Con el tiempo, el hormigón se agrieta y se desmorona. Bueno, la mayoría El concreto se agrieta y se desmorona. Las estructuras construidas en la antigua Roma todavía están en pie, exhibiendo una durabilidad notable a pesar de las condiciones que devastarían el concreto moderno.
Una de estas estructuras es la gran tumba cilíndrica de la noble Caecilia Metella del siglo I. Una nueva investigación muestra que la calidad del hormigón de su tumba puede exceder la de los monumentos de sus contemporáneos masculinos debido al agregado volcánico que eligieron los constructores y alinteracciones químicas inusuales con la lluvia y el agua subterránea con ese agregado durante dos milenios.
"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 Marie Jackson, profesora asociada de investigación de geología y geofísica en la Universidad de Utah, "y el2.050 años después, la tela refleja una presencia fuerte y resistente ".
La investigación se publica en el Revista de la Sociedad Americana de Cerámica y está financiado en parte por el programa ARPA-e "Durabilidad extrema de materiales cementosos" del Departamento de Energía de EE. UU.
¿Quién era Caecilia Metella?
La tumba de Cecilia Metella es un hito en la Via Appia Antica, una antigua calzada romana también conocida como la Vía Apia. Consiste en una torre en forma de tambor que se asienta sobre una base cuadrada, en total unos 70 pies 21 m de alto y 100 pies 29 m de diámetro. Construida alrededor del 30 a. C., en la transformación de la República Romana al Imperio Romano, dirigida por el emperador Augusto, en el 27 a. C., la tumba es considerada uno de los monumentos mejor conservados dela Vía Apia un castillo anexo a la tumba fue construido en el siglo XIV.
La propia Cecilia era miembro de una familia adinerada, hija de un cónsul romano. Se casó con un miembro de la familia de Marco Lincio Craso, un general y estadista romano que formó una famosa alianza triunvirata con Julio César y Pompeyo.
No se sabe mucho más sobre la vida de Cecilia, pero la magnitud perdurable de su tumba ha llamado la atención de los visitantes durante siglos, incluido Lord Byron, quien escribió sobre la tumba en "La peregrinación de Childe Harold" a principios del siglo XIX. Después de describir la fortaleza-como estructura, Byron pregunta :
"¿Qué era esta torre de fuerza? Dentro de su cueva
¿Qué tesoro estaba tan encerrado, tan escondido? - La tumba de una mujer ".
Jackson visitó la tumba en 2006 con la arqueóloga Dottoressa Lisa Gianmichele y con un permiso de la Soprintendenza Archeologia di Roma para recolectar pequeñas muestras del mortero para su análisis.
"Era un día muy cálido en junio", dice ella, "pero cuando bajamos los escalones del corredor sepulcral el aire se volvió muy frío y húmedo". Observa las paredes de mampostería de ladrillo compactas, cohesivas, casi perfectamente conservadas yel afloramiento de roca volcánica casi saturada de agua en la subestructura.
"La atmósfera era muy tranquila", agrega, "excepto por el aleteo de las palomas en el centro abierto de la estructura circular".
¿Qué es el hormigón romano?
Antes de sumergirnos en los detalles, orientémonos hacia la terminología del concreto. Camine por casi cualquier acera y verá que el concreto está hecho de un agregado arenas de roca y gravas y un aglutinante de cemento. El cemento en un modernoacera es probablemente cemento Portland, producido al calentar minerales de arcilla y piedra caliza en un horno para formar clinker, moler el clinker y agregar una pequeña cantidad de yeso.
La tumba es un ejemplo de las tecnologías refinadas de construcción de hormigón en la Roma republicana tardía que no contienen cemento. Las tecnologías fueron descritas por el arquitecto Vitruvio durante el período en que se estaba construyendo la tumba de Cecilia Metella. Construcción de gruesos muros de ladrillo toscoo agregado de roca volcánica ligado con mortero elaborado con cal hidratada 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 muchas 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, que Jackson y sus colegas hantambién estudió.
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 de tefra volcánica se disolverían con el tiempo para remodelar y reorganizar beneficiosamente la cohesión del hormigón.
Para comprender la estructura mineral del hormigón, Jackson se asoció con los investigadores Linda Seymour y Admir Masic del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Nobumichi Tamura en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Ellos profundizaron en la microestructura del hormigón con una serie de potentesherramientas científicas.
