Un mapa elemental de gran área (Calcio: rojo, Silicio: azul, Aluminio: verde) de un fragmento de 2 cm de hormigón romano antiguo (derecha)...
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| Un mapa elemental de gran área (Calcio: rojo, Silicio: azul, Aluminio: verde) de un fragmento de 2 cm de hormigón romano antiguo (derecha) recolectado del sitio arqueológico de Privernum, Italia (izquierda). Un clasto de cal rico en calcio (en rojo), que es responsable de las propiedades únicas de autocuración de este material antiguo, es claramente visible en la región inferior de la imagen. Fuente: MIT |
07 enero 2023.- Uno de los misterios que los científicos han tratado de resolver durante mucho tiempo es por qué el hormigón romano a menudo duraba miles de años, pero el nuestro se descompone en meras décadas. Los científicos ahora han descubierto que una inesperada estrategia de fabricación antigua puede ser la clave para diseñar concreto que dure milenios.
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. Mientras tanto, muchas estructuras de hormigón modernas se han derrumbado después de 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, descubriendo antiguas estrategias de fabricación de hormigón que incorporaron varias funcionalidades clave de autocuración. Los hallazgos se publican en la revista Science Advances.
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 del área 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.
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 hormigón una capacidad de autocuración no reconocida previamente.
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, 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.
Al estudiar muestras de este hormigón antiguo, el equipo investigador determinó 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.
“Los beneficios de la mezcla en caliente son dobles”, dicen los autores del estudio. “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.
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. Como resultado de estas pruebas exitosas, el equipo está trabajando para comercializar este material de cemento modificado.
Ubicación de la colección y características distintivas de las muestras de hormigón de la antigua Roma utilizadas en este estudio. Las muestras de prueba procedían del sitio arqueológico de Privernum, cerca de Roma, Italia ( A ), y se muestran como una reconstrucción tridimensional basada en fotogrametría ( B ). Las muestras de mortero arquitectónico se recogieron de la muralla de hormigón de la ciudad ( C ). El mapeo EDS de área grande de una superficie de fractura ( D ) revela las regiones ricas en calcio (rojo), ricas en aluminio (azul), ricas en silicio (verde) y ricas en azufre (amarillo) del mortero. Imágenes adicionales de secciones transversales pulidas ( E) muestra clastos de cal relictos a escala de agregados dentro del mortero (las grandes características rojas indicadas por asteriscos). Las flechas de colores en (E) denotan los anillos que bordean los poros visibles en los datos EDS que son ricos en calcio (rojo) o azufre (amarillo), que se amplían a la derecha para mostrar detalles adicionales. Créditos de las fotografías (B y C): Roberto Scalesse y Gianfranco Quaranta, Associazione AREA3, Italia.
Más información: Revista Science Advances
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