Todavía en pie: investigadores descifran el secreto del hormigón auto-reparable de la antigua Roma

Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo qué hizo que el material fuera tan duradero. Ahora, un nuevo estudio del MIT que utiliza micro-arqueología y cámaras infrarrojas da una idea de los monumentos perdurables de Herodes.

Por Melanie Lidman


Una chica salta del antiguo acueducto de Cesárea en el mar Mediterráneo cerca del puerto de Cesárea, Israel, el lunes 30 de diciembre de 2019. (Foto AP/Ariel Schalit)


Vista de un antiguo acueducto romano en Cesárea, 8 de enero de 2006.
(Doron Horowitz/Flash90)


El Panteón de Roma, 20 de marzo de 2020.
(Domenico Stinellis/ AP)



Una visitante toma una fotografía dentro del Coliseo de Roma el 25 de junio de 2021.
(Foto de Filippo MONTEFORTE / AFP)

Los edificios de hormigón en ruinas de la Nación de Startups muestran que el Israel moderno tiene una o dos cosas que aprender de la tecnología romana de 2000 años de antigüedad. Las antiguas estructuras de hormigón romanas han sobrevivido milenios de terremotos, clima severo e incluso haber sido sumergidas bajo el agua, sin las telarañas de grietas que plagan la arquitectura brutalista de Israel después de solo unas pocas décadas.

Esto se debe a que el concreto romano tiene la capacidad única de «curar» sus propias grietas después de estar expuesto al agua, según un grupo de científicos italianos y estadounidenses que pudieron esclarecer la reacción química que ayuda al concreto a hacer que las grietas desaparezcan.

Usando nueva información recopilada por cámaras infrarrojas y otros métodos de micro-arqueología en muestras tomadas de hormigón antiguo en el centro de Italia, el grupo pudo recrear su propio «hormigón romano» y fue testigo de cómo, en cuestión de semanas, sus muestras hacían desaparecer las grietas infligidas.

Algunas de las construcciones romanas en Israel, incluido el puerto de Cesárea, partes del palacio de Herodes en Jericó y la tumba de la familia de Herodes en Jerusalén, contienen hormigón similar al hormigón italiano estudiado. El concreto en estos sitios usó ceniza italiana importada, llamada puzolana, que se extrajo de un área cerca de Nápoles y se trajo a Israel por barco.

Además de resolver el enigma de estos monumentos romanos perdurables, la investigación podría ayudar a la industria moderna del hormigón, una de las industrias más contaminantes del mundo, a aprender cómo crear hormigón más duradero que requiera menos materiales y menos mantenimiento.

“Los romanos sabían mucho cómo formular concreto para diferentes aplicaciones”, dijo a The Times of Israel la Dra. Linda Seymour, autora principal del estudio publicado el viernes en la prestigiosa revista Science Advances.

Los romanos encontraron estas variedades de concreto después de muchos éxitos y fracasos, explicó Seymour.

“Ya en la época fenicia [1500 a 300 AEC], vieron que cuando añadían cerámica triturada, [el concreto] podía fraguar en diferentes condiciones, como con más agua o incluso bajo el agua”, dijo Seymour. «Hubo una especie de evolución de ellos probando diferentes agregados, y vieron que cuando usaban agregado volcánico [basado en ceniza volcánica] podían construir estructuras aún más grandes».

Seymour, que actualmente es consultora independiente en la industria del concreto, estudió el concreto romano antiguo en el MIT durante su investigación de doctorado, profundizando en cómo los romanos eran expertos en la creación de concreto que se adaptaba de manera única a cada ubicación y propósito específico. Parte del hormigón fraguaba rápidamente, lo que permitió a los romanos construir estructuras grandes e impresionantes, como la cúpula gigante del Panteón. Otros fraguaban lentamente, ideales para crear canales de agua lisos en los acueductos, como el que se encuentra cerca de Cesárea.


Dra. Linda Seymour, investigadora principal de un estudio que recrea el concreto romano antiguo. (Cortesía)

Pero uno de los aspectos más impresionantes de muchos tipos de concreto romano – y que ha dejado perplejos a los científicos hasta hace poco – es que el concreto continúa reaccionando con el agua después de que se ha secado, lo que le permite remediar las grietas que se desarrollan con el tiempo.

