El hormigón es un material de construcción increíblemente útil y versátil sobre el que se construyeron no solo las sociedades actuales, sino también el antiguo Imperio Romano. Para este día Hormigón romano Las estructuras se pueden encontrar en lugares mundanos como puertos, pero también el Panteón en Roma, que hasta el día de hoy forma la cúpula de hormigón no armado más grande que existe con 43.3 metros de diámetro, y se encuentra en excelentes condiciones a pesar de tener casi 1,900 años.

Incluso cuando el Imperio Romano cayó y retrocedió a lo que se convirtió en el bizantino, también conocido como el Romana oriental – El Imperio y el mundo alrededor de estos últimos restos de la arquitectura romana cambiaron y cambiaron de nuevo, todas estas estructuras de hormigón permanecieron a pesar de que el conocimiento de cómo construir estructuras como estas se perdió en el tiempo. Quizás lo más asombroso es que, incluso hoy en día, nuestro concreto no es tan duradero, a pesar de los inventos modernos, como el refuerzo con barras de refuerzo.

La ingeniería inversa del hormigón romano antiguo ha sido durante décadas fuente de intenso estudio y debate, con un documento reciente por Linda M. Seymour y sus colegas agregando una pista importante al rompecabezas. ¿Podría la llamada 'mezcla en caliente', con bolsas de fragmentos de cal reactivos dentro del hormigón curado, proporcionar propiedades de autorreparación?

Recetas Concretas

En el núcleo del hormigón moderno y del mortero se encuentra cemento: este es el aglutinante que se mezcla con ingredientes adicionales como arena y grava para convertirlo en hormigón. Aunque cada tipo de cemento comienza con carbonato de calcio (CaCO₃), la forma en que se procesa y se mezcla este material base determina cómo se cura y qué otras propiedades del material se exhibirán. El tipo más básico se llama cemento no hidráulico, que comienza quemando el carbonato de calcio (también llamado piedra caliza), que produce óxido de calcio y dióxido de carbono:

caco₃ → CaO + CO₂

CaO es comúnmente llamado cal viva, así como cal quemada. En el siguiente paso, esta cal viva se mezcla con agua para 'apagarla':

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Cuando el resultado hidróxido de calcio luego se expone al dióxido de carbono, el cemento comenzará a fraguar:

Ca (OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

A concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, este es un proceso muy lento y, por lo tanto, generalmente no muy práctico para la construcción. Tipos comunes de cemento tales como cemento Portland son, por tanto, cemento hidráulico, que fragua al reaccionar con los minerales clínker que forman parte de la mezcla. El cemento Portland es un polvo fino que consiste en al menos dos tercios de silicatos de calcio, principalmente alita (Ca₃SiO₅) y belita (California₂SiO₄), junto con silicatos y aluminatos adicionales.

El paso inicial para producir cemento hidráulico es el mismo que para el cemento no hidráulico, con la cocción de carbonato de calcio:

caco₃ → CaO + CO₂

El siguiente paso es donde las cosas se ponen interesantes, ya que el óxido de calcio resultante reacciona con los silicatos y aluminatos:

2CaO + SiO₂ → 2CaOSiO₂

3CaO + SiO₂ → 3CaOSiO₂

3 CaO + Al2O₃ → CaO Al₂O₃

Finalmente, los óxidos (óxido de calcio, óxido de aluminio y óxido férrico de, por ejemplo, brownmillerita) reaccionan para formar la mezcla final de cemento hidráulico:

4CaO + Al₂O₃ +Fe₂O₃ → 4 CaO Al₂O₃ Fe₂O₃

En esencia, esta es la receta que utiliza cualquier cemento hidráulico, ya sea el llamado 'cemento romano', cemento Portland o cemento de la Antigua Roma. Cuando se usa para crear hormigón, este cemento se mezcla con agregados, generalmente pequeñas rocas, piedras y arena. Al agregar agua a esta mezcla, el proceso de hidratación hará que el cemento fragüe sin la adición de dióxido de carbono.

Arenas del tiempo

Como ocurre con todos los materiales de construcción, el hormigón también está sujeto a muchas influencias que degradar con el tiempo. Algunos tipos de daños incluyen fuentes mecánicas y químicas, incluido el levantamiento de óxido y fracturas masivas que desgastan el material o provocan grietas. Otros tipos de daños se deben a la varilla metálica insertada para reforzar el hormigón, con la corrosión de esta varilla y la posterior expansión volumétrica que provoca la destrucción del hormigón desde el interior. La formación de grietas en el concreto que permiten que la humedad se filtre para llegar no solo a la barra de refuerzo, sino que también se congele durante los inviernos, es un trabajo adicional para limitar la vida útil del concreto moderno.

