コンクリートは時が経つにつれひび割れ、崩れていく。ただし、すべてのコンクリートがそうなるわけではない。古代ローマに建てられた建造物は今なお立ち続けており、現代のコンクリートなら破壊されてしまうような過酷な条件下でも、驚くべき耐久性を発揮している。
その一つが、紀元前1世紀の貴婦人チェチリア・メテッラの巨大な円筒形の墓である。新たな研究によると、この墓のコンクリートの品質は、同時代の男性たちの記念碑を上回る可能性があるという。その鍵を握るのは、建設者が選んだ火山性骨材と、雨水や地下水がその骨材と2000年以上にわたって起こしてきた特異な化学反応だった。
「アッピア街道沿いに建つこの革新的で堅牢な記念碑とランドマークの建設は、彼女が大きな敬意を払われていたことを物語っています」と、ユタ大学の地質学・地球物理学研究准教授マリー・ジャクソン氏は語る。「2050年後の今日もなお、そのコンクリートの組織は強靭でしなやかな存在感を放っているのです」。この研究は『Journal of the American Ceramic Society』(米国セラミック学会誌)に掲載された。
チェチリア・メテッラとは誰か?
チェチリア・メテッラの墓は、古代ローマの幹線道路「アッピア街道」沿いに立つランドマークである。正方形の基壇の上に太鼓型の塔が乗った構造で、全体の高さは約21メートル、直径は約29メートルに及ぶ。紀元前30年頃、共和政ローマから皇帝アウグストゥス率いる帝政ローマへと移り変わる転換期に建てられたこの墓は、アッピア街道沿いで最も保存状態の良い記念碑の一つとされている(14世紀には墓に城塞が増築された)。
チェチリア自身は裕福な家系の出で、ローマの執政官(コンスル)の娘だった。さらに、ユリウス・カエサルとポンペイウスとの三頭政治で名高いローマの将軍・政治家マルクス・リキニウス・クラッススの義理の娘でもあった。
チェチリアの生涯についてはほとんど記録が残っていないが、その墓の不朽の威容は何世紀にもわたり訪れる人々の心をつかんできた。19世紀初頭には詩人バイロン卿が『チャイルド・ハロルドの巡礼』の中でこの墓について言及し、要塞のような姿を描写したうえで問いかけている。
ジャクソン氏は2006年、考古学者リザ・ジャンミケレ博士とともにこの墓を訪れ、ローマ考古学監督局(Soprintendenza Archeologia di Roma)の許可を得て、分析用のモルタルの小さなサンプルを採取した。「6月のとても暑い日でした」と彼女は振り返る。「しかし、階段を下りて墓室への回廊に入ると、空気はひんやりと湿り気を帯びていました」。緻密で凝集力があり、ほぼ完璧な状態で保存された煉瓦積みの壁と、基礎部分に露出する水をたっぷり含んだ火山岩に彼女は注目した。「円形構造の開けた中央部で鳩が羽ばたく音以外は、とても静かな雰囲気でした」と彼女は付け加える。
ローマンコンクリートとは?
詳細に入る前に、まずコンクリートの基本用語を整理しておこう。歩道を見渡せばわかるように、コンクリートは骨材(岩石、砂、砂利)とセメント系の結合材からできている。現代の歩道に使われるのはおそらくポルトランドセメントで、石灰石と粘土鉱物を窯で焼成し、少量の石膏を加えて製造される。
一方、この墓は、セメントを一切使わない共和政ローマ末期の洗練されたコンクリート建築技術の好例である。これらの技術は、墓が建てられた頃の時代に建築家ウィトルウィウスによって記述されている。消石灰と火山テフラ(爆発的噴火由来の多孔質ガラス片や結晶)から作ったモルタルで、煉瓦や火山岩の骨材を接合して厚い壁を築けば、「長期間崩壊することのない」構造物が生まれるというのがその理論だった。
ウィトルウィウスの言葉は、トラヤヌス市場(西暦100〜110年建造で、墓より1世紀以上後のもの)をはじめ、今日まで残る数多くのローマの建造物によって証明されている。ジャクソン氏らが研究してきた桟橋や防波堤などの海洋構造物もその例だ。
しかし古代ローマ人が知り得なかったのは、火山テフラ骨材中のカリウムに富む白榴石(リューサイト)の結晶が、時間とともに溶解しながらコンクリートの凝集力を有益な形で再形成・再配置していった、という事実である。
コンクリートの鉱物構造を解明するため、ジャクソン氏はMIT(マサチューセッツ工科大学)の研究者リンダ・シーモア氏とアドミール・マシック氏、そしてローレンス・バークレー国立研究所の田村信道(ノブミチ・タムラ)氏と協力した。彼らは一連の強力な分析装置を駆使して、コンクリートの微細構造を掘り下げていった。
「古代のモルタルのようなサンプルは非常に不均質で複雑です。異なる結晶相が混ざり合い、粒径は数マイクロメートルから数ナノメートルにまで及びます」とタムラ氏は語る。
当時MITの博士課程学生として研究に参加し、現在はエンジニアリング会社Simpson, Gumpertz & Hegerのプロジェクトコンサルタントを務めるシーモア氏が、サンプルの追加分析を担当した。
「使ったそれぞれの装置が、モルタル内部のプロセスに関する手がかりを与えてくれました」と彼女は言う。走査型電子顕微鏡(SEM)はマイクロンスケールでのモルタル構成要素の微細構造を捉え、エネルギー分散型X線分光法(EDS)は各構成要素を構成する元素を特定した。「この情報のおかげで、モルタルのさまざまな領域を素早く調べ、疑問に関連する構成要素だけを選んで深掘りできます」と彼女は説明する。標的が髪の毛1本ほどの太さしかない場合でも、各装置で同じ構成要素を正確に狙い撃ちすることが成功のカギだと彼女は付け加える。
なぜチェチリアの墓のコンクリートはこれほど独特なのか?
