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[바이오토픽] 로마인들의 화학적 지혜: 그들이 만든 방파제가 2천 년을 가는 이유
종합 양병찬 (2017-07-04)

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© https://phys.org/news/2017-07-ancient-concrete-romans.html

고대 로마인들이 지은 콘크리트 방파제는 모진 파도의 공격을 2,000년 이상 견뎌냈지만, 현대인들의 모르타르는 얼마 못 가 부스러지고 만다. 그 이유는 뭘까?

이제 한 다국적 연구팀은 로마인들의 콘크리트가 장수하는 비결을 알아냈다. 콘크리트와 바닷물 간의 화학반응이 일어나는 동안 형성되는 희귀한 무기물 형태(mineral form)가 재질을 강화시키기 때문이라는 것이다.

"구조공학자들은 로마인들의 통찰력을 이용하여 보다 강력하고 지속가능한 콘크리트(참고 1)를 만들 수 있을 거예요"라고 이번 연구를 지휘한 솔트레이크시티 소재 유타 대학교의 마리 잭슨 박사(지질학)는 말했다. 그녀와 동료들은 이번 연구결과를 7월 3일자 《American Mineralogist》에 기고했다(참고 2).

현대식 콘크리트는 물과 포틀랜드 시멘트(Portland cement)의 반죽을 이용하는데, 포틀랜드 시멘트는 대부분 석회암과 점토로 구성된 미세한 분말로서, 작은 바위들을 결합시키는 역할을 한다. 그러나 그것은 수십 년 내에 붕괴되며, 특히 혹독한 해양환경에서는 더욱 그렇다. 그에 반해, 로마인들은 포틀랜드 시멘트 대신 화산재와 석회의 혼합물을 이용하여 바위 조각들을 결합했다. 로마의 학자 플리니우스(Pliny the Elder)는 수중 콘크리트 구조물을 '하나의 바윗덩어리'로 일컬으며, "파도에 끄떡도 하지 않으며, 매일 매일 더 강해질 뿐이다"라고 기술한 바 있다.

잭슨 박사는 플리니우스의 말에 자존심이 상해 이번 연구를 시작하게 되었다고 한다. "나의 뇌리를 스쳐간 의문은 '그 재질이 어떻게 하나의 바위가 되었을까?'라는 것이었어요"라고 그녀는 술회했다.

잭슨 박사와 동료들은 선행연구에서 로마식 콘크리트의 특이한 화학(chemistry)을 지적한 적이 있는데, 그것은 알루미늄 토버모라이트(aluminium tobermorite)라는 희귀한 무기물이 존재한다는 것이었다(참고 3). 이번 연구에서, 연구진은 로마 항구의 콘크리트에서 샘플을 채취하여 캘리포니아 주 버클리에 있는 로렌스버클리 국립연구소의 고등광원연구소(ALS: Advanced Light Source)로 보냈다. ALS의 연구원들은 연구진이 보내온 샘플을 엑스선 싱크로트론(X-ray synchrotron)으로 분석하여, 각종 무기물들의 위치가 표시된 지도를 작성했다.

ALS에서 넘겨받은 지도에서, 연구진은 필립사이트(phillipsite)라는 규산염 무기물을 발견했다. 필립사이트는 화산암에 흔한 것인데, 놀랍게도 그 속에서 알루미늄 토버모라이트 결정이 자라나는 것으로 밝혀졌다. 시간이 경과함에 따라 토버모라이트가 점점 더 커진 이유는 뭘까? 그건 아마도, 바닷물이 콘트리트를 씻고 지나가며 알칼리성을 증가시켰기 때문인 것으로 보인다. "이건 지구상에서 일어나는, 매우 희귀한 사건이에요"라고 잭슨 박사는 말한다. 그도 그럴 것이, 그런 식의 결정화(crystallization) 현상은 아이슬란드의 쉬르체이 화산(Surtsey volcano)에서나 일어나기 때문이다. "토버모라이트 결정이 성장함에 따라 콘크리트의 강도가 증가하는데, 그 이유는 '기다란 판 모양의 결정(long, plate-like crystal) 덕분에, 재료가 스트레스를 받을 때 산산조각이 나지 않고 유연하게 대응하기 때문이에요"라고 그녀는 설명했다.

【참고】로마 콘크리트의 비밀

화산재, 석회, 바닷물이 혼합되어 생성되는 칼슘-알루미늄-규산-수화물(C-A-S-H: calcium-aluminum-silicate-hydrate) 접합재를 현미경으로 들여다본 사진. C-A-S-H 접합재 속에서 알루미늄 토버모라이트의 판형결정이 형성된다.


로마인들의 지혜에서 배우자

"오늘날의 콘크리트 제조사들은 고대 로마인들의 지혜에서 배워야 합니다"라고 벨기에 겐트 대학교의 넬레 데 벨리에 박사(재료공학)는 말한다. 그녀와 동료들은 (석탄이 연소되는 동안 생겨나는) 비산회(飛散灰)와 같은 재료를 이용하여 콘크리트에 자가치유 속성을 부여해 왔는데, 그럴 경우 콘크리트가 양생된 후에 크랙을 예방해 준다고 한다(참고 4). 비산회는 로마인들이 콘크리트에 배합했던 화산재와 비슷하다고 할 수 있다.

잭슨 박사는 로마인들의 콘크리트 레시피를 실험실에서 재현하려고 노력해 왔다. 또한 그녀는 네바다 주에 있는 시멘트 회사의 고문으로, 미국 서부의 화산재를 이용하여 로마식 콘크리트를 제조하는 방법을 조언하고 있다.

"나는 모든 사회기반시설을 만드는 데 로마인들의 콘크리트를 사용하자고 주장하는 건 아니에요. 그러나 방파제와 같은 시설의 경우, 로마인들이 그랬던 것처럼 석회와 화산재로 혼합물을 만들면 유용할 거예요"라고 잭슨 박사는 말한다. 그런데 로마인들은 그런 기막힌 아이디어를 어디서 얻었을까? 잭슨 박사의 생각은 이렇다. "아마도 화산 폭발 때 나온 화산재들이 결정화되어 내구성 높은 바위가 된 것을 보고 힌트를 얻었을 거예요."


※ 참고문헌
1. http://www.nature.com/doifinder/10.1038/494300a
2. Jackson, M. D. et al., "Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete", Am. Mineral.  (2017); http://ammin.geoscienceworld.org/content/102/7/1435
3. Jackson, M. D. et al. Am. Mineral. 98, 1669–1687 (2013); http://dx.doi.org/10.2138/am.2013.4484
4. Tittelboom, K.V., Gruyaert, E., Rahier, H. & De Belie, N. Constr. Build. Mater. 37, 349–359 (2012); http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.07.026

※ 출처: Nature http://www.nature.com/news/seawater-is-the-secret-to-long-lasting-roman-concrete-1.22231

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양병찬 (약사, 번역가)

서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리...

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