หนึ่งในโครงสร้างเหล่านี้คือหลุมฝังศพทรงกระบอกขนาดใหญ่ของ Caecilia Metella ขุนนางสตรีผู้สูงศักดิ์ในศตวรรษแรก งานวิจัยใหม่แสดงให้เห็นว่าคุณภาพของคอนกรีตในหลุมฝังศพของเธออาจมากกว่าอนุสาวรีย์ของผู้ชายในสมัยเธอ เนื่องจากภูเขาไฟที่ผู้สร้างเลือก และปฏิกิริยาทางเคมีที่ผิดปกติกับฝนและน้ำใต้ดินที่มีมวลรวมมากกว่าสองพันปี

Marie Jackson รองศาสตราจารย์ด้านการวิจัยธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ของ University of Utah กล่าวว่า "การก่อสร้างอนุสาวรีย์และจุดสังเกตที่สร้างสรรค์และสร้างสรรค์มากบน Via Appia Antica บ่งบอกว่าเธอได้รับความเคารพอย่างสูง" Marie Jackson รองศาสตราจารย์ด้านการวิจัยธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ของ University of Utah กล่าว "และผ้าคอนกรีต 2,050 หลายปีต่อมาสะท้อนให้เห็นถึงการมีอยู่ที่แข็งแกร่งและยืดหยุ่น"

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร American Ceramic Societyและได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจากโครงการ "Extreme Durability of Cementitious Materials" ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ARPA-e

Caecilia Metella คือใคร?

หลุมฝังศพของ Caecilia Metella เป็นสถานที่สำคัญบน Via Appia Antica ซึ่งเป็นถนนโรมันโบราณที่รู้จักกันในชื่อ Appian Way ประกอบด้วยหอคอยรูปกลองที่ตั้งอยู่บนฐานสี่เหลี่ยม สูงประมาณ 70 ฟุต (21 ม.) และเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 ฟุต (29 ม.) สร้างขึ้นเมื่อประมาณ 30 ปีก่อนคริสตศักราช ณ การเปลี่ยนแปลงของสาธารณรัฐโรมันสู่จักรวรรดิโรมัน นำโดยจักรพรรดิออกุสตุส ใน 27 ปีก่อนคริสตกาล หลุมฝังศพนี้ถือเป็นหนึ่งในอนุสรณ์สถานที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างดีที่สุดบนเส้นทางอัปเปียน (สร้างปราสาทที่ติดกับหลุมฝังศพ ในศตวรรษที่ 14)

ตัว Caecilia เองเป็นสมาชิกของครอบครัวที่ร่ำรวย ลูกสาวของกงสุลโรมัน เธอแต่งงานกับครอบครัวของ Marcus Lincius Crassus นายพลโรมันและรัฐบุรุษที่ก่อตั้งพันธมิตรที่มีชื่อเสียงกับ Julius Caesar และ Pompey

ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับชีวิตของ Caecilia มากนัก แต่ขนาดที่คงทนของหลุมฝังศพของเธอได้รับความสนใจจากผู้มาเยือนมานานหลายศตวรรษ รวมถึง Lord Byron ผู้เขียนเกี่ยวกับหลุมฝังศพใน "Childe Harold"s Pilgrimage" ในช่วงต้นปี 1800 หลังจากอธิบายโครงสร้างคล้ายป้อมปราการแล้ว ไบรอนถามว่า:

"หอคอยแห่งความแข็งแกร่งนี้คืออะไร? ภายในถ้ำของมัน

มีสมบัติอะไรซ่อนอยู่อย่างนั้นเหรอ? -- หลุมศพของผู้หญิง"

แจ็กสันได้เยี่ยมชมหลุมฝังศพในปี 2549 กับนักโบราณคดี Dottoressa Lisa Gianmichele และได้รับอนุญาตจาก Soprintendenza Archeologia di Roma เพื่อรวบรวมตัวอย่างครกขนาดเล็กเพื่อการวิเคราะห์

