A história

Os segredos do concreto romano antigo

Os segredos do concreto romano antigo


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A história contém muitas referências ao concreto antigo, incluindo nos escritos do famoso estudioso romano Plínio, o Velho, que viveu no século I dC e morreu na erupção do Monte Vesúvio em 79 dC Plínio escreveu que o melhor concreto marítimo foi feito de cinzas vulcânicas encontradas em regiões ao redor do Golfo de Nápoles, especialmente perto da cidade moderna de Pozzuoli. Suas virtudes se tornaram tão conhecidas que a cinza com características minerais semelhantes - não importa onde foi encontrada no mundo - foi apelidada de pozolana.

Ao analisar os componentes minerais do cimento retirado do quebra-mar da Baía de Pozzuoli no laboratório da U.C. Berkeley, assim como nas instalações na Arábia Saudita e na Alemanha, a equipe internacional de pesquisadores foi capaz de descobrir o "segredo" da durabilidade do cimento romano. Eles descobriram que os romanos faziam concreto misturando cal e rocha vulcânica para formar uma argamassa. Para construir estruturas subaquáticas, esta argamassa e tufo vulcânico foram embalados em formas de madeira. A água do mar, então, desencadeou uma reação química, por meio da qual as moléculas de água hidrataram a cal e reagiram com as cinzas para cimentar tudo. A ligação resultante de cálcio-alumínio-silicato-hidrato (C-A-S-H) é excepcionalmente forte.

Em comparação, o cimento Portland (a mistura de concreto moderno mais comum) carece da combinação cal-cinza vulcânica e não se liga bem em comparação com o concreto romano. O cimento Portland, em uso há quase dois séculos, tende a se desgastar particularmente rapidamente na água do mar, com uma vida útil de menos de 50 anos. Além disso, a produção de cimento Portland produz uma quantidade considerável de dióxido de carbono, um dos mais nocivos dos chamados gases de efeito estufa. De acordo com Paulo Monteiro, professor de engenharia civil e ambiental da Universidade da Califórnia, Berkeley, e principal pesquisador da equipe de análise do concreto romano, a fabricação de 19 bilhões de toneladas de cimento Portland que usamos todos os anos “responde por 7 por cento da o dióxido de carbono que a indústria coloca no ar. ”

Além de ser mais durável do que o cimento Portland, argumenta, o concreto romano também parece ser mais sustentável de produzir. Para fabricar cimento Portland, o carbono é emitido pela queima de combustível usado para aquecer uma mistura de calcário e argilas a 1.450 graus Celsius (2.642 graus Fahrenheit), bem como pelo próprio calcário aquecido (carbonato de cálcio). Para fazer seu concreto, os romanos usavam muito menos cal e a partir de calcário cozido a 900 graus Celsius (1.652 graus Fahrenheit) ou menos, um processo que consumia muito menos combustível.

A análise dos pesquisadores do concreto romano lança luz sobre misturas de concreto modernas existentes que têm sido usadas como substitutos parciais mais ecológicos para o cimento Portland, como cinzas vulcânicas ou cinzas volantes de usinas de energia a carvão. Monteiro e seus colegas também sugerem que a adoção de materiais e técnicas de produção usados ​​pelos antigos romanos poderia produzir concreto mais duradouro que gerasse menos dióxido de carbono. Monteiro estima que a pozolana, que pode ser encontrada em muitas partes do mundo, pode potencialmente substituir "40 por cento da demanda mundial por cimento Portland." Se este for o caso, os antigos construtores romanos podem ser responsáveis ​​por causar um impacto verdadeiramente revolucionário na arquitetura moderna - uma estrutura maciça de concreto por vez.


Perfurando os segredos do concreto romano

As ruínas do Fórum Romano. Crédito: THINK Global School / flickr / CC BY-NC-ND 2.0

Há mais de dois mil anos, os antigos romanos construíram pilares, quebra-mares e outras estruturas de concreto - e algumas dessas estruturas ainda existem hoje. Agora, os pesquisadores estão tentando entender os processos químicos e geológicos que trabalham juntos para dar a esse concreto antigo tal durabilidade. Usando microscopia, difração de raios-X e técnicas espectroscópicas, eles desenvolveram um mapa das microestruturas cristalinas dentro do concreto. De acordo com a pesquisa, uma infusão lenta de água do mar no concreto feito com um tipo de cinza vulcânica encontrada perto de Roma cria gradualmente cristais de um material chamado tobermorita aluminosa, que na verdade fortalece o concreto à medida que envelhece.

Marie Jackson, professora de geologia e pesquisa em geofísica e uma das autoras de um relatório sobre o trabalho, diz que entender o concreto romano pode dar aos cientistas de materiais modernos ideias sobre como fortalecer estruturas modernas e pode até levar a novos materiais, como o concreto que absorvem e prendem o lixo nuclear.


Concreto romano

O concreto era geralmente coberto, pois as paredes de concreto eram consideradas antiestéticas. Os construtores romanos cobriram as paredes dos edifícios com pedras ou pequenos blocos quadrados de tufo que frequentemente formavam belos padrões, observando que os edifícios de concreto com fachada de tijolo eram comuns em Roma, especialmente após o grande incêndio de 64 DC.