Seymour y su equipo pudieron recrear un tipo de concreto similar al que encontraron en las ruinas romanas que estudiaron en Privernum, a unos 100 kilómetros (60 millas) al sureste de la capital italiana.

Los investigadores crearon cilindros de su propio hormigón romano, luego infligieron pequeñas grietas de medio milímetro de ancho en las muestras. Cuando los cilindros se sumergieron en agua corriente durante una a tres semanas, las grietas se encogieron y sellaron. Después de un año, las grietas desaparecieron por completo.

Hormigón con ceniza italiana de diseño

El hormigón moderno consiste en grava, arena y agua, unidos por el elemento aglutinante del cemento. La mayoría del hormigón moderno utiliza cemento Portland, inventado en el siglo XIX en Inglaterra, que es una combinación de materiales como calcio, silicio, aluminio, hierro, piedra caliza, conchas y tiza, que se calientan a temperaturas excepcionalmente altas y luego se muelen hasta obtener un polvo fino.

El cemento moderno requiere que los materiales se calienten a una temperatura de más de 1500 grados Celsius (2700 grados Fahrenheit), lo que genera enormes emisiones de gases de efecto invernadero. Cada tonelada de hormigón producido genera una tonelada métrica de emisiones de dióxido de carbono. Si la industria del cemento fuera un país, tendría las terceras emisiones más altas del mundo, después de Estados Unidos y China.

El concreto moderno también es notoriamente frágil y se agrietará y desmoronará después de unas pocas décadas, especialmente cuando esté húmedo o cerca del agua salada, como lo demuestra la arquitectura de concreto brutalista que se desmorona, popular en muchas ciudades israelíes.


Vista de un antiguo acueducto romano en Cesárea, 8 de enero de 2006.
(Doron Horowitz/Flash90)

El hormigón romano, especialmente en ambientes marinos como el puerto de Cesárea, ha capturado durante mucho tiempo la fascinación de los investigadores por su durabilidad. Los propios romanos estaban excepcionalmente orgullosos de su hormigón y dejaron extensos registros escritos sobre su mezcla de hormigón. La obra de Plinio el Viejo del siglo I EC «Naturalis Historia», describió un proceso mediante el cual la ceniza volcánica mezclada con agua formaba una «piedra impenetrable».

La geóloga de la Universidad de Utah, Prof. Marie Jackson, dirigió un equipo en 2017 que utilizó la descripción de Plinio el Viejo para guiar su investigación pionera sobre el cemento romano que se usaba bajo el agua. Su investigación encontró que el agua de mar crea una reacción con el concreto – específicamente la ceniza volcánica que contiene – para sellar las grietas.

La construcción de los rompeolas de Cesárea fue un uso ingenioso de «concreto hidráulico» denso, una mezcla de mortero, puzolana italiana, arenisca y cal remojada.


Un mapa elemental de área grande (Calcio: rojo, Silicio: azul, Aluminio: verde) de un fragmento de 2 cm de hormigón romano antiguo, recolectado del sitio arqueológico de Privernum, Italia, que se muestra a la izquierda.
(Cortesía)

Hay aproximadamente 35.000 metros cúbicos (1,2 millones de pies cúbicos) de hormigón en el puerto de Cesárea, y 24.000 metros cúbicos (850.000 pies cúbicos) de este hormigón se componen de ceniza de puzolana, dijo el profesor Boaz Zissu, experto en el período romano, helenístico y bizantino en el Departamento de Estudios y Arqueología de la Tierra de Israel Martin (Szusz) en la Universidad de Bar Ilan. Esto representaba al menos 52.000 toneladas de ceniza volcánica importada, el equivalente de 100 a 150 barcos grandes, según determinaron los arqueólogos en un estudio anterior centrado en la construcción del puerto.

“Había barcos que traían trigo de Alejandría a Italia, porque los italianos tenían hambre de trigo egipcio, y creemos que, en el camino de regreso a Egipto, los barcos probablemente traían puzolana”, dijo Zissu.

Debido a que la puzolana era un artículo muy lujoso, solo se usaba para los proyectos más importantes, los que eran queridos y cercanos al corazón de Herodes – como la tumba de su familia – o que requerían proezas de ingeniería extraordinarias, como Cesárea.

