Una nueva mirada dentro del hormigón de 2.000 años de antigüedad -fabricado de ceniza volcánica, cal (el producto de piedra caliza al horno) y agua de mar- ha proporcionado nuevas pistas sobre el desarrollo químico y los cementos minerales que permiten a las antiguas estructuras portuarias resistir la prueba del tiempo. La investigación también ha inspirado una búsqueda de la receta original para que los fabricantes de hormigón moderno puedan fabricarlo como los romanos.
Un equipo de investigadores que trabajan en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de Estados Unidos utilizó rayos X para estudiar muestras de hormigón romano -a raíz de un antiguo muelle y sitios de rompeolas- a escalas microscópicas para aprender más sobre la composición de sus cementos minerales. El trabajo anterior del equipo en el Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, un centro de investigación de rayos X conocido como un sincrotrón, encontró que los cristales de tobermorita aluminosa, un mineral en capas, desempeñaron un papel clave en el fortalecimiento del hormigón, a medida que se desarrollaron en partículas de cal. El nuevo estudio, publicado este lunes en 'American Mineralogist', está ayudando a los investigadores a reconstruir cómo y dónde se formó este mineral durante la larga historia de las estructuras de hormigón.
El trabajo en última instancia podría conducir a una adopción más amplia de técnicas de fabricación de hormigón con menos impacto ambiental que los procesos modernos de fabricación de cemento portland, que requieren hornos de alta temperatura; un contribuyente significativo a las emisiones industriales del dióxido de carbono, que se suman a la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera de la tierra. Además, los investigadores sugieren que podría probarse una receta reformulada para el hormigón romano para aplicaciones tales como aljibes y otras estructuras frente al mar y puede ser útil para proteger los desechos peligrosos. "En la ALS trazamos las microestructuras de cemento mineral -alerta la directora del estudio, Marie Jackson, profesora de Geología y Geofísica de la Universidad de Utah, en Estados Unidos-. Podemos identificar los diversos minerales y las intrigantes secuencias complejas de cristalización a la escala de micras".
Jackson afirma que la cal -también conocida como óxido de calcio o CaO-, expuesta al agua de mar en la mezcla de hormigón romano, probablemente reaccionó a fondo con cenizas volcánicas al principio de la historia de las masivas estructuras portuarias. Estudios previos mostraron cómo la tobermorita aluminosa cristalizó en los restos calcáreos durante un periodo de temperatura elevada.
Los nuevos hallazgos sugieren que después de que la cal se consumió a través de estas reacciones químicas puzolánicas (llamadas así por la ceniza volcánica encontrada en la región de Pozzuoli, o Nápoles, Italia), comenzó un nuevo periodo de crecimiento mineral. El nuevo crecimiento de la tobermorita aluminosa se asocia a menudo con cristales de phillipsita, otro mineral. Los minerales forman fibras finas y placas que hacen que el hormigón sea más resistente y menos susceptible a la fractura con el tiempo. Pueden explicar una antigua observación del científico romano Plinio el Viejo, que opinaba que el hormigón, "tan pronto como entra en contacto con las olas del mar y se sumerge, se convierte en una sola masa de piedra, inexpugnable a las olas y cada día más fuerte".
Hormigón similar a una roca que prospera con el contacto con el mar
De hecho, los romanos confiaron en la reacción de una mezcla de roca volcánica con agua de mar para producir los nuevos cementos minerales. En raras ocasiones, los volcanes submarinos, como el volcán Surtsey en Islandia, producen los mismos minerales hallados en el hormigón romano. "Contrariamente a los principios del hormigón moderno basado en el cemento --apunta Jackson-- los romanos crearon un hormigón parecido a una roca que prospera en el intercambio químico abierto con el agua de mar".
La antigua receta romana es muy diferente de la moderna para el hormigón, señala Jackson. La mayoría del hormigón moderno es una mezcla de cemento portland -piedra caliza, arenisca, ceniza, tiza, hierro y arcilla, entre otros ingredientes, calentado para formar un material vítreo que es finamente molido- mezclado con los llamados "agregados". Estos son materiales como arena o piedra triturada que no están destinados a reaccionar químicamente. Si se producen reacciones en estos agregados, pueden generarse expansiones no deseadas en el hormigón.
Para entender los procesos químicos a largo plazo que ocurrieron en las estructuras romanas, los científicos usaron láminas finas y pulidas del hormigón con un microscopio electrónico en Alemania para mapear la distribución de elementos en las microestructuras minerales. Estos expertos unieron estos análisis con una técnica en el laboratorio de Berkeley ALS conocida como microdifracción de rayos X, una técnica en la Universidad de Berkeley conocida como espectroscopia Raman, para aprender más sobre la estructura de los cristales en las muestras.
Un científico de ALS, Nobumichi Tamura, explica que la línea de rayos X donde se estudiaron las muestras de hormigón romano puede producir vigas enfocadas a aproximadamente 1 micra, o 1 milésima de pulgada, "lo que es útil para identificar cada especie mineral y mapear su distribución". El haz es casi cien veces menor que el que se puede encontrar en un laboratorio convencional. La técnica de rayos-X mide una señal promedio de muchos pequeños granos minerales, proporcionando alta resolución y rápida recolección de datos.
Este es un hormigón que aparentemente deja crecer cementos minerales de aluminio y tobermorita durante milenios", detalla Jackson. El estudio sugiere que este proceso podría ser útil para las estructuras modernas de los malecones, así como para encerrar desechos de alto nivel en barreras de cemento que protegen el medio ambiente circundante.