Fórmula de concreto romano

Antiga abóbada de concreto romana em Roma
CC-BY-2.0

O concreto foi feito misturando-se com água: 1) um agregado que incluía pedaços ou rocha, telha cerâmica, pedaços de tijolo de construções previamente demolidas, 2) poeira vulcânica (chamada pozolana) e 3) gesso ou cal. Normalmente, a mistura era uma proporção de 1 parte de cal para 3 partes de cinza vulcânica. Pozzolana continha sílica e alumina e criava uma reação química que fortalecia a coesão da argamassa.

Houve muitas variações de concreto e Roma até viu a Revolução do Concreto, que representou avanços na composição do concreto e permitiu a construção de monumentos impressionantes como o Panteão. Por exemplo, os construtores romanos descobriram que adicionar terracota triturada à argamassa criava um material impermeável que poderia ser usado com cisternas e outras construções expostas à chuva ou água.

Os romanos dominaram o concreto subaquático em meados do século I DC. A cidade de Cesaréia nos dá um exemplo impressionante de construção romana. A técnica de produção era incrível: a mistura era uma parte de cal para duas partes de cinza vulcânica e era colocada em tufo vulcânico ou pequenas caixas de madeira. A água do mar então hidrataria a cal e desencadearia uma reação química quente que endureceu o concreto.

Porto de Cesareia antes e hoje - Robert Teringo, National Geographic Society

O concreto romano era melhor do que o concreto moderno?

Na verdade, argumentou-se que o concreto usado pelos romanos era de melhor qualidade do que o concreto em uso hoje. Pesquisas recentes de cientistas americanos e italianos mostraram que o concreto usado para fazer os portos romanos no Mediterrâneo era mais resistente do que o concreto moderno (conhecido como cimento Portland).

O processo de produção foi dramaticamente diferente. O cimento Portland é feito aquecendo argilas e calcário em altas temperaturas (vários aditivos também são adicionados), enquanto os romanos usavam cinzas vulcânicas e uma quantidade muito menor de cal aquecida a temperaturas mais baixas do que os métodos modernos.

Por exemplo, os portos romanos permanecem intactos hoje após 2.000 anos de ondas quebrando nos quebra-mares dos portos, enquanto o concreto de Portland começa a erodir em menos de 50 anos de maresia. O concreto da Roma antiga também tinha propriedades de flexão que o concreto de Portland não tem devido à cal e às cinzas vulcânicas, o que explica por que ele não trinca depois de algumas décadas.


A receita concreta dos antigos romanos pode nos ajudar a vencer o aumento do mar

O concreto da Roma Antiga era mais durável do que qualquer outro desenvolvido antes ou depois. "É o material de construção mais durável da história da humanidade", disse Philip Brune, pesquisador da DuPont Pioneer que estuda a engenharia de antigos monumentos romanos.Washington Post. "E eu digo isso como um engenheiro que não é propenso a hipérboles."

Na verdade, os acadêmicos estudam as propriedades e a mistura química do concreto, que foi feito com cinzas vulcânicas encontradas na Itália e é particularmente adequado para estruturas marinhas. Agora, alguns pesquisadores estão se perguntando se os segredos desse antigo material de construção poderiam nos ajudar a nos adaptar a um mundo de mares crescentes.

À medida que as temperaturas globais aumentam, o gelo do mar está derretendo e fazendo com que o nível do mar suba a uma taxa mais rápida do que durante os anos 1900. Exatamente quanto aumentará depende de uma série de variáveis, mas há uma grande probabilidade de que o aumento do nível do mar nos obrigará a reforçar a infraestrutura em torno das cidades costeiras. Veneza já está afundando.

Uma das soluções mais diretas para uma cidade costeira é construir um paredão. Essas estruturas não precisam conter o oceano constantemente, mas são construídas para bloquear a água da cidade durante a maré alta e tempestades que podem causar inundações. O Malec & oacuten em Havana, Cuba, por exemplo, é uma estrada e paredão de oito quilômetros de extensão que protege a infraestrutura da cidade. Paredões são usados ​​em todo o mundo, em países como o Reino Unido e a Austrália.

Acontece que os antigos romanos tinham a receita perfeita para concreto resistente à água. O material, chamado opus caementicium pelos romanos, é feito de um cimento hidráulico, o que significa que pode endurecer debaixo de água ou em condições de chuva. Os romanos misturaram este cimento com cinzas vulcânicas encontradas em regiões ao redor da Nápoles moderna. As cinzas vulcânicas adicionaram um mineral chamado filipsita ao concreto, e um estudo publicado segunda-feira no American Mineralogist revela que cristais aluminosos de tobermorita crescem no concreto romano quando exposto à água. Esses cristais, acreditam os cientistas, podem fornecer o reforço estrutural que torna o concreto romano tão durável.

Entre 22 e 10 AEC, os romanos construíram uma fundação subaquática de concreto para o porto da antiga cidade de Cesaréia, onde hoje é Israel. Essas estruturas marinhas ainda estão intactas hoje, mais de dois milênios depois. Os pesquisadores que estudam o concreto romano antigo sugerem que o material pode ser imitado com recursos modernos para construir paredões ao redor de cidades com risco de inundação do oceano.

