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- 로마인들은 분명히 소석회 대신 반응성이 높은 탄 석회와 모르타르를 혼합했다.
- 이탈리아 프리베르눔(Privernum) 고대 유적지에 있는 로마 성벽의 모르타르 샘플을 채취
- X선 분광법, X선 산란법, 라만법 등의 방법으로 정밀한 화학 광물학적 분석
- 로마인들이 콘크리트에 "뜨거운 혼합" 공정을 사용했음을 시사

로마 콘크리트에서 발견된 새로운 성분
생석회를 첨가해 고대 모르타르의 내구성과 자가 치유력을 높였다.

과학자들은 로마 콘크리트가 왜 그렇게 내구성이 강한지 오랫동안 의아해했다. 이제 이 고대 건축 자재의 또 다른 비밀이 밝혀졌다. 로마인들은 분명히 소석회 대신 반응성이 높은 탄 석회와 모르타르를 혼합한 것으로 보인다. 결과 열은 안정적인 광물 형태의 형성을 촉진하고 로마 콘크리트에 자가 치유 능력을 부여했다. 실험에서 알 수 있듯이 새로 형성된 석회 결정으로 인해 균열이 스스로 계속해서 닫혔다. 

▲ 로마의 콜로세움과 같은 고대 건물은 로마식 콘크리트를 사용했기 때문에 수천 년 동안 살아남았다. © Laughingmango/ 게티 이미지

현대식 콘크리트는 여러 가지 방법으로 사용할 수 있고 안정적이지만 오래 지속되지 않는다. 50년에서 100년이 지나면 모래, 자갈 및 시멘트 혼합물이 갈라지고 부서지기 시작한다. 이것은 로마인의 고대 콘크리트와 다르다. 로마의 콜로세움, 로마의 수로와 교량 또는 고대 항구 시설과 같은 구조물은 수천 년 동안 살아남았다. 날씨, 바닷물 및 지진조차도 로마 콘크리트 건물에 해를 끼칠 수 없었다.

왜?
과학자들이 몇 년 전에 로마 콘크리트의 수수께끼를 풀었다. 고대 건축업자들은 화산재와 석회화 덩어리를 시멘트와 섞었다. 이 포졸란은 시멘트의 석회석과 반응해 알루미늄화된 규산칼슘 토버모라이트를 포함하여 특히 안정적인 판상 광물을 생성한다.

하얀 석회 덩어리에 관한 미스터리

로마식 콘크리트에는 매사추세츠 공과대학(MIT)의 Linda Seymour와 그녀의 동료들이 최근 발견한 두 번째 비밀도 있다. 연구를 위해 그들은 고대 콘크리트의 또 다른 성분인 대부분의 로마 콘크리트와 시멘트 혼합물에서 발견되는 몇 밀리미터 크기의 눈에 띄는 흰색 덩어리를 자세히 살펴보았다. 지금까지는 석회가 불완전하거나 과도하게 연소되거나 재료의 불충분한 혼합으로 인해 콘크리트에 유입된 단순한 오염 물질로 간주되었다.

▲ 그림 1. 본 연구에 사용된 고대 로마 콘크리트 시료의 채취 위치 및 특징. 테스트 샘플은 이탈리아 로마 근처의 Privernum 고고학 유적지에서 가져온 것이며(A) 사진 측량 기반의 3차원 재구성으로 표시됐다(B). 건축 모르타르 샘플은 경계 콘크리트 도시 벽(C)에서 수집되었다. 파단 표면(D)의 대면적 EDS 매핑은 모르타르의 칼슘이 풍부한(빨간색), 알루미늄이 풍부한(파란색), 실리콘이 풍부한(녹색) 및 황이 풍부한(노란색) 영역을 나타낸다. 연마된 단면(E)의 추가 이미징은 모르타르 내의 골재 규모 잔존 석회 쇄설을 보여준다(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 표시한다. 사진 크레딧(B 및 C): Roberto Scalesse 및 Gianfranco Quaranta, Associazione AREA3, 이탈리아. (출처:관련논문 Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete / Science Advances / 6 Jan 2023 Vol 9, Issue 1)

"이러한 석회 덩어리가 단순히 부주의로 인해 로마 콘크리트로 끝났다는 생각은 나에게 이상하게 보였다"고 MIT의 수석 저자인 Admir Masic은 말했다. "로마인들이 건축 자재에 많은 노력을 기울이고 수 세기에 걸쳐 최적화된 자체적인 세부 레시피를 개발했다면 완제품을 혼합할 때 왜 그렇게 서툴러야 했을까? 그 뒤에 더 많은 것이 있어야했다.”

소석회 대신 생석회?

연구팀은 이에 대한 해명을 위해 이탈리아 프리베르눔(Privernum) 고대 유적지에 있는 로마 성벽의 모르타르 샘플을 채취해 X선 분광법, X선 산란법, 라만법 등의 방법으로 정밀한 화학 광물학적 분석을 했다. 레이저 이미징에 따르면 이 백색 과립의 내부는 거의 순수한 탄산칼슘-석회석으로 구성됐다.

그러나 특이한 점은 이 석회 덩어리의 구조가 현재의 형태로 시멘트에 섞이지 않았다는 점이다. 대신 탄산염은 먼저 열을 발생시키는 발열 반응 동안 시멘트에서 형성되어야 한다. 그러나 일반적으로 모르타르 생산에 사용되는 소석회(Ca(OH)2)는 이러한 반응을 일으키지 않는다. "로마인들은 반응성이 더 높은 형태인 생석회를 대신 사용할 수 있었을까?" Masic은 의아해했다.