チェチリア・メテッラの墓の厚いコンクリート壁では、近郊のポッツォラーナ・ロッサ(Pozzolana Rossa)火砕流(近くのアルバノ山火山から爆発的に噴出した高温のテフラとガスの密集した塊)由来の火山テフラを含むモルタルが、煉瓦や溶岩の大きな骨材塊を結合させている。これは120年後に建設されたトラヤヌス市場の壁に使われたモルタルと非常によく似ている。
以前のトラヤヌス市場のモルタル分析で、ジャクソン氏、タムラ氏らは、モルタルの「接着剤」とも呼べるC-A-S-H(カルシウム-アルミニウム-シリケート-ハイドレート)結合相と、シュトレトリンゲイト(strätlingite)と呼ばれる鉱物を調査した。シュトレトリンゲイトの結晶はモルタル中の微小亀裂の進展を阻み、亀裂が連結してコンクリート構造を破壊するのを防いでいる。
ところが、チェチリア・メテッラの墓のモルタルにローマ人が使ったテフラは、カリウムに富む白榴石をより多く含んでいた。何世紀にもわたって墓の壁を伝って染み込んだ雨水と地下水が白榴石を溶解し、モルタル中にカリウムを放出した。現代のコンクリートなら、このカリウムの流入は膨張性ゲルを生成し、微小亀裂を引き起こし、最終的には構造の剥離と劣化を招く。
しかし、この墓では溶解したカリウムがC-A-S-H結合相を再構成したのである。シーモア氏によれば、X線マイクロ回折とラマン分光法の技術により、モルタルがどのように変化したかを追跡できたという。「2050年経っても無傷のままのC-A-S-Hドメインがある一方で、分裂したり、変質したり、異なる形態を持ったりしているドメインも観察されました」と彼女は語る。特にX線マイクロ回折により、拡散したドメインを原子構造レベルまで解析することが可能になった。「拡散ドメインがナノ結晶的な性質を獲得していることが確認できました」と彼女は断言する。
「再構成されたドメインは、明らかにコンクリートの中に強固な凝集成分を作り出しています」とジャクソン氏は言う。これらの構造では、トラヤヌス市場とは対照的に、形成されるシュトレトリンゲイトの量がはるかに少ない。墓を担当する考古学者ステファノ・ロアッショ氏は、この研究はポッツォラーナ・ロッサ骨材を使用する他の古代・歴史的コンクリート構造物の理解にとっても極めて重要だと指摘する。
MITの土木・環境工学准教授アドミール・マシック氏は、どんなコンクリートにおいても骨材とモルタルの界面が構造の耐久性を左右する決定的な要素だと述べる。現代のコンクリートでは、膨張性ゲルを生成する反応が、最も硬いコンクリートの界面さえも損ないうるという。
「実は、チェチリア・メテッラの墓の古代ローマンコンクリートの界面は、長期的な再構築を通じて絶えず進化し続けているのです」と彼は断言する。「これらの再構築プロセスは界面領域を強化し、古い材料の機械的性能と破壊抵抗性の向上に寄与している可能性があります」
今日、その効果を再現できるのか?
ジャクソン氏と同僚たちは、ローマ人の成功の一部を現代のコンクリートで再現する研究を進めている。具体的には、米国エネルギー省のARPA-Eプロジェクトの一環として、古代ローマのテフラの代わりに人工的に設計した細胞状マグマ(エンジニアード・セルラー・マグマ)を使用するコンクリートに、同様の有益な骨材を取り入れることを目指している。狙いは、ローマンコンクリートに匹敵するコンクリートによって、製造・施工時のエネルギー排出量を85%削減し、現代の海洋コンクリートの約50年の寿命を4倍に延ばすことだ。
「絶えず強化される界面領域を持つ現代コンクリートの設計に注力すれば、建設材料の耐久性を高める新たな戦略が得られるでしょう」とマシック氏は語る。「実証済みの『ローマの知恵』を取り入れることで、現代の技術の寿命を桁違いに伸ばせる、持続可能な戦略になるのです」