Marie Jackson, uma arqueóloga da Universidade de Utah, está tentando recriar esse tipo de concreto usando rochas vulcânicas encontradas no oceano ao redor de São Francisco. Ela observa que a produção artificial de tobermorita aluminosa requer uma grande quantidade de calor e energia simplesmente para sintetizar uma pequena quantidade. Se esperamos adicionar esse material ao concreto moderno, provavelmente será mais econômico coletá-lo da fonte natural de calor e energia onde ele se forma: vulcões.

Se as cidades ao redor do mundo forem forçadas a construir paredões devido à elevação dos oceanos, uma versão do concreto romano pode ser uma alternativa às estruturas de aço. Este concreto resistente apenas endurece e se torna mais durável à medida que é exposto à água salgada do mar.

Plínio, o Velho, o famoso autor, historiador e filósofo romano, certa vez escreveu uma ode ao concreto. "Assim que entra em contato com as ondas do mar e fica submerso, torna-se uma única massa de pedra, inexpugnável às ondas." Com as ondas subindo ao nosso redor, poderíamos ter mais necessidade desse concreto do que nunca.


Laboratório Nature & # 8217s

A província napolitana no sul da Itália é um lugar ideal para mergulhar na ciência dos perigos naturais e em como eles atuaram na vida diária e na inovação ao longo de milhares de anos. Densamente povoada e salpicada de dezenas de vulcões, a região é considerada uma das mais perigosas da Terra. As ruínas de um porto romano e de uma villa do imperador podem ser encontradas no mar, afundadas como a Atlântida como resultado da agitação na crosta terrestre. “Poucos lugares na Terra experimentam esse tipo de sismicidade e vulcanismo, sendo uma cidade antiga e funcionando como uma sociedade moderna”, disse Vanorio. “Essa é a beleza do lugar.”

Subjacente às excursões do seminário e às aulas diárias de geofísica, as propriedades do concreto romano e a modelagem 3D de imagens de drones era um exercício maior para encontrar conexões entre diferentes campos de estudo. Não é por acaso que os alunos escolhidos para participar do seminário representaram uma ampla gama de especializações, incluindo ciência da computação, física, clássicos, engenharia química e ciência política.

A antiga cidade italiana de Pozzuoli foi moldada por atividade vulcânica. (Crédito da imagem: Kurt Hickman)

“Poucos lugares na Terra experimentam esse tipo de sismicidade e vulcanismo, sendo uma cidade antiga e funcionando como uma sociedade moderna.”

—Tiziana Vanorio

Professor Assistente de Geofísica

“Ainda há questões científicas que não sabemos responder”, disse Vanorio, que descobriu processos naturais nas profundezas do subsolo do Campi Flegrei que espelham os do concreto romano e usou textos históricos para lançar luz sobre os pontos fortes e os características de materiais vulcânicos e de engenharia. “Quanto mais alavancamos o conhecimento em diferentes disciplinas, mais podemos abordar e resolver esses problemas.”

Para Amara McCune, BS '18, que se juntou a um seminário anterior na região liderado por Vanorio em 2016, a mistura de geofísica com mergulhos na cultura da região provou ser uma mistura poderosa. “A combinação única de aprender sobre Pompéia, elevação vulcânica e Roma enquanto está no local, ouvindo guias locais e tendo especialistas em arqueologia e geologia apontando as características de um local feito para uma experiência de aprendizado incrivelmente rica”, disse ela.


O concreto romano com água do mar guarda o segredo para reduzir as emissões de carbono

Perfure o núcleo da argamassa de cal hidratada com cinza vulcânica do antigo porto de Baiae na Baía de Pozzuloi. Inclusões amareladas são pedra-pomes, fragmentos de pedra escura são lava, áreas cinzas consistem em outros materiais cristalinos vulcânicos e manchas brancas são cal. Inset é uma imagem de microscópio eletrônico de varredura dos cristais especiais de Al-tobermorita, que são a chave para a qualidade superior do concreto romano com água do mar. (Clique na imagem para obter a melhor resolução.)

Os segredos químicos de um quebra-mar romano de concreto que passou os últimos 2.000 anos submerso no Mar Mediterrâneo foram descobertos por uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Paulo Monteiro, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab), um professor de engenharia civil e ambiental na Universidade da Califórnia, Berkeley.

A análise de amostras fornecidas pelo membro da equipe Marie Jackson apontou por que o melhor concreto romano era superior ao concreto mais moderno em durabilidade, por que sua fabricação era menos prejudicial ao meio ambiente - e como essas melhorias poderiam ser adotadas no mundo moderno.

“Não é que o concreto moderno não seja bom - é tão bom que usamos 19 bilhões de toneladas por ano”, diz Monteiro. “O problema é que a fabricação de cimento Portland responde por 7% do dióxido de carbono que a indústria emite no ar.”