"มันเป็นวันที่อบอุ่นมากในเดือนมิถุนายน" เธอกล่าว "แต่เมื่อเราเดินลงบันไดไปยังทางเดินในอุโมงค์ อากาศก็เย็นและชื้นมาก" เธอตั้งข้อสังเกตถึงผนังอิฐก่อด้วยอิฐที่มีขนาดกะทัดรัด เหนียว และได้รับการอนุรักษ์ไว้เกือบสมบูรณ์ และหินภูเขาไฟที่เกือบอิ่มตัวด้วยน้ำในโครงสร้างย่อย

"บรรยากาศเงียบสงบมาก" เธอกล่าวเสริม "ยกเว้นการกระพือปีกของนกพิราบที่อยู่ตรงกลางที่เปิดโล่งของโครงสร้างทรงกลม"

คอนกรีตโรมันคืออะไร?

ก่อนดำดิ่งลงไปในรายละเอียด เรามาทำความรู้จักกับคำศัพท์เฉพาะของรูปธรรมกันก่อน เดินไปตามทางเท้าแทบทุกทางแล้วคุณจะเห็นว่าคอนกรีตประกอบด้วยก้อนกรวด (ทรายหินและกรวด) และสารยึดเกาะซีเมนต์ ซีเมนต์บนทางเท้าสมัยใหม่น่าจะเป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ซึ่งผลิตโดยการให้ความร้อนกับหินปูนและแร่ธาตุจากดินเหนียวในเตาเผาเพื่อสร้างปูนเม็ด บดปูนเม็ด และเติมยิปซั่มเล็กน้อย

หลุมฝังศพนี้เป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีอันประณีตของการก่อสร้างคอนกรีตในโรมรีพับลิกันตอนปลายซึ่งไม่มีซีเมนต์ เทคโนโลยีดังกล่าวได้รับการอธิบายโดยสถาปนิก Vitruvius ในช่วงที่หลุมฝังศพของ Caecilia Metella อยู่ระหว่างการก่อสร้าง การสร้างกำแพงหนาด้วยอิฐหยาบหรือหินภูเขาไฟที่รวมเข้าด้วยกันด้วยปูนขาวที่ทำด้วยปูนขาวและเทฟราภูเขาไฟ (เศษแก้วที่มีรูพรุนและผลึกจากการปะทุของการระเบิด) จะส่งผลให้โครงสร้างที่ "เมื่อเวลาผ่านไปนานจะไม่พังทลาย "

คำพูดของ Vitruvius ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นความจริงโดยโครงสร้างโรมันจำนวนมากที่มีอยู่ในปัจจุบัน รวมถึง Markets of Trajan (สร้างขึ้นระหว่าง 100 ถึง 110 CE มากกว่าหนึ่งศตวรรษหลังจากหลุมฝังศพ) และโครงสร้างทางทะเลเช่นท่าเรือและเขื่อนกันคลื่นที่ Jackson และเพื่อนร่วมงานของเธอได้ศึกษาด้วย .

สิ่งที่ชาวโรมันโบราณไม่เคยรู้มาก่อนคือผลึกของแร่ลิวไซต์ซึ่งอุดมไปด้วยโพแทสเซียม ในการรวมตัวของเทเฟรของภูเขาไฟจะละลายเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อสร้างประโยชน์และจัดระเบียบการเกาะติดกันของคอนกรีตใหม่

เพื่อทำความเข้าใจโครงสร้างแร่ของคอนกรีต แจ็คสันจึงร่วมมือกับนักวิจัย Linda Seymour และ Admir Masic จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และ Nobumichi Tamura ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley พวกเขาเจาะลึกโครงสร้างจุลภาคของคอนกรีตด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ทรงพลังมากมาย

"ตัวอย่าง เช่น ครกโบราณนั้นมีความต่างกันและซับซ้อนอย่างมาก ซึ่งทำจากส่วนผสมของเฟสผลึกต่างๆ ที่มีขนาดเกรนตั้งแต่ไม่กี่ไมโครเมตรจนถึงไม่กี่นาโนเมตร" ทามูระ ผู้ดำเนินการวิเคราะห์โดยใช้ลำแสงแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูง 12.3.2 กล่าว . ในการระบุแร่ธาตุต่างๆ ในตัวอย่าง ตลอดจนทิศทางของแร่ธาตุ คุณต้องใช้เครื่องมืออย่างเช่น ลำแสงการเลี้ยวเบนขนาดเล็กที่แหล่งกำเนิดแสงขั้นสูง ซึ่งจะสร้างลำแสงเอ็กซ์เรย์ดินสอที่มีความสว่างสูงมาก และมีพลังที่สามารถทะลุผ่านได้ ผ่านความหนาทั้งหมดของตัวอย่าง ทำให้เป็นเครื่องมือที่สมบูรณ์แบบสำหรับการศึกษาดังกล่าว"