“Cesárea es una historia asombrosa”, dijo Zissu, porque la ubicación geográfica no es necesariamente adecuada para un puerto, ya que no hay protección contra el mar abierto. “Fue la idea de un rey obstinado con una agenda que iba en contra de las leyes de la naturaleza”.

Según Zissu, la calidad del trabajo en el puerto de Cesárea no es tan refinada como en otras construcciones romanas. Pero eso podría deberse a que los trabajadores locales, que no estaban familiarizados con los materiales importados, estaban tratando de verter bloques de hormigón mientras se balanceaban en un bote en medio del mar abierto, dijo.

“Se les pidió que construyeran un puerto en condiciones difíciles, donde no es totalmente adecuado”, dijo Zissu. “Entonces, parte del apoyo para este proyecto [de Roma] vino en forma de esta puzolana”.

Solo el concreto hecho con la ceniza de puzolana tiene las cualidades de auto-reparación que el equipo de Seymour observó en sus experimentos.

Otras ruinas romanas en Israel, como Apollonia, Beit Shean y Masada, utilizaron métodos de construcción similares a los de la construcción romana en Italia, pero utilizaron mano de obra local y materiales locales. Al hacer concreto, los trabajadores usaban cosas como cerámica triturada o cemento como agente aglutinante.

¿Por qué este concreto tiene motas blancas?

Seymour y su equipo comenzaron a preguntarse por qué el concreto que encontraron tenía grumos de cal, o gránulos blancos ricos en calcio, que son visibles a simple vista, especialmente porque parecía que estos grumos de cal habían reaccionado de formas extrañas dentro del concreto.

“Una de las características esquivas del concreto romano es comprender el orden exacto de las operaciones, cómo se produjo y cómo se produjo a escala”, dijo Seymour. «Hay muchos escritos históricos sobre lo que pasó, pero es difícil de recrear en el laboratorio».

«Una de las cosas que notamos en estudios anteriores, particularmente en el concreto marino romano, es que estos clastos de cal eran bastante frecuentes y parecían haber reaccionado parcialmente o completamente con el tiempo para volverse diferentes», dijo Seymour.

Estaban adentrados en la investigación cuando Seymour participó en un intercambio entre el MIT y científicos israelíes a través de MISTI, la Iniciativa Internacional de Ciencia y Tecnología del MIT, en 2018. Seymour visitó una excavación arqueológica en las afueras de Rehovot administrada por el Prof. Stephen Weiner del Instituto Weizmann, el fundador y director del Centro Kimmel para la Ciencia Arqueológica.


Prof. Stephen Weiner, fundador y director del Centro Kimmel de Ciencias Arqueológicas.
(Cortesía)

Seymour quedó impresionada por la forma en que los investigadores israelíes en el sitio estaban utilizando la espectroscopia Transformada de Fourier para infrarrojos (FTIR por sus siglas en inglés), una cámara avanzada que determina cómo se absorben los rayos infrarrojos en el material y puede proporcionar una «huella digital» única de la composición química de ese material.

Es un proceso popular en micro-arqueología, pero el equipo de Seymour en el MIT aún no lo había utilizado para su concreto romano. Después de este momento «de descubrimiento», cuando regresó al laboratorio en Boston, enviaron algunas muestras a través de la máquina FTIR de un laboratorio vecino y pudieron caracterizar aún más el carbonato de calcio en el concreto. Esto les ayudó a entender más sobre su composición química.

El equipo supuso que los romanos probablemente usaban «mezcla en caliente» para este tipo de concreto, que ocurre cuando se mezclan arena, ceniza volcánica y piedra caliza quemada. Cuando se agrega agua, ocurre una reacción química que calienta la mezcla hasta 200 grados Celsius (392 Fahrenheit). Este proceso también deja gránulos blancos diminutos pero visibles ricos en calcio.

A medida que pasa el tiempo, si el concreto se agrieta y entra agua, el agua disuelve estos pedazos de calcio y se recristalizan a lo largo de la fisura, sellándola con el tiempo. Esta reacción entre el agua y los trozos de calcio es lo que le da al concreto una propiedad de auto-reparación.