▲ 로마 콘크리트 조각의 희끄무레한 석회 덩어리와 시료의 원소 분포. © Seymour et al. / Science Advances, CC-by-nc 4.0

생석회 - 산화칼슘(CaO) - 탄산칼슘에서 석회를 태워 생성되며 반응성이 매우 높다. 물이 있으면 반응하여 소석회를 형성하여 많은 열을 발생시킨다.

로마 콘크리트를 위한 "뜨거운 혼합“

사실, 역사적 자료는 로마인들이 예를 들어 벽 석고나 프레스코화와는 다른 종류의 석회를 하중 지지 구조물에 사용했다는 증거를 제공한다. 고대 석고 제조법에서 소석회는 일반적으로 "calx macerata"라고 불리며 혼합하기 전에 오랫동안 물에 담가 두는 것이 좋다. "반면 구조용 건물에 사용되는 석회의 경우 Vitruvius는 마세라타 대신에 멸종이라는 용어를 사용한다"고 Seymour와 그녀의 동료들은 보고했다. 그것은 다른 과정을 가리킨다.

연구원들에 따르면 이것은 로마인들이 콘크리트에 "뜨거운 혼합" 공정을 사용했음을 시사한다. 즉, 석회를 미리 슬레이팅하는 대신 덩어리를 구운 석회와 직접 혼합했다. 그 결과, 혼합물이 가열됐고 이것은 화산재로부터 석회 덩어리와 특히 안정한 광물 형태의 형성을 촉진했다. "증가된 온도는 모르타르가 건조되고 경화되는 데 걸리는 시간을 줄여 시공을 가속화했다"고 Masic은 설명했다.

균열 및 손상의 자가 치유

연구원들이 설명하듯이 뜨거운 혼합은 로마인에게 구체적인 자가 치유 능력을 부여했을 수도 있다. 반응은 향후 반응을 위한 저장소 역할을 할 수 있는 석회 덩어리를 남기기 때문에 물이 침투하는 콘크리트에 균열이 형성되면 칼슘이 물에 용해된다. 물에 용해된 이산화탄소와의 반응으로 탄산칼슘이 생성되어 결정화되고 균열을 새로운 물질로 채운다.

로마 콘크리트의 이 "자가 치유력"은 실험에서 확인되었다. 이를 위해 과학자들은 고대 및 현대 제조법에 따라 다양한 콘크리트 혼합물을 혼합하고 소석회 일부를 소석회 생석회로 대체했다. 덩어리가 굳은 후 연구원들은 의도적으로 샘플에 균열을 만들고 물이 샘플 위로 흐르도록 했다.

▲ 그림 5. 현대 모르타르 자가치유 실험. 주조 후, 로마에서 영감을 받은 고온 혼합 콘크리트 샘플을 기계적으로 파단한 다음 재결합(0.5 ± 0.1 mm 간격으로)하고 균열 치유 연구를 위해 전처리했다(A). 통합 흐름 회로(B)를 사용하여 30일 동안 샘플을 통한 물 흐름을 유량계로 문서화했다. 석회 덩어리가 없는 대조군(주황색 선)과 비교할 때, 30일 후 석회 덩어리 함유 샘플(파란색 선)을 통한 물 흐름이 중단되었으며(C), 균열 표면을 조사한 결과 석회 덩어리가 완전히 채워진 것으로 나타났다. 라만 분광법 측정(F)에서 방해석으로 확인된 새로 침전된 광물상(D 및 E). (출처:관련논문Fig 5)

소석회가 섞인 샘플의 균열은 잠시 후 저절로 닫히는 것으로 나타났다. 결과적으로 로마법을 기반으로 한 콘크리트는 현대식 콘크리트보다 훨씬 더 내구성이 강하고 균열에 강하다. Seymour와 그녀의 동료들은 "건설 후 몇 년 또는 몇 세기 후에 손상이 발생하는지 여부에 관계없이 재료에 석회 덩어리가 여전히 있는 한 자가 치유력은 그대로 유지된다"고 보고했다.

▲ 그림 6. 고대 로마 박격포 내에서 자가 치유를 위해 제안된 메커니즘의 개략도. 뜨거운 혼합 과정을 통해 칼슘이 풍부한 석회 덩어리는 시멘트질 매트릭스에 의해 캡슐화되며 수화 테두리가 형성되어 궁극적으로 탄산화된다(맨 윗줄). 균열이 발생하면(하단 행) 물이 침투하여 칼슘이 풍부한 용액을 기공 네트워크로 이동시켜 손상을 치료하거나(과정 1) 포졸란 후 반응(예: C-A-S-H 형성)을 위한 반응성 칼슘 역할을 할 수 있다. 화산 테프라와 주변 매트릭스(프로세스 2). (출처: 관련논문 Fig 6)

현대 콘크리트에도 유용

과학자들에 따르면 고대의 제조법은 현대 콘크리트를 최적화할 수 있는 기회를 열어준다. Masic은 "이러한 콘크리트 레시피가 어떻게 건축 자재의 내구성을 높일 수 있는지 생각하는 것은 흥미진진하다"며 "이러한 성분은 또한 3D 프린팅으로 생산된 콘크리트 구조물의 내구성을 향상시킬 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이미 로마에서 영감을 받은 시멘트 혼합물을 시장에 출시하기 위해 노력하고 있다.
(Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.add1602)
출처: Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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