むリューサイトが多く含まれていました。

何世紀にもわたって墓の壁を伝わってきた雨水や地下水がリューサイトを溶かし、モルタルの中にカリウムを放出したのです。

現代のコンクリートでは、カリウムが多いと膨張性のゲルができ、マイクロクラックが発生して構造物が劣化してしまいます。

しかし、墓ではカリウムが溶解してC-A-S-H結合相を再構成していたのです。

「X線回折とラマン分光法によって、モルタルがどのように変化したのかを調べることができました。C-A-S-Hの領域は、2050年経っても無傷のものもあれば、一部は割れたり、ささくれ立ったり、あるいは形態が異なっていたりしました。特にX線回折では、ささくれ立った部分を原子構造まで解析することができました。ささくれ立った部分がナノクリスタルのような性質を持っていることがわかります。」とSeymour氏は言います。

Jackson氏は、「改造された領域が、コンクリートの中に強固な凝集成分を生み出していることは明らかです。」と語ります。

これらの構造物では、トラヤヌスの市場とは異なり、ストラトリンガイトはほとんど形成されていません。

この墓を担当した考古学者のStefano Roascio氏は、今回の研究は、Pozzolane Rosse骨材を使用した他の古代・歴史的コンクリート構造物を理解する上で、大きな意味を持つと指摘しています。

「どんなコンクリートでも、骨材とモルタルの界面は構造物の耐久性の基本です。現代のコンクリートでは、膨張性ゲルを形成するアルカリとシリカの反応により、最も硬化したコンクリートでさえも界面が損なわれる可能性があります。」とMasic氏は言います。

「チェチーラ・メテッラの墓の古代ローマのコンクリートの界面は、長期的なリモデリングによって常に進化していることがわかりました。これらのリモデリングプロセスは、界面を強化し、古代の材料の機械的性能と耐故障性の向上に貢献する可能性があります。」

Published by Massachusetts Institute of Technology. Linda M. Seymour et al, Reactive binder and aggregate interfacial zones in the mortar of Tomb of Caecilia Metella concrete, 1C BCE, Rome, Journal of the American Ceramic Society (2021). DOI: 10.1111/jace.18133
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