Por qué el concreto romano es más fuerte que nunca, mientras que el concreto moderno se descompone

Las muestras de este antiguo muelle romano, Portus Cosanus en Orbetello, Italia, se estudiaron con rayos X en Berkeley Lab. Crédito: JP Oleson.

Hace casi 2.000 años, el afamado historiador romano Plinio el Viejo escribió en su Naturalis Historia sobre el hormigón vertido en los puertos que en cuanto entra en contacto con las olas del mar y se sumerge, se convierte en una única masa de piedra, inexpugnable al oleaje. y cada día más fuerte.

Esta idea es sorprendentemente acertada, según un estudio de 2017 que descubrió que el agua de mar es el ingrediente secreto que hace que el hormigón romano sea extremadamente duradero al fomentar el crecimiento de minerales raros.

El hormigón de algunos pilares romanos no solo sigue siendo viable en la actualidad, sino que es más fuerte que nunca, mientras que las modernas estructuras marinas de hormigón hechas de cemento Portland se desmoronan en décadas.

Los antiguos romanos usaban hormigón en todas partes, particularmente en sus megaestructuras como el Panteón y los Mercados de Trajano en Roma. Hacían el concreto mezclando primero ceniza volcánica con cal y agua de mar para hacer mortero, que luego se incorpora a trozos de roca volcánica, el agregado. La combinación produce la llamada reacción puzolánica, llamada así por la ciudad de Pozzuoli en la Bahía de Nápoles. Otra arena volcánica naturalmente reactiva común utilizada para la fabricación de hormigón se llama harena fossicia . Se cree que los romanos podrían haber tenido la idea de esta mezcla por primera vez después de observar depósitos de ceniza volcánica cementados naturalmente llamados toba.

Después de la caída del imperio romano, la receta para hacer hormigón se perdió y no se volvió a inventar un hormigón de igual valor hasta 1824 cuando un inglés llamado Joseph Aspdin descubrió el cemento Portland quemando tiza y arcilla finamente molidas en un horno hasta obtener dióxido de carbono. fue removido. Se le llamó cemento Portland porque se parecía a las piedras de construcción de alta calidad que se encuentran en Portland, Inglaterra.

Sin embargo, la antigua receta romana es muy diferente a la moderna para el hormigón. La mayoría del concreto moderno es una mezcla de cemento Portland, piedra caliza, arenisca, ceniza, tiza, hierro y arcilla, entre otros ingredientes, que se calienta para formar un material vítreo que se muele finamente con los llamados agregados. Estos agregados, generalmente arena o piedra triturada, no están destinados a reaccionar químicamente porque, si lo hacen, pueden causar expansiones no deseadas en el concreto.

Imperios supervivientes: hormigón romano

El interés de la geóloga de la Universidad de Utah, Marie Jackson, por el hormigón romano fue provocado por un año sabático en Roma, donde estudió depósitos de tobas y cenizas volcánicas. Uno por uno, abordó los factores que hicieron que el concreto arquitectónico en Roma fuera tan resistente. Uno de esos factores, dice, es que los crecimientos minerales entre el agregado y el mortero evitan que las grietas se alarguen, mientras que las superficies de los agregados no reactivos en el cemento Portland solo ayudan a que las grietas se propaguen más.

Mientras estudiaban los núcleos perforados del hormigón del puerto romano, Jackson y sus colegas encontraron un mineral excepcionalmente raro, la tobermorita aluminosa (Al-tobermorita) en el mortero marino. La presencia de minerales sorprendió a todos porque es muy difícil de hacer. Para que se forme Al-tobermorita, se necesita una temperatura muy alta. Nadie ha producido tobermorita a 20 grados centígrados, dice. ¡Oh, excepto los romanos!

Sin embargo, al ver que Jackon es geólogo, inmediatamente se dio cuenta de que el mineral debe haber aparecido más tarde. El equipo concluyó con experimentos que respaldaban que el agua de mar se filtraba a través del hormigón en los rompeolas y en los pilares, disolviendo los componentes de la ceniza volcánica y permitiendo que crecieran nuevos minerales a partir de los fluidos lixiviados altamente alcalinos, particularmente Al-tobermorita y phillipsita, siendo esta última un mineral de zeolita relacionado formado en partículas de piedra pómez y poros en la matriz de cementación. En raras ocasiones, los volcanes submarinos, como el volcán Surtsey en Islandia, producen los mismos minerales que se encuentran en el hormigón romano.

Estamos buscando un sistema que es contrario a todo lo que uno no querría en el concreto a base de cemento, dice ella. Estamos viendo un sistema que prospera en el intercambio químico abierto con agua de mar.

Las muestras de hormigón romano se estudiaron utilizando una técnica llamada microdifracción de rayos X en UC Berkeley Labs ALS. La máquina produce haces enfocados a aproximadamente 1 micra o unas cien veces más pequeños que los que se pueden encontrar en un laboratorio convencional.

Podemos entrar en los diminutos laboratorios naturales del hormigón, mapear los minerales que están presentes, la sucesión de los cristales que se forman y sus propiedades cristalográficas. Ha sido asombroso lo que hemos podido encontrar, dijo Jackson.

Esta imagen microscópica muestra el material aglutinante grumoso de calcio-aluminio-silicato-hidrato (CASH) que se forma cuando se mezclan las cenizas volcánicas, la cal y el agua de mar. Cristales laminares de Al-tobermorita han crecido entre la matriz cementante CASH. Crédito: Marie Jackson.

La industria del hormigón se valoró en $ 50 mil millones en 2015 solo en los Estados Unidos. Ese año, se fabricaron 80 millones de toneladas de cemento Portland o aproximadamente el peso de unos 90 puentes Golden Gate o 12 presas Hoover. Dada la durabilidad del hormigón romano y las importantes emisiones de dióxido de carbono resultantes de la fabricación del cemento Portland, ¿por qué no lo hacemos más como los romanos?

No es tan fácil en absoluto, dice Jackson. Los romanos tuvieron la suerte de encontrar cenizas volcánicas en sus cercanías. Además, los ingredientes de su receta concreta no se pueden adaptar en ningún lugar del mundo. Observaron que la ceniza volcánica hizo crecer cementos para producir la toba. No tenemos esas rocas en gran parte del mundo, por lo que tendría que haber sustituciones, dijo Jackson.

Además, el concreto romano toma tiempo para desarrollar resistencia a partir del agua de mar y tiene menos resistencia a la compresión que el cemento Portland típico.

Sin embargo, Jackson está trabajando en estrecha colaboración con sus colegas para hacer una receta alternativa basada en materiales locales del oeste de los EE. UU., incluida el agua de mar de Berkeley, California. Jackson también lidera un proyecto de perforación científica para estudiar la producción de tobermorita y otros minerales relacionados en el volcán Surtsey en Islandia.

Este tipo de cemento podría ser muy útil para algunas aplicaciones de nicho. Por ejemplo, el cemento romano podría emplearse en un proyecto de laguna de marea destinado a aprovechar la energía de las mareas, actualmente planificado en Swansea, Reino Unido. Para recuperar el costo incurrido por su construcción, la laguna tendría que operar durante 120 años.

Puedes imaginar que, con la forma en que construimos ahora, sería una masa de acero corroído para ese momento, dijo Jackson.

A menos que esté hecho de hormigón romano.

Mientras tanto, se están realizando más pruebas para evaluar las propiedades a largo plazo de las estructuras marinas construidas a partir de roca volcánica y cómo se comparan con el hormigón armado con acero.

Creo que la gente realmente no sabe cómo pensar en un material que no tiene refuerzo de acero, dijo Jackson.

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