Concreto pozolânico romano: estudo do MIT revela segredo de 2.000 anos

Os antigos romanos foram referências em construção e engenharia - e poucas obras simbolizam isso tão bem quanto os aquedutos. Esses feitos, muitos ainda em funcionamento, dependem de um material de construção singular: o concreto pozolânico, um tipo de concreto extraordinariamente durável que deu às estruturas romanas uma resistência impressionante.

Ainda hoje, uma dessas construções segue como prova dessa longevidade: o Panteão, preservado e com quase 2.000 anos, continua a deter o recorde de maior cúpula de concreto não armado do mundo.

Concreto pozolânico romano e seus ingredientes

Durante muito tempo, as características desse concreto foram explicadas principalmente pelos seus componentes. A base é a pozolana, uma mistura de cinza vulcânica - batizada a partir da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito importante - combinada com cal. Ao adicionar água, esses materiais reagem e formam um concreto robusto.

Só que, ao que tudo indica, essa explicação não conta tudo.

O que o MIT encontrou: “clastos de cal” e mistura a quente

Em 2023, uma equipa internacional de investigadores liderada pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) concluiu que não apenas os materiais usados eram um pouco diferentes do que se supunha, como também a forma de os misturar não seguia exatamente o entendimento tradicional.

O indício mais revelador foram pequenos fragmentos brancos de cal presentes em um concreto que, de resto, parece bem homogéneo. Antes, a existência desses pedaços era interpretada como sinal de mistura malfeita ou de materiais de baixa qualidade - algo que 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 controlo de qualidade sempre me incomodou", disse Masic em janeiro de 2023.

"Se os romanos se empenharam tanto para produzir um material de construção excepcional, seguindo todas as 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 nesta história."

Masic e a equipa, liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour, analisaram com cuidado amostras de concreto romano com 2.000 anos recolhidas no sítio arqueológico de Privernum, na Itália. Para compreender melhor esses clastos de cal, as amostras passaram por microscopia eletrónica de varredura em grande área e espectroscopia de raios X por dispersão de energia, além de difração de raios X em pó e imagem confocal Raman.

Uma das questões centrais era identificar que tipo de cal estava envolvida. A visão padrão sobre o concreto pozolânico presume o uso de cal hidratada. Nesse processo, o calcário é aquecido a temperaturas elevadas até gerar um pó altamente reativo e cáustico chamado cal viva (óxido de cálcio).

Ao misturar a cal viva com água, obtém-se a cal hidratada (hidróxido de cálcio), formando uma pasta um pouco menos reativa e menos cáustica. Pela teoria clássica, seria essa cal hidratada que os romanos combinavam com a pozolana.

Pelas análises da equipa, porém, os clastos de cal encontrados não se encaixam bem nesse método. Em vez disso, é provável que o concreto romano tenha sido produzido com a mistura direta de cal viva com pozolana e água, sob temperaturas extremamente altas - seja de forma isolada, seja juntamente com cal hidratada. Os investigadores chamaram essa técnica de “mistura a quente”, e ela explicaria o surgimento dos clastos.

"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, de outra forma, não se formariam. Segundo, essa temperatura aumentada reduz significativamente os tempos de cura e de pega, já que todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida."

Autocicatrização: como rachaduras se fecham sozinhas

Há ainda uma vantagem adicional: os clastos de cal conferem ao concreto uma capacidade notável de autorreparação.

Quando surgem fissuras, elas tendem a avançar preferencialmente em direção aos clastos, que apresentam maior área de superfície do que outras partículas na matriz do concreto. Se a água penetra na rachadura, reage com a cal e gera uma solução rica em cálcio; ao secar, esse material endurece na forma de carbonato de cálcio, funcionando como uma cola que une as bordas da fissura e impede que ela se alastre.

Esse comportamento já foi observado em concreto de outro sítio com 2.000 anos: o Túmulo de Cecília Metela, onde rachaduras acabaram preenchidas por calcita. O mesmo mecanismo também pode ajudar a entender por que o concreto romano de paredões marítimos construídos há 2.000 anos se manteve intacto por milénios, apesar do impacto constante do mar.

Testes com receitas antigas e modernas

Para verificar a hipótese, a equipa produziu concreto pozolânico seguindo receitas antigas e modernas, mas usando cal viva. Também preparou um concreto de controle, sem cal viva, e então realizou testes de fissuração.

O resultado foi claro: o concreto com cal viva, mesmo depois de trincado, ficou totalmente reparado em duas semanas, enquanto o concreto de controle permaneceu com as fissuras.

A equipa agora trabalha para comercializar esse concreto como uma alternativa mais amiga do ambiente em comparação com os concretos atuais.

"É empolgante pensar em como essas formulações de concreto mais duráveis poderiam ampliar não apenas 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 em Avanços da Ciência.

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