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現代のコンクリート構造物は、数十年放置するとボロボロになってしまう。だが、古代ローマ人が建てた構造物は、同様にコンクリートで建造されているのに、2000年以上経った今でも丈夫に建っているのはなぜなのか、これは長い間謎だった。だが、この度、古代のコンクリートがひび割れを自己修復する秘密が突き止められ、それを再現して新しい建造物を長持ちさせる方法が新たな研究から明らかになったのだ。

コンクリートは世界で最もよく使われている建築材料だが、損傷を受けないわけではない。天候やストレスによって小さなひび割れが発生し、それが大きくなると、最終的には構造物全体の完全性を脅かすようになる。そのため、壊滅的な破壊を防ぐために、高価なメンテナンスまたは交換が必要になることがある。

一方、古代ローマ時代の建造物は、コンクリートで作られているにもかかわらず、2千年以上もの長い時間に耐えてきた。その理由を探るため、科学者たちは長い間、顕微鏡で材料のサンプルを調べ、その組成を研究し、強度を与える成分を明らかにしたのだ。

イタリアの特定地域の火山灰から作られるポゾランが、その主成分として挙げられる。また、石灰も含まれており、以前の研究では、橋脚のような海洋環境では、時間とともにコンクリートが強くなることが分かっている。しかし、このたびの研究で、石灰の塊が何らかの理由で存在することが明らかになった。

「こ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、いつも私を悩ませます。もしローマ人が何世紀にもわたって最適化された詳細なレシピに従って、優れた建設資材を作ることにあれほど力を注いだのなら、なぜよく混ぜられた最終製品の製造にそれほど力を注がなかったのでしょうか?この話には続きがあるはずです。」と、この研究の主執筆者であるAdmir Masic氏は述べている。

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イタリア・プリヴェルヌムの遺跡から採取した古代ローマ時代のコンクリート片(2cm)(右)の広域元素分布図(カルシウム:赤、ケイ素:青、アルミニウム:緑)(左)。この古代の材料に見られるユニークな自己修復性の原因となる、カルシウムを多く含む石灰の塊(赤色)が、画像の下側にはっきりと見える。(Credit: MIT)

研究チームは、画像処理とケミカルマッピングの技術を用いて、石灰塊をより詳細に調査した結果、高温で生成されたと思われる炭酸カルシウムの一種からできていることを発見した。このことから、古代ローマ人が使っていたと推定される石灰よりも反応性の高い生石灰を直接添加(ホットミキシング)して作られたことが示唆された。

「ホットミキシングの利点は2つあります。まず、コンクリート全体が高温になることで、消石灰だけではできない化学反応が起こり、他の方法ではできないような高温に関連した化合物が生成されます。第二に、この高温によってすべての反応が促進されるため、養生や固化の時間が大幅に短縮され、より迅速な施工が可能になります。」と、Masic氏は説明する。

しかし、もっと重要なのは、これらの石灰の塊がコンクリートの自己修復に積極的な役割を果たすことだ。高温で混ぜることで石灰がもろくなり、コンクリートに小さなひび割れができたとき、周囲の材料よりも石灰の塊の中を通りやすくなるのだ。ひび割れに水が入ると、石灰と反応して溶液となり、再び炭酸カルシウムに固まってひび割れを塞ぐ。また、ポゾランと反応し、コンクリートそのものをさらに強化することもできる。

つまり、石灰の塊は不要な副産物ではなく、そこに存在する理由があるのだ、と研究チームは言う。この自己修復の仕組みが、古代ローマのコンクリート構造物が長持ちする大きな要因なのかもしれない。

そこで研究チームは、この仮説を検証するために、古代と現代のコンクリートをホットミックスしたサンプルを作成し、それらを割って、その割れ目に長時間水を流した。2週間後、古代のコンクリートサンプルはひび割れが治り、水が流れるのを防いでいた。一方、現代の材料は全く治らなかったのだ。

研究チームは、この発見が古代の工学の秘密を理解するのに役立つだけでなく、現代のコンクリートのレシピを改善するのにも役立つだろうと述べている。そのため、研究者たちはこの材料の商品化に向けて動き出している。


論文

参考文献

研究の要旨

古代ローマのコンクリートは数千年の時を経てなお、その耐久性についてのメカニズムは謎のままである。ここでは、古代ローマ時代のモルタルに含まれる、どこにでもあり、目立つ鉱物成分である遺存石灰の調査に、マルチスケール相関的元素および化学マッピングのアプローチを用いている。これらの分析から、モルタルの調製方法について新たな知見が得られ、ローマ人が消石灰の代わりに生石灰を用いた熱混練を行い、表面積の大きい骨材規模の石灰塊をモルタルのマトリックス内に保持する環境を作り出していたことが明らかになった。このような発見から、この巨視的な介在物は、セメント系構造物の空隙や亀裂の長期的な充填やポゾラン反応に重要な反応性カルシウムの供給源となる可能性があると提案する。このような石灰クラストを含むセメント系材料の開発および試験により、石灰クラストの自己修復能が実証され、より耐久性、復元性、持続性に優れたコンクリート処方の開発への道が開かれた。

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