アメリカの海岸線に「自己修復」するローマのコンクリートを導入するプロジェクトの内部

古代ローマ人はコンクリートの達人で、砂、水、岩を混ぜて長持ちする驚異的な物を作りました。コンクリートで作られた橋、競技場、その他の構造物は、2,000 年近く潮や嵐に浸かった港や防波堤でさえ、今でも高くそびえ立っています。この物質は顕微鏡レベルまで頑丈で、塩水の中では一般に鋼鉄の支えが必要で、それでも数十年以内に腐食する可能性が高い現代の素材よりもはるかに長持ちします。

ローマ帝国が滅亡すると、海洋コンクリートの製造方法も消滅した。しかし、古代建築物に残された化学的手がかりをたどることで、現代の科学者たちはこの技術を復活させた。近年、研究者たちは考古学、土木工学、火山学などさまざまな分野から得た教訓を応用し、この技術の理解を深めている。研究者たちは海底から古代の物質のチューブを引き上げ、X線を照射して微細な鉱物を観察した。そして今、独自の工業バージョンを調合している。

2023年、約2千年ぶりにローマ風の海洋コンクリートが海岸線でテストされる。実験用ガラスを専門とする米国企業シリカ-Xは、今夏からロングアイランド湾に4～5枚のスラブを設置する予定だ。今日作られるほぼすべてのコンクリート製品は環境に耐えるよう設計されているが、これら2,600ポンドのサンプルは水中環境に適応し、時間の経過とともに強度が増すと予想される。

水が多孔質の固体を通過すると、材料のミネラルが溶解し、新しい強化化合物が形成される。「これが実際にローマのコンクリートの秘密です」と、ユタ大学の地質学および地球物理学研究准教授マリー・D・ジャクソンは言う。ジャクソンは、初期段階の技術研究を支援する連邦政府のプログラムであるエネルギー高等研究計画局から140万ドルの助成金を得て、この物質のリブートに取り組んでいる。

ジャクソン氏は、ローマ時代のコンクリートが海水と接触すると何が起こるかを10年以上研究してきた。彼女はシリカ-Xと共同で研究するチームの一員で、ニューヨークの河口に沈める予定の試作品は彼女のレシピに基づいている。

「マリーは、その物質を理解し、開発しようと努力する上で、100％最も重要な人物です」と、彼女の頻繁な協力者であるグーグルのハードウェア開発者フィリップ・ブルーンは言う。10年以上前、ブルーンは博士課程の学生だったとき、ジャクソンとともにローマのコンクリート類似物と呼ばれる最初のものを作った。パンテオンやトラヤヌスの市場の基盤に似た陸上型を作った後、彼らは海洋型に切り替えた。

ジャクソン氏は、これらの歴史的レプリカの用途として、気候変動の影響を防ぐことを念頭に置いている。米国海洋大気庁は、2050年までにアメリカ沿岸の海面が平均10～12インチ上昇すると予測している。およそ30年ごとに交換が必要な現代のコンクリート製の防波堤は、すでに米国の海岸線のかなりの部分を占めている。波が今後も高まり続けるなら、海岸線を強化するために、より耐久性があり持続可能な方法を見つける必要があるだろう。

コンクリートの二重性

コンクリートの材料は、砂糖菓子と同じくらいシンプルです。水と空気のほかに、砂、砂利、砕石などの骨材と呼ばれる粒状の材料が必要です。もう 1 つ必要なのはセメントです。セメントは、成分をまとめる鉱物接着剤です。1800 年代半ばにイギリスで発明されたポートランド セメントは、現代のコンクリートの配合の大部分のベースとなっています。この配合により、一貫して強力な製品が生まれます。「同じ材料で火星でも作れますし、うまくいくことは間違いありません」と、マサチューセッツ工科大学のコンクリート持続可能性ハブで主任研究員を務め、土木環境工学の准教授を務めるアドミール マシック氏は言います。

ポルトランドセメントの生産は有害である。真水とエネルギーを大量に消費するだけでなく、大量の二酸化炭素も排出する。カリフォルニア大学デービス校の土木環境工学助教授サビー・ミラー氏によると、この製造工程は世界の_{二酸化炭素}排出量の7～8％を占めている。世界のコンクリート産業が国家だとしたら、その温室効果ガス排出量は中国と米国に次いで世界で3番目に大きいことになる。

コンクリート業界は自社製品の環境への悪影響を認識しており、変革に向けて取り組む用意があるとミラー氏は言う。例えば、世界的な建設コングロマリットのハイデルベルグセメントは、2021年に、2030年までに初のカーボンニュートラルなセメント工場を建設すると発表した。この施設は温室効果ガスを捕集し、海底の岩盤に閉じ込めるものだ。開発中の他の種類のコンクリートは、汚染物質を材料自体の中に閉じ込めるよう設計されている。炭素を固体で貯蔵可能な鉱物に変える技術に取り組んでいるミラー氏は、これらは「まだ初期段階であり、うまくいくかどうかは様子を見る技術だ」と語る。

研究者らによると、ローマ人が行っていたようにコンクリートを作れば、主にこの物質を頻繁に交換する必要がないため、厄介な排出物が減るはずだという。しかし、古代の製法では圧縮強度がそれほど高くなく、この資源では超高層ビルや交通量の多い橋を支えることはできない。マンハッタンのコンクリートの中心部で「ローマ風の材料は使わない」とマシック氏は言う。同氏はジャクソン氏と他の2名と、カエキリア・メテッラのローマ時代の墓の建材内での反応に関する論文を共同執筆しており、自らが「自己修復」物質と呼ぶものを発明した人物でもある。むしろ、時代を超越したこの調合物は、摩耗に耐える道路、波に耐える壁、核廃棄物を閉じ込める地下室などに使用できると彼は言う。

ローマ風コンクリートの最も優れた点は、数日以内に自己修復する能力のおかげで、耐久性があることです。「この素材は驚異的な耐久性を持っています」とブルーヌは言います。「建築環境において、これほど完全かつ忠実に長持ちするものは他にありません。」この能力を与える主要な成分は、イタリアのポッツオーリの砂のようなポゾランです。

火から海へ

ジャクソンは、ローマのコンクリートの秘密を解明しようとは考えていなかった。火山学と岩石力学に惹かれ、彼女は 80 年代後半から 90 年代前半にかけてハワイのマウナ ロアを研究した。1995 年、彼女は家族とともにローマで 1 年間過ごし、かつては巨大な戦車競技場だったチルコ マキシムスの遺跡の近くに住んだ。滞在中、彼女はローマの有名な古典建築に組み込まれた火山岩に魅了された。

ローマ時代のコンクリートは熱心な研究対象であり、何千年もの間存続する構造物は注目を集める傾向がある。しかし、地質学者の目で見たジャクソンは、地表の下に強力な何かを見出した。「火山岩を理解しなければ、この物質を理解するのは非常に難しい」と彼女は言う。分析において、ジャクソンは火山噴火で噴き出す粒子であるテフラと、テフラが固まって形成される岩石である凝灰岩に焦点を当てた。

ローマ時代の建築資材に関する彼女の最初の論文は、他の 4 人の科学者との共同研究で、2005 年にArchaeometry誌に掲載されました。このグループは、古代の建築家が凝灰岩や石を集めた 7 つの堆積物について説明しました。これらはローマの北と南にある 2 つの火山の爆発的な噴火によって生じたものです。紀元前 1 世紀までに、ローマの建築家はこれらの岩石の耐久性を認識し、ジャクソン氏が「戦略的な位置」と指摘する都市周辺の場所にそれらを配置し始めました。

