Revelan el ingrediente 'secreto' del hormigón romano que aguanta en pie milenios

Esta es la pregunta a la que llevan buscando respuesta los científicos desde hace mucho tiempo. Más aún teniendo en cuenta que se han empleado para elementos como en muelles, alcantarillas o diques, soportando condiciones extremas. Incluso las edificaciones han aguantado durante terremotos.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Harvard y laboratorios en Italia y Suiza dicen haber encontrado desvelado el misterio: cal viva. Este material no solo provocaría que los materiales se secasen antes, sino que además se 'autorreparasen' con el paso del tiempo. Los hallazgos acaban de publicarse en la revista 'Science Advances'.

Durante muchos años se pensó que la clave del hormigón romano era la ceniza volcánica del área de Pozzuoli, en la Bahía de Nápoles. Este material le confería propiedades puzolánicas, para reaccionar con el hidróxido de calcio para formar compuestos hidráulicos similares a los que se generan durante la hidratación del clinker del cemento. Se sabe que este elemento se envió por todo el vasto imperio romano para ser utilizado en la construcción como un ingrediente clave.

Sin embargo, eso no era suficiente. Al analizar el hormigón, los investigadores también se percataron de que las muestras contenían una especie de gránulos blancos brillantes y milimétricos, denominados clastos de cal —otro de los componentes básicos del hormigón— que se pensaba que era algo así como un 'descuido' al 'rematar' la creación del material de construcción.

«Desde que comencé a trabajar con concreto romano antiguo, siempre me han fascinado estas características», explica Admir Masic, profesor de ingeniería civil y ambiental del MIT y primer autor del artículo. «Estos componentes no se encuentran en las formulaciones modernas de hormigón; entonces, ¿por qué están presentes en estos materiales antiguos?».

A Masic siempre le molestó la idea de que estos clastos de cal fueran un defecto de fabricación. «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 esmero en la producción final? Tenía que haber algo más en esta historia«, señala el investigador.

Al analizar en profundidad estos clastos utilizando imágenes multiescala de alta resolución y técnicas de mapeo químico en laboratorio, el equipo obtuvo nuevos conocimientos sobre la funcionalidad potencial de estos clastos de cal.

Históricamente, se suponía que cuando la cal se incorporaba al hormigón, 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 entonces si era posible que los romanos hubiesen utilizado cal pero en su forma más reactiva: cal viva.

Al estudiar muestras de este material antiguo, el equipo determinó que las inclusiones blancas estaban hechas de varias formas de carbonato de calcio. Y el examen espectroscópico proporcionó pistas de que estos gránulos se habían formado a temperaturas extremas, como era de esperar de la reacción exotérmica producida por el uso de cal viva en lugar de la cal apagada. O además de ella. La mezcla en caliente, concluyeron los investigadores, fue en realidad la clave de su naturaleza súper duradera.

«Los beneficios de la mezcla en caliente son dobles —dice Masic—. Por un lado, cuando la mezcla se calienta a altas temperaturas, se producen procesos que no son posibles si solo se usa cal apagada. Por otro, 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».

Los beneficios no acaban ahí. 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 un poder de 'autocuración' del material. En concreto, ayuda cuando se empiezan a formar grietas dentro del hormigón: estas vetas quedan 'dirigidas' a través de estos clastos. Pero este material después reacciona con el 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, regeneran automáticamente las grietas antes de que se propaguen.

Para demostrar su teoría, el equipo creó 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 regenerado por completo y el agua ya no podía fluir. Un trozo idéntico de concreto hecho sin cal viva nunca se autorreparó, y el agua siguió fluyendo a través de la muestra. El equipo está tan seguro de su descubrimiento que está trabajando para crear una versión comercial de este material de construcción romano.

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

A través de la vida útil 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