El famoso Panteón de Roma cuenta con la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo, una maravilla arquitectónica que ha perdurado durante milenios gracias a la increíble durabilidad del hormigón de la antigua Roma. Durante décadas, los científicos han estado tratando de determinar con precisión qué hace que el material sea tan duradero. Un nuevo análisis de muestras tomadas de los muros de hormigón del sitio arqueológico de Privernum, cerca de Roma, ha arrojado luz sobre esos escurridizos secretos de fabricación. Parece que los romanos emplearon la «mezcla en caliente» con cal viva, entre otras estrategias, que le dieron al material la funcionalidad de autorreparación, según un nuevo artículo publicado en la revista Science Advances.
Como informamos anteriormente, al igual que el cemento Portland actual (un ingrediente básico del concreto moderno), el concreto romano antiguo era básicamente una mezcla de mortero semilíquido y agregado. El cemento Portland generalmente se fabrica calentando piedra caliza y arcilla (así como arenisca, ceniza, tiza y hierro) en un horno. Luego, el clínker resultante se muele hasta convertirlo en un polvo fino, con solo un toque de yeso agregado, lo mejor para lograr una superficie lisa y plana. Pero el agregado utilizado para hacer hormigón romano estaba hecho de piezas de piedra o ladrillos del tamaño de un puño.
en su tratado de arquitectura (circa 30 EC), el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió sobre cómo construir muros de hormigón para estructuras funerarias que pudieran durar mucho tiempo sin caer en ruinas. Recomendó que las paredes tuvieran al menos dos pies de espesor, hechas de «piedra roja cuadrada o de ladrillo o lava colocada en cursos». El agregado de ladrillo o roca volcánica debe ligarse con mortero compuesto de cal hidratada y fragmentos porosos de vidrio y cristales de erupciones volcánicas (conocido como tefra volcánica).
Admir Masic, ingeniero ambiental del MIT, ha estudiado el hormigón romano antiguo durante varios años. Por ejemplo, en 2019, Masic y dos colegas (Janille Maragh del MIT y James Weaver de Harvard) fueron pioneros en un nuevo conjunto de herramientas para analizar muestras de hormigón romano de Privernum en múltiples escalas de longitud, en particular, espectroscopia Raman para perfiles químicos y dispersión de energía multidetector. espectroscopía (EDS) para el mapeo de fase del material.
Masic también fue coautor de un estudio de 2021 que analizó muestras del hormigón antiguo utilizado para construir un mausoleo de 2000 años de antigüedad a lo largo de la Vía Apia en Roma conocido como la Tumba de Caecilia Metella, una mujer noble que vivió en el siglo I d.C. . Es considerado uno de los monumentos mejor conservados de la Vía Apia. Utilizaron la fuente de luz avanzada para identificar los muchos minerales diferentes contenidos en las muestras y su orientación, así como microscopía electrónica de barrido.
Descubrieron que el mortero de la tumba era similar a las paredes de los Mercados de Trajano: tefra volcánica del flujo piroclástico de Pozzolane Rosse, que unía grandes trozos de ladrillo y agregados de lava. Sin embargo, la tefra utilizada en el mortero de la tumba contenía mucha más leucita rica en potasio. El potasio en el mortero se disolvió a su vez y reconfiguró efectivamente la fase de unión. Algunas partes permanecieron intactas después de más de 2000 años, mientras que otras áreas se veían más tenues y mostraban algunos signos de división. De hecho, la estructura se parecía un poco a los nanocristales. Entonces, las zonas interfaciales evolucionan constantemente a través de la remodelación a largo plazo, reforzando esas zonas interfaciales.
Para este último estudio, Masic quería echar un vistazo más de cerca a los extraños trozos de minerales blancos conocidos como «clastos de cal», que otros habían descartado en gran medida como resultado de materias primas deficientes o una mala mezcla. “Siempre me molestó la idea de que la presencia de estos clastos de cal se atribuyera simplemente a un control de calidad bajo”, dijo Masic. “Si los romanos pusieron tanto esfuerzo en hacer un material de construcción sobresaliente, siguiendo todas las recetas detalladas que habían sido optimizadas a lo largo de muchos siglos, ¿por qué pusieron tan poco esfuerzo en asegurar la producción de un producto final bien mezclado? ? Tiene que haber más de ésta historia.»
Se creía que los romanos combinaban agua con cal para hacer una pasta altamente químicamente reactiva (apagado), pero esto no explicaría los clastos de cal. Masic pensó que podrían haber usado la cal viva aún más reactiva (posiblemente en combinación con cal apagada), y su sospecha fue confirmada por el análisis del laboratorio con mapeo químico y herramientas de imágenes de múltiples escalas. Los clastos eran diferentes formas de carbonato de calcio, y el análisis espectroscópico mostró que esos clastos se habían formado a temperaturas extremadamente altas, también conocido como mezcla en caliente.
“Los beneficios de la mezcla en caliente son dobles”, dijo Masic. “Primero, cuando el concreto en general se calienta a altas temperaturas, permite procesos químicos que no son posibles si solo se usa cal apagada, lo que produce compuestos asociados a altas temperaturas que de otro modo no se formarían. En segundo lugar, este aumento de la temperatura reduce significativamente los tiempos de curado y fraguado, ya que todas las reacciones se aceleran, lo que permite una construcción mucho más rápida”.
También parece impartir capacidades de autocuración. Según Masic, cuando comienzan a formarse grietas en el hormigón, es más probable que se muevan a través de los clastos de cal. Los clastos pueden entonces reaccionar con el agua, produciendo una solución saturada de calcio. Esa solución puede recristalizarse como carbonato de calcio para rellenar las grietas o reaccionar con los componentes puzolánicos para fortalecer el material compuesto.
Masic et al. encontró evidencia de grietas llenas de calcita en otras muestras de hormigón romano, lo que respalda su hipótesis. También crearon muestras de concreto en el laboratorio con un proceso de mezcla en caliente, utilizando recetas antiguas y modernas, luego rompieron deliberadamente las muestras y las atravesaron con agua. Descubrieron que las grietas en las muestras hechas con cal viva mezclada en caliente se curaron por completo en dos semanas, mientras que las grietas nunca se curaron en las muestras sin cal viva.
DOI: Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.add1602 (Acerca de los DOI).