Una inesperada estrategia de fabricación antigua puede ser la clave para diseñar hormigón que dure milenios.

Interior del domo del Panteón en Roma. Crédito: Evan Qu.

Los antiguos romanos eran maestros de la ingeniería, construyeron vastas redes de carreteras, acueductos, puertos y edificios masivos, cuyos restos han sobrevivido durante dos milenios. Muchas de estas estructuras se construyeron con hormigón: el famoso Panteón de Roma, que tiene la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo y se inauguró en el año 128 d.C., todavía está intacto, y algunos acueductos romanos antiguos todavía llevan agua a Roma en la actualidad.

En comparación, muchas estructuras de hormigón modernas se han derrumbado después de solo algunas décadas.

Los investigadores han pasado décadas tratando de descubrir el secreto de este material de construcción antiguo ultraduradero, particularmente en estructuras que soportaron condiciones especialmente duras, como muelles, alcantarillas y diques, o aquellas construidas en lugares sísmicamente activos.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y laboratorios en Italia y Suiza ha avanzado en este campo, revelando antiguas estrategias de fabricación de concreto que incorporaron varias funcionalidades clave de autocuración.

Los hallazgos se publican en la revista Science Advances, en un artículo del profesor de ingeniería civil y ambiental del MIT Admir Masic, la exestudiante de doctorado Linda Seymour y otros cuatro.

El Acueducto de Segovia es un acueducto romano que llevaba aguas a la ciudad española de Segovia hasta 1973.​ Su construcción data de principios del siglo II d. C., a finales del reinado del emperador Trajano o principios del de Adriano. Crédito: WikimediaImages.

Durante muchos años, los investigadores supusieron que la clave de la durabilidad del hormigón antiguo se basaba en un ingrediente: material puzolánico como la ceniza volcánica de la zona de Pozzuoli, en la Bahía de Nápoles. Este tipo específico de ceniza incluso se envió por todo el vasto imperio romano para ser utilizado en la construcción, y los arquitectos e historiadores de la época lo describieron como un ingrediente clave para el hormigón.

Bajo un examen más detallado, estas muestras antiguas también contienen características minerales blancas brillantes pequeñas y distintivas de escala milimétrica, que se han reconocido durante mucho tiempo como un componente ubicuo de los hormigones romanos. Estos trozos blancos, a menudo denominados «clastos de cal», se originan a partir de la cal, otro componente clave de la antigua mezcla de hormigón.

«Desde que comencé a trabajar con concreto romano antiguo, siempre me han fascinado estas características», dijo Masic. «Estos no se encuentran en las formulaciones modernas de hormigón, entonces, ¿por qué están presentes en estos materiales antiguos?»

Un secreto escondido en la mezcla

Anteriormente descartado como mera evidencia de prácticas de mezcla descuidadas o materias primas de mala calidad, el nuevo estudio sugiere que estos diminutos clastos de cal le dieron al concreto una capacidad de autocuración no reconocida previamente.

«Siempre me molestó la idea de que la presencia de estos clastos de cal se atribuía simplemente a un bajo control de calidad», admitió 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».

Ubicación de la colección y características distintivas de las muestras de hormigón de la antigua Roma utilizadas en este estudio. Crédito: L. Seymour et al.

Tras una mayor caracterización de estos clastos de cal, utilizando imágenes multiescala de alta resolución y técnicas de mapeo químico iniciadas en el laboratorio de investigación de Masic, los investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre la funcionalidad potencial de estos clastos de cal.

Históricamente, se suponía que cuando la cal se incorporaba al hormigón romano, primero se combinaba con agua para formar un material pastoso altamente reactivo, en un proceso conocido como apagado. Pero este proceso por sí solo no podría explicar la presencia de los clastos de cal. Masic se preguntó: «¿Era posible que los romanos hubieran usado cal directamente en su forma más reactiva, conocida como cal viva?»

Al estudiar muestras de este concreto antiguo, él y su equipo determinaron que las inclusiones blancas estaban hechas de varias formas de carbonato de calcio. Y el examen espectroscópico proporcionó pistas de que estos se habían formado a temperaturas extremas, como era de 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, concluyó el equipo, fue en realidad la clave de la naturaleza súper duradera.

Las micrografías ópticas que muestran el llamativo color blanco brillante de los clastos de cal.

«Los beneficios de la mezcla en caliente son dobles», explicó 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».

Durante el proceso de mezcla en caliente, los clastos de cal desarrollan una arquitectura de nanopartículas característicamente frágil, lo que crea una fuente de calcio fácilmente fracturable y reactiva que —como propuso el equipo— podría proporcionar una funcionalidad crítica de autocuración.

Tan pronto como comienzan a formarse pequeñas grietas dentro del hormigón, pueden viajar preferentemente a través de los clastos de cal de gran superficie. Luego, este material puede reaccionar con agua, creando una solución saturada de calcio, que puede recristalizarse como carbonato de calcio y llenar rápidamente la grieta, o reaccionar con materiales puzolánicos para fortalecer aún más el material compuesto. Estas reacciones tienen lugar espontáneamente y, por lo tanto, curan automáticamente las grietas antes de que se propaguen.

El apoyo previo para esta hipótesis se encontró mediante el examen de otras muestras de hormigón romano que exhibían grietas llenas de calcita.

Para demostrar que este era de hecho 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 rompieron deliberadamente y luego hicieron correr agua a través de las grietas. Efectivamente: en dos semanas, las grietas se habían curado por completo y el agua ya no podía fluir. Un trozo idéntico de concreto hecho sin cal viva nunca sanó, y el agua siguió fluyendo a través de la muestra.

Experimentos modernos de autocuración con mortero. Crédito: L. Seymour et al.

Como resultado de estas pruebas exitosas, el equipo está trabajando para comercializar este material de cemento modificado.

«Es emocionante pensar en cómo estas formulaciones de concreto más duraderas podrían expandir no solo la vida útil de estos materiales, sino también cómo podrían mejorar la durabilidad de las formulaciones de concreto impresas en 3D», dijo Masic.

A través de la vida útil funcional extendida y el desarrollo de formas de concreto más livianas, 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 globales de gases de efecto invernadero. Junto con otras formulaciones nuevas, como el concreto que realmente puede absorber dióxido de carbono del aire —otro enfoque de investigación actual del laboratorio Masic—, estas mejoras podrían ayudar a reducir el impacto climático global del concreto.

Fuente: EurekAlert. Edición: MP.