O betão romano autorreparável revela o segredo dos seus 2.000 anos

Os antigos romanos destacaram-se na construção e na engenharia, algo talvez mais visível nos aquedutos. Estas maravilhas, muitas das quais continuam operacionais, dependem de um material de construção singular: o betão pozolânico, um betão extraordinariamente resistente que conferiu às estruturas romanas a sua notável solidez.

Ainda hoje, uma das suas obras - o Panteão, que permanece intacto e tem quase 2.000 anos - detém o recorde da maior cúpula do mundo em betão não armado.

O betão pozolânico dos antigos romanos

As características deste betão têm sido normalmente explicadas pelos seus componentes: a pozolana, uma mistura de cinza vulcânica que recebeu o nome da cidade italiana de Pozzuoli, onde existe um importante depósito deste material, e a cal. Ao serem combinados com água, estes dois materiais podem reagir e formar um betão resistente.

Contudo, afinal, essa não é toda a explicação. Em 2023, uma equipa internacional de investigadores liderada pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT) concluiu que tanto os materiais como as técnicas de mistura eram ligeiramente diferentes do que se pensava.

A principal pista eram pequenos fragmentos brancos de cal, encontrados num betão que, de resto, parece estar bem misturado. Anteriormente, a existência destes pedaços era atribuída a uma mistura deficiente ou a materiais de fraca qualidade, uma explicação que não convencia o cientista dos materiais Admir Masic, do MIT.

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

"Se os romanos se esforçaram tanto para criar um material de construção excecional, seguindo todas as receitas detalhadas que foram otimizadas ao longo de muitos séculos, porque é que dedicariam tão pouco esforço a assegurar 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, recolhidas no sítio arqueológico de Privernum, em Itália.

Para compreenderem melhor os clastos de cal, as amostras foram submetidas a microscopia eletrónica de varrimento de grande área, espetroscopia de raios X por dispersão de energia, difração de raios X de pós e imagiologia Raman confocal.

A mistura a quente e os fragmentos de cal

Uma das questões centrais era a natureza da cal utilizada. A explicação convencional para o betão pozolânico defende o uso de cal apagada. Primeiro, o calcário é aquecido a temperaturas elevadas para produzir um pó cáustico e muito reativo, conhecido como cal viva ou óxido de cálcio.

Ao misturar-se a cal viva com água, obtém-se cal apagada, ou hidróxido de cálcio: uma pasta menos reativa e menos cáustica. Segundo a teoria, era esta cal apagada que os antigos romanos combinavam com a pozolana.

Com base na análise da equipa, os clastos de cal das amostras não correspondem a esse método. Em vez disso, o betão romano terá sido provavelmente produzido através da mistura direta de cal viva com pozolana e água a temperaturas extremamente elevadas, isoladamente ou em complemento da cal apagada. A equipa designou este processo por “mistura a quente”, responsável pela formação dos clastos de cal.

"As vantagens da mistura a quente são duplas", explicou Masic.

"Em primeiro lugar, quando todo o betão é aquecido a temperaturas elevadas, permite reações químicas impossíveis se fosse usada apenas cal apagada, produzindo compostos associados a altas temperaturas que, de outro modo, não se formariam. Em segundo lugar, este aumento de temperatura reduz significativamente os tempos de cura e de presa, pois todas as reações são aceleradas, permitindo uma construção muito mais rápida."

A capacidade de autorreparação do betão romano

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

Quando surgem fissuras no betão, estas tendem a propagar-se em direção aos clastos de cal, cuja área superficial é superior à das restantes partículas da matriz. Quando a água penetra na fenda, reage com a cal e cria uma solução rica em cálcio, que seca e endurece sob a forma de carbonato de cálcio, selando novamente a fissura e impedindo que continue a alastrar.

Este fenómeno foi observado no betão de outro local com 2.000 anos, o Túmulo de Cecília Metela, onde as fendas do betão foram preenchidas por calcite. Também poderá explicar porque é que o betão romano de paredões marítimos construídos há 2.000 anos se manteve intacto durante milénios, apesar do embate constante do oceano.

A equipa testou então as suas conclusões, produzindo betão pozolânico segundo receitas antigas e modernas com cal viva. Criou igualmente um betão de controlo sem cal viva e realizou testes de fissuração. Como esperado, o betão com cal viva que apresentava fissuras ficou totalmente reparado em duas semanas, enquanto o betão de controlo continuou fissurado.

A equipa está agora a trabalhar na comercialização do seu betão como uma alternativa mais ecológica aos betões atuais.

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

A investigação foi publicada na revista Science Advances.

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