La tumba romana de 2050 años ofrece información sobre la antigua resistencia del hormigón

Una estructura particular es la gran tumba cilíndrica de la noble Caecilia Metella del siglo I. Una nueva investigación realizada por científicos y colegas del MIT publicada en el Journal of the American Ceramic Society muestra que la calidad del concreto de su tumba puede superar la de los monumentos de sus contemporáneos masculinos debido al agregado volcánico elegido por los constructores y a las inusuales interacciones químicas con la lluvia y el agua subterránea. que se acumulan a lo largo de 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 geología y geofísica en la Universidad de Utah, colaboraron para comprender la composición mineral de la antigua estructura de hormigón.

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

Un hormigón curiosamente cohesivo

Ubicada en una antigua calzada romana también conocida como Via Appia, la tumba de Cecilia Metella es un hito en la Via Appia Antica. Consiste en una torre de forma redonda que se asienta sobre una base cuadrada, en total aproximadamente 70 pies (21 metros) de altura y 100 pies (29 m) de diámetro. Construida alrededor del 30 a. C., tras la transformación de la República Romana en Imperio Romano, dirigida por el emperador Augusto, en el 27 a. C., la tumba es considerada uno de los monumentos mejor conservados de la Via Appia.

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

«La construcción de este monumento e hito muy innovador y robusto en la Vía Apia indica que se llevó a cabo con gran respeto», dice Jackson, «y el tejido de hormigón 2.050 años después refleja una presencia fuerte y resistente».

La tumba es un ejemplo de las refinadas tecnologías de construcción de hormigón de 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 ladrillos toscos o agregados de roca volcánica adheridos con mortero a base de cal y tefra volcánica (fragmentos porosos de vidrio y cristales de erupciones explosivas), llevaría a estructuras que «con un largo paso del tiempo no caen en ruina».

Las palabras de Vitruvio se ven confirmadas por las numerosas estructuras romanas que existen en la actualidad, 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.

Lo que los antiguos romanos no podían saber, sin embargo, es cómo los cristales del mineral leucita, rico en potasio, en el agregado volcánico se habrían disuelto con el tiempo para remodelar y reorganizar beneficiosamente la interfaz entre los agregados volcánicos y la matriz de cemento aglutinante, mejorando el cohesión del hormigón.

«Centrarnos en el diseño de hormigones modernos con zonas interfaciales reforzadas consistentemente podría proporcionarnos otra estrategia para mejorar la durabilidad de los materiales de construcción modernos», dice Masic. «Hacer esto mediante la integración de la ‘sabiduría romana’ probada por el tiempo proporciona una estrategia sostenible que podría mejorar la longevidad de nuestras soluciones modernas en órdenes de magnitud».

Linda Seymour ’14, PhD ’21, quien participó en este estudio como estudiante de doctorado en el laboratorio Masic del MIT, estudió la microestructura del hormigón con instrumentos científicos.

«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 ladrillos de mortero a escala micrométrica. La espectrometría de rayos X de dispersión de energía mostró los elementos que componen cada uno de estos bloques de construcción. «Esta información nos permite explorar rápidamente diferentes áreas del mortero y pudimos identificar los bloques de construcción relacionados con nuestras aplicaciones», dice. El truco, agrega, es golpear con precisión el mismo objetivo de bloque de construcción con cada herramienta cuando ese objetivo es solo del ancho de un cabello.

La ciencia detrás de una sustancia extraordinariamente fuerte

En los gruesos muros de hormigón de la tumba de Cecilia Metella, un mortero que contiene tefra volcánica une grandes bloques de ladrillos y agregados de lava. Es similar al mortero utilizado en los mercados de Trajano 120 años después. El pegamento del mortero de los Mercados de Trajano se compone de un bloque de construcción llamado fase aglutinante CASH (calcio-aluminio-silicato-hidrato), junto con cristales de un mineral llamado esträtlingita.

Pero la tefra que los romanos usaban para el mortero de Cecilia Metella era más abundante que la leucita rica en potasio. Siglos de lluvia y agua subterránea que se filtraban a través de las paredes de la tumba disolvieron la leucita y liberaron el potasio en el mortero. En el hormigón moderno, la abundancia de potasio crearía geles expansivos que provocarían microgrietas y el eventual deterioro de la estructura.

En la tumba, sin embargo, el potasio se disolvió y reconfiguró la fase de unión al EFECTIVO.

«Las técnicas de difracción de rayos X y espectroscopía Raman nos permitieron explorar cómo había cambiado la lechada», dice Seymour. “Vimos dominios de EFECTIVO que estaban intactos después de 2050 años y algunos que se habían dividido, delgados o de otra manera diferente en morfología. La difracción de rayos X, en particular, permitió un análisis de los dominios copetudos hasta su estructura atómica. Vemos que los dominios delgados están adquiriendo esta naturaleza nanocristalina «, dice.

Los dominios remodelados «evidentemente crean fuertes componentes cohesivos en el hormigón», dice Jackson. En estas estructuras, a diferencia de los mercados de Trajano, se forma poca esträtlingita.

Stefano Roascio, el arqueólogo a cargo de la tumba, señala que el estudio tiene gran relevancia para la comprensión de otras estructuras de hormigón antiguas e históricas que utilizan el agregado 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 duro».

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

Además de Masic, Seymour y Jackson, otros coautores del estudio incluyen a Nobumichi Tamura, científico principal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. La investigación está financiada, en parte, por el programa ARPA-e del Departamento de Energía de EE. UU.