이탈리아 로마 : 너와 함께 걷던 그 길이 그립다.

이탈리아 로마, 콜로세움

 

거의 2,000년이 지난 지금, 콜로세움과 판테온은 지진, 홍수, 군사적 충돌에도 불구하고 어떻게 여전히 서 있습니까?

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콜로세움의 돌과 박격포 그릇 내부에는 피비린내 나는 검투사 전투부터 화려한 행렬과 마차 경주에 이르기까지 다양한 행사를 위해 한때 경기장으로 몰려들었던 50,000명 이상의 포효하는 군중을 상상할 수 있는 충분한 공간이 있습니다. Flavian Amphitheatre라고도 알려진 이 경기장은 서기 80년에 개장했으며 약 9,000마리의 동물을 도살한 것으로 알려진 게임과 유혈 경기가 100일 연속 진행되었습니다. 4층 높이, 가장 넓은 지점의 너비가 188m인 이 타원형 구조는 세계에서 가장 큰 원형 극장으로 남아 있습니다.

약 40년 후에 건설된 판테온은 43m의 공기에 걸쳐 있고 자연 채광으로 내부를 가득 채우는 오큘러스로 알려진 정점에서 동공 모양의 원형 창으로 정점을 이루는 놀라운 돔을 보유하고 있습니다. "모든"과 "신들"을 뜻하는 그리스어를 결합한 판테온이라는 이름은 종교적 기능을 암시하지만 일부 역사가들은 이 기념물이 주로 로마 황제에게 경의를 표하기 위해 지어진 것으로 생각합니다. 시간의 파괴에도 불구하고 상징적인 반구형은 그대로 남아 있으며 여전히 세계에서 가장 큰 비보강 콘크리트 돔입니다.

큰 건물을 지을 때 로마인들은 그들이 무엇을 하고 있는지 분명히 알고 있었습니다. 건설된 지 거의 2,000년이 지난 후, 이 두 개의 거대하고 기술적으로 놀라운 구조물은 지진, 홍수 및 군사적 충돌을 견뎌냈으며, 이를 낳은 제국보다 오래 지속되었으며 전 세계에 걸쳐 로마 문화의 지속적인 영향의 물리적 구현이 되었습니다.

그러나 고대 로마는 어떻게 그렇게 오래 전에 기념비적이고 오래 지속되는 건축물을 완성했을까요?

엔지니어와 재료 과학자들은 오늘날에도 여전히 로마 구조를 연구하고 있으며, 그 비결은 독창적인 디자인과 혁신적인 콘크리트 제조법의 결합이며, 이는 여전히 전 세계적으로 사용되는 내구성이 뛰어나고 적응력이 뛰어난 재료입니다. 로마인들이 콘크리트를 발명한 것은 아니지만 콘크리트로 건설하기 위한 기준을 확실히 높였습니다.

콘크리트를 붓는 것은 로마 건축가들이 상상할 수 있는 거의 모든 모양을 만들 수 있게 해주었지만, 암석 슬러리를 성형하는 데 필요한 나무 형태를 구성하는 능력에 의해서만 제한되었습니다. 그러나 로마 건물의 특징인 아치, 아치, 둥근 천장은 단순히 화려하게 장식된 것이 아닙니다.

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세계에서 가장 큰 비보강 콘크리트 돔을 특징으로 하는 판테온은 로마 건축 기술의 우수성에 대한 증거입니다(제공: Alexander Spatari/Getty Images)

뉴욕 로체스터 대학의 기계 공학자인 Renato Perucchio는 로마 제국의 건축 환경을 가장 잘 표현한 것이 "공학적 접근"으로 현대 방문객들을 대면하고 있다고 말했습니다. "로마인들은 정교한 분석을 수행하여 이러한 설계로 이어졌고, 극도로 세심한 시공 과정을 통해 표현되었습니다."

이러한 디자인을 결합한 콘크리트도 독특하고 깊이 고려되었습니다. 로마식 콘크리트는 현대식 콘크리트와 다른 제조법을 사용했으며 이 고대 재료를 연구하는 연구원들은 재료가 분해에 대한 경이적인 저항력을 재료에 부여하는 것으로 보입니다.

오늘날 대부분의 콘크리트는 규사, 석회암, 점토, 백악 및 기타 광물의 조합인 포틀랜드 시멘트 와 약 2,000℃에서 구워서 미세한 가루로 부숴지는 포틀랜드 시멘트와 골재라고 하는 암석 또는 모래 조각으로 구성됩니다. 모래에서 자갈, 작은 돌 덩어리에 이르기까지 크기가 다양한 암석 골재를 시멘트와 혼합하면 생성된 콘크리트가 더 강해지고 시멘트가 절약됩니다. 마지막으로 콘크리트 혼합물에 물을 추가하면 시멘트에서 이러한 요소를 함께 묶는 화학 반응이 시작됩니다. 대부분의 경우 현대 콘크리트의 골재는 가능한 한 화학적으로 불활성이 되도록 신중하게 선택됩니다. 이 아이디어는 이 초기 반응이 끝나면 원치 않는 화학 물질을 피하는 것입니다. 왜냐하면 도로에 추가 반응이 있으면 일반적으로 콘크리트에 균열이 생기거나 약화되기 때문입니다.

