La perdurabilitat del formigó romà (Arqueologia mediterrània, 02/2023)

La perdurabilitat del formigó romà ha ajudat a preservar estructures arquitectòniques durant dos mil·lennis. Les raons d’aquesta perdurabilitat són matèria de debat tant per a arqueòlegs com per a la ciència dels materials. El professor Admir Masic, del MIT, hi és interessat com a font d’inspiració per a aconseguir materials de construcció sostenibles. Masic és l’autor corresponsal d’un article publicat la setmana passada a la revista Science Advances que aprofundeix en les característiques mecàniques del formigó romà, i del qual la primera autora és Linda Seymour, també del MIT, que fa la tesi doctoral sobre aquest tema. Seymour et al. han investigat clasts calcaris de morters de l’Imperi Romà a escala elemental i química. D’aquesta manera obtenen dades noves sobre les metodologies de preparació d’aquests morters. En essència, el morter s’obtenia de la barreja en calent de cal viva i/o calç apagada. Això creava un ambient en el que els clasts calcaris eren retinguts en la matriu del morter. Aquestes inclusions macroscòpiques constitueixen una font de calci reactiu capaç de tancar porus i esquerdes, o d’activitat post-pozzolànica dins del ciment. Sense aturar-se massa en el passat, Seymour et al. han fet experimentacions per al desenvolupament de formulacions de formigó modern que sigui més perdurable, resilent i sostenible.

Seymour et al. han experimentat amb mostres de formigó inspirades en l’Antiga Roma bo i comprovant les capacitats d’autorregeneració d’aquest material en cas de fractura.

Les ruïnes de Privernum

Aquesta recerca fou concebuda per Masic, que és qui l’ha supervisada. La metodologia ha estat desenvolupada per Linda M. Seymour, Janille Maragh (MIT), Paolo Sabatini (de DMAT, amb seu a Udin), Michel Di Tommaso (de l’Istituto Meccanica dei Materiali SA, de Grànscia), James C. Weaver (del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) i Masic. La investigació ha estat duta a terme per Seymour, Maragh, Sabatini, Di Tommaso, Weaver i Masic. Els gràfics han estat elaborats per Seymour, Maragh i Weaver. Seymour i Masic redactaren el primer esborrany de l’article, revisat i editat després pels altres autors. Sabatini i Masic declaren el conflicte d’interès que deriva de la seva participació a DMAT srl., mentre que Seymour declara les sol·licituds de patents relacionades amb el seu treball de tesi doctoral. Part de la recerca s’ha finançat amb el programa MIT Edward H. Linde concedit a Seymour.

Els autors tenen paraules d’agraïments per l’àrea i museu d’arqueologia de Priverno. Agraeixen les aportacions de Gianfranco Quaranta (Artech Lab) i Roberto Scalesse (Erresse Group) en la reconstrucció arqueològica. Els experiments d’autoguariment foren conduït amb l’assistència de P. Tudori, de l’IMM de Grànscia. Els autors dediquen l’article a Gilberto Quarneti (1941-2021) per les seves contribucions a l’estudi quantitatiu de materials antics.

El formigó actual té com a component clau el ciment ordinari Portland (OPC). Aquest formigó és el material de construcció més ubic del món contemporani. La fabricació d’OPC té un impacte considerable en les emissions de gasos d’efecte hivernacle (cada tona mètrica d’OPC produït implica unes emissions de la mateixa d’equivalents de CO2). Aquestes emissions es generarien principalment quan es calcina pedra calcària i argila per formar clínquer. Hom calcula que el 8% de les emissions antropogèniques de gasos d’efecte hivernacle es deuen a aquest procés. Una estratègia per reduir aquest impacte és el desenvolupament de formigó més perdurable a través de la incorporació de funcionalitats autoreparadores.

Els morters i formigons utilitzats per la civilització romana encara avui ens sobten per la seva perdurabilitat. Resisteixen encara en una diversitat de climes, fins i tot en zones sísmiques i/o en contacte directe amb l’aigua marina.