O cimento Portland é a fonte da “cola” que mantém a união do concreto moderno. Mas fazê-lo libera carbono da queima de combustível, necessário para aquecer uma mistura de calcário e argilas a 1.450 graus Celsius (2.642 graus Fahrenheit) - e do próprio calcário aquecido (carbonato de cálcio). A equipe de Monteiro descobriu que os romanos, por outro lado, usavam muito menos cal e a faziam de calcário cozido a 900 ˚ C (1.652 ˚ F) ou menos, exigindo muito menos combustível do que o cimento Portland.

A redução das emissões de gases de efeito estufa é um incentivo poderoso para encontrar uma maneira melhor de fornecer o concreto de que o mundo precisa, outro é a necessidade de edifícios, pontes e outras estruturas mais resistentes e duradouras.

“Em meados do século 20, as estruturas de concreto eram projetadas para durar 50 anos e muitas delas estão em tempo de espera”, diz Monteiro. “Agora, projetamos edifícios para durar de 100 a 120 anos.” Mesmo assim, as instalações portuárias romanas sobreviveram a 2.000 anos de ataque químico e ação das ondas debaixo d'água.

Como os romanos fizeram isso

Os romanos fizeram concreto misturando cal e rocha vulcânica. Para estruturas subaquáticas, cal e cinza vulcânica foram misturados para formar argamassa, e esta argamassa e tufo vulcânico foram embalados em formas de madeira. A água do mar imediatamente desencadeou uma reação química quente. A cal foi hidratada - incorporando moléculas de água em sua estrutura - e reagiu com a cinza para cimentar toda a mistura.

Pozzuoli Bay define a região noroeste da Baía de Nápoles. A amostra de concreto examinada no Advanced Light Source por pesquisadores de Berkeley, BAI.06.03, é do porto de Baiae, um dos muitos sítios subaquáticos antigos da região. Linhas pretas indicam bordas de caldeira e áreas vermelhas são crateras vulcânicas. (Clique na imagem para obter a melhor resolução.)

Descrições de cinzas vulcânicas sobreviveram desde os tempos antigos. Primeiro Vitrúvio, um engenheiro do imperador Augusto, e depois Plínio, o Velho, registraram que o melhor concreto marítimo foi feito com cinzas de regiões vulcânicas do Golfo de Nápoles (Plínio morreu na erupção do Monte Vesúvio que enterrou Pompéia), especialmente de locais próximos à atual cidade litorânea de Pozzuoli. Cinzas com características minerais semelhantes, chamadas pozolana, é encontrado em muitas partes do mundo.

Usando linhas de luz 5.3.2.1, 5.3.2.2, 12.2.2 e 12.3.2 no Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), junto com outras instalações experimentais na UC Berkeley, na King Abdullah University of Science and Technology na Arábia Saudita, e o Síncrotron BESSY na Alemanha, Monteiro e seus colegas investigaram concreto marítimo da Baía de Pozzuoli. Eles descobriram que o concreto romano difere do tipo moderno em vários aspectos essenciais.

Um é o tipo de cola que une os componentes do concreto. No concreto feito com cimento Portland, é um composto de cálcio, silicatos e hidratos (C-S-H). O concreto romano produz um composto significativamente diferente, com adição de alumínio e menos silício. O hidrato de silicato de cálcio-alumínio resultante (C-A-S-H) é um ligante excepcionalmente estável.

Nas linhas de luz 5.3.2.1 e 5.3.2.2 do ALS, a espectroscopia de raios-X mostrou que a maneira específica como o alumínio substitui o silício no C-A-S-H pode ser a chave para a coesão e estabilidade do concreto da água do mar.

Outra contribuição marcante da equipa Monteiro diz respeito aos produtos de hidratação em betão. Em teoria, o C-S-H no concreto feito com cimento Portland se assemelha a uma combinação de minerais em camadas de ocorrência natural, chamados de tobermorita e jenita. Infelizmente, essas estruturas cristalinas ideais não são encontradas em nenhum lugar do concreto moderno convencional.

Tobermorite ocorre na argamassa de concreto antigo de água do mar, entretanto. Os experimentos de difração de raios-X de alta pressão na linha de luz 12.2.2 do ALS mediram suas propriedades mecânicas e, pela primeira vez, esclareceram o papel do alumínio em sua estrutura cristalina. Al-tobermorite (Al para alumínio) tem uma rigidez maior do que C-A-S-H pouco cristalino e fornece um modelo para resistência e durabilidade do concreto no futuro.

Finalmente, estudos microscópicos na linha de luz 12.3.2 ALS identificaram os outros minerais nas amostras romanas. A integração dos resultados das várias linhas de luz revelou as aplicações potenciais dos minerais para concretos de alto desempenho, incluindo o encapsulamento de resíduos perigosos.

Lições para o futuro

Os concretos modernos ecologicamente corretos já incluem cinzas vulcânicas ou cinzas volantes de usinas de energia a carvão como substitutos parciais do cimento Portland, com bons resultados. Esses cimentos misturados também produzem C-A-S-H, mas seu desempenho a longo prazo não pôde ser determinado até que a equipe de Monteiro analisou o concreto romano.

