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 em 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 a Roma hoje. Nesse ínterim, muitas estruturas modernas de concreto se deterioraram após algumas décadas.

Pesquisadores passaram décadas tentando desvendar o mistério desse material de construção antigo extremamente durável, particularmente em estruturas projetadas para resistir a condições particularmente adversas, como docas, esgotos e paredões, ou aquelas construídas em locais sismicamente ativos.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT, da Universidade de Harvard e de laboratórios na Itália e na Suíça fizeram avanços nessa área e descobriram antigas estratégias de fabricação de concreto que incluíam várias funções importantes de autocura. O Resultados será publicado na revista hoje avanços científicosem um artigo do professor de engenharia civil e ambiental do MIT, Admir Masic, ex-aluno de pós-graduação Linda Seymour ’14, PhD ’21 e outros quatro.

Por muitos anos, os pesquisadores acreditaram que a chave para a durabilidade do concreto antigo estava 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 uso na construção e foi descrito em relatórios de arquitetos e historiadores da época como um ingrediente-chave do concreto.

Após uma inspeção mais detalhada, esses espécimes antigos também revelam características minerais brancas pequenas, distintas e brilhantes na faixa do milímetro que há muito são consideradas um componente onipresente dos concretos romanos. Esses pedaços brancos, geralmente chamados de “clastos calcários”, vêm do calcário, outro componente importante da antiga mistura de concreto. “Desde que comecei a trabalhar com concreto romano antigo, fiquei fascinado por essas propriedades”, diz Masic. “Estes não são encontrados em formulações concretas modernas. Então, por que eles estão presentes nesses materiais antigos?”

O novo estudo, anteriormente negligenciado apenas como evidência de práticas de mistura descuidadas ou matérias-primas abaixo do padrão, sugere que essas minúsculas pepitas de cal deram ao concreto uma capacidade anteriormente não reconhecida de se curar. “A ideia de que a presença desses clastos calcários se deve simplesmente a um controle de qualidade ruim sempre me incomodou”, diz Masic. “Se os romanos se esforçaram tanto para produzir um excelente material de construção, seguindo todas as receitas detalhadas aprimoradas ao longo de muitos séculos, por que deveriam se esforçar tão pouco para garantir a produção de um produto final bem misturado? ” ? Deve haver mais nessa história.

Ao caracterizar ainda mais esses clastos calcificados usando imagens multiescala de alta resolução e técnicas de mapeamento químico desenvolvidas no laboratório de pesquisa da Masic, os pesquisadores obtiveram novos insights sobre a funcionalidade potencial desses clastos calcificados.

Historicamente, quando a cal era incorporada ao concreto romano, pensava-se que primeiro era misturada com água para formar um material altamente reativo semelhante a uma pasta, um processo conhecido como hidratação. Mas esse processo sozinho não poderia explicar a presença dos clastos calcários. Masic se perguntou: “Seria possível que os romanos realmente usassem cal diretamente em sua forma mais reativa conhecida como cal virgem?”

Ele e sua equipe examinaram amostras desse concreto antigo e descobriram que as inclusões brancas eram na verdade compostas de várias formas de carbonato de cálcio. E a análise espectroscópica forneceu evidências de que estes foram formados em temperaturas extremas, como seria de esperar da reação exotérmica produzida pelo uso de cal virgem no lugar ou em adição à cal apagada na mistura. A equipe concluiu agora que a mistura quente era de fato a chave para a natureza extremamente durável.

“A mistura a quente tem duas vantagens”, diz Masic. “Primeiro, aquecer todo o concreto a altas temperaturas permite propriedades químicas que não seriam possíveis usando apenas cal apagada e cria compostos relacionados a altas temperaturas que, de outra forma, não ocorreriam. Em segundo lugar, esse aumento de temperatura reduz significativamente os tempos de cura e presa, pois todas as reações são aceleradas, permitindo um projeto muito mais rápido.”

Durante o processo de mistura a quente, os clastos calcários desenvolvem uma arquitetura nanoparticulada caracteristicamente frágil, criando uma fonte de cálcio facilmente quebrável e reativa que a equipe sugeriu que poderia fornecer uma função crucial de autocura. Assim que pequenas fissuras se formam no concreto, elas podem migrar preferencialmente através dos grandes clastos de cal. 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 compósito. Essas reações são espontâneas e, portanto, curam automaticamente as rachaduras antes que elas se propaguem. Suporte anterior para esta hipótese foi encontrado examinando outras amostras de concreto romano que mostraram rachaduras preenchidas com calcita.

Para provar que este era de fato o mecanismo responsável pela durabilidade do concreto romano, a equipe preparou amostras de concreto derretido a quente contendo formulações antigas e modernas, abriu-as intencionalmente e, em seguida, deixou correr água pelas rachaduras. E de fato: em duas semanas as rachaduras cicatrizaram completamente e a água não podia mais fluir. Um bloco de concreto idêntico sem cal virgem nunca curou e a água continuou fluindo através da amostra. Como resultado desses testes bem-sucedidos, a equipe está trabalhando para a comercialização desse material de cimento modificado.

“É emocionante pensar em como essas formulações de concreto mais duráveis ​​podem não apenas prolongar a vida útil desses materiais, mas também como podem melhorar a durabilidade das formulações de concreto impressas em 3D”, diz Masic.

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, por meio de uma vida funcional estendida e do desenvolvimento de formas de concreto mais leves. Juntamente com outras novas formulações, como o concreto que pode realmente absorver dióxido de carbono do ar, outro foco de pesquisa atual no laboratório Masic, essas melhorias podem ajudar a reduzir o impacto climático global do concreto.

A equipe de pesquisa incluiu Janille Maragh, do MIT, Paolo Sabatini, do DMAT, na Itália, Michel Di Tommaso, do Instituto Meccanica dei Materiali, na Suíça, e James Weaver, do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard. A obra foi realizada com o apoio do Museu Arqueológico de Priverno, na Itália.