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

Os romanos não ficaram conhecidos só pela estética dos seus templos e obras públicas - eles dominavam a engenharia na prática. Basta olhar para aquedutos que ainda funcionam para perceber que havia algo especial no “segredo” da durabilidade das construções antigas. No centro disso está um material de construção incomum para a época: o concreto pozolânico, capaz de resistir por séculos sem perder força.

E o exemplo mais impressionante segue de pé até hoje. O Panteão, em Roma, praticamente intacto e com quase 2.000 anos, continua sendo o recordista mundial de maior cúpula feita de concreto não armado.

Em geral, as propriedades desse concreto eram atribuídas aos seus ingredientes: a pozolana, uma mistura de cinza vulcânica - batizada em referência à cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um grande depósito - e a cal. Quando combinados com água, esses materiais reagem e formam um concreto muito resistente.

Só que, ao que tudo indica, essa explicação estava incompleta. Um time internacional de pesquisadores liderado pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) mostrou que não apenas os materiais eram um pouco diferentes do que se imaginava, como também o modo de misturá-los não era o mesmo.

A pista decisiva apareceu em pequenos pedaços brancos de cal, presentes em um concreto que, fora isso, parece bem homogêneo. Antes, esses fragmentos eram vistos como sinal de mistura malfeita ou de insumos de baixa qualidade - mas essa hipótese não convencia o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

“A ideia de que a presença desses fragmentos de cal foi simplesmente atribuída a um controle de qualidade ruim sempre me incomodou”, disse Masic em um comunicado de janeiro de 2023.

“Se os romanos colocaram tanto esforço em criar um material de construção excepcional, seguindo receitas detalhadas que foram otimizadas ao longo de muitos séculos, por que colocariam tão pouco esforço em garantir a produção de um produto final bem misturado? Tem que haver mais nessa história.”

Masic e a equipe, liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour, analisaram com cuidado amostras de concreto romano com 2.000 anos, vindas do sítio arqueológico de Privernum, na Itália. Elas passaram por microscopia eletrônica de varredura em grande área e espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difração de raios X em pó e imagem confocal Raman, para entender melhor os fragmentos de cal.

Uma das dúvidas era qual tipo de cal havia sido usado. A compreensão “padrão” do concreto pozolânico é que ele utiliza cal hidratada. Primeiro, o calcário é aquecido em altas temperaturas para produzir um pó cáustico muito reativo chamado cal virgem (óxido de cálcio).

Ao misturar a cal virgem com água, forma-se a cal hidratada (hidróxido de cálcio): uma pasta um pouco menos reativa e menos cáustica. Pela teoria, era essa cal hidratada que os romanos misturavam com a pozolana.

Só que, segundo as análises do grupo, os fragmentos de cal encontrados nas amostras não combinam com esse processo. Em vez disso, o concreto romano provavelmente era feito ao misturar a cal virgem diretamente com a pozolana e água em temperaturas extremamente altas - sozinha ou além do uso de cal hidratada - num procedimento que a equipe chamou de “mistura a quente” (“hot mixing”), e que dá origem aos fragmentos de cal.

“Os benefícios da mistura a quente são dois”, disse 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 forma. Segundo, essa temperatura mais alta reduz significativamente os tempos de cura e pega, já que todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida.”

E ainda existe uma vantagem extra: os fragmentos de cal dão ao concreto uma capacidade notável de se “autocurar”.

Quando surgem trincas no concreto, elas tendem a se propagar em direção aos fragmentos de cal, que têm uma área de superfície maior do que outras partículas na matriz. Quando a água entra na fissura, ela reage com a cal e forma uma solução rica em cálcio, que seca e endurece como carbonato de cálcio, “colando” a trinca de volta e impedindo que ela se espalhe.

Isso já foi observado em concreto de outro local com 2.000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde rachaduras no material foram preenchidas com calcita. Também pode explicar por que o concreto romano de quebra-mares construídos há 2.000 anos sobreviveu intacto por milênios, apesar do impacto constante do oceano.

Para conferir a hipótese, a equipe produziu concreto pozolânico a partir de receitas antigas e modernas usando cal virgem. Eles também fizeram um concreto de controle sem cal virgem e realizaram testes de fissura. Como esperado, o concreto com cal virgem, após trincar, se recuperou totalmente em duas semanas, enquanto o concreto de controle continuou rachado.

Agora, o grupo trabalha para comercializar esse concreto como uma alternativa mais sustentável do que os concretos atuais.

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

A pesquisa foi publicada na Science Advances.

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