Un estimado colega, ingeniero civil, nos comparte el presente artículo publicado el 8 de octubre del 2021, escrito en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de qué se trata…

El concreto (denominado en otras latitudes como hormigón) a menudo comienza a agrietarse y desmoronarse después de algunas décadas de vida, pero, curiosamente, ese no ha sido el caso de muchas estructuras romanas. Las estructuras todavía están en pie, exhibiendo una durabilidad notable a pesar de las condiciones que destruirían el hormigón moderno.

Una de estas estructuras particular es la gran tumba cilíndrica de la noble del siglo I Caecilia Metella. Una nueva investigación de científicos y colegas del MIT publicada en el Journal of the American Ceramic Society muestra que la calidad del concreto de su tumba puede exceder la de los monumentos de sus contemporáneos masculinos debido al agregado volcánico que eligieron los constructores y las inusuales interacciones químicas con la lluvia y las aguas subterráneas que se acumulan durante dos milenios.

Los coautores principales del estudio, Admir Masic, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT, y Marie Jackson, profesora asociada de investigación de geología y geofísica en la Universidad de Utah, se unieron para conocer y entender a detalle la composición mineral de la antigua estructura del concreto.

"Comprender la formación y los procesos de los materiales antiguos puede proporcionar información a los investigadores sobre nuevas formas de crear materiales de construcción duraderos y sostenibles para el futuro", dice Masic. "La tumba de Caecilia Metella es una de las estructuras más antiguas que aún se conservan y ofrece ideas que pueden inspirar la construcción moderna".

 Un concreto curiosamente cohesivo

Ubicada en una antigua calzada romana también conocida como la Vía Apia, la tumba de Caecilia Metella es un hito en la Via Appia Antica. Consiste en una torre en forma de rotonda que se asienta sobre una base cuadrada, en total aproximadamente tiene 21 metros de altura y 29 de diámetro.

Construida alrededor del año  30 A. C., en la transformación de la República Romana en Imperio Romano, dirigida por el emperador Augusto, en el 27 a. C., la tumba se considera uno de los monumentos mejor conservados de la Vía Apia.

La propia Cecilia era miembro de una familia aristocrática. Se casó con un miembro de la familia de Marco Craso, quien formó una famosa alianza con Julio César y Pompeyo.

"La construcción de este monumento y punto de referencia muy innovador y robusto en la Via Appia Antica indica que se la tenía en gran respeto", dice Jackson "y el tejido de concreto dos mil 50 años después refleja una presencia fuerte y resistente".

La tumba es un ejemplo de las tecnologías refinadas de construcción de concreto en la Roma republicana tardía. Las tecnologías fueron descritas por el arquitecto Vitruvio mientras se construía la Tumba de Cecilia Metella. La construcción de gruesos muros de ladrillo grueso o agregado de roca volcánica ligado con mortero hecho con cal y tefra volcánica (fragmentos porosos de vidrio y cristales de erupciones explosivas), daría como resultado estructuras que "con un largo paso del tiempo no caen en ruinas".

Las palabras de Vitruvio se demuestran verdaderas por las numerosas estructuras romanas que se encuentran hoy en día, incluidos los mercados de Trajano (construidos entre 100 y 110 d. C., más de un siglo después de la tumba) y estructuras marinas como muelles y rompeolas.

Sin embargo, lo que los antiguos romanos no podían saber es cómo los cristales del mineral leucita, que es rico en potasio, en el agregado volcánico se disolverían con el tiempo para remodelar y reorganizar beneficiosamente la interfaz entre los agregados volcánicos y la matriz de unión cementosa, mejorando la cohesión del concreto.

"Centrarnos en el diseño de concretos modernos con zonas interfaciales que se refuerzan constantemente podría proporcionarnos otra estrategia más para mejorar la durabilidad de los materiales de construcción modernos", dice Masic. "Hacer esto a través de la integración de la 'sabiduría romana' probada en el tiempo proporciona una estrategia sostenible que podría mejorar la longevidad de nuestras soluciones modernas en órdenes de magnitud".

Linda Seymour '21, quien participó en este estudio como Ph.D. estudiante del laboratorio Masic del MIT, investigó la microestructura del hormigón con herramientas científicas.

"Cada una de las herramientas que usamos agregó una pista a los procesos en el mortero", dice Seymour. La microscopía electrónica de barrido mostró las microestructuras de los bloques de construcción de mortero a una escala de micras. La espectrometría de rayos X de dispersión de energía mostró los elementos que componen cada uno de esos bloques de construcción. "Esta información nos permite explorar diferentes áreas en el mortero rápidamente, y podríamos seleccionar bloques de construcción relacionados con nuestras preguntas", dice ella. El truco, agrega, es identificar con precisión el mismo objetivo de bloque de construcción con cada instrumento cuando ese objetivo es solo del ancho de un cabello.

La ciencia detrás de una sustancia excepcionalmente fuerte

En los gruesos muros de concreto de la tumba de Caecilia Metella, un mortero que contiene tefra volcánica une grandes trozos de ladrillo y agregado de lava. Es similar al mortero utilizado en los Mercados de Trajano 120 años después. El pegamento del mortero Markets of Trajan consiste en un bloque de construcción llamado fase de unión C-A-S-H (calcio-aluminio-silicato-hidrato), junto con cristales de un mineral llamado esträtlingita.

Pero la tefra que los romanos usaban para el mortero de Caecilia Metella era más abundante en leucita rica en potasio. Siglos de agua de lluvia y agua subterránea que se filtraron a través de las paredes de la tumba disolvieron la leucita y liberaron el potasio en el mortero. En el concreto moderno, una abundancia de potasio crearía geles expansivos que causarían microfisuras y eventual deterioro de la estructura.

En la tumba, sin embargo, el potasio se disolvió y reconfiguró la fase de unión C-A-S-H.

"Las técnicas de difracción de rayos X y espectroscopía Raman nos permitieron explorar cómo había cambiado el mortero", dice Seymour. "Vimos dominios de EFECTIVO que estaban intactos después de dos mil 50 años y algunos que estaban divididos, tenues o de otra manera diferente en morfología. La difracción de rayos X, en particular, permitió un análisis de los dominios tenues hasta su estructura atómica. Vemos que los dominios tenues están adquiriendo esta naturaleza nanocristalina ", dice.

Los dominios remodelados "evidentemente crean componentes robustos de cohesión en el concreto", dice Jackson. En estas estructuras, a diferencia de los Mercados de Trajano, se forma poca strätlingita.

Stefano Roascio, el arqueólogo a cargo de la tumba, señala que el estudio tiene una gran relevancia para comprender otras estructuras de concreto antiguas e históricas que utilizan agregados de Pozzolane Rosse.

"La interfaz entre los agregados y el mortero de cualquier hormigón es fundamental para la durabilidad de la estructura", dice Masic. "En el hormigón moderno, las reacciones álcali-sílice que forman geles expansivos pueden comprometer las interfaces incluso del hormigón más endurecido".

"Resulta que las zonas interfaciales en el antiguo hormigón romano de la tumba de Caecilia Metella están en constante evolución a través de remodelaciones a largo plazo", dice Masic. "Estos procesos de remodelación refuerzan las zonas interfaciales y potencialmente contribuyen a mejorar el rendimiento mecánico y la resistencia a fallas del material antiguo".

Fuentes: https://news.mit.edu/2021/roman-tomb-offers-insights-ancient-concrete-resilience-1008