 

 

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반면에 로마 콘크리트는 석회암 암석을 굽고 부수어 만든 생석회와 가장 중요한 것은 로마 주변 지역에 풍부한 다양한 유형의 화산암 골재를 혼합한 것입니다. 현대 콘크리트에 사용되는 골재와 달리 로마인이 사용하는 이 화산재는 반응성이 매우 높으며 생성된 콘크리트는 처음 경화된 후에도 수세기 동안 화학적 활성을 유지합니다.

수십 년 동안 로마 콘크리트를 연구해 온 유타 대학의 지질학자 마리 잭슨(Marie Jackson)은 "요즘 포틀랜드 시멘트는 화학적으로 변하는 것이 아니며 변하면 대개 나쁜 영향을 미치게 된다"고 말했다. "로마인들은 콘크리트가 반응하기를 원했습니다. 그들은 시간이 지남에 따라 콘크리트 공정에 계속 참여할 골재를 선택했습니다."

현대 콘크리트와 달리 이러한 지속적인 반응성으로 인해 로마 콘크리트는 시간이 지남에 따라 더 강해집니다. 이러한 장기간의 화학 반응은 골재 조각과 결합 시멘트 사이에 종종 형성되는 작은 균열을 강화하고 더 멀리 퍼지는 것을 방지하는 역할을 할 수 있습니다. 활성 화산 광물에 의해 가능해진 이 재생 능력은 로마 콘크리트의 엄청난 능력을 견딜 수 있게 하는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

현대식 콘크리트 건축물은 유지 보수를 통해 100년 동안 지속될 수 있지만 일부 로마 건축물은 기본적으로 도움 없이 1,000년 이상 생존했습니다.

"물론, 우리는 오늘날 더 큰 인장 강도를 가진 콘크리트를 생산할 수 있습니다. 하지만 어떻게 될까요?" 페루키오가 말했다. "현대식 콘크리트 건축물은 유지 보수가 있으면 100년 동안 지속될 수 있지만 일부 로마 건축물은 기본적으로 도움 없이 1,000년 이상 생존했습니다."

오큘러스인 엔지니어링 경이로움은 판테온의 내부를 자연광으로 가득 채웁니다(Credit: Edwin Remsberg/Getty Images)

연구원들은 수년 동안 로마 콘크리트에 지속력을 부여한 것이 화산 광물의 첨가 때문이라고 의심했지만, 잭슨과 다른 사람들 이 관련된 정확한 화학 물질을 밝혀낸 것은 2014년이 되어서였습니다 . 그들의 연구에서 그들은 로마의 트라야누스 시장 건설에 사용된 것을 기반으로 한 콘크리트 혼합물을 테스트하고 화산 덩어리 사이의 소위 "계면 영역"에서 스트래틀링가이트(Strätlingite)라는 광물의 판 모양 결정 성장을 관찰했습니다. 암석과 시멘트가 혼합물을 고정시킵니다. 연구원들은 이 결정이 일반적으로 포틀랜드 시멘트로 만든 콘크리트에서 가장 약한 연결고리인 이러한 계면 영역을 강화하는 역할을 하여 로마 콘크리트가 균열에 더 잘 견디도록 한다고 썼습니다.

 

 

 

 

최근 2021년 가을에 발표된 Jackson과 다른 사람들의 새로운 연구 에 따르면 결정질 스트래틀링자이트는 고대 콘크리트의 지속적인 반응성으로 인해 콘크리트를 견고하게 유지하는 유일한 부산물이 아니라고 제안합니다. 팀은 기원전 30년경에 아피아 가도(Appian Way)로 알려진 고대 로마 도로 근처에 건설된 Caecilia Metella라는 이름의 로마 귀족 여성의 21m 높이 원통형 무덤에서 콘크리트 샘플을 연구했습니다. 이 콘크리트는 류사이트(leucite)라고 불리는 칼륨이 풍부한 광물이 많이 포함된 화산암을 사용하여 만들어졌습니다.

무덤이 건설된 후 2,000년 동안 비와 지하수가 무덤 벽으로 스며들어 백혈구를 용해시키고 칼륨을 콘크리트로 방출했습니다. 현대 콘크리트에서 칼륨이 범람하면 팽창하는 겔이 생성되고 균열 및 열화가 발생합니다.

