何千年も前に建てられたにもかかわらず、世界中のいくつかのコンクリート構造物は、驚くべきことに、文字通り時の試練に耐えてきました。 最も注目に値するのは、ローマのパンテオンが周りに建設された 西暦126～128年 — それでも巨大で、 未強化 コンクリートのドームは今でも堂々と街を支えています。 いくつかの古代ローマの水道は今でも使用されており、土地全体に着実に水を供給しています。
2,000 年前のコンクリートの何が特別なのだろうか? そして、ローマ帝国の象徴的な建物と同じくらい耐久性のある超大国の建物をどのように建設できるのでしょうか? 金曜日に、 Science Advances誌で、マサチューセッツ工科大学のエンジニアが興味深い答えを出しました。 要するに、彼らは「石灰塊」と呼ばれる小さな鉱物が古いコンクリートに一種の治癒能力を与えたと信じています.
OK、それは逆境に聞こえます。
しかし、これについて本当に興味深いのは、 年、科学者たちは、古代のコンクリート混合物に石灰塊が存在することは偶然であると想定していました.
MIT の土木環境工学教授であり、この研究の筆頭著者である Admir Masic 氏は、「これらの石灰塊の存在が単に品質管理の低さに起因するという考えは、常に私を悩ませていました」と述べています。 声明で述べた.
「ローマ人が、何世紀にもわたって最適化されてきたすべての詳細なレシピに従って、優れた建築材料を作ることに多大な努力を払ったのなら、なぜ彼らは、うまく混合された最終製品? この話にはもっと多くのことが必要です.
こちらはローマのパンテオン内部のドーム。 多くの近代的な建物と同じようにコンクリートでできていますが、特別な製法があります。
ゲッティイメージズ
火山灰から始まる物語
歴史的に、Masic と仲間の研究者によると、専門家は、パンテオンのような建造物の秘密の成分は、ポゾラン材料と呼ばれる物質と関係があると考えていました。 奇妙なことに、ポゾラン素材は、ナポリ湾のポッツオーリ地域の火山灰に由来します。
当時の建築家はこの素材に夢中になっており、建設労働者が重要な特性を組み立てるためにローマ帝国に出荷することさえありました。
しかし、古代のコンクリートのサンプルをより詳細に調べた後、Masic は内部に石灰塊と呼ばれるものが存在することを観察しました。 注意すべき重要なことは、ライムクラストを作るのは簡単ではないということです. それらは、他の化学プロセスのランダムな副産物ではありません。 必ず 積極的に 必要に応じてライムクラストを作成すると、チームは説明しました.
より具体的には、コンクリートと石灰を超高温で混ぜて、ライム クラスト ガーニッシュをいくつか作る必要があります。
そして案の定、もう少し分析したところ、チームは古代のコンクリート サンプルに (非常に) 高温で混合した証拠を発見しました。 ローマ人は本当にライムクラストをそこに入れたかった.
さらに、一般的な構造に関して、「熱間混合の利点は 2 つあります」と Masic 氏は述べています。
まず、コンクリートが高温に加熱されると、消石灰のみを使用した場合には得られない化合物が生成されます。これは、非加熱混合石灰を指します。 第二に、温度が上昇すると、構造物を構築する際の「硬化」および硬化時間が大幅に短縮されます。 これは、熱が反応を加速し、加速された反応が建設の高速化を意味するためです。
さらに、「これらのより耐久性のあるコンクリート配合物が、これらの材料の耐用年数をどのように延長するかだけでなく、3D プリントされたコンクリート配合物の耐久性をどのように改善できるかを考えるのはエキサイティングです」と Masic 氏は述べています。
ここで、Masic とは、先ほど述べた自己修復特性を指しています。
イタリアのプリヴェルヌムの遺跡 (左) から収集された古代ローマのコンクリート (右) の 2 センチメートルの断片の広域元素マップ。 この古代の素材の独特の自己修復特性の原因である、カルシウムが豊富な石灰塊 (赤) が、画像の下部にはっきりと見えます。
Masic とその仲間の研究者に敬意を表します。
基本的に、高温混合プロセス中に、石灰塊がコンクリートに特別なパターンを作成し、反応性カルシウム源として知られるものを形成します. これは、小さな亀裂が形成された場合、それらの亀裂が小さな石灰岩パターンに沿って移動する可能性が高いことを意味します. 次に、水が亀裂に入り込むと、カルシウム源で一連の反応が起こり、簡単に言えば、亀裂はカルシウム源自体の再結晶バージョンで満たされます.
彼らの仮説を確認するために、研究者はこれもテストしました。
最初のステップは、熱間混合によってコンクリートを作り、石灰塊の存在を確認することでした. ステップ 2: いくつかの亀裂を作成します。 ステップ 3: 亀裂に水を流します。
なんと、2 週間もしないうちに、亀裂が完全に治り、水が流れなくなっていることがわかりました。 (質問する前に、いいえ、彼らがテストした最新のコンクリート バージョンは治癒しませんでした。)
しかし、ローマ建築の不思議なほど驚くべき素材は、おそらくライムクラストを含むだけではなく、はるかに深いところにある. 例えば、 別のMITの研究、これも Masic が実施した 2021 年 10 月の調査では、2,050 年前のローマ時代の墓の壁に魔法のような火山灰がたくさんあることがわかりました。 [accumulated] この灰のせいで2000年以上」。
これらの相互作用は、明らかにコンクリートの結合に役立ちました。 しかし、その研究は、特にライムクラストではなく、カリウム誘導体との発見を相関させました.
「古代の材料の形成とプロセスを理解することは、将来のために耐久性があり持続可能な建築材料を作成する新しい方法を研究者に知らせることができます」とMasicは2021年の研究に関するプレスリリースで述べました. 「カエシリア・メテッラの墓は、現存する最古の建造物の 1 つであり、現代建築にインスピレーションを与える可能性のある洞察を提供しています。」
現在のところ、チームは、作成したばかりの自己修復コンクリート調合物の商品化に取り組んでいます。