O segredo do concreto pozolânico romano: resistência, “mistura a quente” e autocicatrização

Os antigos romanos se destacaram como construtores e engenheiros de primeira linha - e poucos exemplos são tão emblemáticos quanto os aquedutos que, em alguns casos, continuam funcionais até hoje. Por trás dessas obras impressionantes está um material de construção muito particular: o concreto pozolânico, notavelmente durável e responsável por grande parte da força das estruturas romanas.

Um caso ainda mais famoso é o Panteão, que permanece preservado e com quase 2.000 anos. Mesmo após tantos séculos, ele segue como referência por abrigar a maior cúpula do mundo feita de concreto não armado.

Concreto pozolânico: pozolana e cal - e a explicação que parecia suficiente

Durante muito tempo, as características extraordinárias desse concreto foram atribuídas, sobretudo, à combinação de ingredientes. A pozolana (ou pozzolana) é uma mistura de cinzas vulcânicas - chamada assim por causa da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um depósito importante desse material - usada em conjunto com cal. Em contato com água, esses componentes reagem e podem formar um concreto resistente.

Só que essa interpretação, ao que tudo indica, não contava a história inteira.

O que o MIT descobriu sobre a técnica romana (e por que isso muda tudo)

Um grupo internacional liderado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) concluiu que não apenas os materiais podem ser um pouco diferentes do que se imaginava, como também o método de preparo empregado pelos romanos parece ter sido outro.

O indício mais revelador foi a presença de pequenos fragmentos brancos de cal - verdadeiros “pedaços” dentro de um concreto que, à primeira vista, parece bem misturado. Por muito tempo, esses fragmentos foram tratados como sinal de mistura malfeita ou de insumos inferiores. Essa explicação, porém, não convenceu o cientista de materiais Admir Masic, do MIT.

“A ideia de que a presença desses fragmentos de cal era simplesmente atribuída a baixo controle de qualidade sempre me incomodou”, disse Masic em uma declaração de janeiro de 2023.

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

Amostras de 2.000 anos e a investigação dos fragmentos de cal

Masic e a equipe, liderada pela engenheira civil do MIT Linda Seymour, analisaram cuidadosamente amostras de concreto romano com cerca de 2.000 anos, coletadas no sítio arqueológico de Privernum, na Itália. Para entender melhor a origem e o papel desses fragmentos de cal, as amostras foram examinadas com:

• microscopia eletrônica de varredura em grande área;
• espectroscopia de raios X por dispersão de energia;
• difração de raios X em pó;
• imageamento Raman confocal.

Entre as questões centrais estava o tipo de cal usada na produção do concreto pozolânico.

Cal viva, cal hidratada e a “mistura a quente” no concreto pozolânico romano

A explicação tradicional sobre o concreto pozolânico pressupunha o uso de cal hidratada. Nesse modelo, o processo seria assim:

1. O calcário é aquecido a temperaturas elevadas, gerando um pó altamente reativo e cáustico chamado cal viva (óxido de cálcio).
2. Ao misturar cal viva com água, obtém-se a cal hidratada (hidróxido de cálcio), uma pasta menos reativa e menos cáustica.
3. Segundo a teoria, os romanos então combinariam essa cal hidratada com a pozolana.

A análise da equipe, no entanto, indicou que os fragmentos encontrados não são compatíveis com esse caminho como única explicação. A hipótese mais provável é que, em muitos casos, os romanos tenham misturado cal viva diretamente com a pozolana e água sob temperaturas muito altas - sozinha ou juntamente com cal hidratada. O grupo chamou esse procedimento de “mistura a quente”, e ele explicaria o surgimento dos fragmentos de cal.

Masic resumiu os ganhos dessa técnica em dois pontos:

“Os benefícios da mistura a quente são duplos.

Primeiro, quando o concreto como um todo é aquecido a altas temperaturas, isso permite reações 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, esse aumento de temperatura reduz significativamente os tempos de cura e de pega, já que todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida.”

Autocicatrização: como os fragmentos de cal “costuram” as fissuras

Além de acelerar a cura e formar compostos diferentes, os fragmentos de cal oferecem outro efeito valioso: capacidade de autocicatrização.

Quando surgem fissuras no concreto, elas tendem a se propagar preferencialmente até esses fragmentos, que possuem maior área de superfície do que outras partículas na matriz. Ao penetrar na fissura, a água reage com a cal e gera uma solução rica em cálcio. Com o tempo, essa solução seca e endurece na forma de carbonato de cálcio, “colando” a fissura e impedindo que ela avance.

Esse comportamento já foi observado em um segundo sítio com cerca de 2.000 anos, a Tumba de Cecília Metela, onde fissuras no concreto aparecem preenchidas por calcita. A mesma lógica também ajuda a entender por que concretos romanos usados em paredões costeiros construídos há 2.000 anos resistiram por milênios, apesar do impacto contínuo do mar.

Testes com receitas antigas e modernas: a fissura some em duas semanas

Para verificar a hipótese, a equipe produziu concreto pozolânico inspirado em receitas antigas e modernas, usando cal viva. Também preparou um concreto de referência sem cal viva e aplicou testes de fissuração.

O resultado foi claro: o concreto com cal viva, mesmo depois de fissurado, ficou totalmente recuperado em duas semanas. Já o concreto de referência permaneceu fissurado.

Caminho para o mercado: um concreto mais durável e com potencial ambiental

Com os resultados em mãos, o time passou a trabalhar na comercialização da formulação como uma alternativa mais amigável ao meio ambiente em relação a 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 poderiam melhorar a durabilidade de formulações de concreto impressas em 3D”, afirmou Masic.

Na prática, aumentar a durabilidade tem impacto direto na sustentabilidade: estruturas que duram mais exigem menos reparos, menos substituições e menos consumo de matérias-primas ao longo do tempo. Em obras expostas a ambientes agressivos - como zonas costeiras e infraestruturas sujeitas a infiltração - a autocicatrização pode reduzir a frequência de intervenções e o desperdício associado a manutenção corretiva.

Também há um aspecto de transferência tecnológica: para que um concreto inspirado em técnicas romanas se torne comum em aplicações modernas, ele precisa ser adaptado a rotinas industriais, controle de qualidade e requisitos técnicos contemporâneos, incluindo padrões de desempenho e durabilidade adotados por normas e especificações locais.

Publicação

A pesquisa foi publicada na revista Avanços da Ciência.

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