彼女が永遠の都ローマで資料を調べている間、他の人たちは別々に海を捜索していた。古典考古学者のロバート・L・ホルフェルダーとジョン・オルソン、ロンドンを拠点とする建築家クリストファー・ブランドンの3人の学者とスキューバダイバーは、2001年にローマ海上コンクリート研究を開始した。その後数年間で、彼らはエジプト、ギリシャ、イタリア、イスラエル、トルコの10のローマ港湾遺跡と1つのピシーナ（食用魚を囲う海辺の水槽）から数十のコアサンプルを収集した。

彼らが調査した場所の中には巨大な建造物もあった。紀元前22年から10年、ヘロデ王の治世中に建設された港湾都市カイサリア・パレスティナエでは、ローマ人が推定2万トンの火山灰で港を作った。

遺跡の内部を調査するために、考古学者たちは重機を必要とした。「海底にある、おそらく400立方メートルもある大きなコンクリートの塊の外側を叩いて破片を取り除いていました」とビクトリア大学名誉教授のオルソン氏は言う。しかし、この方法には欠陥がある。表面は海水によってすでに腐朽しているため、剥がれた破片が内部の深部にあるものではない可能性がある。「また、ハンマーで叩いていました」と同氏は言うが、これでは物質的な強度を測る機会を逃してしまう可能性がある。

このプロジェクトには、より精密で鋭い手腕が求められた。イタリアのセメント会社イタルセメンティが資金を提供し、3 人の男性に特殊な油圧式コアリング装置を調達するのを手伝った。彼らは地中海の海底に潜り、何時間も掘削を続け、長さ 20 フィートの円筒形のコアを採取した。「大変でした」とオルソンは言う。「アレクサンドリアのような場所では、考えたくないことがたくさんあって、視界は腕の長さよりも短かったのです。」

その努力は報われた。それまで誰も、海水中の構造物の内部の層を見ることはできなかった。当時の見解では、海水中で何千年も持ちこたえるにはコンクリートは特別に強固でなければならないとされていた。しかし、それは事実ではなかったことが、オレソンと彼の同僚たちの調査で分かった。「現代の工学用語で言えば、コンクリートは非常に弱いのです」とオレソンは言う。しかし、そのコンクリートは火山性成分が驚くほど一貫していた。オレソンは、穀物船がナポリのポゾランをバラストとして使い、それを産地から何百マイルも離れた作業現場まで運んだと推測している。

2007 年、この 3 人が行った海水コンクリートに関するプレゼンテーションは、アメリカ考古学協会の年次総会で賞を獲得しました。「私は栄光に浸りながらそこに立っていました。すると、背の低い興奮した女性が近づいてきて、私に話しかけてきました」と、オルソンは回想します。その見知らぬ女性はジャクソンで、オルソンによると、彼女はローマ建築のコンクリートの中に観察された珍しい結晶鉱物について詳しく説明し始めたそうです。オルソンは大学で化学の授業を受けたことはありませんでしたが、同じ志を持つこの地質学者が、グループに必要な専門知識を持っていることに気づきました。

彼らはジャクソンに海産物サンプルへのアクセスを許可した。そして彼女が中を覗くと、ナノメートル規模の化学実験室を発見した。

岩石の反応

1世紀の著書『博物誌』の中で、ローマの著述家大プリニウスは、「海の波に触れて沈んだ途端、波にも耐えられないひとつの石の塊となり、日に日に強くなる」塵について書いている。この湿った粒子、つまりポゾランがどのようにして強くなっていったのかは、ほぼ2,000年もの間、明らかにされることはなかった。

ジャクソン氏が、オルソン氏らが入手したコアサンプルを調査したところ、ローマ都市圏の建築コンクリートで見たものと同じ特徴がいくつか見つかった。しかし、沈んだ岩石の中には、鉱物循環と名付けた現象も見られた。これは、化合物が形成され、溶解し、また新しい化合物が形成されるというループ反応である。