Durant tot l’Imperi Romà s’utilitzava formigó sense reforç en la construcció de muralles i fonaments, i d’infrastructures com aqüeductes, carreteres i ponts. Aquest formigó es composa típicament de tova volcànica i d’altres agregats lleugers, que es relligava amb un morter basat en pedra calcària i materials pozzolànics com cendra volcànica. S’empraven diferents receptes segons les aplicacions. Els morters calcaris que havien de quedat en contacte amb l’aire s’endurien per la captació de CO2. Els morters hidràulics combinaven pedra calcària i aigua amb materials pozzolànics per formar hidrats cementicis.

El procés de producció de morter romà començava amb la calcinació de pedra calcària, marbre o travertí. Així la calcita (CaCO3) es transformava en calç viva (CaO). Aquest material es pot hidratar amb aigua. Alternativament es pot afegir directament a una barreja de cendra volcànica, fragments ceràmics (cocciopesto o altres pozzolanes), sorra i aigua, en una “barreja calenta” que condueix a la generació d’un morter hidràulic.

Les fonts literàries antigues, particularment Vitruvi i Plini, remarquen la importància de treballa amb una pedra calcària el més blanca possible. Els investigadors moderns han pogut reconstruir els processos químics i mineralògics associats a les interaccions entre els materials pozzolànics i la calç hidratada.

Un tret característiques del formigó romà és la presència de clasts calcaris. En formigons portuaris els clasts calcaris poden contindre calcita, vaterita, brucita, ettringita, hidrocalumita o tobermorita. Hom pot classificar-los en tres grups: 1) els qui retenen les característiques geològiques originals; 2) els parcialment dissolts; 3) els completament dissolts o transformats. El primer grup derivaria d’agregats que no es calcinaren completament en el pas de generació de cal viva. Els altres dos grups han evolucionat d’acord amb l’exposició a l’aigua marina.

Seymour et al. han estudiat mostres de clasts calcaris procedents de formigó de 2000 anys d’antiguitat de les muralles de Privernum (Piperno). Han caracteritzat la composició dels clasts i de la matriu que els envolta a través de microscòpia electrònica de rastreig i d’espectroscòpia de raigs X (SEM-EDS), difracció de raigs X (XRD) i imatge confocal de Raman. Conclouen que el formigó que les conté es fabricà amb barreja calenta, és a dir amb abocament directa de cal viva, sola o juntament amb calç apagada. L’elevada àrea superficial d’aquests clasts calcaris constituiria una font de calci reactiu que hauria donat al material una funcionalitat autoreparadora. La reconstrucció d’aquest procés permet Seymour et al. d’experimentar-ne l’aplicabilitat en un context modern.

Observació i experimentació

Les deu mostres estudiades havien estat recollides l’estiu del 2016 del morter que relliga els maons de la muralla de Privernum.

La primera barreja (Mix 1) de formigó d’inspiració romana que han dissenyat Seymour et al. consisteix en OPC, cendra volant polvoritzada, sorra i aigua, a una ratio de 1:0,2:2:1. A aquesta barreja s’afegeix cal viva a una concentració que va del 7,5% al 15% de massa.

La segona barreja (Mix 2) d’inspiració romana consisteix en OPC, cendra volant polvoritzada, sorra, aigua, un superplastificador i agregat groller a una ratio de 1:0,4:2,5:0,7:0,01:3). A aquesta barreja s’afegeix cal viva com a substitut parcial dels agregats fins a una concentració del 4,3% de la massa.

L’anàlisi elemental dels formigons antics i experimentals es realitzà amb una SEM-EDS quantitativa. Aquesta tècnica permet cartografiar la distribució d’elements químics, distingint entre els clasts calcaris i la matriu que els envolta.

De les mostres de morter s’extragueren i polvoritzaren clasts calcaris per analitzar-los per difracció de raigs X.

Les mostres foren també analitzades per espectroscòpia de Raman.

Els experiments d’autoreparació començaven amb una fracturació mecànica de mostres. Els fragments resultants eren introduït en un circuit de flux d’aigua. Durant 30 dies s’analitzava aquest flux d’aigua, que quedava interromput en la mesura que l’autoreparació tancava la fractura.

Les mostres foren analitzades petrogràficament amb un microscopi a partir de seccions fines polides de 25 micres de gruix.

