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El mortero romano se hacía con cal viva de tal modo que se formaban clastos de cal que daban propiedades de autorreparación a este hormigón.

El panteón de Agripa en Roma es uno de los monumentos más notables de la humanidad. Su cúpula es un encofrado de hormigón romano que ha permanecido en pie durante casi 1900 años, pues se inauguró en el año 128. Sigue siendo la cúpula de hormigón no reforzado más grande del mundo.

No es el único ejemplo, incluso se conservan hormigón romano que ha estado sometido al efecto del agua marina durante un tiempo similar. Los antiguos romanos eran maestros de la ingeniería y construyeron un montón de estructuras, muchas de ellas construidas con hormigón, cuyos restos han sobrevivido durante dos milenios.

Que un hormigón sea estable durante todo ese tiempo no deja de ser sorprendente, pues el hormigón moderno hecho de cemento porland tiene una duración mucho menor. Cualquier hormigón es mucho más resistente a la compresión que a la tracción, por lo que los hormigones modernos suelen estar armados con una estructura de acero. La oxidación de esta estructura de acero acelera el degradado del hormigón moderno, pero no es su único problema. Incluso si este reforzamiento el hormigón moderno se va degradando con el tiempo y las grietas van creciendo en su seno. Al cabo de una décadas este deja de ser tan resistente y puede quebrarse, por lo que se puede producir el derrumbe de la construcción a partir de solo 50 años.

El hormigón romano era un mortero compuesto de cal, áridos y ceniza volcánica del área de Pozzuoli, en la Bahía de Nápoles. El principal componente, la cal, se obtiene del calentamiento de piedra caliza en un horno. Por otro lado, el hormigón moderno está compuesto por áridos y cemento porland que se obtiene a partir de una mezcla de piedra caliza, arcilla y otros ingredientes que se muelen y se queman alta temperatura.

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.

En 2017 se descubrió que, al menos para las estructuras expuestas al océano, el agua de mar reaccionaba con los ingredientes del hormigón, creando minerales nuevos y más resistentes.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y laboratorios en Italia y Suiza ha avanzado en este campo, descubriendo antiguas estrategias de fabricación del hormigón que incorporaron varias funcionalidades clave en el proceso de autorreparación. Los hallazgos se publican en la revista Science Advances , en un artículo de Admir Masic y Linda Seymour y otros autores.

Durante muchos años, los investigadores creyeron que la clave de la durabilidad del hormigón romano se basaba en la ceniza volcánica. 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, se puede observar que las muestras de hormigón romano contienen granos minerales blancos en la escala del milímetro. Se han reconocido durante mucho tiempo que este componente es ubicuo en los hormigones romanos. Estos trozos blancos, a menudo denominados «clastos de cal», se originan a partir de la cal y no se encuentran en las formulaciones modernas de hormigón.

El el pasado se achacó esto a que en su día se hacían mezcla descuidadas o que se utilizaban materias primas de mala calidad. Sin embargo, el nuevo estudio sugiere que estos diminutos clastos de cal son los que le dan al hormigón romano una capacidad de autorreparación que no se había sido reconocida previamente.

«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? Tenía que haber más de ésta historia», dice Masic.

Tras una mayor caracterización de estos clastos de cal, 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 podía explicar la presencia de los clastos de cal. Masic se preguntó si era posible que los romanos hubieran usado cal directamente en su forma más reactiva, conocida como cal viva.

Al estudiar muestras de este hormigón 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, es en realidad la clave de la naturaleza duradera del mortero romano.

Según estos investigadores, los beneficios de la mezcla en caliente son dobles. Primero, cuando el hormigón 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. Segundo, este aumento de temperatura reduce significativamente el curado y el fraguado veces 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 estructura de nanopartículas frágil, lo que crea una fuente de calcio fácilmente fracturable y reactiva que puede proporcionar la función de autorreparación. Tan pronto como comienzan a formarse pequeñas grietas dentro del hormigón, pueden encontrarse con clastos de cal. Luego, este material puede reaccionar con agua, creando una disolución saturada de calcio que puede recristalizarse como carbonato de calcio y rellenar rápidamente la grieta, o reaccionar con materiales puzolánicos para fortalecer aún más el material compuesto. Estas reacciones tienen lugar espontáneamente y, por lo tanto, reparan automáticamente las grietas antes de que estas se propaguen.

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 hormigón hecho sin cal viva nunca se reparó y el agua siguió fluyendo a través de la muestra.

El hormigón moderno generalmente no repara grietas de más de 0,2 o 0,3 milímetros de ancho. Por el contrario, el hormigón de inspiración romana de este equipo reparó grietas de hasta 0,6 milímetros de ancho.

El trabajo podría ayudar a los ingenieros a mejorar el desempeño del hormigón moderno. Como resultado de estas pruebas exitosas, el equipo está ya trabajando en cómo comercializar este cemento modificado.

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

A través de la vida útil más extendida y el desarrollo de formas de hormigón 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. Un hormigón más duradero significa que no hay que reemplazarlo tanto y no se producen nuevas emisiones. Junto con otras formulaciones nuevas, como el hormigón que puede absorber dióxido de carbono del aire, estas mejoras podrían ayudar a reducir el impacto climático global del hormigón.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Stefan Bauer/Wikimedia.