コンクリートを作るために、ローマ人は火山灰と水和石灰を混ぜた。これにより、カルシウムアルミニウムケイ酸塩水和物（CASH）と呼ばれる鉱物接着剤の生成が促進される（純粋な現代のコンクリートのバックボーンであるCSHも同様の結合剤である）。ジャクソン氏によると、これは設置後最初の数か月以内に起こる。5年から10年以内に、材料の組成が再び変化し、一種の微細な内部改造によって水和石灰がすべて消費される。その頃には、浸透液が「本当に効果を発揮し始め」、内部に長持ちするセメントのような鉱物を生成する。

ジャクソン氏と科学者チームは、ローレンス・バークレー国立研究所の先端光源装置で行われた作業を含む、最新の顕微鏡とX線技術を使用して、これらの強力だが小さな結晶を調べた。「ローマの海水コンクリートが時間の経過とともに変化し続けていたことを体系的に示すことができました」と彼女は言う。コンクリートの各気孔内で、海水がガラスまたは結晶化合物と反応していた。特に、彼女はアルミナトバモライトと呼ばれる希少鉱物の硬い肋骨状の板を発見した。これはおそらく破損を防ぐのに役立つと、彼女と彼女の同僚は2017年のAmerican Mineralogist誌の論文に書いている。

海自体が重要な役割を果たしている。ローマの建築業者は海水で海洋コンクリートの混合物を作り、その塩分が鉱物構造の一部となった。ナトリウム、塩素、その他のイオンが火山灰と石灰の反応を活性化させたのだ。コンクリートが潮にさらさると、巨大な建物にゆっくりと液体が浸透し、ファサードには生命が栄えた。ミミズは管を作り、他の無脊椎動物は殻を生やした。

一方、現代の鉄筋コンクリートは、内部の鉄筋を保護するために高い pH 値を必要とするため、その表面は生物にとってあまり優しくない。鋳造後、約 28 日間の硬化と養生を経て、ほぼ最大の強度に達するとブルーヌ氏は指摘する。(石灰岩を生成する細菌胞子をコンクリートに注入するなど、新しい種類のコンクリートに自己修復能力を持たせる試みが進行中である。)

具体的には、ポートランドセメントを使用したコンクリートは、強度があるのと同じくらい脆い。過度の負荷がかかるとひび割れが生じ、時には鋭い音とともに広がり、広範囲にわたる破損を引き起こす。「材料がさらなる負荷に耐える能力は失われ、破損してしまうのです」とジャクソン氏は言う。

ローマのコンクリートは、壊れ方が異なります。ブルーンとジャクソンは、類似品をひずみの状態でテストし、混合物から半円を作り、それをひび割れ点まで押し付けました。彼らは、壊れて本質的に半分に分かれる非常に硬い物質とは異なり、ローマのコンクリートは、全体の完全性を失うことなく、多くの小さな亀裂にひずみを移動させることを観察しました。「ローマのコンクリートスタイルの材料は、そのようなひび割れに非常によく反応します」とブルーンは言い、この特徴により、地震や水環境の変動にもかかわらず、この昔ながらのレシピが長い間持ちこたえてきた理由を説明できるかもしれないと付け加えました。

マシック氏とMITの科学者らが1月にサイエンス・アドバンス誌に発表した論文によると、ローマ時代のコンクリートに見られる白い石灰の塊もコンクリートを丈夫に保つ効果があるという。研究室での実験では、研究チームは30日間、ひび割れたコンクリートの円筒に水を流した。典型的なコンクリートの割れたサンプルには水が絶えず流れていた。しかし、石灰の塊が加えられたコンクリートでは、方解石が結晶化して隙間を埋めた。

ジャクソン氏とブルーヌ氏は、海洋コンクリートのレプリカに同様の自己修復能力があることを観察している。エネルギー高等研究計画局の助成金を受けて発表予定の実験で、彼らは再びこの混合物の半円を割った。彼らが損傷した円弧を海水の入った容器に入れると、化学反応が再開し、亀裂に新しい接着剤が蓄積した。ジャクソン氏によると、これが自己修復するコンクリートだという。