그러나 잭슨과 그녀의 동료들은 대신 로마 콘크리트의 반응성 화산 광물이 다른 결과를 촉진한다는 것을 발견했습니다. 용해된 칼륨은 결국 경화 콘크리트의 중추를 형성하는 화학적 "접착제"를 재구성하여 팀이 Trajan's Market 콘크리트에서 관찰한 것보다 훨씬 적은 스트래틀링가이트를 함유함에도 불구하고 재료의 강도를 유지하고 향상시켰습니다.

로마 콘크리트의 수명이 이 두 가지 맥락에서 약간 다른 설명을 하는 것으로 보이는 이유에 대해 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)에서 박사 학위를 마치면서 연구에 참여한 Linda Seymour는 부분적으로 “이러한 구조가 서로 다른 환경을 경험했고 그 결과 서로 다른 화학 공정이 발생했습니다." Seymour는 "로마인들이 사용하는 골재의 다양한 화학적 조성에 의해 차이가 설명될 수 있지만 공통점은 이러한 지속적인 반응성으로 인해 유해하지 않은 시간이 지남에 따라 콘크리트의 재구성".

붉은 벽돌과 콘크리트로 만들어진 고고학적 복합 단지인 Trajan's Market은 종종 "세계 최초의 쇼핑 센터"로 묘사됩니다(제공: Ruhey/Getty Images 제공)

 

 

 

 

로마 콘크리트의 화학적 다양성은 그들이 시도한 모든 것이 똑같이 잘 작동했다는 것을 의미하지는 않지만 콜로세움과 판테온에서 우리는 재료의 성공에 대한 두 가지 반박할 수 없는 증거를 가지고 있습니다.

콜로세움에서 콘크리트는 반드시 쇼의 주인공은 아니지만 경기장의 생존에 필수적인 역할을 했습니다. 콜로세움에서 가장 눈에 띄는 재료는 석회화 석회암이지만 콘크리트는 원형 극장의 많은 상징적인 아치를 높게 유지하는 것입니다. 그러나 아마도 콜로세움의 장수에 대한 콘크리트의 가장 중요한 기여는 보이지 않을 것입니다.

잭슨은 "관광객으로 볼 수는 없지만 콜로세움이 여전히 서 있는 것은 믿을 수 없을 정도로 견고한 콘크리트 기초 때문"이라고 말했다. 그 콘크리트 기초는 밀도가 높고 무거운 용암 암석 골재로 가득 차 있으며 두께는 전체 12m라고 그녀는 덧붙였습니다. 기초에 튼튼하고 오래 지속되는 재료가 없었다면 콜로세움은 이 지역의 지진으로 완전히 무너져 버렸을 것입니다.

 

 

콜로세움을 방문하지 않고는 로마를 방문했다고 할 수 없지만 고대 세계에서 콘크리트 건축의 정점을 찾는 사람이라면 누구든지 판테온의 비보강 돔이 필수라고 페루키오는 말합니다.

판테온의 원형 홀 내부에서 바닥에서 돔 꼭대기까지의 거리는 돔의 직경 43m와 거의 동일하여 내부에 수용될 수 있는 거대하고 완벽한 구체를 상상할 수 있습니다. 판테온의 돔을 감상하려고 할 때 "비보강"이 정말 핵심 단어입니다.

Perucchio는 건축가가 오늘날 판테온을 건설하려고 하면 현대 콘크리트 구조물에 일반적으로 사용되는 철근과 같은 보강이 없으면 돔이 현대 토목 공학 규정을 위반하기 때문에 계획이 거부될 것이라고 말했습니다.

로마의 많은 기념물은 그것을 세운 제국보다 오래 지속되었습니다(제공: Alexander Spatari/Getty Images)

Perucchio는 "돔은 매우 높은 인장 응력을 생성하지만 19세기 동안 유지되었습니다. "이로부터 당신은 두 가지 결론 중 하나를 이끌어낼 수 있습니다: 로마 시대에는 중력이 다르게 작용했거나 우리가 잃어버린 지식이 있다는 것입니다."

콘크리트의 독특한 화학 작용 외에도 판테온 뒤에 있는 로마 건축가들은 비전을 달성하기 위해 수많은 트릭을 사용했습니다. 이러한 두 가지 트릭은 돔의 벽을 가능한 한 가볍게 만들기 위한 것이었습니다.

건설하는 동안 건물의 반구형 천장을 구성하는 콘크리트는 연속적인 동심원 고리를 형성하는 나무 프레임에 아래에서 위로 부어야 했습니다. 그러나 Perucchio가 언급한 엄청난 인장 응력을 완화하기 위해 건축가는 돔의 정점에 가까워짐에 따라 점진적으로 가벼운 화산암을 골재로 사용하고 벽 자체를 더 얇게 만들었습니다.