Suas análises mostraram que a receita romana precisava de menos de 10% de cal por peso, feita a dois terços ou menos da temperatura exigida pelo cimento Portland. A cal reagindo com a cinza de pozolana rica em alumínio e a água do mar formou C-A-S-H e Al-tobermorita altamente estáveis, garantindo resistência e longevidade. Tanto os materiais quanto a maneira como os romanos os usavam trazem lições para o futuro.

“Para nós, a pozolana é importante pelas suas aplicações práticas”, diz Monteiro. “Ele poderia substituir 40 por cento da demanda mundial por cimento Portland. E existem fontes de pozolana em todo o mundo. A Arábia Saudita não tem cinzas volantes, mas tem montanhas de pozolana. ”

Um concreto moderno mais forte e duradouro, feito com menos combustível e menos liberação de carbono na atmosfera, pode ser o legado de uma compreensão mais profunda de como os romanos faziam seu concreto incomparável.

Este trabalho foi apoiado pela King Abdullah University of Science and Technology, a Loeb Classical Library Foundation na Harvard University e o DOE’s Office of Science, que também apóia a Advanced Light Source. Amostras de concreto marítimo romano foram fornecidas por Marie Jackson e pelo programa de perfuração ROMACONS, patrocinado pela CTG Italcementi de Bergamo, Itália.

Contatos científicos: Paulo Monteiro, [email & # 160protected], 510-643-8251 Marie Jackson, [email & # 160protected], 928-853-7967

Para obter mais informações, leia o comunicado à imprensa da UC Berkeley em http://newscenter.berkeley.edu/2013/06/04/roman-concrete/.

“Propriedades materiais e elásticas de Al-tobermorita em concreto de água do mar da Roma Antiga”, por Marie D. Jackson, Juhyuk Moon, Emanuele Gotti, Rae Taylor, Abdul-Hamid Emwas, Cagla Meral, Peter Guttmann, Pierre Levitz, Hans-Rudolf Wenk, e Paulo JM Monteiro, aparece na Journal of the American Ceramic Society.

"Desvendando os segredos da Al-tobermorita no concreto romano da água do mar", por Marie D. Jackson, Sejung Rosie Chae, Sean R. Mulcahy, Cagla Meral, Rae Taylor, Penghui Li, Abdul-Hamid Emwas, Juhyuk Moon, Seyoon Yoon, Gabriele Vola, Hans-Rudolf Wenk e Paulo JM Monteiro, aparecerão em Mineralogista americano.


A tecnologia moderna abre novas portas durante a pesquisa

Em um projeto de pesquisa anterior liderado por Jackson, a equipe conseguiu coletar amostras de concreto marinho romano de vários portos ao longo da costa italiana. Em seguida, os pesquisadores mapearam as amostras usando um microscópio eletrônico, antes de perfurar até uma resolução extremamente alta com micro-difração de raios-X e espectroscopia Raman. Com a ajuda de tecnologia avançada, eles conseguiram distinguir todos os grãos minerais produzidos no concreto antigo ao longo dos séculos. "Podemos entrar nos minúsculos laboratórios naturais no concreto, mapear os minerais que estão presentes, a sucessão dos cristais que ocorrem e suas propriedades cristalográficas. É impressionante o que conseguimos encontrar", disse Jackson à Science. Relatórios de alerta.

Jackson demonstrou particular interesse na presença de tobermorita aluminosa, um mineral resistente à base de sílica que é muito raro e difícil de fazer em laboratório, mas pode ser facilmente encontrado em grandes doses quando se trata de concreto romano antigo. Aparentemente, a tobermorita aluminosa e um mineral semelhante chamado filipsita parecem crescer no concreto graças à água do mar que espirra em torno dele, dissolvendo gradualmente as cinzas vulcânicas no interior e dando-lhe espaço livre para desenvolver uma estrutura fortificada a partir desses cristais interligados. "Os romanos criaram um concreto semelhante a uma rocha que prospera na troca química aberta com a água do mar", diz Jackson, apontando a diferença gigantesca do concreto antigo e moderno, que, em contraste com o concreto romano antigo, parece corroer conforme a água salgada enferruja os reforços de aço e lava os compostos que mantêm o material unido.


Os antigos romanos faziam o concreto "mais durável" do mundo. Podemos usá-lo para impedir a subida do mar.

Há dois mil anos, os construtores romanos construíram vastas muralhas e cais do porto. O concreto que eles usaram sobreviveu ao império - e ainda contém lições para engenheiros modernos, dizem os cientistas.

Um grupo de estruturas semi-afundadas na costa italiana pode parecer menos impressionante do que um coliseu de gladiadores. Mas debaixo d'água, a maravilha está no material. O concreto do porto, uma mistura de cinza vulcânica e cal virgem, resistiu ao mar por dois milênios e continua. Além do mais, é mais forte do que quando foi mixado pela primeira vez.

O material romano é “um material extraordinariamente rico em termos de possibilidades científicas”, disse Philip Brune, um cientista pesquisador da DuPont Pioneer que estudou as propriedades de engenharia dos monumentos romanos. “É o material de construção mais durável da história da humanidade, e eu digo isso como um engenheiro que não é propenso a hipérboles.”

