Properties of lime binders and aggregates of Roman mortars in Western Anatolia

Abstract

In this study, the characteristics of Roman lime mortars taken from a wide area in Western Anatolia were determined in order to understand whether there was a common production technology of lime mortar in the Roman Empire by making a comparison between Europe and Western Anatolia. For this purpose, opus caementicium and opus signinum mortars were collected from twenty-six archaeological sites in Western Anatolia. Basic physical properties, raw material compositions, mineralogical and chemical compositions, mechanical, microstructural, and hydraulic properties of mortars, pozzolanicity and geochemical characteristics of aggregates were identified by SEM-EDS, MIP, XRD, TGA, FTIR analyses, and point load tests. Results showed Roman lime mortars were compact, low dense, and high porous materials. Opus caementicium mortars were grayish with the use of crushed stones, however opus signinum mortars were light brownish due to the use of crushed bricks/tiles. Opus caementicium mortars were used in various types of structures, while opus signinum mortars were generally used in water-related structures. Lime/aggregate ratios of mortars varied between 1:4-3:2 parallel to ideal lime/aggregate written in Roman sources. Despite using high calcium lime in the production of mortars, the compressive strengths of mortars were found compatible with NHL3.5 type of lime due to the use of pozzolanic aggregates which were produced from rhyolite and dacite (silicic rocks). These results indicated that the properties of Roman lime mortars were similar in Western Anatolia and other regions of the Roman Empire. This finding can be evidence of common lime mortar technology produced using similar local sources throughout the Roman Empire.Bu çalışmada, Batı Anadolu'da geniş bir alandan alınan Roma kireç harçlarının özellikleri, Avrupa ile Batı Anadolu arasında karşılaştırma yapılarak Roma İmparatorluğu'nda ortak bir kireç harç üretim teknolojisi olup olmadığını anlamak için belirlenmiştir. Bu amaçla, Batı Anadolu'da bulunan yirmi altı arkeolojik alandan opus caementicium ve opus signinum harçları toplanmıştır. Harçların temel fiziksel özellikleri, ham madde kompozisyonları, mineralojik ve kimyasal yapıları, mekanik, mikro yapısal ve hidrolik özellikleri ile agregaların puzolanik ve jeokimyasal özellikleri SEM-EDS, MIP, XRD, TGA, FTIR analizleri ve nokta yükleme deneyleri ile belirlenmiştir. Sonuçlar, Roma kireç harçlarının kompakt, düşük yoğunluklu ve yüksek gözenekli malzemeler olduğunu göstermiştir. Opus caementicium harçları kırma taş kullanımı ile grimsi renk alırken, opus signinum harçları kırma tuğla/kiremit kullanımı nedeniyle açık kahverengimsi renktedir. Opus caementicium harçları çeşitli yapı türlerinde kullanılırken, opus signinum harçları genellikle su yapılarında kullanılmıştır. Harçların kireç/agrega oranları, Roma kaynaklarında yazılan ideal kireç/agrega oranlarına paralel olarak 1:4-3:2 arasında değişmektedir. Harç üretiminde saf kireç kullanılmasına rağmen, harçların basınç dayanımları riyolit ve dasitten (silisli kayaçlar) üretilen puzolanik agregalar kullanılması nedeniyle NHL3.5 tür kireç ile uyumlu bulunmuştur. Bu sonuçlar, Roma kireç harçlarının özelliklerinin Batı Anadolu'da ve Roma İmparatorluğu'nun farklı bölgelerinde benzer olduğunu göstermiştir. Bu bulgu, Roma İmparatorluğu genelinde benzer yerel kaynaklar kullanılarak üretilen ortak bir kireç harç teknolojisinin kanıtı olabilir.