Un nuevo análisis del hormigón de la Villa Adriana revela cómo la calcita, que se forma lentamente, ayudó a sellar grietas, reforzar los poros y preservar la antigua infraestructura romana durante casi 2.000 años. Un estudio reciente publicado en la revista Science Advances revela que la mineralización de carbonatos a largo plazo fue un factor importante, hasta ahora subestimado, que contribuyó a la durabilidad de este hormigón romano del interior.
Investigadores analizaron el hormigón de la Villa de Adriano mediante técnicas avanzadas de imagen multiescala y espectroscopia para examinar la evolución de los minerales carbonatados a lo largo de casi dos milenios. Los hallazgos aportan nuevos conocimientos sobre la evolución mineralógica de esta muestra de hormigón romano y podrían orientar el desarrollo de materiales cementicios más duraderos y sostenibles.
Comprender la durabilidad a largo plazo del hormigón romano
El hormigón romano sigue siendo uno de los materiales de construcción más duraderos jamás producidos, con muchos edificios, acueductos y puertos aún en funcionamiento después de casi dos milenios, aunque el artículo advierte contra las comparaciones directas con el hormigón armado moderno. Los científicos han atribuido durante mucho tiempo esta durabilidad a la reacción puzolánica entre la cal y la ceniza volcánica. Esta reacción forma silicato de calcio y aluminio hidratado, un gel aglutinante que ayuda a mantener unido el material.
Estudios previos identificaron la calcita como el mineral aglutinante dominante en varios hormigones antiguos, lo que sugiere que la carbonatación a largo plazo pudo haber contribuido en mayor medida a su durabilidad. Sin embargo, los investigadores no han comprendido del todo cómo evolucionaron los minerales carbonatados ni cómo reforzaron el hormigón con el tiempo. Para investigar esta cuestión, analizaron hormigón procedente de una letrina del siglo II ubicada en la Villa de Adriano en Tívoli, Italia.
El equipo examinó cómo las fases derivadas de la cal se transformaron gradualmente en calcita a lo largo de siglos de carbonatación natural, en lugar de centrarse únicamente en los productos de hidratación. También investigaron cómo esta mineralización influyó en la estructura de los poros, la reparación de grietas y la estabilidad general del hormigón. Los hallazgos proporcionan una visión más completa de la durabilidad de este hormigón romano en entornos continentales y ofrecen una valiosa guía para el diseño de materiales cementicios con bajas emisiones de carbono y un mejor rendimiento a largo plazo.
Investigación sobre el hormigón romano a múltiples escalas
Los investigadores combinaron diversas técnicas analíticas avanzadas para examinar el hormigón romano, desde la nanoescala hasta el material en su conjunto. Seleccionaron una muestra de hormigón de la Villa Adriana que contenía agregados volcánicos incrustados en un aglutinante a base de cal. Este material, en excelente estado de conservación, brindó una oportunidad ideal para estudiar la evolución a largo plazo de los antiguos sistemas cementicios.
El equipo identificó la composición mineral tanto de los agregados como del aglutinante. Para ello, combinaron difracción de rayos X en polvo. Microscopía electrónica de barrido con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva., espectroscopia Raman, microscopía electrónica de transmisión y espectroscopia de absorción de rayos X cerca del borde L del calcio. En conjunto, estas técnicas permitieron identificar las fases minerales y confirmar la estructura cristalina del aglutinante de carbonato.
A continuación, los investigadores utilizaron microtomografía computarizada y nanotomografía computarizada basadas en sincrotrón para visualizar el hormigón en tres dimensiones. Estos métodos de imagen no destructivos revelaron la Morfologia Tridimensional, la conectividad y la porosidad de los agregados, los poros, los bordes de reacción y las redes ricas en calcita, mientras que la microscopía y la espectroscopia confirmaron la identidad de los minerales. La combinación de estas técnicas complementarias permitió a los investigadores reconstruir la evolución mineral del hormigón romano a lo largo de casi dos milenios. Este enfoque integrado relacionó los cambios químicos microscópicos con la notable longevidad estructural del material.
