El hormigón de la antigua Roma podía curarse solo gracias a la «mezcla en caliente» con cal viva

Agrandar / Un nuevo análisis de muestras de hormigón de la antigua Roma del sitio de Privernum proporciona nuevos conocimientos sobre el proceso de fabricación. El famoso Panteón de Roma cuenta con la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo, una maravilla arquitectónica que ha perdurado durante miles de años gracias a la increíble durabilidad del hormigón de la antigua Roma. Durante décadas, los científicos han estado tratando de averiguar qué es exactamente lo que hace que el material sea tan duradero. Un nuevo análisis de muestras tomadas de los muros de hormigón en el sitio arqueológico de Privernum, cerca de Roma, ha proporcionado información sobre estos escurridizos secretos de fabricación. Según un nuevo artículo publicado en la revista Science Advances, una de las formas en que los romanos lo emplearon fue «mezclado en caliente» con cal viva, lo que le dio al material una capacidad de autocuración. Como hemos informado anteriormente, el concreto romano antiguo, como el cemento Portland de hoy (un ingrediente básico en el concreto moderno), era básicamente una mezcla de un 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 para dar una superficie lisa y uniforme. Pero el agregado que se usaba para hacer el concreto romano eran pedazos de piedra o ladrillo del tamaño de un puño. En su tratado De architectura (c. 30 d. C.), el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió sobre cómo construir muros de hormigón para tumbas que resistirían el paso del tiempo sin caer en ruinas. Recomendó que las paredes tuvieran al menos dos pies de espesor y fueran de «piedra roja cuadrada, o de ladrillo o lava colocada en capas». El agregado de ladrillo o roca volcánica debía unirse con mortero de cal hidratada y fragmentos de vidrio poroso y cristales de erupciones volcánicas (conocido como tefra volcánica). Admir Masic, ingeniero ambiental del MIT, ha estado estudiando el concreto romano antiguo durante varios años. En 2019, por ejemplo, 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 la espectroscopia Raman para la elaboración de perfiles químicos y la espectroscopia de energía dispersiva con múltiples Detectores (EDS) para imágenes 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 de Roma conocida como la tumba de Caecilia Metella, una mujer noble que vivió en el siglo I d.C. Es ampliamente considerado como uno de los monumentos mejor conservados de la Via Appia. 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 la argamasa de la tumba se parecía a las paredes de los mercados de Trajano: tefra volcánica del flujo piroclástico de Pozzolane Rosse, que mantiene juntas grandes rocas 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, a su vez, disolvió y reconfiguró efectivamente la fase de unión. Algunas partes permanecieron intactas después de más de 2000 años, mientras que otras áreas se veían más pálidas y mostraban algunos signos de fisión. De hecho, la estructura se parecía un poco a los nanocristales. Por lo tanto, las zonas interfaciales evolucionan constantemente a través de la remodelación a largo plazo y el refuerzo de estas zonas interfaciales.
Agrandar / Microscopía Raman de hormigón romano en el laboratorio de Admir Masic Para este último estudio, Masic quería observar más de cerca extrañas rocas blancas de minerales conocidas como «fractura de piedra caliza», que otros habían descartado en gran medida como resultado de materias primas inferiores o pobres. mezclando «La idea de que la presencia de estas fracturas de piedra caliza se deba simplemente a un control de calidad deficiente siempre me ha preocupado», dijo Masic. «Si los romanos se tomaron tantas molestias para producir un material de construcción excelente, después de todas las recetas detalladas modificadas durante muchos siglos, ¿por qué deberían esforzarse tan poco para garantizar la producción de un producto final bien mezclado? Debe haber más en esta historia”. Se pensaba que los romanos combinaban agua con cal para producir una pasta químicamente altamente 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 usando mapeo químico y herramientas de imágenes multiescala. Los clastos eran varias formas de carbonato de calcio, y el análisis espectroscópico mostró que estos clastos se habían formado a temperaturas extremadamente altas, también conocido como mezcla en caliente. «Hay dos ventajas en la mezcla en caliente», dijo Masic. “Primero, tener todo el concreto calentado a altas temperaturas permite una química que no sería posible usando solo cal apagada, creando compuestos asociados a altas temperaturas que de otro modo no se formarían. En segundo lugar, este aumento de la temperatura acorta 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 poderes de autocuración. Según Masic, cuando comienzan a formarse grietas en el hormigón, es más probable que se muevan a través de las capas de cal. Los clastos pueden entonces reaccionar con el agua, creando una solución saturada de calcio. Esta 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 prepararon muestras de concreto en el laboratorio utilizando un proceso de mezcla en caliente utilizando recetas antiguas y modernas, luego rompieron intencionalmente 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 en las muestras sin cal viva nunca se curaron. DOI: Science Advances, 2022. 10.1126/sciadv.add1602 (Acerca de los DOI).