El passat com a inspiració per al present

Privernum fou fundada en el segle II a.C. en l’indret on s’havia aixecat fins dos segles abans una ciutat volsca. En franca decadència des del segle VI d.C., acabà del tot despoblada en el segle XIII. Les primeres campanyes arqueològiques foren empreses en el segle XVIII. Des del 1990 hi ha un projecte d’excavació més sistemàtica.

Les mostres analitzades per Seymour et al. corresponen a morter la muralla d’època romana de Privernum. L’EDS permet evidenciar la riquesa en calci (color vermell), alumini (color blau), silici (color verd) i sofre (color groc) del morter (D). En el morter s’hi distingeixen clasts calcaris a escala d’agregats (E)

Les mostres foren analitzades per SEM-EDS a diferents escales: centimètrica, mil·limètrica i submil·limètrica. La composició química és espacialment complexa, amb dominis localitzats de calci, silici i alumini. Entre els agregats hi ha clasts calcaris. També s’hi distingeixen fases minerals secundàries que s’haurien produït arran de l’ompliment de porus.

Els materials de la muralla es corresponen a sectors que han exposats a l’aire des de fa segles. Una part de la presència de sofre és indicativa de l’acció de pluja àcida, amb conversió de carbonat càlcic en guix (hidrats de sulfat càlcic). Tot i amb tot aquesta muralla de maons es troba ben preservada en tot el perímetre del jaciment arqueològic.

L’anàlisi elemental de fractures en les mostres indica una riquesa de calci. Això es deuria a que la fragmentació sol separar les fases més feblement unides, com són els clasts calcaris i la matriu que els envolta. L’anàlisi petrogràfica indica que aquesta matriu és predominantment isotròpica.

L’anàlisi en pols per difracció de raigs X indica que els clasts calcaris consisteixen predominantment en calcita i quars.

La presència d’esquerdes omplertes de calcita en formigons romans són la font d’inspiració per a dissenyar formigons amb capacitat d’autoreparació a llarg termini. Seymour et al. pensen que aquesta funcionalitat requereix una font rica en calci. Els clasts calcaris serien la font en el cas del formigó romà. La microestructura particulada dels clasts fa que l’àrea resultant sigui elevada. Seymour et al. han ideat formulacions de ciment amb combinació d’OPC, cendra volant, sorra i aigua. Sobre aquesta formulació s’afegeixen proporcions diferents de cal viva en un procés de “barreja en calent”. Les barreges resultants foren abocades en motllos cilíndrics de 10 cm de diàmetre i 10 cm d’altura, que foren curades sota aigua durant 28 dies.

Aquestes mostres cilíndriques modernes foren sotmeses a les mateixes anàlisis que les arqueològiques. Com en aquelles destaca el color blanc brillant dels clasts calcaris i la microestructura porosa. Amb experiments de fractura, Seymour et al. han constatat la capacitat d’autoreparació.

Les aplicacions de materials moderns d’inspiració arqueològica

La barreja en calent té la capacitat de modificar les condicions sota les quals els clasts calcaris es transformen dins del morter. El resultat és un morter endurit i la formació d’un gradient d’hidratació al voltant dels clasts calcaris. Aquest gradient els protegeix de dissoldre’s en la matriu.

La barreja calenta implica la reacció de CaO amb aigua, que s’acompanya d’una expansió de volum del 33%. Això comporta la formació d’esquerdes al voltants dels clasts calcaris i una considerable porositat de tot el material. Seymour et al. han posat de manifest amb els seus experiments que, després d’un any, el material no ha patit cap arronsament per assecament.

Les dades de Seymour et al. permeten de rellegir amb una nova perspectiva les descripcions de Vitruvius (matèries ex calce et harena mixta) o de Cató (calx harenatus).

La barreja desenvolupada per Seymour et al. retindria la capacitat d’autoreparació durant anys o segles, mentre romanguin els clasts calcaris. La qüestió que s’obre ara és com aplicar aquest mecanismes en infrastructures modernes, inclòs el formigó armat.

Lligams:

Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel Di Tommaso, James C. Weaver, Admir Masic. Science Advances 9 (2023).

Advertisement
Arxivat a Ciència i Tecnologia

Podeu escriure el vostre comentari aquí:

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.

A %d bloguers els agrada això: