Una nueva mirada al interior del hormigón de 2.000 años de antigüedad, hecho de ceniza volcánica, cal producto de la piedra caliza cocida y agua de mar, ha proporcionado nuevas pistas sobre la evolución de la química y los cementos minerales que permiten que las antiguas estructuras portuarias resistanla prueba del tiempo. La investigación también ha inspirado la búsqueda de la receta original para que los fabricantes de hormigón modernos puedan hacer lo que hicieron los romanos.
Un equipo de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Laboratorio de Berkeley utilizó rayos X para estudiar muestras de hormigón romano, de un antiguo muelle y sitios de rompeolas, a escalas microscópicas para aprender más sobre la composiciónde sus cementos minerales.
El trabajo anterior del equipo en la Fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab, un centro de investigación de rayos X conocido como sincrotrón, encontró que los cristales de tobermorita aluminoso, un mineral en capas, desempeñaban un papel clave en el fortalecimiento del hormigón a medida que crecían enpartículas de cal relicto. El nuevo estudio, publicado hoy en Mineralogista estadounidense , está ayudando a los investigadores a reconstruir cómo y dónde se formó este mineral durante la larga historia de las estructuras de hormigón.
En última instancia, el trabajo podría conducir a una adopción más amplia de técnicas de fabricación de hormigón con menos impacto ambiental que los procesos modernos de fabricación de cemento Portland, que requieren hornos de alta temperatura. Estos son un contribuyente significativo a las emisiones industriales de dióxido de carbono, que se suman a la acumulacióngases de efecto invernadero en la atmósfera terrestre.
Además, los investigadores sugieren que se podría probar una receta reformulada para el concreto romano para aplicaciones tales como malecones y otras estructuras que dan al océano, y puede ser útil para salvaguardar desechos peligrosos.
"En la ALS mapeamos las microestructuras de cemento mineral", dijo Marie Jackson, profesora de investigación de geología y geofísica en la Universidad de Utah que dirigió el estudio. "Podemos identificar los diversos minerales y las secuencias de cristalización intrigantemente complejas en elescala de micrones. "
Jackson dijo que la cal también conocida como óxido de calcio o CaO, expuesta al agua de mar en la mezcla de hormigón romana, probablemente reaccionó a fondo con la ceniza volcánica al principio de la historia de las enormes estructuras portuarias. Estudios previos mostraron cómo latobermorita cristalizada en los restos de cal durante un período de temperatura elevada.
Los nuevos hallazgos sugieren que después de que la cal se consumiera a través de estas reacciones químicas puzolánicas llamadas así por la ceniza volcánica encontrada en la región de Pozzuoli, o Nápoles, en Italia, comenzó un nuevo período de crecimiento mineral.
El nuevo crecimiento de tobermorita aluminoso se asocia a menudo con cristales de phillipsita, otro mineral. Los minerales forman fibras finas y placas que hacen que el hormigón sea más resistente y menos susceptible a fracturas con el tiempo. Pueden explicar una observación antigua del científico romanoPlinio el Viejo, que opinó que el hormigón, "en cuanto entra en contacto con las olas del mar y se sumerge, se convierte en una sola masa de piedra, inexpugnable a las olas y cada día más fuerte".
De hecho, los romanos se basaron en la reacción de una mezcla de roca volcánica con agua de mar para producir los nuevos cementos minerales. En raras ocasiones, los volcanes submarinos, como el volcán Surtsey en Islandia, producen los mismos minerales que se encuentran en el hormigón romano.
"Contrariamente a los principios del hormigón moderno a base de cemento", dijo Jackson, "los romanos crearon un hormigón parecido a una roca que prospera en el intercambio químico abierto con el agua de mar".
La antigua receta romana es muy diferente a la moderna para el concreto, señaló Jackson. La mayoría del concreto moderno es una mezcla de cemento Portland: piedra caliza, arenisca, ceniza, tiza, hierro y arcilla, entre otros ingredientes, calentados para formarun material vítreo que se muele finamente, mezclado con los llamados "agregados". Se trata de materiales como arena o piedra triturada que no están destinados a reaccionar químicamente. Si ocurren reacciones en estos agregados, pueden causar expansiones no deseadas en elhormigón.
Para comprender los procesos químicos a largo plazo que ocurrieron en las estructuras romanas, los investigadores utilizaron rodajas finas y pulidas del hormigón con un microscopio electrónico en Alemania para mapear la distribución de elementos en las microestructuras minerales.
Combinaron estos análisis con una técnica en el ALS de Berkeley Lab conocida como microdifracción de rayos X, y una técnica en UC Berkeley conocida como espectroscopia Raman, para aprender más sobre la estructura de los cristales en las muestras.
Nobumichi Tamura, un científico del personal de ALS, dijo que la línea de rayos X donde se estudiaron las muestras de concreto romano puede producir vigas enfocadas a aproximadamente 1 micrón, o 1 milésima de pulgada, "lo cual es útil para identificar cada especie mineral y mapearsu distribución. "El haz es casi cien veces más pequeño que lo que se puede encontrar en un laboratorio convencional. La técnica de rayos X mide una señal promedio de muchos granos minerales diminutos, proporcionando alta resolución y una rápida recopilación de datos.
Jackson agregó: "Podemos ir a los pequeños laboratorios naturales en el concreto, mapear los minerales que están presentes, la sucesión de cristales que ocurren y sus propiedades cristalográficas. Ha sido asombroso lo que hemos podido encontrar."
Ella agregó: "Este es un concreto que aparentemente produce cementos minerales de aluminio y tobermorita durante milenios". El estudio sugiere que este proceso podría ser útil para las estructuras modernas de diques, dijo, así como para revestir desechos de alto nivel en cemento.-como barreras que protegen el medio ambiente circundante.
Jackson está trabajando con un ingeniero geológico para redescubrir la compleja receta de hormigón de los romanos. Está mezclando agua de mar de la Bahía de San Francisco y roca volcánica del oeste de los Estados Unidos para encontrar la fórmula correcta, y también está liderando un proyecto de perforación científica.para estudiar la producción de tobermorita y otros minerales relacionados en el volcán Surtsey en Islandia.
Ya, un número creciente de fabricantes de concreto están explorando el uso de roca volcánica y procesos que consumen menos energía, dijo Jackson, lo que podría ser beneficioso para la industria y el medio ambiente.
La industria del hormigón es grande en los Estados Unidos, con ventas valoradas en aproximadamente $ 50 mil millones en 2015. La producción nacional de cemento Portland, el tipo de cemento más comúnmente producido, ascendió a aproximadamente 80,4 millones de toneladas en 2015, según elUS Geological Survey, o aproximadamente el peso de unos 90 puentes Golden Gate o 12 presas Hoover.
Para que las recetas de hormigón romano ganen más tracción, dijo Jackson, se necesitarán estructuras de prueba para evaluar las propiedades a largo plazo de las estructuras marinas construidas con roca volcánica y medir cómo se comparan con las propiedades del hormigón reforzado con acero.por ejemplo.
"Creo que la gente realmente no sabe cómo pensar en un material que no tiene refuerzo de acero", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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