今も残るローマ時代の建造物は多く、現代のコンクリートをはるかに上回る耐久性を示している。
たとえば、1世紀の貴婦人カエキリア・メテッラの大型円筒形墓は、現存する最古級の建造物の一つだ。
以下では、これがより持続可能で長持ちする現代の建築を生み出すヒントとなる可能性を検討する。
コンクリートは通常、数十年もするとひび割れたり崩れたりし始める。しかし不思議なことに、多くのローマ時代の建造物にはそうしたことが起きていない。現代のコンクリートなら壊れてしまうような環境にさらされても、驚くほどの耐久性を示し、今なお立ち続けている。
その一つが、1世紀の貴婦人カエキリア・メテッラの大型円筒形墓だ。新たな研究MITの科学者らと共同研究者による研究が、Journal of the American Ceramic Societyに掲載された。この研究は、築後2,000年にわたって蓄積した雨水や地下水との特異な化学的相互作用に加え、建設者が選んだ火山性骨材によって、この墓のコンクリートの品質が同時代の男性の記念碑を上回る可能性があることを示している。
研究の筆頭共同著者である、MITの土木・環境工学准教授アドミル・マシッチと、ユタ大学の地質学・地球物理学研究准教授マリー・ジャクソンは、この古代コンクリート建造物の鉱物組成を理解するために協力した。
「古代の材料がどのように形成され、どのような過程を経たのかを理解することは、将来に向けて耐久性と持続可能性に優れた建材を生み出す新たな方法を研究者に示す手がかりとなります」とマシッチは語る。「カエキリア・メテッラの墓は、今も残る最古級の建造物の一つであり、現代の建設に活かせる知見を与えてくれます。」
不思議なほど一体性の高いコンクリート
アッピア街道としても知られる古代ローマの道路沿いに位置するカエキリア・メテッラの墓は、ヴィア・アッピア・アンティカのランドマークとなっている。正方形の基壇の上に円形の塔が立つ構造で、全体の高さは約70フィート（21メートル）、直径は100フィート（29メートル）ほどだ。紀元前30年ごろ、紀元前27年にアウグストゥス帝のもとでローマ共和政からローマ帝政へ移行する時期に建造されたこの墓は、アッピア街道で最も保存状態の良い記念碑の一つとされている。
カエキリア自身は貴族の家系の出身だった。ユリウス・カエサル、ポンペイウスと有名な同盟を結んだマルクス・クラッススの一族に嫁いだ。
「ヴィア・アッピア・アンティカに建てられた、この非常に革新的で堅牢な記念碑でありランドマークでもある建造物は、彼女が大いに敬意を払われていたことを示しています」とジャクソンは言う。「2,050年を経たコンクリートの構造体からも、力強くしなやかな存在感が伝わってきます。」
この墓は、共和政末期のローマで洗練されていたコンクリート建築技術の一例だ。墓の建設中、建築家ウィトルウィウスがその技術について記述している。粗いれんがや火山岩の骨材を、石灰と火山テフラ（爆発的噴火で生じる多孔質のガラス片や結晶）を使ったモルタルで固め、厚い壁を築けば、「長い年月を経ても廃墟とならない」建造物になるという。
ウィトルウィウスの言葉は、現在も立ち続ける数多くのローマ時代の建造物によって実証されている。その中には、トラヤヌスの市場（墓の100年以上後、紀元100年から110年の間に建造）や、埠頭、防波堤などの海洋構造物も含まれる。
ただし、古代ローマ人には知り得なかったことがある。火山性骨材に含まれるカリウムに富む鉱物リューサイトの結晶は、時間の経過とともに溶け、火山性骨材とセメント系結合マトリックスの界面を有利に改質・再編成し、コンクリートの一体性を高めるのだ。
「界面領域が絶えず強化されるように現代のコンクリートを設計することに注力すれば、現代の建材の耐久性を高める新たな戦略になるかもしれません」とマシッチは語る。「時の試練を経た『ローマの知恵』を取り入れることで、現代の解決策の寿命を桁違いに延ばせる、持続可能な戦略となり得ます。」
MITのマシッチ研究室で博士課程の学生としてこの研究に参加したリンダ・シーモア（2014年卒、2021年博士号取得）は、科学的な機器を用いてコンクリートの微細構造を調べた。
「使った機器の一つひとつが、モルタル内の過程について手がかりを与えてくれました」とシーモアは言う。走査型電子顕微鏡により、モルタルを構成する微細構造をミクロン単位で観察した。エネルギー分散型X線分析では、それぞれの構成要素を成す元素が分かった。「この情報のおかげで、モルタルのさまざまな領域をすばやく調べ、研究上の疑問に関係する構成要素を見つけることができました」と彼女は言う。難しいのは、対象が髪の毛ほどの幅しかない場合でも、各機器で同じ構成要素を正確に捉えることだと付け加える。
独自の強さを持つ物質を支える科学
カエキリア・メテッラの墓の厚いコンクリート壁では、火山テフラを含むモルタルが、大きなれんが片や溶岩骨材を固めている。これは120年後に建てられたトラヤヌスの市場で使われたモルタルに似ている。トラヤヌスの市場のモルタルを結びつける成分は、C-A-S-H結合相（カルシウム・アルミニウム・ケイ酸塩水和物）と呼ばれる構成要素と、ストラトリンジャイトという鉱物の結晶から成る。
しかし、カエキリア・メテッラの墓のモルタルに使われたテフラには、カリウムに富むリューサイトがより多く含まれていた。何世紀にもわたり雨水や地下水が墓の壁に浸透し、リューサイトを溶かしてカリウムをモルタルに放出した。現代のコンクリートでは、カリウムが多いと膨張性ゲルが生じ、微細なひび割れを引き起こし、最終的には構造物の劣化につながる。
ところが墓では、カリウムが溶けてC-A-S-H結合相を再構成した。
「X線回折法とラマン分光法を使って、モルタルがどのように変化したのかを調べることができました」とシーモアは言う。「築2,050年を経ても損なわれていないC-A-S-H領域もあれば、分裂していたり、細い繊維状になっていたり、形態が異なっていたりする領域も見つかりました。特にX線回折法では、繊維状の領域を原子構造のレベルまで分析できました。繊維状の領域がナノ結晶性を帯びていることが分かります」と彼女は語る。
改質された領域は「明らかに、コンクリートの一体性を支える堅牢な構成要素を生み出しています」とジャクソンは言う。トラヤヌスの市場の構造物とは異なり、これらの構造物ではストラトリンジャイトはほとんど形成されていない。
墓を担当する考古学者ステファノ・ロアシオは、この研究はポッツォラーネ・ロッセ骨材を使った他の古代・歴史的なコンクリート構造物を理解するうえで大いに関係があると指摘する。
「骨材とモルタルの界面は、あらゆるコンクリート構造物の耐久性を左右する基本的な要素です」とマシッチは言う。「現代のコンクリートでは、膨張性ゲルを生むアルカリシリカ反応によって、最も硬化したコンクリートでさえ界面が損なわれるおそれがあります。」
「カエキリア・メテッラの墓に使われた古代ローマのコンクリートでは、長期的な改質を通じて界面領域が絶えず変化していることが分かりました」とマシッチは言う。「こうした改質過程は界面領域を強化し、古代の材料の機械的性能の向上や破壊への耐性に寄与している可能性があります。」
マシッチ、シーモア、ジャクソンに加え、共同著者にはローレンス・バークレー国立研究所の主任研究員、田村信道が名を連ねる。この研究は、米国エネルギー省のARPA-eプログラムから一部資金提供を受けている。