Seymour ซึ่งเข้าร่วมในการศึกษาครั้งนี้เป็นปริญญาเอก เป็นนักศึกษาที่ MIT และปัจจุบันเป็นที่ปรึกษาโครงการกับบริษัทวิศวกรรม Simpson, Gumpertz & Heger ได้ทำการวิเคราะห์เพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวอย่าง

"เครื่องมือแต่ละอย่างที่เราใช้เพิ่มเบาะแสให้กับกระบวนการในครก" เธอกล่าว การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงให้เห็นโครงสร้างจุลภาคของหน่วยการสร้างปูนในระดับไมครอน เอ็กซ์เรย์สเปกโตรเมตรีแบบกระจายพลังงานแสดงให้เห็นองค์ประกอบที่ประกอบด้วยหน่วยการสร้างแต่ละส่วน "ข้อมูลนี้ช่วยให้เราสำรวจพื้นที่ต่างๆ ในครกได้อย่างรวดเร็ว และเราสามารถเลือกส่วนประกอบสำคัญที่เกี่ยวข้องกับคำถามของเรา" เธอกล่าว เธอเสริมว่าเคล็ดลับคือการตีเป้าหมายบล็อคเดียวกันอย่างแม่นยำด้วยเครื่องมือแต่ละชิ้นเมื่อเป้าหมายนั้นมีขนาดประมาณความกว้างของเส้นผมเท่านั้น

ทำไมคอนกรีตที่หลุมฝังศพของ Caecilia ถึงมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว?

ในผนังคอนกรีตหนาของหลุมฝังศพของ Caecilia Metella ครกที่บรรจุ Tephra ของภูเขาไฟจากการไหลของ Pyroclastic Pozzolane Rosse ที่อยู่ใกล้เคียง (มวลหนาแน่นของ Tephra และก๊าซที่พุ่งออกมาอย่างระเบิดจากภูเขาไฟ Alban Hills ที่อยู่ใกล้เคียง) จับก้อนอิฐและลาวาก้อนใหญ่ เป็นปูนชนิดเดียวกับที่ใช้ในกำแพงของ Markets of Trajan 120 ปีต่อมา

ในการวิเคราะห์ก่อนหน้านี้ของ Markets of Trajan mortar Jackson, Tamura และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้สำรวจ "กาว" ของปูนซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญที่เรียกว่า CASH binding phase (แคลเซียม-อลูมิเนียม-ซิลิเกต-ไฮเดรต) พร้อมด้วยแร่ธาตุที่เรียกว่าsträtlingite ผลึกสเตรทลิงไจต์ขัดขวางการแพร่กระจายของไมโครแคร็กในปูน ป้องกันไม่ให้เชื่อมติดกันและทำให้โครงสร้างคอนกรีตแตกร้าว

แต่เทเฟรที่ชาวโรมันใช้สำหรับครก Caecilia Metella มีปริมาณมากกว่าในลิวไซต์ที่อุดมด้วยโพแทสเซียม น้ำฝนและน้ำใต้ดินนับหลายศตวรรษไหลซึมผ่านผนังสุสานทำให้ลิวไซต์ละลายและปล่อยโพแทสเซียมลงในครก ในคอนกรีตสมัยใหม่ โปแตสเซียมที่ท่วมท้นจะสร้างเจลที่ขยายใหญ่ขึ้นซึ่งจะทำให้เกิดการแตกร้าวเล็กๆ และการหลุดร่วงของโครงสร้างในที่สุด

