Descubierto el secreto de la durabilidad del hormigón romano (opus caementicium)

Los antiguos romanos eran maestros de la ingeniería y construyeron vastas redes de carreteras, acueductos, puertos y enormes edificios, cuyos restos han sobrevivido dos milenios. Muchas de estas estructuras se construyeron con hormigón. 

El famoso Panteón de Roma, por ejemplo, que tiene la cúpula de hormigón no armado más grande del mundo y fue inaugurado en el año 128 d. C., sigue intacto, y algunos acueductos romanos siguen suministrando agua a Roma. Mientras tanto, muchas estructuras modernas de hormigón se han derrumbado al cabo de unas décadas.

Un nuevo estudio indica que los diminutos clastos de cal encontrados en el hormigón romano le dieron una capacidad de autorreparación hasta ahora desconocida.

Los investigadores llevan décadas intentando descubrir el secreto de este antiguo material de construcción ultrarresistente, sobre todo en estructuras que soportaban condiciones especialmente duras, como muelles, alcantarillas y malecones, o las construidas en lugares sísmicamente activos.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha examinado el hormigón que usaban los antiguos romanos y cree haber dado con la clave: la cal viva.

Un nuevo estudio que publica Science Advances firmado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad de Harvard y laboratorios de Italia y Suiza ha descubierto antiguas estrategias de fabricación de hormigón que incorporaban varias funcionalidades clave.

Durante años, se había creído que la clave de la durabilidad de ese hormigón se basaba en un ingrediente, el material puzolánico, una ceniza volcánica de la zona de Pozzuoli, en la bahía de Nápoles (Italia), a la que se referían los relatos de arquitectos e historiadores de la época.

Sin embargo, esas muestras antiguas también contienen pequeños y distintivos rasgos de minerales blancos brillantes a escala milimétrica, que desde hace tiempo se reconocen como un componente omnipresente de los hormigones romanos.

Una nueva interpretación de los clastos de cal

Estos trozos blancos, a menudo denominados clastos de cal, proceden de la cal, otro componente clave de la antigua mezcla de hormigón. Hasta ahora se habían considerado una mera evidencia de mezclas descuidadas o materias primas de mala calidad, apuntan los autores.

Sin embargo, el nuevo estudio sugiere que esos diminutos clastos de cal le dieron al hormigón una capacidad de autorreparación hasta ahora desconocida.

Uno de los firmantes de la investigación, Admir Masic, del MIT, destaca que si “los romanos pusieron tanto empeño en fabricar un material de construcción excepcional, ¿por qué iban a poner tan poco empeño en garantizar la producción de un producto final bien mezclado?», por eso creía que tenía que haber algún motivo.

Tras una caracterización más detallada de los clastos calcáreos, utilizando técnicas de imagen multiescala de alta resolución y de mapeo químico, los investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre la funcionalidad potencial de estos restos.

Históricamente, se había supuesto 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 [la cal apagada es el hidróxido cálcico], pero ese proceso, por sí solo, no podía explicar la presencia de los clastos de cal.

La reactiva cal viva

Por eso, el equipo se preguntó si era posible que los romanos hubieran usado cal viva (CaO, óxido de calcio), que es una forma más reactiva de ese material.

Estudiando muestras de hormigón antiguo se determinó que las partículas blancas estaban formadas por diversas formas de carbonato cálcico. Un examen espectroscópico proporcionó indicios de que se habían formado a temperaturas extremas, como cabría 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, según el equipo, fue en realidad “la clave de la naturaleza superdurable” del hormigón debido a dos factores, explica Masic.

Por una parte, cuando el hormigón en su conjunto se calienta a altas temperaturas, permite una química que no sería posible si solo se utilizara cal apagada. Además, el aumento de temperatura reduce significativamente los tiempos de curado y fraguado, lo que permite una construcción mucho más rápida.

Comprobación con mezclas propias

El equipo decidió probar que ese era el mecanismo responsable de la durabilidad del hormigón romano, para lo que produjo muestras de mezclado en caliente que incorporaban formulaciones antiguas y modernas, las agrietó e hizo correr agua por ellas.

Tras dos semanas, esas aberturas se habían curado por completo y el agua ya no podía fluir, sin embargo, un trozo idéntico de hormigón fabricado sin cal viva nunca se curó y el agua siguió fluyendo por la muestra.

Masic considera que “es emocionante pensar en cómo estas fórmulas de hormigón más duraderas podrían ampliar no solo la vida útil de estos materiales, sino también cómo podría mejorar la durabilidad de las fórmulas de hormigón impresas en 3D«.

Con una vida útil extendida y el desarrollo de formas de hormigón más livianas, los autores confían en que estos esfuerzos puedan ayudar a reducir el impacto ambiental de la producción de cemento, que actualmente representa alrededor del 8 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.

Junto con otras formulaciones nuevas, como un posible hormigón que pueda absorber dióxido de carbono del aire, se podrían introducir mejoras para ayudar a reducir el impacto climático global de este material esencial en la construcción.

Referencia

Seymour, L. et al., Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Science Advances (2023).