Arqueología que el ojo no puede ver

Weiner de Weizmann es uno de los pioneros en el campo de la micro-arqueología, y uno de los primeros científicos en llevar microscopios avanzados y equipos de laboratorio al sitio de la excavación para el análisis en tiempo real.

Weiner comenzó a llevar máquinas de espectroscopia infrarroja al campo en la década de 1990, alentado por las posibilidades de comprender la composición química de diferentes materiales y las historias que estos materiales pueden contar sobre la vida cotidiana. Tener el equipo de laboratorio en el sitio es importante porque el material que puede proporcionar la mayor cantidad de información a nivel microscópico – como trozos de mortero o ceniza – a menudo se elimina durante las excavaciones, dijo Weiner. Cuando el equipo de laboratorio está disponible, pueden determinar en unos pocos minutos si un determinado material es útil y la excavación debe proceder de una manera diferente.

El laboratorio de Weiner dirige una escuela de campo cada verano para estudiantes de doctorado y maestría de todo el mundo, que fue como Seymour vio por primera vez las pruebas en el sitio en 2018.

Weiner también está fascinado por las historias que se encuentran en el material que mantiene unidas las piedras. “El mortero fue una gran revolución y uno de los primeros materiales producidos sintéticamente por humanos”, dijo. “Una vez que hicieron eso, podían hacer todo tipo de cosas”.

Todos los caminos a Roma están pavimentados con cemento Portland… por ahora

Seymour ahora está tratando de aplicar su antiguo conocimiento romano al concreto moderno con la esperanza de que la industria del cemento pueda replicar algunos de los mecanismos de auto-reparación que los romanos perfeccionaron hace dos milenios.

“Una de las cosas que estamos analizando es comprender los mecanismos de durabilidad del hormigón romano para fabricar mejores materiales para el futuro”, dijo. “Se trata de sostenibilidad porque las estructuras más duraderas requieren menos trabajo y menos materiales para mantener”.


Un ciclista pasea junto al Coliseo de Roma el 25 de junio de 2021.
(Foto de Filippo MONTEFORTE / AFP)

El Prof. Admir Masic del MIT, asesor de Seymour y coautor del artículo, tiene una patente que explora cómo el concreto moderno puede mantener su integridad estructural al tiempo que incorpora propiedades de auto-reparación. Masic también es cofundador de una empresa, DMAT, que está tratando de implementar estas prácticas.

Seymour es ahora consultora en el sector privado de la industria del hormigón. Ella se enfoca en materiales cementosos complementarios o materiales que se pueden agregar al concreto para reemplazar parte del cemento Portland. Su objetivo es hacer que el hormigón sea más respetuoso con el medio ambiente, basándose en las prácticas romanas.

“Es importante tener en cuenta que este estudio es una pequeña pieza del rompecabezas de cómo el concreto romano sigue siendo duradero”, agregó Seymour. “Había tantas formulaciones diferentes que los romanos usaban en función de la ubicación y la aplicación, es posible que nunca sepamos todos los procesos que se llevan a cabo con este material. Tenemos mucho que aprender sobre cómo funcionan estos procesos”.

Seymour habló con The Times of Israel el primer día de un viaje personal a Israel y el día anterior a su primera visita a Cesárea, la antigua ciudad portuaria construida por Herodes el Grande alrededor del 25 al 13 AEC.

“Los acueductos son mi tipo favorito de construcción romana”, dijo. “Pero solo he visto acueductos en Roma y Nápoles, así que esta es realmente una oportunidad de ver cómo se fabricaba y usaba el material en un contexto totalmente diferente”.

Esa es una de las cosas que fascina a Seymour sobre el concreto romano: en cada lugar que se usa, la composición es un poco diferente, se adapta de manera única a la función y ubicación específicas, al mismo tiempo que mantiene las mismas propiedades que le permitieron perdurar durante milenios.

“Podría estudiar esto por el resto de mi vida, y todavía me encontraría con nuevos tipos”, dijo. “Todavía estoy asombrada de cómo pudieron manipular el material y qué control tenían sobre el material”.

 

Traducción: Consulado General H. de Israel en Guayaquil
Fuente: The Times of Israel
https://www.timesofisrael.com/still-standing-researchers-crack-secret-of-ancient-romes-self-healing-concrete/