La prevención y reparación de este tipo de daño ha sido objeto de mucha investigación en las últimas décadas, con una variedad de enfoques intentados, incluida la reparación manual de grietas visibles con cemento, epoxi o resinas. Aun así, el concreto moderno está sujeto a una rápida degradación debido a los efectos despiadados de la exposición a los efectos del agua. Teniendo en cuenta la condición casi prístina de tanto hormigón de la Antigua Roma que sobrevivió más de mil años de exposición a la intemperie y los elementos, esto obviamente ha planteado muchas preguntas.

hormigón antiguo

Los antiguos romanos no fueron los únicos que conocían y utilizaron el hormigón, ya que los antiguos griegos también utilizaron el material de construcción, aunque no en las mismas cantidades. Un aspecto del hormigón romano que ya conocíamos era su uso de puzolana, específicamente puzolana como ceniza volcánica. Estos son silicatos y aluminatos naturalmente ricos, y una gran razón detrás del descubrimiento del cemento hidráulico por parte de los ingenieros romanos.

Dado que los cementos modernos como el cemento Portland también incluyen puzolanas naturales o artificiales, su presencia como ingredientes no puede ser la única razón. ¿Qué otros secretos han hecho que las grietas y las fracturas no hayan convertido este antiguo hormigón en polvo fino? Para obtener respuestas a esto, los investigadores de este estudio reciente volvió a un pequeño asentamiento romano llamado Privernum en Italia.

Al tomar muestras de la muralla de hormigón de la ciudad de Privernum y estudiar su composición, descubrieron que vieron bolsas de óxido de calcio, que era una característica que anteriormente se había descartado en su mayoría como probablemente no relevante o simplemente como un artefacto de los métodos primitivos utilizados dos- hace mil años para hacer concreto. Sin embargo, la teoría que Linda M. Seymour y sus colegas querían probar aquí era que estas bolsas de óxido de calcio no solo estaban allí a propósito, sino que los ingenieros que crearon estas mezclas probablemente sabían lo que estaban haciendo.

El Experimento

Para probar esta teoría, los investigadores crearon lotes de hormigón inspirados en su análisis de las muestras de Privernum, con cemento Portland, cenizas volantes pulverizadas, arena y agua. En estos lotes, se agregó una cantidad variable de cal viva y cada lote se fundió en moldes cilíndricos. Después de curar durante 28 días, las muestras curadas se compararon con las muestras de Privernum, con el blanco brillante de los clastos de cal claramente visible en ambas. Para probar que son estas bolsas de cal viva las que permiten las propiedades de autorreparación, las muestras curadas se partieron longitudinalmente y se insertaron en un circuito de flujo con una distancia de 0.5 mm entre los lados fracturados de cada muestra.

En este circuito de flujo, el agua se forzaba constantemente a través de la fractura en cada muestra, midiendo el caudal. Después de un caudal inicial de 10 a 30 litros/hora, dependiendo de la muestra, después de treinta días, el caudal en las muestras con los clastos de cal se redujo prácticamente a cero, mientras que el caudal en las muestras de mezcla de hormigón regular sin los clastos había permanecido esencialmente sin cambios.

Los resultados de este experimento mostraron que el calcio de los clastos de cal probablemente interactuó con el material puzolánico libre remanente para formar una cristalización fresca que es capaz de curar fracturas. Se indica que estos resultados experimentales coinciden con el análisis realizado en los morteros romanos de la tumba de Caecilia Metella donde se informó un relleno de microfisuras similar.

Vivat Romanorum Arquitectos

A pesar de que gran parte del conocimiento de ingeniería de la época de la Antigua Roma se ha perdido en los últimos miles de años, el cuerpo de evidencia recopilado sobre el hormigón de la Antigua Roma parece mostrar inequívocamente que el hormigón autocurativo a través de la mezcla de cal viva gruesa era el estándar. forma en que se hizo dicho concreto. Probablemente nunca se sepa cómo llegó a ser esto, o qué ingenieros lo inventaron por primera vez, pero parece ser una técnica que se puede aplicar a nuestro hormigón de hoy en día.

Linda Seymour y sus colegas consideraron esta opción y crearon una segunda mezcla usando agregados gruesos y un superplastificante. Aquí, la principal preocupación era la tasa de contracción, que es principalmente un factor del proceso de fraguado. El resultado aquí fue que hubo menos del 1 % de diferencia entre la contracción por secado del concreto normal y el experimental después de un año, lo que lo convierte en una mezcla de concreto comercialmente viable.

Sigue siendo una pregunta abierta si veremos hormigón comercial que se vierte utilizando mezclas de cemento recién formuladas basadas en esta investigación, pero considerando los beneficios de tener estructuras de hormigón que pueden durar más que civilizaciones enteras, tanto en términos de reducción de la producción de dióxido de carbono de la industria del cemento como una fuerte reducción en el mantenimiento y reemplazo de estructuras de hormigón – sería realmente curioso que no lo hiciéramos.

(Imagen de encabezado: “Dentro del Panteón” por Macrons en Wikimedia Commons)

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• Fuente: https://hackaday.com/2023/04/03/self-healing-concrete-what-ancient-roman-concrete-can-teach-us/