La mineralización de carbonatos fortaleció el hormigón con el tiempo
Los análisis demostraron que el hormigón romano estudiado, procedente de zonas del interior, debe su durabilidad a dos mecanismos de unión complementarios. Como era de esperar, los agregados volcánicos reaccionaron con la cal para formar silicato de calcio y aluminio hidratado en la zona de transición interfacial, el límite donde se encuentran el agregado y el aglutinante. Esta fase cementante reforzó la unión entre los agregados y el aglutinante circundante, a la vez que redujo la permeabilidad. Sin embargo, los investigadores descubrieron que el CASH representaba solo una porción relativamente pequeña del sistema de unión total.
La calcita se consolidó como el mineral aglutinante dominante, contribuyendo a la estabilidad a largo plazo del hormigón. Durante siglos, la cal residual reaccionó lentamente con el dióxido de carbono atmosférico y la humedad, generando una extensa capa de cemento de calcita en toda la matriz aglutinante. Los poros, fracturas y huecos recién formados, rellenos de calcita, crean una red mineral interconectada que refuerza el hormigón en lugar de simplemente ocupar espacio. Los investigadores también identificaron diversas formas de partículas derivadas de la cal que se conservaron. Algunas provenían de piedra caliza parcialmente calcinada, mientras que otras formaban cúmulos de cal con hidratación incompleta. Las partículas más pequeñas se hidrataron de forma más completa antes de carbonatarse gradualmente en calcita. A pesar de estas diferencias, casi todas las fases derivadas de la cal se habían transformado en calcita estable, lo que demuestra la evolución a largo plazo del aglutinante.
Las imágenes tridimensionales revelaron además que los agregados volcánicos contribuyeron activamente a la durabilidad. Reaccionaron con el aglutinante circundante, liberando especies de aluminosilicato que promovieron la formación local de CASH. Esta interacción química fortaleció la zona de transición interfacial y mejoró la adherencia en todo el hormigón. La calcita fibrosa radial, una forma cristalina en forma de abanico, creció hacia afuera desde los bordes de reacción y rellenó progresivamente los poros y microfisuras cercanos. A medida que los cristales continuaban creciendo, formaron puentes minerales continuos que mejoraron la transferencia de carga y redujeron las vías de paso del agua y los productos químicos agresivos. Este lento proceso de mineralización refinó la estructura de los poros y pudo haber fortalecido progresivamente el hormigón con el tiempo.
Inspiración para futuros materiales cementicios con bajas emisiones de carbono
El estudio aporta nuevos datos sobre la excepcional durabilidad de este hormigón romano del interior. Si bien las reacciones puzolánicas siguen siendo esenciales, los hallazgos demuestran que la mineralización de carbonatos a largo plazo también desempeña un papel fundamental en la conservación del material. A medida que la calcita se fue formando gradualmente a lo largo de los siglos, fortaleció el hormigón, refinó la red de poros y selló de forma natural las microfisuras. En conjunto, estos procesos produjeron un aglutinante que continuó evolucionando y mejorando mucho después de la construcción.
El trabajo también demuestra la importancia de estudiar los materiales cementicios a lo largo de periodos de tiempo prolongados. Los investigadores señalan que el hormigón romano no debe compararse directamente con el hormigón armado moderno. Las estructuras antiguas no contenían refuerzo de acero y, por lo tanto, evitaban la corrosión, que sigue siendo el principal desafío de durabilidad en las infraestructuras actuales. Asimismo, advierten que la carbonatación lenta, limitada por difusión, observada durante siglos e incluso milenios, no debe interpretarse como una garantía de beneficios climáticos rápidos en las infraestructuras modernas.
El estudio destaca cómo las técnicas avanzadas de imagen y espectroscopia pueden revelar la evolución a largo plazo de materiales de construcción complejos. Estos hallazgos profundizan nuestra comprensión del hormigón romano y, además, ofrecen orientación conceptual para el diseño de materiales cementicios más resistentes, sostenibles y duraderos para futuras infraestructuras.
