Concreto romano: o MIT explica a durabilidade do concreto pozolânico

Os antigos Romanos destacaram-se como construtores e engenheiros de excepção, algo que os aquedutos ainda operacionais ilustram de forma emblemática. Estas realizações assentam num material de construção particular: o concreto pozolânico, notavelmente resistente e responsável pela extraordinária robustez de muitas obras romanas.

Ainda hoje, uma dessas obras - o Pantéon, que permanece preservado e tem quase 2.000 anos - mantém o recorde da maior cúpula do mundo em betão não armado.

Concreto pozolânico romano e a pozolana

Durante muito tempo, atribuiu-se a durabilidade deste concreto sobretudo à sua composição: a pozolana, uma mistura de cinza vulcânica - baptizada a partir da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito significativo - e cal. Ao juntar-se água, estes componentes conseguem reagir e formar um concreto de elevada resistência.

O MIT e o enigma dos clastos de cal

No entanto, essa explicação não é, afinal, suficiente. Uma equipa internacional liderada pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) concluiu que tanto os materiais usados como a forma de os combinar diferiam do que se supunha.

O indício mais revelador foi a existência de pequenos fragmentos brancos de cal, presentes num concreto que, à primeira vista, parece bem homogeneizado. Antes, estes fragmentos eram normalmente explicados por mistura deficiente ou por matérias-primas de fraca qualidade - uma hipótese que não convencia o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

"A ideia de que a presença destes clastos de cal era simplesmente atribuída a um controlo de qualidade fraco sempre me incomodou", afirmou Masic num comunicado de Janeiro de 2023.

"Se os Romanos dedicaram tanto esforço a criar um material de construção extraordinário, seguindo todas as receitas detalhadas que foram optimizadas ao longo de muitos séculos, porque haveriam de dedicar tão pouco esforço a garantir a produção de um produto final bem misturado? Tem de haver mais nesta história."

Para esclarecer o que estava a acontecer, Masic e a equipa, liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour, analisaram cuidadosamente amostras de concreto romano com 2.000 anos, recolhidas no sítio arqueológico de Privernum, em Itália. As amostras foram estudadas com microscopia electrónica de varrimento de grande área e espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difracção de raios X em pó e imagiologia confocal Raman, com o objectivo de compreender melhor os clastos de cal.

"Mistura a quente" com cal viva em vez de cal apagada

Uma das questões centrais era perceber que tipo de cal teria sido utilizado. O entendimento mais comum sobre o concreto pozolânico parte do princípio de que recorria a cal apagada. Nesse processo, o calcário é primeiro aquecido a temperaturas elevadas para produzir um pó cáustico e muito reactivo chamado cal viva, ou óxido de cálcio.

Ao misturar cal viva com água, obtém-se cal apagada, ou hidróxido de cálcio: uma pasta menos reactiva e menos cáustica. De acordo com a teoria tradicional, teria sido esta cal apagada que os antigos Romanos combinavam com a pozolana.

Contudo, a análise da equipa indica que os clastos de cal observados nas amostras não são compatíveis com esse método. Em vez disso, é provável que o concreto romano tivesse sido produzido ao misturar directamente a cal viva com a pozolana e água a temperaturas extremamente elevadas - quer por si só, quer em conjunto com cal apagada - num procedimento a que a equipa chamou "mistura a quente", e que conduz à formação desses clastos.

"Os benefícios da mistura a quente são dois", explicou Masic.

"Primeiro, quando o concreto no seu todo é aquecido a altas temperaturas, isso permite químicas que não são possíveis se só se usar cal apagada, produzindo compostos associados a altas temperaturas que, de outra forma, não se formariam. Em segundo lugar, este aumento de temperatura reduz significativamente os tempos de cura e de presa, já que todas as reacções são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida."

Auto-reparação: como os clastos selam fissuras

Há ainda uma vantagem adicional: estes clastos de cal parecem conferir ao concreto uma capacidade notável de auto-reparação.

Quando surgem fissuras no concreto, elas tendem a propagar-se preferencialmente até aos clastos de cal, que apresentam uma área superficial superior à de outras partículas na matriz. Se a água penetrar na fissura, reage com a cal e forma uma solução rica em cálcio, que ao secar endurece sob a forma de carbonato de cálcio, colando novamente a fissura e impedindo que continue a abrir.

Este fenómeno já foi observado em concreto de outro local com 2.000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde fissuras no material se encontram preenchidas com calcite. A mesma lógica poderá também ajudar a compreender por que motivo o concreto romano de quebra-mares construídos há 2.000 anos se manteve intacto durante milénios, apesar do embate constante do oceano.

Ensaios com receitas antigas e modernas

Para validar as conclusões, a equipa produziu concreto pozolânico seguindo receitas antigas e modernas, usando cal viva. Preparou também um concreto de controlo sem cal viva e realizou testes de fissuração. Como seria de esperar, o concreto com cal viva que tinha fissurado ficou totalmente reparado ao fim de duas semanas, enquanto o concreto de controlo permaneceu com as fissuras.

A equipa está agora a trabalhar na comercialização deste concreto, procurando posicioná-lo como uma alternativa mais amiga do ambiente face aos concretos actualmente usados.

"É entusiasmante pensar em como estas formulações de concreto mais duráveis poderiam expandir não só a vida útil destes materiais, mas também como poderiam melhorar a durabilidade de formulações de concreto impressas em 3D", disse Masic.

A investigação foi publicada na Science Advances.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em Janeiro de 2023.