"Las muestras como el mortero antiguo son altamente heterogéneas y complejas, hechas de una mezcla de diferentes fases cristalinas con tamaños de grano que van desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos nanómetros", dice Tamura, quien realizó análisis utilizando la línea de luz Advanced Light Source 12.3.2. Para identificar los diferentes minerales en la muestra, así como su orientación, dice, se necesita un instrumento como la línea de luz de microdifracción en la fuente de luz avanzada que produzca un haz de rayos X tipo lápiz de "tamaño micrón, extremadamente brillante y enérgicoque puede penetrar a través de todo el espesor de las muestras, lo que la convierte en una herramienta perfecta para tal estudio ".
Seymour, quien participó en este estudio como estudiante de doctorado en el MIT y ahora es consultor de proyectos con la firma de ingeniería Simpson, Gumpertz & Heger, realizó análisis adicionales de las muestras.
"Cada una de las herramientas que usamos agregó una pista a los procesos en el mortero", dice ella. La microscopía electrónica de barrido mostró las microestructuras de los bloques de construcción del mortero a una escala de micrones. La espectrometría de rayos X de dispersión de energía mostró laelementos 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. El truco, agrega, es acertar con precisión el mismoconstruir un objetivo de bloque con cada instrumento cuando ese objetivo es solo del ancho de un cabello.
¿Por qué el hormigón de la tumba de Cecilia es tan único?
En los gruesos muros de hormigón de la tumba de Caecilia Metella, un mortero que contiene tefra volcánica del cercano flujo piroclástico de Pozzolane Rosse una densa masa de tefra caliente y gases expulsados explosivamente del cercano volcán Alban Hills une grandes trozos de ladrillo y lavaEs el mismo mortero que se utilizó en los muros de los Mercados de Trajano 120 años después.
En un análisis anterior del mortero de los Mercados de Trajano, Jackson, Tamura y sus colegas exploraron el "pegamento" del mortero, un bloque de construcción llamado fase de unión de CASH calcio-aluminio-silicato-hidrato, junto con un mineral llamadosträtlingita. Los cristales de esträtlingita bloquean la propagación de microgrietas en el mortero, evitando que se unan y fracturen la estructura de hormigón.
Pero la tefra que los romanos usaron 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, tal inundaciónde potasio crearía geles expansivos que causarían microfisuras y eventuales desconchados y deterioro de la estructura.
En la tumba, sin embargo, el potasio se disolvió y reconfiguró la fase de unión de EFECTIVO. Seymour dice que las técnicas de microdifracción de rayos X y espectroscopía Raman les permitieron explorar cómo había cambiado el mortero ". Vimos dominios de EFECTIVO que estaban intactos después de 2.050 añosy algunos que se estaban dividiendo, tenues o de otra manera diferente en morfología ", dice. La microdifracción de rayos X, en particular, permitió un análisis de los dominios tenues hasta su estructura atómica." Vemos que los dominios tenues están adquiriendo un nano-naturaleza cristalina ", dice ella.
Los dominios remodelados "evidentemente crean componentes robustos de cohesión en el hormigón", dice Jackson. En estas estructuras, a diferencia de los mercados de Trajano, se forma mucho menos esträtlingita.
Stefano Roascio, el arqueólogo a cargo de la tumba, señala que el estudio tiene una gran relevancia para comprender otras estructuras de hormigón antiguas e históricas que utilizan agregados de Pozzolane Rosse.
Admir Masic, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en el MIT, dice que la interfaz entre los agregados y el mortero de cualquier concreto es fundamental para la durabilidad de la estructura. En el concreto moderno, dice, las reacciones álcali-sílice que forman expansivaslos geles pueden comprometer las interfaces de incluso el 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. "Estos procesos de remodelación refuerzan las zonas interfaciales y potencialmente contribuyen a mejorar el rendimiento mecánico y la resistencia.al fracaso del material antiguo ".
¿Podemos recrear ese efecto hoy?
Jackson y sus colegas están trabajando para replicar algunos de los éxitos de los romanos en los hormigones modernos, específicamente en un proyecto ARPA-e del Departamento de Energía de EE. UU. Para fomentar agregados beneficiosos y reactivos similares en hormigones que utilizan magmática celular modificada en lugar de la tefra deLas antiguas estructuras romanas. El objetivo, según ARPA-e, es que un hormigón de tipo romano podría reducir las emisiones de energía de la producción e instalación de hormigón en un 85% y mejorar cuatro veces la vida útil de 50 años de los hormigones marinos modernos.
"Centrarnos en diseñar hormigones modernos con zonas interfaciales que se refuerzan constantemente podría proporcionarnos otra estrategia 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 unaestrategia que podría mejorar la longevidad de nuestras soluciones modernas en órdenes de magnitud ".
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