Em contraste, o concreto moderno exposto à água salgada sofre corrosão em décadas.

O mistério é por que o material antigo perdurou. “Os arqueólogos dirão que têm a receita”, disse Marie Jackson, especialista em concreto romano antigo da Universidade de Utah. (Plínio, o Velho, certa vez escreveu uma ode ao concreto “que assim que entra em contato com as ondas do mar e é submerso torna-se uma única massa de pedra, inexpugnável às ondas.") Mas não é o quadro completo: é um coisa montar os ingredientes, outra saber fazer o bolo.

Para tanto, Jackson e seus colegas examinaram as estruturas microscópicas de amostras de concreto, extraídas das paredes do mar e pilares como parte de um projeto chamado Estudo de Concreto Marítimo Romano. “Este concreto semelhante a uma rocha está se comportando, de várias maneiras, como depósitos vulcânicos em ambientes submarinos”, disse Jackson.

Onde o concreto moderno é projetado para ignorar o meio ambiente, o concreto romano o abraça. Como os cientistas relataram em um estudo publicado na segunda-feira na revista American Mineralogist, o concreto romano é preenchido com minúsculos cristais em crescimentos. Os cristais, como minúsculas placas de blindagem, podem impedir que o concreto se quebre.

Os cientistas submeteram as amostras de concreto a uma bateria de técnicas avançadas de imagem e testes espectroscópicos. Os testes revelaram uma reação química rara, com cristais aluminosos de tobermorita crescendo de outro mineral chamado filipsita. Brune, que não estava envolvido com o estudo, chamou o trabalho de uma "conquista significativa". Ele comparou isso aos cientistas mordendo um bolo de sabor misterioso e determinando que o padeiro usava chocolate amargo de origem orgânica.

Neste caso, o ingrediente principal provou ser a água do mar. Conforme a água do mar se infiltrava nas minúsculas rachaduras no concreto romano, disse Jackson, ela reagiu com a filipsita naturalmente encontrada na rocha vulcânica e criou os cristais tobermorita.

“A tobermorita aluminosa é muito difícil de produzir”, disse ela, e requer temperaturas muito altas para sintetizar pequenas quantidades. Cribbing dos antigos romanos pode levar a uma melhor produção de tobermorite, que é valorizada por suas aplicações industriais, observou ela.

Os romanos extraíram um tipo específico de cinza vulcânica de uma pedreira na Itália. Jackson está tentando recriar este concreto durável usando água do mar de São Francisco e rochas vulcânicas mais abundantes. Ela tem várias amostras em fornos e potes em seu laboratório, que ela testará em busca de evidências de reações químicas semelhantes.


Por que o concreto romano de 2.000 anos é muito melhor do que o que produzimos hoje

Um dos fascinantes mistérios da Roma Antiga é a impressionante longevidade de algumas de suas estruturas portuárias de concreto. Atingidas pelas ondas do mar por 2.000 anos, essas coisas ainda estão por aí enquanto nossas misturas modernas sofrem erosão ao longo de meras décadas.

Agora os cientistas descobriram a incrível química por trás desse fenômeno, chegando mais perto de desvendar sua receita há muito perdida. Acontece que não só o concreto romano é mais durável do que podemos fazer hoje, mas também mais forte hora extra.

Pesquisadores liderados pela geóloga Marie Jackson, da Universidade de Utah, descobriram os mistérios do concreto romano por anos e agora mapearam sua estrutura cristalina, descobrindo precisamente como esse material antigo se solidifica com o tempo.

O concreto moderno é normalmente feito com cimento Portland, uma mistura de areia de sílica, calcário, argila, giz e outros ingredientes fundidos em altas temperaturas. No concreto, essa pasta liga o 'agregado' - pedaços de rocha e areia.

Este agregado tem que ser inerte, pois qualquer reação química indesejada pode causar rachaduras no concreto, levando à erosão e desintegração das estruturas. É por isso que o concreto não tem a longevidade das rochas naturais.

Mas não é assim que funciona o concreto romano.

O deles foi criado com cinzas vulcânicas, cal e água do mar, aproveitando uma reação química que os romanos podem ter observado em depósitos de cinzas vulcânicas naturalmente cimentadas chamadas rochas tufas.

Misturado com a argamassa de cinza vulcânica estava mais rocha vulcânica como agregado, que continuaria a reagir com o material, tornando o cimento romano muito mais durável do que você pensaria que deveria ser.

Em um projeto de pesquisa anterior liderado por Jackson, a equipe já havia coletado amostras de concreto marinho romano de vários portos ao longo da costa italiana.

Perfuração para amostras de concreto romano na Toscana, 2003. Foto: J. P. Oleson

Agora os pesquisadores mapearam as amostras usando um microscópio eletrônico, antes de perfurar até uma resolução extremamente alta com microdifração de raios-X e espectroscopia Raman. Com essas técnicas avançadas, eles puderam identificar todos os grãos minerais produzidos no concreto antigo ao longo dos séculos.

“Podemos entrar nos minúsculos laboratórios naturais do concreto, mapear os minerais que estão presentes, a sucessão dos cristais que ocorrem e suas propriedades cristalográficas”, diz Jackson.

