고대 로마 시대 콘크리트가 2천년 내구성 갖춘 비결

고대 로마인은 높은 건축 기술을 갖고 있으며 2,000년 전 만들어진 도로와 수도교, 항구, 건축물 등이 현대에 이르기까지 남아 있다. 대체 왜 고대 로마 콘크리트는 2,000년이 경과해도 괜찮을 만큼 내구성을 자랑할까. 이 수수께끼에 대해 MIT 연구팀이 조사해 콘크리트 제조 공정에 힌트가 있다는 게 밝혀졌다.

고도의 건축 기술을 가진 고대 로마인이 사용한 콘크리트는 로마 콘크리트로 불리며 현대에서 널리 사용되고 있는 철근 콘크리트 수명이 50∼100년 정도인데 반해 2,000년이 경과해도 구조를 유지할 수 있는 내구력이 있다.

실제로 118∼128년에 걸쳐 건조된 고대 로마 신전 판테온은 로마 콘크리트 기초 부분에 건물과 돔이 쌓인 구조로 기초와 돔 부분은 거의 개수하지 않았음에도 불구하고 2,000년이 지난 지금까지 당시 모습을 남기고 있다.

로마 콘크리트에 대한 과거 연구는 원료에 화산재를 혼합해 결합 능력이 있는 화합물이 생성되는 포졸란 반응을 촉진해 강도 향상으로 이어지고 있다고 한다. 또 로마 콘크리트는 해수에 의한 부식 과정을 이용해 더 강도가 높아지고 있다는 연구 결과도 보고됐다.

새롭게 MIT 연구팀은 로마 콘크리트에서 볼 수 있는 석회 크러스트라는 작은 석회 덩어리에 주목해 연구를 실시했다. 지금까지 석회 크러스트는 단순히 조잡한 원료 혼합이나 저품질 원료 사용에 의한 것이라고 생각되어 왔지만 로마인은 수세기에 걸쳐 최적화되어 온 조리법에 따라 뛰어난 건축 자재를 만들기 위해 노력해왔다면 왜 원료를 잘 혼합하는데 주력하지 않았을까 하는 관점에서 석회 크러스트가 의미가 있을 것이라고 보고 연구를 실시했다.

연구팀은 고대 로마 유적에서 채취한 로마 콘크리트 샘플을 주사전자현미경과 에너지 분산형 X선 분광법, 분말 X선 회절 분석, 공초점 라만 이미징 등 방법으로 분석했다. 기존 가설에선 로마 콘크리트에 사용된 석회는 소석회, 수산화칼슘이라고 생각되고 있었다. 그런데 석회 크러스트 분석에 따라 로마 콘크리트에 포함된 석회는 생석회 그러니까 산화칼슘 또는 소석회와 생석회 양쪽이었던 게 시사됐다.

연구팀은 소석회가 아닌 생석회를 이용해 발열 반응이 일어났고 이에 의한 핫믹싱(Hot Mixing)이 로마 콘크리트 내구성의 열쇠가 됐다고 보고 있다. 핫믹싱의 이점은 2가지다. 먼저 콘크리트 전체를 고온으로 가열하면 소석회만 사용했을 때에는 불가능한 화학 반응이 일어나 고온과 관련한 화합물이 생성된다. 이어 이 고온화는 모든 반응을 촉진하기 때문에 경화와 응결 시간을 대폭 단축해 훨씬 빠른 건설이 가능하다고 한다.

가설에 의하면 고온에서의 혼합 프로세스 중 석회 크러스트가 특징적으로 부서지는 나노 입자 구조가 되어 이게 로마 콘크리트에 자가 복구 능력을 가져온다고 한다. 균열에 침투한 나노입자 구조가 물과 반응해 탄산칼슘으로 재결정화해 균열을 메우거나 콘크리트를 강화하는 것으로 생각되고 있다.

연구팀은 이 가설에 대해 조사하기 위해 실제로 이번에 시사된 로마 콘크리트 원료와 현대 콘크리트에 사용되는 원료로 각각 콘크리트를 만들어 고의로 균열을 넣고 나서 물을 흘렸는데 생석회가 있는 배합으로 만들어진 콘크리트에선 2주 이내 균열이 수복된 게 확인됐다.

이번 결과를 바탕으로 연구팀은 현재 콘크리트 대체품이 되는 친환경 콘크리트 제품화에 임하고 있다. 연구팀은 이런 내구성이 높은 콘크리트 건축 자재가 건축물 수명을 연장할 뿐 아니라 3D 프린트된 콘크리트 건축 자재 내구성을 높일 수 있다는 것에 흥분하고 있다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.