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Los nuevos estudios del hormigón antiguo podían enseñarnos a hacer como Romans Did

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Una nueva mirada dentro del hormigón de 2.000 años -- hecho de la ceniza volcánica, de la cal (el producto de la piedra caliza cocida), y del agua de mar -- ha proporcionado las nuevas pistas a la química de desarrollo y a los cementos minerales que permiten que las estructuras antiguas del puerto soporten la prueba del tiempo. La investigación también ha inspirado una caza para la receta original de modo que los fabricantes concretos modernos puedan hacer como lo hicieron los romanos.

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Un equipo de investigadores que trabajaban en el Ministerio de Lawrence Berkeley National Laboratory de la Energía (Berkeley Lab) utilizó radiografías para estudiar muestras de hormigón romano - de sitios de un embarcadero antiguo y del rompeolas - en las escalas microscópicas para aprender más sobre el maquillaje de sus cementos minerales.

El trabajo anterior en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab (ALS), un centro del equipo de investigación de la radiografía conocido como sincrotrón, encontró que los cristales de la tobermorita aluminosa, un mineral acodado, desempeñaron un papel dominante en fortalecer el hormigón mientras que crecieron en partículas de la cal del residuo. El nuevo estudio, publicado en mineralogista americano, está ayudando a investigadores a juntar cómo y donde este mineral formado durante la larga historia de las estructuras concretas.

El trabajo podría llevar en última instancia a una adopción más amplia de las técnicas de fabricación concretas con consecuencias para el medio ambiente menos que los procesos de fabricación modernos del cemento Portland, que requieren los hornos des alta temperatura. Éstos son un contribuidor significativo a las emisiones industriales del dióxido de carbono, que añaden a la acumulación de los gases de efecto invernadero en la atmósfera de tierra.

También, los investigadores sugieren que una receta reformulada para el hormigón romano se podría probar para los usos tales como malecones y otras estructuras del océano-revestimiento, y pueden ser útiles para salvaguardar desechos peligrosos.

“En el ALS trazamos las microestructuras minerales del cemento,” dijo Marie Jackson, una geología y al profesor de la investigación de la geofísica en la universidad de Utah que llevó el estudio. “Podemos identificar los diversos minerales y las secuencias intrigantamente complejas de cristalización en la escala del micrón.”

Jackson dijo que cal (también conocida como el óxido de calcio, o CaO) - expuesto al agua de mar en la mezcla concreta romana - reaccionada probablemente a fondo con la ceniza volcánica temprano en la historia de las estructuras masivas del puerto. Los estudios anteriores mostraron cómo la tobermorita aluminosa cristalizada en los remanente de la cal durante un período de temperatura elevada.

Los nuevos hallazgos sugieren que después de que la cal fuera consumida vía estas reacciones químicas puzolánicas (nombradas tan para la ceniza volcánica encontrada en el Pozzuoli, o Nápoles, región de Italia), un nuevo período de crecimiento mineral comenzaron.

El nuevo crecimiento de la tobermorita aluminosa se asocia a menudo a los cristales del phillipsite, otro mineral. Los minerales forman las fibras y las placas finas que hacen el hormigón más resistente y menos susceptible para fracturar en un cierto plazo. Pueden explicar una observación antigua por el científico romano Pliny que la anciano, que opinó que el hormigón, “tan pronto como entre en el contacto con las ondas del mar y se sumerja, hace una sola masa de piedra, inexpugnable las ondas y cada día a más fuertes.”

De hecho, los romanos confiaron en la reacción de una mezcla de la roca volcánica con agua de mar para producir los nuevos cementos minerales. En casos raros, los volcanes subacuáticos, tales como el volcán de Surtsey en Islandia, producen los mismos minerales encontrados en el hormigón romano.

“Contrario a los principios de hormigón cemento-basado moderno,” Jackson dijo, “los romanos crearon a roca-como el hormigón que prospera en intercambio químico abierto con agua de mar.”

La receta romana antigua es muy diferente que la moderna para el hormigón, Jackson observó. La mayoría del hormigón moderno es una mezcla del cemento Portland - piedra caliza, piedra arenisca, ceniza, tiza, hierro, y arcilla, entre otros ingredientes, calentó para formar un material vidrioso que es molido finamente - mezclada con los supuestos “agregados.” Éstos son los materiales tales como arena o piedra machacada que no se piensan químicamente para reaccionar. Si las reacciones ocurren en estos agregados, pueden causar extensiones indeseadas en el hormigón.

Para entender los procesos químicos a largo plazo que ocurrieron en las estructuras romanas, los investigadores utilizaron ligeramente, las rebanadas pulidas del hormigón con un microscopio electrónico en Alemania para trazar la distribución de elementos en las microestructuras minerales.

Juntaron estos análisis con una técnica en el ALS de Berkeley Lab conocido como microdiffraction de la radiografía, y una técnica en Uc Berkeley conocido como espectroscopia de Raman, para aprender más sobre la estructura de cristales en las muestras.

Nobumichi Tamura, científico del personal del ALS, dijo que el beamline de la radiografía donde las muestras concretas romanas fueron estudiadas puede producir los haces enfocados a cerca de 1 micrón, o 1 milésimos de una pulgada, “que es útil para identificar cada especie mineral y trazar su distribución.” El haz casi es cientos veces más pequeño que lo que se puede encontrar en un laboratorio convencional. La técnica de la radiografía mide una señal media de muchos granos minerales minúsculos, proporcionando la recopilación de datos de alta resolución y rápida.

“Podemos entrar los laboratorios naturales minúsculos en el hormigón, el mapa los minerales que están presentes, la sucesión de los cristales que ocurren, y sus propiedades cristalográficas. Ha estado asombrando cuál hemos podido encontrar,” Jackson añadió. “Éste es un hormigón que crece al parecer los cementos minerales de la tobermorita aluminosa durante milenios.” El estudio sugiere que este proceso podría ser útil para las estructuras modernas del malecón, ella dijo, así como para embalar desperdicios de alto nivel adentro cemento-como las barreras que protegen el ambiente circundante.

Jackson está trabajando con un ingeniero geológico para redescubrir la receta compleja de los romanos para el hormigón. Ella está mezclando el agua de mar del San Francisco Bay y roca volcánica de los Estados Unidos occidentales para encontrar la fórmula correcta, y también está llevando un proyecto de perforación científico para estudiar la producción de compuestos minerales de la tobermorita en el volcán de Surtsey en Islandia.

Ya, un número creciente de fabricantes concretos está explorando el uso de la roca volcánica y los procesos menos intensivos en energía, Jackson dijo, que podría ser un provechoso para ambas partes para la industria y el ambiente.

La industria concreta es grande en los Estados Unidos, con las ventas valoradas aproximadamente $50 mil millones en 2015. La producción de cemento Portland - el tipo lo más comúnmente posible producido de la nación del cemento - ascendió a cerca de 80,4 millones de toneladas en 2015, según el estudio geológico de los E.E.U.U., o áspero al peso de cerca de 90 puentes Goldenes Gate o de 12 Presas Hoover.

Para que las recetas concretas romanas ganen más tracción, Jackson dijo, las estructuras de la prueba serán necesarias evaluar las propiedades a largo plazo de las estructuras marinas construidas con la roca volcánica y medir cómo apilan para arriba contra las propiedades del hormigón acero-reforzado, por ejemplo.

“Pienso que la gente no sabe realmente pensar en un material que no tenga refuerzo de acero,” ella dijo.