로마 콘크리트는 2,000년이 지난 지금도 어떻게 건재할 수 있을까?

로마 콘크리트의 내구성은 재료와 생산 방식의 조합에서 비롯한다.

로마 제국 전성기로부터 거의 2,000년이 지난 지금도 일부 구조물은 여전히 ​​건재하다. 로마의 판테온Pantheon , 스페인 세고비아Segovia의 로마 수로, 영국의 로마 목욕탕을 비롯한 이러한 경이로운 건축물들은 시간의 시험을 견뎌냈다.

이러한 구조물들의 장수는 주로 로마 콘크리트 덕분이다.

그렇다면 로마 콘크리트를 그토록 특별하게 만드는 것은 무엇일까? 이 재료가 수천 년 동안 구조물을 지탱할 수 있었던 이유는 무엇일까?

연구자들은 여전히 ​​로마 콘크리트가 정확히 어떻게 만들어졌는지에 대한 의문을 제기하지만, 여러 재료와 비가 올 때 자가 치유되는 특성 등 몇 가지 단서를 확보했다.

콘크리트는 어떻게 만들까?

먼저, 콘크리트가 일반적으로 어떻게 만들어지는지 이해하는 것이 중요하다.

현대 콘크리트는 시멘트로 시작하는데, 시멘트는 물과 섞으면 반죽처럼 되는 미세한 분말이다.

시멘트 주요 성분은 퇴적암인 석회암으로, 주로 탄산칼슘으로 구성되는데, 이 화합물은 달걀과 조개껍데기 등 자연에서도 발견된다.

석회암은 점토와 같은 다른 재료와 혼합된 후 화씨 2,700도(섭씨 1,482도) 가마에서 가열되어 클링커clinker라는 물질을 만든다.

클링커와 몇 가지 첨가제를 미세한 분말로 분쇄하면 시멘트가 된다.

오늘날 가장 일반적으로 사용되는 시멘트는 포틀랜드 시멘트Portland cement다.

캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스 토목환경공학과 부교수인 소마예 나시리Somayeh Nassiri에 따르면, 포틀랜드 시멘트로 만든 구조물은 환경에 따라 75년에서 100년까지 수명이 연장된다고 한다.

콘크리트는 로마 시대에 사용된 이래로 분명히 변화했지만, 진실은 콘크리트가 발명된 이래로 계속해서 변화해 왔다는 것이다.

콘크리트와 유사한 재료의 사용은 기원전 6500년으로 거슬러 올라간다.

석기 시대 시리아인들은 화덕을 사용하면서 우연히 석회라는 무기 건축 화합물을 개발했는데, 이는 현대 소성(calcination)이라고 알려진 원시적인 방식으로 주변 암석을 가열했을 가능성이 높다.

한편, 기원전 1100년경 메소아메리카 마야인들은 생석회를 사용하여 콘크리트 전구체를 개발했다.

생석회는 석회암을 고온으로 가열하여 이산화탄소를 방출하고 탄산칼슘을 산화칼슘으로 변화시킨 것이라고 나시리는 말했다.

하지만 로마 콘크리트는 독특한 혼합물이었고, 놀라운 성과를 거두었다.

오리건 대학교 고전학과 부교수인 케빈 디커스Kevin Dicus는 라이브 사이언스(Live Science)와의 인터뷰에서 “콘크리트가 제국을 건설했다”고 말했다.

디커스에 따르면, 로마인들은 기원전 3세기부터 콘크리트를 사용했다.

로마 콘크리트

로마 콘크리트의 비밀은 재료와 그 배합 방식 모두에서 비롯한다.

디쿠스에 따르면, “게임 체인저game changer” 중 하나는 포졸란pozzolan, 즉 화산재였다.

로마인들은 이탈리아 도시 포추올리Pozzuoli에서 나온 화산재를 사용하여 제국 전역으로 운반했다.

오늘날 포졸란에는 석탄 연소 부산물인 부석pumice과 비산재fly ash가 포함된다.

화산재에 포함된 실리카silica와 알루미나alumina는 상온에서 석회와 물과 반응하여 포졸란 반응을 일으켜 더 강하고 오래 지속되는 콘크리트를 만든다.

포졸란은 또한 수경성 시멘트hydraulic cement를 만드는 데 사용되며, 수경성 시멘트는 수중에서도 경화될 수 있다.

디쿠스는 또 다른 핵심 재료는 석회 쇄설물lime clasts, 즉 작은 생석회quicklime 덩어리라고 말했다.

이 쇄설물은 로마 콘크리트에 자가 치유 능력을 부여한다.

콘크리트는 시간이 지남에 따라 풍화하고 약해지지만, 물은 균열 속으로 침투하여 쇄설물에 도달할 수 있다.

물과 반응하면 쇄설물은 방해석calcites이라는 결정을 생성하여 균열을 메운다.

로마 콘크리트는 이런 방식으로 스스로 치유될 수 있다.

예를 들어, 로마 근처에 있는 2,000년 된 카이칠리아 메텔라 무덤Tomb of Caecilia Metella에는 방해석으로 가득 찬 균열이 있는데, 이는 건설 이후 어느 시점에 물이 콘크리트 내부의 쇄설물을 활성화시켰음을 시사한다.

MIT 연구팀은 2023년 Science Advances 저널에 게재된 연구에서 쇄설물의 효과를 설명했다.

연구진은 로마 콘크리트를 주사전자현미경과 X선으로 분석하여 콘크리트의 강도와 제작 방식을 파악했다.

로마인들은 이러한 공학적 경이로움을 직감적으로 알고 있었던 것 같다.

“이것은 단순한 우연이었을까요, 아니면 그들이 실제로 무엇을 하고 있는지 알고 있었던 걸까요?”

디커스는 곰곰이 생각했다.

로마인들은 또한 고온 혼합hot mixing이라는 방법을 사용했는데, 이는 생석회와 포졸란, 물, 그리고 다른 재료들을 혼합한 후 가열하는 것이다.

MIT 연구팀은 이 방법이 석회 쇄설물의 자가 치유 능력을 발휘하는 데 도움이 되며, 오늘날 일반적으로 사용되는 소석회slaked lime라는 생석회-물 용액으로 만든 시멘트보다 더 빨리 굳을 수 있다는 것을 발견했다.

디커스는 소석회가 오늘날 일반적으로 사용된다고 말했다.

연구자들은 여전히 ​​로마 콘크리트를 연구한다.

나시리는 “우리는 그들이 콘크리트를 혼합하고 재료를 준비하는 데 사용한 방법 중 일부를 아직 알아내고 있다”고 말했다.

디커스는 포틀랜드 시멘트의 현재 혼합 공정에서는 석회 쇄석lime clasts이 생성되지 않는다고 설명했다.

가마에서 생산된 클링커는 미세한 가루로 분쇄되어 잠재적인 쇄석을 모두 파괴한다.

반면 로마인들은 생석회, 재, 물을 고온에서 혼합했을 때 쇄석은 “시멘트에 작은 내포물”로 남았다고 그는 말했다.

로마인들이 시멘트 제조법의 탁월함을 온전히 이해했는지 여부는 알 수 없지만, 그 위대함은 오랜 세월을 통해 빛을 발한다.

오늘날에도 로마 성벽을 만져보는 것만큼 즐거운 일은 없다.

디커스는 “이 성벽은 2천 년이나 되었지만, 처음 부어졌을 때만큼이나 단단하다”고 말했다.