"É surpreendente o que conseguimos encontrar."

Jackson estava particularmente interessado na presença de tobermorita aluminosa, um mineral resistente à base de sílica que, na verdade, é muito raro e difícil de fazer em laboratório, embora seja abundante no concreto antigo.

Acontece que a tobermorita aluminosa e um mineral relacionado chamado filipsita na verdade crescem no concreto graças à água do mar que se espalha ao seu redor, dissolvendo lentamente a cinza vulcânica e dando-lhe espaço para desenvolver uma estrutura reforçada a partir desses cristais interligados.

"Os romanos criaram um concreto semelhante a uma rocha que prospera na troca química aberta com a água do mar", diz Jackson.

Isso é muito louco e é exatamente o oposto do que acontece no concreto moderno, que sofre erosão conforme a água salgada enferruja os reforços de aço e lava os compostos que mantêm o material unido.

Fazer concreto da maneira que os romanos faziam seria uma bênção para a indústria de construção moderna, especialmente quando se trata de estruturas costeiras, como píeres que são constantemente atingidos pelas ondas, ou fantásticas lagoas de maré para aproveitar a energia das ondas.

Mas, infelizmente, as receitas se perderam com o tempo, então nossa única chance de recriar o material antigo é fazer a engenharia reversa com base no que sabemos sobre suas propriedades químicas.

E não é como se pudéssemos substituir todo o cimento do mundo pelo material histórico, porque nem em todos os lugares podemos acessar os ingredientes vulcânicos corretos.

“Os romanos tiveram sorte no tipo de rocha com que trabalharam”, diz Jackson. "Não temos essas pedras em grande parte do mundo, então teria que haver substituições."

But if Jackson and her colleagues can crack the recipe, modern marine engineers could tap into the potential of a material that doesn't need steel reinforcements, can last for centuries, and makes fewer carbon emissions to boot.


Scientists have long puzzled over the elusive recipe for ancient Roman concrete, which has withstood the test of time better than any of the concrete that’s been poured in the 20th century. Now, Time reports that Maria Jackson from the University of Utah claims to have unravelled the mystery, and furthermore believes that the ancient Roman process could influence modern-day construction.

Jackson’s findings, published in American Mineralogist, claim the unbreakable strength of ancient Roman concrete is due to a rare chemical reaction that takes place when the mineral aluminium tobermorite is exposed to sea water. The reaction strengthens the mortar and prevents cracks from forming or widening.

The longer the concrete is submerged in sea water, the stronger it becomes, as a mineral mixture of silica oxides and lime grows between the volcanic rock aggregate, which in turns hardens all the components into a single, unyielding piece. Jackson explained how this is different from our current concrete to Time:

This may explain the ancient observation of the Roman scientist Pliny the Elder, who wrote in 79 AD that the concrete, “as soon as it comes into contact with the waves of the sea and is submerged, becomes a single stone mass, impregnable to the waves and every day stronger.”

The Pantheon in Rome, still in use over 2,000 years after it was built, is a testament to the strength of ancient Roman concrete. Once a Roman temple, it has been in continuous use throughout history, and since the 7th century has been used as a church dedicated to “St. Mary and the Martyrs.”

Jackson notes that the Roman process was actually much more eco-friendly than our modern method, which is known to produce carbon dioxide. She believes that the old ways of concrete production could teach us a lot, but she notes that the ancient Romans had a greater access to volcanic ash, a primary ingredient, than most countries do today.

Jackson said she is currently experimenting with several substances that could act as a substitute for volcanic ash in the concoction, which would also require lime, sea water, and aluminium tobermorite. She has also proposed that the construction of a planned tidal lagoon in the United Kingdom utilize the ancient Roman concrete in place of steel.

She said that the ancient concrete would be ideal for the tidal lagoon, as the concrete would strengthen with the tide, rather than deteriorating over time. However, she did note that it would take about 120 years to know if the recipe will stand the test of time as well as that of the Romans.

Either way, she believes the ancient concrete would last at least twice as long as our modern concrete.

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New studies of ancient concrete could teach us to do as the Romans did

ROMACONS drilling at a marine structure in Portus Cosanus, Tuscany, 2003. Drilling is by permission of the Soprintendenza Archeologia per la Toscana. Credit: J.P. Oleson

Around A.D. 79, Roman author Pliny the Elder wrote in his Naturalis Historia that concrete structures in harbors, exposed to the constant assault of the saltwater waves, become "a single stone mass, impregnable to the waves and every day stronger."

He wasn't exaggerating. While modern marine concrete structures crumble within decades, 2,000-year-old Roman piers and breakwaters endure to this day, and are stronger now than when they were first constructed. University of Utah geologist Marie Jackson studies the minerals and microscale structures of Roman concrete as she would a volcanic rock. She and her colleagues have found that seawater filtering through the concrete leads to the growth of interlocking minerals that lend the concrete added cohesion. The results are published today in American Mineralogist.

