Alrededor del año 79 d.C., el autor romano Plinio el Viejo escribió en su Naturalis Historia que las estructuras de hormigón de los puertos, expuestas al asalto constante de las olas de agua salada, se convierten en «una sola masa de piedra, inexpugnable para las olas y cada día más fuerte». La geóloga de la Universidad de Utah, Marie Jackson, estudia los minerales y las estructuras a microescala del hormigón romano como lo haría con una roca volcánica. Ella y sus colegas han descubierto que el agua de mar que se filtra a través del hormigón da lugar a la aparición de minerales entrelazados que dan al hormigón una mayor cohesión. Los resultados se publican en American Mineralogist.
Hormigón Romano vs. Cemento Portland
Los romanos hacían el hormigón mezclando cenizas volcánicas con cal y agua de mar para hacer un mortero, y luego incorporando a ese mortero trozos de roca volcánica, el «agregado» del hormigón. La combinación de ceniza, agua y cal viva produce lo que se denomina reacción puzolánica, llamada así por la ciudad de Pozzuoli, en la bahía de Nápoles. Es posible que los romanos tuvieran la idea de esta mezcla a partir de los depósitos de ceniza volcánica naturalmente cementada, llamados toba, que son comunes en la zona, como describió Plinio.
El hormigón de tipo conglomerado se utilizó en muchas estructuras arquitectónicas, como el Panteón y los Mercados de Trajano en Roma. Las estructuras marinas masivas protegían los puertos del mar abierto y servían como extensos anclajes para barcos y almacenes. El hormigón moderno de cemento Portland también utiliza agregados de roca, pero con una diferencia importante: las partículas de arena y grava están destinadas a ser inertes. Cualquier reacción con la pasta de cemento podría formar geles que se expandieran y agrietaran el hormigón.
Esta reacción álcali-sílice se produce en todo el mundo y es una de las principales causas de destrucción de las estructuras de hormigón de cemento Portland.
Redescubriendo el hormigón romano
Uno de los factores, es que los intercrecimientos minerales entre el agregado y el mortero impiden que las grietas se alarguen, mientras que las superficies de los agregados no reactivos del cemento Portland sólo ayudan a que las grietas se propaguen más lejos. En otro estudio de núcleos de perforación del hormigón del puerto romano recogidos por el proyecto ROMACONS entre 2002 y 2009, se encontraron un mineral excepcionalmente raro, la tobermorita aluminosa (Al-tobermorita) en el mortero marino. Los cristales del mineral se formaron en las partículas de cal mediante una reacción puzolánica a temperaturas algo elevadas.
La corrosión del agua de mar
Para el nuevo estudio, Jackson y otros investigadores volvieron a los núcleos de perforación de ROMACONS, examinándolos con una variedad de métodos, incluyendo análisis de microdifracción y microfluorescencia en la línea de luz avanzada 12.3.2 del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Descubrieron que la al-tobermorita y un mineral de zeolita afín, la filipita, se formaban en partículas de piedra pómez y en los poros de la matriz de cemento.Por trabajos anteriores, el equipo sabía que el proceso de curado puzolánico del hormigón romano era de corta duración.
Algo más debía hacer que los minerales crecieran a baja temperatura mucho después de que el hormigón se hubiera endurecido. «Nadie ha producido tobermorita a 20 grados Celsius», dijo. «Como geólogos, sabemos que las rocas cambian», dijo Jackson. «El cambio es una constante para los materiales terrestres. Entonces, ¿cómo influye el cambio en la durabilidad de las estructuras romanas?»
El equipo llegó a la conclusión de que cuando el agua de mar se filtró a través del hormigón de los rompeolas y de los muelles, disolvió componentes de la ceniza volcánica y permitió que crecieran nuevos minerales a partir de los fluidos lixiviados altamente alcalinos, en particular la Al-tobermorita y la phillipsite. Esta Al-tobermorita tiene una composición rica en sílice, similar a los cristales que se forman en las rocas volcánicas. Los cristales tienen formas platinas que refuerzan la matriz cementante.
Las placas entrelazadas aumentan la resistencia del hormigón a la fractura frágil.Jackson dice que este proceso similar a la corrosión sería normalmente algo malo para los materiales modernos. «Estamos ante un sistema que es contrario a todo lo que uno no querría en el hormigón a base de cemento», dijo. «Estamos ante un sistema que prospera en el intercambio químico abierto con el agua de mar».
