O betão pozolânico romano e a "mistura a quente" revelada pelo MIT

Os antigos Romanos destacaram-se como verdadeiros mestres da construção e da engenharia - e poucos exemplos são tão emblemáticos como os aquedutos. Muitas dessas obras, notavelmente, continuam a funcionar graças a um material de construção singular: o betão pozolânico, um tipo de betão extraordinariamente durável que conferiu às estruturas romanas uma resistência fora do comum.

A prova mais conhecida dessa durabilidade está ainda de pé. O Panteão, praticamente intacto e com quase 2,000 anos, mantém o recorde da maior cúpula do mundo feita em betão não armado.

O que se pensava sobre o betão pozolânico romano

Durante muito tempo, atribuiu-se o desempenho deste betão sobretudo aos seus componentes. A base seria a pozolana - uma mistura de cinzas vulcânicas, cujo nome vem da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito importante - e a cal. Em contacto com a água, estes materiais conseguem reagir e formar um betão muito resistente.

A pista que mudou a explicação: os fragmentos brancos de cal

No entanto, essa explicação não era completa. Em 2023, uma equipa internacional de investigadores liderada pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) concluiu que, além de os materiais poderem não ser exactamente como se supunha, também as técnicas de mistura eram diferentes.

O indício decisivo surgiu sob a forma de pequenos fragmentos brancos de cal presentes num betão que, à primeira vista, parecia estar bem homogeneizado. Antes, a existência desses fragmentos era interpretada como resultado de uma mistura deficiente ou de matérias-primas de baixa qualidade - mas essa leitura não convencia o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

"A ideia de que a presença destes fragmentos de cal era simplesmente atribuída a um controlo de qualidade fraco sempre me incomodou", disse Masic em janeiro de 2023.

"Se os Romanos investiram tanto esforço em criar um material de construção excepcional, seguindo todas as receitas detalhadas que foram optimizadas ao longo de muitos séculos, porque haveriam de investir tão pouco esforço em garantir a produção de um produto final bem misturado? Tem de haver mais nesta história."

Análises em amostras com 2,000 anos e o papel da cal viva

Masic e a equipa - liderada pela engenheira civil do MIT, Linda Seymour - analisaram cuidadosamente amostras de betão romano com 2,000 anos, recolhidas no sítio arqueológico de Privernum, em Itália. Para compreender melhor os fragmentos de cal, as amostras foram estudadas com microscopia electrónica de varrimento de grande área e espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difracção de raios X em pó e imagiologia Raman confocal.

Uma das questões centrais era perceber que tipo de cal estava a ser usado. A visão tradicional sobre o betão pozolânico assume a utilização de cal apagada. Nesse processo, o calcário é primeiro aquecido a temperaturas elevadas para produzir um pó cáustico muito reactivo chamado cal viva, ou óxido de cálcio.

Ao misturar a cal viva com água, obtém-se cal apagada, ou hidróxido de cálcio: uma pasta um pouco menos reactiva e menos cáustica. Segundo a teoria clássica, teria sido esta cal apagada que os antigos Romanos misturavam com a pozolana.

A análise da equipa, porém, indicou que os fragmentos de cal observados não batem certo com esse método. Em vez disso, o betão romano terá sido provavelmente produzido ao misturar a cal viva directamente com a pozolana e água a temperaturas extremamente altas - por si só ou em complemento da cal apagada. A este procedimento, a equipa deu o nome de "mistura a quente", e é esse processo que origina os fragmentos de cal.

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

"Primeiro, quando o betão no seu conjunto é aquecido a altas temperaturas, permite químicas que não são possíveis se só se usasse cal apagada, produzindo compostos associados a altas temperaturas que, de outro modo, não se formariam. Segundo, esta temperatura mais elevada reduz significativamente os tempos de cura e de presa, já que todas as reacções são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida."

Porque é que os fragmentos de cal tornam o betão auto-reparável

Há ainda outra vantagem importante: os fragmentos de cal conferem ao betão uma capacidade notável de auto-reparação.

Quando surgem fissuras, elas tendem a propagar-se preferencialmente em direcção a esses fragmentos, que têm uma área de superfície maior do que as restantes partículas da matriz. Se a água penetrar na fissura, reage com a cal e forma uma solução rica em cálcio. Ao secar, essa solução endurece sob a forma de carbonato de cálcio, funcionando como um “adesivo” que volta a unir a fissura e impede que continue a alastrar.

Este efeito já tinha sido observado em betão de outro local com 2,000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde as fissuras no betão aparecem preenchidas com calcite. A mesma explicação pode ajudar a perceber porque é que o betão romano de paredões marítimos construídos há 2,000 anos resistiu intacto durante milénios, apesar da agressão constante do oceano.

Ensaios com receitas antigas e modernas

Para validar estas conclusões, a equipa produziu betão pozolânico com receitas antigas e modernas usando cal viva. Em paralelo, preparou também um betão de controlo sem cal viva e realizou ensaios de fissuração. O resultado foi claro: o betão com cal viva, depois de fissurado, recuperou por completo ao fim de duas semanas, enquanto o betão de controlo manteve as fissuras.

Neste momento, a equipa está a trabalhar na comercialização deste betão como uma alternativa mais amiga do ambiente aos betões actuais.

"É entusiasmante pensar em como estas formulações de betão mais duráveis poderiam não só prolongar a vida útil destes materiais, como também melhorar a durabilidade de formulações de betão impresso em 3D", disse Masic.

A investigação foi publicada na revista Science Advances.

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