Como o MIT explicou o betão pozolânico romano de há 2.000 anos

Os antigos Romanos destacaram-se como mestres da construção e da engenharia, e poucas obras ilustram isso tão bem como os aquedutos. Muitas dessas estruturas continuam a funcionar e devem a sua longevidade a um material particular: o betão pozolânico, um betão extraordinariamente resistente que conferiu às obras romanas uma solidez fora do comum.

Ainda hoje, uma das suas construções - o Panteão, preservado e com quase 2.000 anos - mantém o recorde da maior cúpula do mundo em betão não armado.

O que se pensava sobre o betão pozolânico romano

Durante muito tempo, as características deste betão foram explicadas sobretudo pelos seus ingredientes. A base é a pozolana, uma mistura de cinza vulcânica - assim chamada por causa da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito importante - combinada com cal. Ao juntar água, estes componentes podem reagir e originar um betão muito resistente.

A descoberta do MIT e a técnica de “mistura a quente”

No entanto, em 2023, uma equipa internacional de investigadores liderada pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) concluiu que a explicação não ficava por aí. Segundo o grupo, não só os materiais eram ligeiramente diferentes do que se assumia, como também o modo de os combinar não correspondia ao entendimento tradicional.

A pista decisiva estava em pequenos fragmentos brancos de cal, visíveis num betão que, à primeira vista, parecia estar bem misturado. Antes, a presença desses fragmentos era atribuída a mistura deficiente ou a matérias-primas de fraca qualidade - algo que não convencia o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

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

"Se os Romanos se esforçaram tanto para criar um material de construção excecional, seguindo receitas detalhadas que foram sendo otimizadas 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."

Masic e a equipa, liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour, analisaram cuidadosamente amostras de betão romano com 2.000 anos provenientes do sítio arqueológico de Privernum, em Itália.

Para compreender melhor os clastos de cal, as amostras foram estudadas com microscopia electrónica de varrimento de grande área, espectroscopia de raios X por dispersão de energia, difracção de raios X em pó e imagem confocal de Raman.

Uma das questões centrais era perceber que tipo de cal tinha sido utilizada. O modelo padrão do betão pozolânico assume o uso de cal apagada. Primeiro, o calcário é aquecido a temperaturas muito elevadas para gerar um pó cáustico e altamente reactivo chamado cal viva, ou óxido de cálcio.

Quando a cal viva é misturada com água, forma-se cal apagada, ou hidróxido de cálcio: uma pasta menos reactiva e menos cáustica. De acordo com a teoria, era esta cal apagada que os Romanos misturavam com a pozolana.

Mas, com base na análise do grupo, os clastos de cal observados não são compatíveis com esse processo. Em vez disso, o betão romano terá sido produzido ao misturar a cal viva directamente com a pozolana e água a temperaturas extremamente elevadas - por si só ou juntamente com cal apagada - num procedimento a que a equipa chamou “mistura a quente”, e que dá origem aos clastos de cal.

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

"Primeiro, quando o betão no seu conjunto é aquecido a temperaturas elevadas, permite químicas que não são possíveis se apenas se usar cal apagada, produzindo compostos associados a altas temperaturas que de outra forma não se formariam. Segundo, esta temperatura mais alta reduz significativamente os tempos de cura e de presa, uma vez que acelera todas as reacções, permitindo uma construção muito mais rápida."

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

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

Quando surgem fendas, estas tendem a propagar-se em direcção aos clastos de cal, que têm maior área superficial do que outras partículas na matriz. Se a água penetrar na fenda, reage com a cal e forma uma solução rica em cálcio que, ao secar, endurece sob a forma de carbonato de cálcio, “colando” a fissura e impedindo que se abra mais.

Este fenómeno já foi observado em betão de outro local com 2.000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde as fendas ficaram preenchidas com calcite. Também pode ajudar a explicar por que motivo o betão romano usado em paredões costeiros construídos há 2.000 anos permaneceu intacto durante milénios, apesar do embate constante do mar.

Para testar esta hipótese, a equipa produziu betão pozolânico com receitas antigas e modernas, recorrendo a cal viva. Em paralelo, preparou um betão de controlo sem cal viva e submeteu ambos a testes de fissuração. Como previsto, o betão com cal viva que tinha sido rachado ficou totalmente reparado em duas semanas, enquanto o betão de controlo permaneceu com a fenda.

Actualmente, o grupo está a trabalhar na comercialização desta formulação como uma alternativa mais amiga do ambiente face aos betões actuais.

"É entusiasmante pensar em como estas formulações de betão mais duráveis podem não só prolongar a vida útil destes materiais, como também melhorar a durabilidade de formulações de betão impressas 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.