Roman concrete vs. Portland cement

Romans made concrete by mixing volcanic ash with lime and seawater to make a mortar, and then incorporating into that mortar chunks of volcanic rock, the "aggregate" in the concrete. The combination of ash, water, and quicklime produces what is called a pozzolanic reaction, named after the city of Pozzuoli in the Bay of Naples. The Romans may have gotten the idea for this mixture from naturally cemented volcanic ash deposits called tuff that are common in the area, as Pliny described.

The conglomerate-like concrete was used in many architectural structures, including the Pantheon and Trajan's Markets in Rome. Massive marine structures protected harbors from the open sea and served as extensive anchorages for ships and warehouses.

Modern Portland cement concrete also uses rock aggregate, but with an important difference: the sand and gravel particles are intended to be inert. Any reaction with the cement paste could form gels that expand and crack the concrete.

"This alkali-silica reaction occurs throughout the world and it's one of the main causes of destruction of Portland cement concrete structures," Jackson says.

A video abstract of the remarkable properties of Roman concrete. Credit: University of Utah

Rediscovering Roman concrete

Jackson's interest in Roman concrete began with a sabbatical year in Rome. She first studied tuffs and then investigated volcanic ash deposits, soon becoming fascinated with their roles in producing the remarkable durability of Roman concrete.

Along with colleagues, Jackson began studying the factors that made architectural concrete in Rome so resilient. One factor, she says, is that the mineral intergrowths between the aggregate and the mortar prevent cracks from lengthening, while the surfaces of nonreactive aggregates in Portland cement only help cracks propagate farther.

In another study of drill cores of Roman harbor concrete collected by the ROMACONS project in 2002-2009, Jackson and colleagues found an exceptionally rare mineral, aluminous tobermorite (Al-tobermorite) in the marine mortar. The mineral crystals formed in lime particles through pozzolanic reaction at somewhat elevated temperatures. The presence of Al-tobermorite surprised Jackson. "It's very difficult to make," she says of the mineral. Synthesizing it in the laboratory requires high temperatures and results in only small quantities.

For the new study, Jackson and other researchers returned to the ROMACONS drill cores, examining them with a variety of methods, including microdiffraction and microfluorescence analyses at the Advanced Light Source beamline 12.3.2 at Lawrence Berkeley National Laboratory. They found that Al-tobermorite and a related zeolite mineral, phillipsite, formed in pumice particles and pores in the cementing matrix. From previous work, the team knew that the pozzolanic curing process of Roman concrete was short-lived. Something else must have caused the minerals to grow at low temperature long after the concrete had hardened. "No one has produced tobermorite at 20 degrees Celsius," she says. "Oh—except the Romans!"

"As geologists, we know that rocks change," Jackson says. "Change is a constant for earth materials. So how does change influence the durability of Roman structures?"

The team concluded that when seawater percolated through the concrete in breakwaters and in piers, it dissolved components of the volcanic ash and allowed new minerals to grow from the highly alkaline leached fluids, particularly Al-tobermorite and phillipsite. This Al-tobermorite has silica-rich compositions, similar to crystals that form in volcanic rocks. The crystals have platy shapes that reinforce the cementing matrix. The interlocking plates increase the concrete's resistance to brittle fracture.

This microscopic image shows the lumpy calcium-aluminum-silicate-hydrate (C-A-S-H) binder material that forms when volcanic ash, lime, and seawater mix. Platy crystals of Al-tobermorite have grown amongst the C-A-S-H cementing matrix. Credit: Marie Jackson.

Jackson says that this corrosion-like process would normally be a bad thing for modern materials. "We're looking at a system that's contrary to everything one would not want in cement-based concrete," she says. "We're looking at a system that thrives in open chemical exchange with seawater."

Modern Roman concrete

Given the durability advantages of Roman concrete, why isn't it used more often, particularly since manufacturing of Portland cement produces substantial carbon dioxide emissions?

"The recipe was completely lost," Jackson says. She has extensively studied ancient Roman texts, but hasn't yet uncovered the precise methods for mixing the marine mortar, to fully recreate the concrete.

"Romans were fortunate in the type of rock they had to work with," she says. "They observed that volcanic ash grew cements to produce the tuff. We don't have those rocks in a lot of the world, so there would have to be substitutions made."

She is now working with geological engineer Tom Adams to develop a replacement recipe, however, using materials from the western U.S. The seawater in her experiments comes from the Berkeley, California, marina, collected by Jackson herself.

Roman concrete takes time to develop strength from seawater, and features less compressive strength than typical Portland cement. For those reasons, it's unlikely that Roman concrete could become widespread, but could be useful in particular contexts.

Jackson recently weighed in on a proposed tidal lagoon to be built in Swansea, United Kingdom, to harness tidal power. The lagoon, she says, would need to operate for 120 years to recoup the costs incurred to build it. "You can imagine that, with the way we build now, it would be a mass of corroding steel by that time." A Roman concrete prototype, on the other hand, could remain intact for centuries.

Jackson says that while researchers have answered many questions about the mortar of the concrete, the long-term chemical reactions in the aggregate materials remain unexplored. She intends to continue the work of Pliny and other Roman scholars who worked assiduously to discover the secrets of their concrete. "The Romans were concerned with this," Jackson says. "If we're going to build in the sea, we should be concerned with it too."


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