Enigma resolvido: por que o concreto romano era tão durável?
Uma inesperada estratégia de fabricação antiga pode ser a chave para projetar concreto que dura milênios.
Os antigos romanos eram mestres da engenharia, construindo vastas redes de estradas, aquedutos, portos e edifícios maciços, cujos restos sobreviveram por dois milênios. Muitas dessas estruturas foram construídas com concreto: o famoso Panteão de Roma, que tem a maior cúpula de concreto não reforçado do mundo e foi inaugurado em 128 DC, ainda está intacto, e alguns antigos aquedutos romanos ainda fornecem água para Roma hoje. Enquanto isso, muitas estruturas modernas de concreto desmoronaram depois de algumas décadas.
Os pesquisadores passaram décadas tentando descobrir o segredo desse antigo material de construção ultradurável, principalmente em estruturas que resistiram a condições especialmente adversas, como docas, esgotos e paredões, ou aquelas construídas em locais sismicamente ativos.
Agora, uma equipe de investigadores do MIT, da Universidade de Harvard e de laboratórios na Itália e na Suíça fez progressos nesse campo, descobrindo antigas estratégias de fabricação de concreto que incorporavam várias funcionalidades importantes de autocura. As descobertas foram publicadas na revista Science Advances , em um artigo do professor de engenharia civil e ambiental do MIT, Admir Masic, da ex-aluna de doutorado Linda Seymour e de outros quatro.
Por muitos anos, os pesquisadores assumiram que a chave para a durabilidade do concreto antigo se baseava em um ingrediente: material pozolânico, como cinzas vulcânicas da área de Pozzuoli, na baía de Nápoles. Esse tipo específico de cinza foi enviado por todo o vasto império romano para ser usado na construção e foi descrito como um ingrediente-chave para o concreto em relatos de arquitetos e historiadores da época.
Sob um exame mais detalhado, essas amostras antigas também contêm características minerais brancas brilhantes pequenas e distintas em escala milimétrica, que há muito são reconhecidas como um componente onipresente dos concretos romanos. Esses pedaços brancos, muitas vezes chamados de “clastos de cal”, são originários da cal, outro componente-chave da antiga mistura de concreto. “Desde que comecei a trabalhar com concreto romano antigo, sempre fui fascinado por esses recursos”, diz Masic. “Eles não são encontrados em formulações de concreto modernas, então por que estão presentes nesses materiais antigos?”
Anteriormente desconsiderado como mera evidência de práticas de mistura desleixadas ou matérias-primas de baixa qualidade, o novo estudo sugere que esses minúsculos clastos de cal deram ao concreto uma capacidade de autocura anteriormente não reconhecida. “A ideia de que a presença desses clastos de cal era simplesmente atribuída ao baixo controle de qualidade sempre me incomodou”, diz Masic. “Se os romanos se esforçaram tanto para fazer um excelente material de construção, seguindo todas as receitas detalhadas que foram otimizadas ao longo de muitos séculos, por que eles se esforçariam tão pouco para garantir a produção de um produto final bem misturado? ? Tem que ter mais desta história.”
Após a caracterização adicional desses clastos de cal, usando imagens multiescala de alta resolução e técnicas de mapeamento químico pioneiras no laboratório de pesquisa da Masic, os pesquisadores obtiveram novos insights sobre a funcionalidade potencial desses clastos de cal.
Historicamente, supunha-se que, quando a cal era incorporada ao concreto romano, ela era primeiro combinada com água para formar um material pastoso altamente reativo, em um processo conhecido como hidratação. Mas esse processo sozinho não poderia explicar a presença dos clastos de cal. Masic se perguntou: “Seria possível que os romanos tivessem realmente usado cal diretamente em sua forma mais reativa, conhecida como cal virgem?”
Estudando amostras desse concreto antigo, ele e sua equipe determinaram que as inclusões brancas eram, de fato, feitas de várias formas de carbonato de cálcio. E o exame espectroscópico forneceu pistas de que eles foram formados em temperaturas extremas, como seria de esperar da reação exotérmica produzida pelo uso de cal virgem em vez de, ou em adição à cal apagada na mistura. A mistura a quente, concluiu a equipe, era na verdade a chave para a natureza superdurável.
“Os benefícios da mistura a quente são duplos”, diz Masic. “Primeiro, quando o concreto geral é aquecido a altas temperaturas, ele permite químicas que não seriam possíveis se você usasse apenas cal apagada, produzindo compostos associados a alta temperatura que de outra forma não se formariam. Em segundo lugar, esse aumento de temperatura reduz significativamente a cura e o ajuste vezes, já que todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida.”
Durante o processo de mistura a quente, os clastos de cal desenvolvem uma arquitetura nanoparticulada caracteristicamente quebradiça, criando uma fonte de cálcio facilmente fraturada e reativa, que, como a equipe propôs, poderia fornecer uma funcionalidade crítica de autocura. Assim que pequenas rachaduras começam a se formar dentro do concreto, elas podem viajar preferencialmente através dos clastos de cal de alta área superficial. Esse material pode então reagir com a água, criando uma solução saturada de cálcio, que pode recristalizar como carbonato de cálcio e preencher rapidamente a trinca, ou reagir com materiais pozolânicos para fortalecer ainda mais o material compósito. Essas reações ocorrem espontaneamente e, portanto, curam automaticamente as rachaduras antes que elas se espalhem.
Para provar que esse era de fato o mecanismo responsável pela durabilidade do concreto romano, a equipe produziu amostras de concreto misturado a quente que incorporava formulações antigas e modernas, rachando-as deliberadamente e depois passando água pelas rachaduras. Com certeza: em duas semanas, as rachaduras estavam completamente curadas e a água não podia mais fluir. Um pedaço idêntico de concreto feito sem cal virgem nunca curou, e a água continuou fluindo pela amostra. Como resultado desses testes bem-sucedidos, a equipe está trabalhando para comercializar esse material de cimento modificado.
“É emocionante pensar em como essas formulações de concreto mais duráveis podem expandir não apenas a vida útil desses materiais, mas também como podem melhorar a durabilidade das formulações de concreto impressas em 3D”, diz Masic.
Por meio da vida útil estendida e do desenvolvimento de formas de concreto mais leves, ele espera que esses esforços possam ajudar a reduzir o impacto ambiental da produção de cimento, que atualmente responde por cerca de 8% das emissões globais de gases de efeito estufa. Juntamente com outras novas formulações, como o concreto que pode realmente absorver dióxido de carbono do ar, outro foco de pesquisa atual do laboratório Masic, essas melhorias podem ajudar a reduzir o impacto climático global do concreto.
A equipe de pesquisa incluiu Janille Maragh no MIT, Paolo Sabatini no DMAT na Itália, Michel Di Tommaso no Instituto Meccanica dei Materiali, na Suíça, e James Weaver no Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering na Universidade de Harvard. O trabalho foi realizado com o auxílio do museu arqueológico de Priverno, na Itália.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Original escrito por David Chandler.
Referência do periódico :
- Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel Di Tommaso, James C. Weaver e Admir Masic. Mistura a quente: insights mecanísticos sobre a durabilidade do concreto romano antigo . Avanços da Ciência , 2023 DOI: 10.1126/sciadv.add1602
