Alrededor del 79 d.C., El autor romano Plinio el Viejo escribió en su Naturalis Historia que las estructuras de hormigón en los puertos, expuesto al constante asalto de las olas del agua salada, convertirse en "una sola masa de piedra, inexpugnable a las olas y cada día más fuerte ".

No estaba exagerando. Mientras que las modernas estructuras de hormigón marino se desmoronan en décadas, 2, Muelles y rompeolas romanos de miles de años perduran hasta el día de hoy, y son más fuertes ahora que cuando se construyeron por primera vez. La geóloga de la Universidad de Utah, Marie Jackson, estudia los minerales y las estructuras a microescala del hormigón romano como lo haría con una roca volcánica. Ella y sus colegas han descubierto que el agua de mar que se filtra a través del hormigón conduce al crecimiento de minerales entrelazados que le dan al hormigón una cohesión adicional. Los resultados se publican hoy en Mineralogista estadounidense.

Hormigón romano frente a cemento Portland

Los romanos hacían hormigón mezclando ceniza volcánica con cal y agua de mar para hacer un mortero, y luego incorporando en ese mortero trozos de roca volcánica, el "agregado" en el hormigón. La combinación de ceniza, agua, y la cal viva produce lo que se llama una reacción puzolánica, el nombre de la ciudad de Pozzuoli en la Bahía de Nápoles. Los romanos pueden haber tenido la idea de esta mezcla a partir de depósitos de ceniza volcánica cementados naturalmente llamados toba que son comunes en el área. como describió Plinio.

El hormigón en forma de conglomerado se utilizó en muchas estructuras arquitectónicas, incluyendo el Panteón y los Mercados de Trajano en Roma. Las enormes estructuras marinas protegían los puertos del mar abierto y servían como extensos fondeaderos para barcos y almacenes.

El hormigón de cemento Portland moderno también utiliza agregados de roca, pero con una diferencia importante:las partículas de arena y grava están destinadas a ser inertes. Cualquier reacción con la pasta de cemento podría formar geles que se expanden y agrietan el hormigón.

"Esta reacción álcali-sílice ocurre en todo el mundo y es una de las principales causas de destrucción de las estructuras de hormigón de cemento Portland, "Dice Jackson.

Redescubriendo el hormigón romano

El interés de Jackson por el hormigón romano comenzó con un año sabático en Roma. Primero estudió tobas y luego investigó los depósitos de cenizas volcánicas, pronto quedaron fascinados con su papel en la producción de la notable durabilidad del hormigón romano.

Junto con colegas, Jackson comenzó a estudiar los factores que hicieron que el hormigón arquitectónico en Roma fuera tan resistente. Un factor, ella dice, es que los intercrecimientos 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 lejos.

En otro estudio de núcleos de perforación de hormigón de puertos romanos recopilados por el proyecto ROMACONS en 2002-2009, Jackson y sus colegas encontraron un mineral excepcionalmente raro, tobermorita aluminoso (Al-tobermorita) en el mortero marino. Los cristales minerales se formaron en partículas de cal por reacción puzolánica a temperaturas algo elevadas. La presencia de Al-tobermorite sorprendió a Jackson. "Es muy difícil de hacer, "Ella dice del mineral. Sintetizarlo en el laboratorio requiere altas temperaturas y da como resultado sólo pequeñas cantidades.

Corrosión del agua de mar

Para el nuevo estudio, Jackson y otros investigadores volvieron a los núcleos de perforación ROMACONS, examinándolos con una variedad de métodos, incluyendo análisis de microdifracción y microfluorescencia en la línea de luz de fuente de luz avanzada 12.3.2 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Encontraron que la Al-tobermorita y un mineral de zeolita relacionado, filipsita formado en partículas de piedra pómez y poros en la matriz cementante. De trabajos anteriores, el equipo sabía que el proceso de curado puzolánico del hormigón romano era de corta duración. Algo más debió haber causado que los minerales crecieran a baja temperatura mucho después de que el concreto se hubiera endurecido. "Nadie ha producido tobermorita a 20 grados Celsius, ", dice." ¡Oh, excepto los romanos! "

"Como geólogos, sabemos que las rocas cambian, "Dice Jackson." El cambio es una constante para los materiales terrestres. Entonces, ¿cómo influye el cambio en la durabilidad de las estructuras romanas? "

El equipo concluyó que cuando el agua de mar se filtraba a través del hormigón en los rompeolas y en los muelles, disolvió componentes de la ceniza volcánica y permitió que crecieran nuevos minerales a partir de los fluidos lixiviados altamente alcalinos, particularmente Al-tobermorita y filipsita. Esta Al-tobermorita tiene composiciones ricas en sílice, similar a los cristales que se forman en las rocas volcánicas. Los cristales tienen formas laminados que refuerzan la matriz cementante. Las placas entrelazadas aumentan la resistencia del hormigón a la fractura por fragilidad.

Jackson dice que este proceso similar a la corrosión normalmente sería malo para los materiales modernos. "Estamos buscando un sistema que sea contrario a todo lo que uno no desearía en el concreto a base de cemento, ", dice." Estamos ante un sistema que prospera en el intercambio químico abierto con el agua de mar ".

Hormigón romano moderno

Dadas las ventajas de durabilidad del hormigón romano, ¿Por qué no se usa con más frecuencia? particularmente porque la fabricación de cemento Portland produce emisiones sustanciales de dióxido de carbono?

"La receta se perdió por completo, "Dice Jackson. Ha estudiado extensamente los textos romanos antiguos, pero aún no ha descubierto los métodos precisos para mezclar el mortero marino, para recrear completamente el hormigón.

"Los romanos tuvieron suerte con el tipo de roca con la que tenían que trabajar, "Ella dice." Observaron que la ceniza volcánica creció cementos para producir la toba. No tenemos esas rocas en muchas partes del mundo por lo que tendría que haber sustituciones ".

Ahora está trabajando con el ingeniero geológico Tom Adams para desarrollar una receta de reemplazo, sin embargo, utilizando materiales del oeste de los EE. UU. El agua de mar en sus experimentos proviene de Berkeley, California, puerto pequeño, recopilada por la propia Jackson.

El hormigón romano necesita tiempo para desarrollar resistencia a partir del agua de mar, y presenta menos resistencia a la compresión que el cemento Portland típico. Por esas razones, es poco probable que el hormigón romano se generalice, pero podría ser útil en contextos particulares.

Jackson recientemente intervino sobre una laguna de mareas propuesta que se construirá en Swansea, Reino Unido, para aprovechar la energía de las mareas. La laguna, ella dice, necesitaría operar durante 120 años para recuperar los costos incurridos para construirlo. "Puedes imaginar eso, con la forma en que construimos ahora, sería una masa de acero corroído en ese momento ". Un prototipo de hormigón romano, por otra parte, podría permanecer intacto durante siglos.

Jackson dice que si bien los investigadores han respondido muchas preguntas sobre el mortero del concreto, las reacciones químicas a largo plazo en los materiales agregados permanecen sin explorar. Ella tiene la intención de continuar el trabajo de Plinio y otros eruditos romanos que trabajaron asiduamente para descubrir los secretos de su concreto. "Los romanos estaban preocupados por esto, "Dice Jackson." Si vamos a construir en el mar, también deberíamos preocuparnos por eso ".