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La cúpula del Panteón. (Ed Freeman/Piedra/Getty Images)
Los investigadores llevan décadas intentando resolver el secreto de este material de construcción ultraduradero, que ha sobrevivido a la intemperie durante miles de años y, en algunos casos, en condiciones extremadamente duras en las que nuestro equivalente moderno se desmoronaría y agrietaría al cabo de unas pocas décadas.
Antes se pensaba que la clave de la durabilidad del hormigón romano era la introducción de cenizas puzolánicas, un material natural silíceo o silíceo-aluminoso que reacciona con el hidróxido de calcio en presencia de agua a temperatura ambiente.
En esta reacción se forman compuestos insolubles de silicato cálcico hidratado y aluminato cálcico hidratado que poseen propiedades cementantes. La ceniza se transportaba por todo el Imperio Romano para la construcción, e incluso se describía como un ingrediente clave para el hormigón en relatos de arquitectos e historiadores romanos contemporáneos.
Un examen más detallado de las muestras antiguas muestra rasgos minerales blancos denominados "clastos de cal", otro componente clave de la mezcla de hormigón. "Desde que empecé a trabajar con el hormigón romano antiguo, siempre me han fascinado estas características", afirma Admir Masic, profesor de ingeniería civil y medioambiental del MIT. "No se encuentran en las formulaciones de hormigón modernas, así que ¿por qué están presentes en estos materiales antiguos?".
Utilizando imágenes multiescala de alta resolución y técnicas de mapeo químico, los investigadores han determinado que las inclusiones blancas estaban, efectivamente, formadas por diversas formas de carbonato cálcico.
Un examen espectroscópico proporcionó indicios de que se habían formado a temperaturas extremas, como cabría esperar de la reacción exotérmica producida por el uso de cal viva en lugar de, o además de, la cal apagada en la mezcla. La mezcla en caliente, ha concluido ahora el equipo, fue en realidad la clave de la naturaleza superdurable.
"La mezcla en caliente tiene dos ventajas", explica Masic. "En primer lugar, cuando el hormigón en su conjunto se calienta a altas temperaturas, permite una química que no sería posible si sólo se utilizara cal apagada, produciendo compuestos asociados a altas temperaturas que de otro modo no se formarían. En segundo lugar, este aumento de temperatura reduce significativamente los tiempos de curado y fraguado, ya que todas las reacciones se aceleran, permitiendo una construcción mucho más rápida".
Durante el proceso de mezclado en caliente, los clastos de cal desarrollan una arquitectura nanoparticulada característicamente quebradiza, creando una fuente de calcio fácilmente fracturable y reactiva que, según propuso el equipo, podría proporcionar una funcionalidad de autocuración crítica.
En cuanto empiezan a formarse pequeñas grietas en el hormigón, éstas pueden desplazarse preferentemente a través de los clastos de cal de alta superficie. Este material puede entonces reaccionar con el agua, creando una solución saturada de calcio, que puede recristalizar como carbonato cálcico y rellenar rápidamente la grieta, o reaccionar con materiales puzolánicos para reforzar aún más el material compuesto. Estas reacciones se producen espontáneamente y, por tanto, curan automáticamente las grietas antes de que se extiendan. El examen de otras muestras de hormigón romano que presentaban grietas rellenas de calcita corroboró esta hipótesis.
Para demostrar que éste era efectivamente el mecanismo responsable de la durabilidad del hormigón romano, el equipo produjo muestras de hormigón mezclado en caliente que incorporaban formulaciones antiguas y modernas, las agrietó deliberadamente y luego hizo correr agua por las grietas. Y así fue: Al cabo de dos semanas, las grietas se habían curado por completo y el agua ya no podía fluir. Un trozo idéntico de hormigón fabricado sin cal viva nunca se curó y el agua siguió fluyendo por la muestra. Tras el éxito de estas pruebas, el equipo está trabajando para comercializar este material de cemento modificado.
"Es emocionante pensar en cómo estas formulaciones de hormigón más duraderas podrían ampliar no sólo la vida útil de estos materiales, sino también cómo podría mejorar la durabilidad de las formulaciones de hormigón impresas en 3D", afirma Masic.
Mediante la ampliación de la vida útil funcional y el desarrollo de formulaciones de hormigón más ligeras, espera que estos esfuerzos puedan ayudar a reducir el impacto ambiental de la producción de cemento, que actualmente representa alrededor del 8 por ciento de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Junto con otras nuevas fórmulas, como el hormigón capaz de absorber el dióxido de carbono del aire, otra de las investigaciones actuales del laboratorio de Masic, estas mejoras podrían ayudar a reducir el impacto climático del hormigón.
El equipo de investigación estaba formado por Janille Maragh, del MIT, Paolo Sabatini, del DMAT (Italia), Michel Di Tommaso, del Instituto Meccanica dei Materiali (Suiza), y James Weaver, del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard. El trabajo se realizó con la ayuda del Museo Arqueológico de Priverno (Italia).
Fuentes, créditos y referencias:
MIT - Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel Di Tommaso, James C. Weaver, and Admir Masic. Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Science Advances, 2023 DOI: 10.1126/sciadv.add1602
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