Como o MIT revelou o segredo do concreto pozolânico romano de 2.000 anos

Os antigos romanos dominaram como poucos a arte de construir e de resolver problemas de engenharia - e nada simboliza isso tão bem quanto os aquedutos que, em alguns casos, continuam a funcionar. Por trás dessas obras está um material de construção incomum: o concreto pozolânico, notavelmente resistente e responsável por grande parte da robustez das estruturas romanas.

Essa durabilidade não é apenas teoria. Uma das criações mais emblemáticas de Roma, o Panteão, permanece preservada após quase 2.000 anos - e ainda detém o recorde de maior cúpula do mundo feita de concreto sem armadura.

Por que o concreto romano ainda chama atenção

Durante muito tempo, a explicação para o desempenho do concreto pozolânico foi atribuída sobretudo à sua composição. A chamada pozolana é uma mistura de cinza vulcânica - batizada em referência à cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito importante desse material - combinada com cal. Ao entrar em contato com água, esses componentes podem reagir e formar um concreto de alta resistência.

Só que, ao que tudo indica, essa não é a história completa. Um grupo internacional de cientistas, liderado pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT), concluiu que não apenas os materiais podem ser um pouco diferentes do que se imaginava, como o modo de preparo também não seguia exatamente a hipótese mais difundida.

O que o MIT identificou nos “clastos de cal”

A principal pista estava em pequenos fragmentos brancos de cal, visíveis no meio do que aparenta ser um concreto bem homogêneo. Por anos, a presença desses pedaços foi tratada como sinal de mistura malfeita ou de insumos inferiores - mas essa interpretação não convencia o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

"A ideia de que a presença desses clastos de cal foi simplesmente atribuída a baixo controle de qualidade sempre me incomodou", disse Masic em uma declaração de janeiro de 2023.

"Se os romanos se empenharam tanto para criar um material de construção excepcional, seguindo receitas detalhadas que foram otimizadas ao longo de muitos séculos, por que investiriam tão pouco esforço para garantir a produção de um produto final bem misturado? Tem que haver mais nessa história."

Para investigar, Masic e sua equipa - liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour - analisaram com cuidado amostras de concreto romano com cerca de 2.000 anos, obtidas no sítio arqueológico de Privernum, na Itália. O material foi submetido a microscopia eletrônica de varredura em grande área e espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difração de raios X em pó e imageamento Raman confocal, a fim de compreender melhor a natureza desses clastos.

Mistura a quente: cal viva, cal hidratada e temperaturas elevadas

Uma questão central era: que tipo de cal, afinal, os romanos usavam? O entendimento clássico do concreto pozolânico é que ele seria preparado com cal hidratada. Nesse modelo, a pedra calcária é primeiro aquecida a altas temperaturas para gerar um pó cáustico e muito reativo, a cal viva (óxido de cálcio).

Ao misturar a cal viva com água, obtém-se a cal hidratada (hidróxido de cálcio), uma pasta menos reativa e menos cáustica. A teoria tradicional dizia que era essa cal hidratada que os romanos combinavam com a pozolana.

As medições da equipa, porém, indicaram que os clastos observados nas amostras não batem com esse procedimento. Em vez disso, o concreto romano provavelmente era produzido ao misturar cal viva diretamente com a pozolana e água, a temperaturas extremamente altas - isoladamente ou além do uso de cal hidratada. Os pesquisadores chamaram esse método de "mistura a quente", e ele explicaria a formação dos clastos de cal.

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

"Primeiro, quando o concreto como um todo é aquecido a altas temperaturas, isso permite químicas que não são possíveis se você usar apenas cal hidratada, produzindo compostos associados a altas temperaturas que não se formariam de outra maneira. Segundo, esse aumento de temperatura reduz significativamente os tempos de cura e de pega, já que todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida."

Autorreparação: como as fissuras se “fecham”

Além de acelerar e alterar as reações, os clastos de cal parecem dar ao material uma capacidade notável de autorreparação.

Quando surgem fissuras no concreto, elas tendem a avançar preferencialmente em direção aos clastos, que têm maior área superficial do que outras partículas da matriz. Se a água entra pela fissura, reage com a cal e forma uma solução rica em cálcio; ao secar, esse material endurece como carbonato de cálcio, "colando" a rachadura e impedindo que ela se propague.

Esse tipo de fenómeno já foi observado em concreto de outro local com cerca de 2.000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde rachaduras foram preenchidas por calcita. A mesma explicação também pode ajudar a entender por que o concreto romano de quebra-mares construídos há 2.000 anos permaneceu íntegro por milênios, apesar do impacto contínuo das ondas.

Testes com receitas antigas e modernas

Para verificar se a hipótese se sustentava, os pesquisadores produziram concreto pozolânico com receitas antigas e modernas usando cal viva. Em paralelo, prepararam um concreto de controlo sem cal viva e então realizaram testes de fissuração.

O resultado foi claro: o concreto com cal viva, depois de rachado, ficou totalmente "curado" em duas semanas; já o concreto de controlo continuou com as fissuras.

Agora, a equipa trabalha para levar essa formulação ao mercado, com a ambição de oferecer uma alternativa mais ambientalmente amigável aos concretos atuais.

"É empolgante pensar em como essas formulações de concreto mais duráveis poderiam expandir não apenas a vida útil desses materiais, mas também como isso poderia melhorar a durabilidade de formulações de concreto impressas em 3D", disse Masic.

O estudo foi publicado na revista Science Advances.

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