อย่างไรก็ตาม ในหลุมฝังศพ โพแทสเซียมจะละลายและกำหนดค่าเฟสการจับเงินสดใหม่ Seymour กล่าวว่า X-ray microdiffraction และเทคนิค Raman spectroscopy ช่วยให้พวกเขาสำรวจว่าปูนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร "เราเห็นโดเมน CASH ที่ไม่เสียหายหลังจากผ่านไป 2,050 ปี และบางโดเมนก็แตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย หรือมีลักษณะที่ต่างกันออกไป" เธอกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง X-ray microdiffraction ช่วยให้สามารถวิเคราะห์โดเมนที่เล็กลงจนถึงโครงสร้างอะตอมของพวกมัน "เราเห็นว่าโดเมนเล็ก ๆ มีลักษณะเป็นผลึกนาโน" เธอกล่าว

โดเมนที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ "เห็นได้ชัดว่าสร้างองค์ประกอบที่แข็งแกร่งของการทำงานร่วมกันในคอนกรีต" แจ็คสันกล่าว โครงสร้างเหล่านี้แตกต่างจาก Markets of Trajan ที่มี Strätlingite เกิดขึ้นน้อยมาก

Stefano Roascio นักโบราณคดีที่ดูแลหลุมฝังศพกล่าวว่าการศึกษามีความเกี่ยวข้องอย่างมากกับการทำความเข้าใจโครงสร้างคอนกรีตในสมัยโบราณและประวัติศาสตร์อื่นๆ ที่ใช้ส่วนผสมของ Pozzolane Rosse

Admir Masic รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมที่ MIT กล่าวว่าส่วนต่อประสานระหว่างมวลรวมกับปูนของคอนกรีตเป็นพื้นฐานของความทนทานของโครงสร้าง เขากล่าวว่าในคอนกรีตสมัยใหม่ ปฏิกิริยาอัลคาไล-ซิลิกาที่ก่อตัวเป็นเจลที่ขยายตัวอาจส่งผลกระทบต่อส่วนต่อประสานของคอนกรีตที่ชุบแข็งที่สุด

"ปรากฎว่าบริเวณ interfacial ในคอนกรีตโรมันโบราณของหลุมฝังศพของ Caecilia Metella มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องผ่านการปรับปรุงในระยะยาว" เขากล่าว "กระบวนการปรับปรุงเหล่านี้ช่วยเสริมความแข็งแกร่งให้กับบริเวณผิวฟันและอาจมีส่วนช่วยในการปรับปรุงสมรรถนะทางกลและความต้านทานต่อความล้มเหลวของวัสดุโบราณ"

เราสามารถสร้างเอฟเฟกต์นั้นขึ้นมาใหม่ได้ในวันนี้หรือไม่?

แจ็กสันและเพื่อนร่วมงานของเธอกำลังทำงานเพื่อเลียนแบบความสำเร็จของชาวโรมันบางส่วนในคอนกรีตสมัยใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงการ ARPA-e ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เพื่อส่งเสริมการรวมตัวที่ทำปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์ที่คล้ายกันในคอนกรีตที่ใช้แมกมาติกเซลลูลาร์ที่ออกแบบทางวิศวกรรมแทนเทฟราของสมัยโบราณ โครงสร้างแบบโรมัน วัตถุประสงค์ตาม ARPA-e คือคอนกรีตคล้ายโรมันสามารถลดการปล่อยพลังงานจากการผลิตและการติดตั้งคอนกรีตได้ถึง 85% และปรับปรุงอายุการใช้งาน 50 ปีของคอนกรีตทางทะเลสมัยใหม่ได้สี่เท่า

Masic กล่าวว่า "การมุ่งเน้นที่การออกแบบคอนกรีตสมัยใหม่ที่มีส่วนเสริมแรงอย่างต่อเนื่องอาจทำให้เรามีกลยุทธ์อื่นในการปรับปรุงความทนทานของวัสดุก่อสร้างสมัยใหม่" "การทำเช่นนี้ผ่านการผสานรวม "ปัญญาโรมัน" ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วจากกาลเวลาเป็นกลยุทธ์ที่ยั่งยืนซึ่งสามารถปรับปรุงอายุขัยของโซลูชั่นที่ทันสมัยของเราตามลำดับความสำคัญได้"