新たな試み、新たな島

2023年が進むにつれ、ローマ風コンクリートはこれまで以上に進化するだろう。コンクリートやその他の構造材料を研究する米陸軍工兵隊の研究地質学者チャールズ・ワイス氏は、ジャクソン氏の方式を試す提案書を提出した。ミシシッピ州ビックスバーグの軍事研究所が資金を獲得すれば（「政府のために働いているので、確実なことは何もありません」とワイス氏は言う）、工兵隊の研究者が材料を鋳造し、水域に配置することになる。

他所では、別の連邦プロジェクトの失敗がジャクソン氏の発明を後押ししたかもしれない。2018年、サウスカロライナ州にあるエネルギー省のサバンナリバー国立研究所で、科学者たちは放射性廃棄物を安全に保管できる製品の開発に取り組んでいた。

国立研究所は、不活性を意図した気泡入りの物質の一種である発泡ガラスを作ろうと考え、シリカXチームに協力を依頼した。しかし、うまくいかなかった。混合物は周囲と反応し続け、放射性廃棄物容器が溶解すると不安定な粒子が放出される可能性があるため問題だった。しかし、核廃棄物にとって悪いものは、周囲に反応するように設計された防波堤にとっては良いことだ。研究所のガラス設計者はこの可能性を認識し、ジャクソン氏を同社に紹介した。

ローマ風コンクリートへの関心が高まっているにもかかわらず、ナポリから工業用量のポゾランを採掘することは現実的でも持続可能でもない。その代わり、シリカ-X の最高経営責任者フィリップ・ギャランド氏によると、同社の生産プロセスでは、米国の非核廃棄物の流れを掘り起こしてシリカを採取し、それを合成テフラに変換するという。ギャランド氏によると、これが「海岸線の耐久性を提供できるエリア」で行われる予定のロングアイランド湾のフィールドテストの基礎となるという。

シリカ-X は、3.5 フィートの立方体の耐久性を 2 年間にわたって評価する予定です。同社は、ニューヨーク州環境保全局と、影響力のある陶芸大学があるアルフレッド大学などのパートナーとともに、この素​​材が高潮防波堤としてどのような可能性を秘めているか、また、微生物やその他の地元の海洋生物の生息地としてどのような機能を果たすかを分析する予定です。

同時に、ジャクソンは元の研究テーマである火山に戻った。彼女は、アイスランド沖にある、わずか 60 年前にできた小さな火山島、スルツェイ島を調査するプロジェクトの主任研究者である。ユネスコ世界遺産に登録されているこの島は、1963 年から 1967 年にかけて、大西洋から噴煙と溶岩とともに現れた。「最初に噴火したときのことは覚えています」とジャクソンは言う。「父が仕事から帰ってきて、小さな火山が噴火していると言ったからです」

スルツェイ島では、これまで人間が触れたことのない玄武岩の中に微生物が生息していることを科学者たちが発見した。（ボートやヘリコプターで到着する研究チームを除き、火山への訪問者は禁止されている。）科学者たちは、最後の噴火から何年も経った今でもまだ熱い岩を通り抜けて海底まで掘削し、そこにある火山灰を調べた。この火山灰が眠っている今、ジャクソン氏はこの場所が、水没したローマ時代のコンクリートの初期に何が起こったのかを明らかにできると信じている。

彼女がこの素材について知っていることは、海中で何千年も熟成したものから得た知識だ。この新しい地形は、切望されていた古代の素材の不完全なレプリカではあるが（そこにある液体はローマの建造物に浸透したものとまったく同じではない）、ジャクソン氏はすでに似たような地球化学的プロセスをいくつか発見していると語る。火山の周りの灰と海水は、偉大な文明の基礎を築いた初期の反応と類似している。ここは、新しい島のような巨大なものから、何千年にもわたって変化してきた鉱物のような小さなものまで、ローマのコンクリートの変化の技術を教えてくれる生きた実験室だ。すべてがうまくいけば、この強力な発明の現代版は、その製作者よりも長く生き続けるだろう。

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