돔의 가장 낮고 가장 넓은 부분에 콘크리트는 강도를 위해 무거운 현무암 덩어리로 구성되어 있으며 두께는 약 6m입니다. 이에 반해 오큘러스를 둘러싸고 있는 마지막 층은 두께가 약 2m에 달할 정도로 가볍고 물에 뜨는 부석을 골재로 사용한다.

두 번째 트릭은 돔 내부 전체에서 볼 수 있습니다. 천장의 구부러진 내부는 금고라고 하는 속이 빈 직사각형으로 덮여 있습니다. 이 기하학적 금고는 매혹적이지만 단순히 미학을 위한 것은 아닙니다. 그들은 또한 돔을 만드는 데 필요한 콘크리트의 양을 줄이고 더 가볍게 만들어 재료에 가해지는 스트레스를 줄였습니다.

지금까지 지어진 건축물 중 가장 아름다운 건축물 중 하나라고 생각합니다.

"판테온은 마법의 장소입니다."라고 페루키오는 말했습니다. "저는 그곳에 셀 수 없이 많은 시간을 보냈지만 매번 관련된 건축과 엔지니어링에 대한 엄청난 감탄으로 가득 차 있습니다. 저는 이곳을 지금까지 지어진 건축물 중 가장 비정상적으로 아름다운 건축물 중 하나로 생각합니다."

판테온에서 콘크리트는 가장 숭고한 형태를 달성했을 수 있습니다. 구조에 관한 책은 그것을 " 콘크리트의 승리 "라고 선언합니다. 그러나 MIT의 재료 과학자이자 2021년 연구의 공동 저자인 Admir Masic은 현대에서 이렇게 말했습니다. 세계 콘크리트는 그것이 할 수 있는 모든 유용하고 심지어 아름다운 일에도 불구하고 "다소 사악"합니다. 오늘날의 콘크리트에 들어가는 포틀랜드 시멘트 생산이 전 세계 탄소 배출량의 최소 8%를 차지 하기 때문입니다 .

콜로세움의 깊은 콘크리트 기초는 이 지역의 지진으로부터 콜로세움을 보호했습니다(Credit: Artem Petro/Getty Images)

Masic과 Jackson은 오늘날의 콘크리트를 보다 환경 친화적으로 만들기 위해 로마식 콘크리트를 연구하고 있습니다. Masic은 로마 콘크리트의 가장 큰 장점은 석회 기반 바인더가 약 900C로 가열되는 반면 포틀랜드 시멘트는 거의 1,450C에서 소성되어야 한다는 점이라고 말했습니다.

이것만으로도 로마 콘크리트가 콘크리트 생산의 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있는 잠재력이 있음을 의미합니다. 그러나 Masic은 재료의 수명이 인프라를 덜 자주 교체할 수 있게 해준다고 말했습니다.

Masic은 "100년이 아닌 500년 동안 지속되는 기반 시설을 구축하기 시작하고 우리가 수행하는 모든 프로젝트에 로마 콘크리트의 자가 치유 속성을 추가한다고 상상해 보세요."라고 말했습니다. "결과적으로 덜 구체적인 제품을 판매할 수도 있지만 이것이 바로 현재 인프라 모드의 문제입니다. 더 오래 지속되는 것을 만드는 것이 아마도 지속 가능성을 개선하는 가장 간단한 방법일 것입니다."

잭슨과 그녀의 협력자들은 콘크리트 생산 및 설치와 관련된 배출량을 잠재적으로 85% 줄이고 수명을 4배로 늘리는 것을 목표로 로마식 콘크리트를 개발하기 위해 미국 에너지부 ARPA-e 프로젝트에 참여하고 있습니다.

로마식 방식의 광범위한 채택에 대한 가장 큰 장애물 중 하나는 긴 양생 시간(표준 콘크리트의 28일에 비해 최대 강도에 도달하는 데 최대 6개월이 소요될 수 있음)과 더 낮은 강도(Perucchio는 이것이 현대식 콘크리트보다 약 10배 약하다고 말했습니다. 콘크리트), 이는 일부 중량급 현대 응용 프로그램에서 실패할 수 있음을 의미합니다.

그러나 Masic은 로마 콘크리트의 경화 과정과 관련된 화학 반응 속도를 높이는 방법이 있다고 말했습니다. 그는 로마 콘크리트에 이산화탄소를 주입하는 기술을 연구하고 있어 혼합물이 며칠 만에 경화될 수 있습니다. 그는 "로마인들이 정확히 한 것을 따라할 필요는 없다"면서 "그러나 콘크리트를 더 내구성 있고 지속 가능하게 만드는 것과 관련하여 그들은 분명히 우리에게 가르쳐야 할 것이 있다"고 말했다.

Ancient Engineering Marvels 는 전 세계의 과거 문명과 문화가 지은 독특한 건축 아이디어나 독창적인 건축물에서 영감을 얻은 BBC 여행 시리즈입니다.