La tumba de Cecilia Metela revela los secretos de la resistencia del hormigón romano

A la izquierda, la tumba de Cecilia Metela en Roma | foto Livioandronico2013 en Wikimedia Commons

Con el tiempo el hormigón se agrieta y se desmorona. Bueno, la mayoría del hormigón se agrieta y se desmorona. Las estructuras construidas en la antigua Roma siguen en pie, mostrando una notable durabilidad a pesar de las condiciones que devastarían el hormigón moderno.

Una de estas estructuras es la gran tumba cilíndrica de la noble del siglo I a.C. Cecilia Metela. Una nueva investigación muestra que la calidad del hormigón de su tumba puede superar la de los monumentos de sus contemporáneos masculinos debido al agregado volcánico que eligieron los constructores y a las inusuales interacciones químicas con la lluvia y el agua subterránea con ese agregado durante dos milenios.

Otra vista de la tumba de Cecilia Metela | foto indeciso42 en Wikimedia Commons

La construcción de este innovador y robusto monumento y punto de referencia en la Via Apia indica que se le tenía un gran respeto, dice Marie Jackson, profesora asociada de investigación de geología y geofísica en la Universidad de Utah, y el tejido de hormigón 2.050 años después refleja una presencia fuerte y resistente. La investigación se publicó en el Journal of the American Ceramic Society .

¿Quién era Cecilia Metela?

La tumba de Cecilia Metela es un punto de referencia en la antigua vía romana conocida como la Vía Apia. Consiste en una torre con forma de tambor que se asienta sobre una base cuadrada, en total de unos 21 metros de altura y 29 metros de diámetro. Construida hacia el año 30 a.C., en la transición de la República Romana en el Imperio Romano dirigido por el emperador Augusto, la tumba está considerada como uno de los monumentos mejor conservados de la Vía Apia (en el siglo XIV se construyó un castillo adosado a la tumba).

Hormigón revestido de ladrillo del corredor de la tumba de Cecilia Metela | foto Marie Jackson

La propia Cecilia era miembro de una familia rica, hija de un cónsul romano. Era nuera de Marco Licinio Craso, un general y estadista romano que formó una famosa alianza de triunvirato con Julio César y Pompeyo.

No se sabe mucho más sobre la vida de Cecilia, pero la magnitud duradera de su tumba ha llamado la atención de los visitantes durante siglos, incluido Lord Byron, que escribió sobre la tumba en La peregrinación de Childe Harold a principios del siglo XIX. Después de describir la estructura en forma de fortaleza, Byron se pregunta:

¿Qué tesoro yacía tan encerrado, tan escondido? La tumba de una mujer

Jackson visitó la tumba en 2006 con la arqueóloga Dottoressa Lisa Gianmichele y con un permiso de la Soprintendenza Archeologia di Roma para recoger pequeñas muestras del mortero para su análisis. Era un día muy caluroso de junio, dice, pero cuando bajamos los escalones hasta el corredor sepulcral el aire se volvió muy fresco y húmedo. Observó los muros de mampostería de ladrillo compactos, cohesionados y casi perfectamente conservados, y el afloramiento de roca volcánica casi saturada de agua en la subestructura. El ambiente era muy tranquilo, añade, salvo por el revoloteo de las palomas en el centro abierto de la estructura circular.

¿Qué es el hormigón romano?

Antes de entrar en detalles, orientémonos en la terminología del hormigón. Si se camina por cualquier acera, se verá que el hormigón está hecho de un agregado (arenas y gravas de roca) y un aglutinante de cemento. El cemento de una acera moderna es probablemente cemento Portland, que se produce calentando piedra caliza y minerales de arcilla en un horno y añadiendo una pequeña cantidad de yeso.

La tumba es un ejemplo de las refinadas tecnologías de construcción con hormigón de la Roma tardorrepublicana que no contienen cemento. Estas tecnologías fueron descritas por el arquitecto Vitruvio en la época en que se estaba construyendo la tumba de Cecilia Metela. La construcción de gruesos muros de ladrillos o agregados de roca volcánica unidos con mortero hecho con cal hidratada y tefra volcánica (fragmentos porosos de vidrio y cristales procedentes de erupciones explosivas), daría lugar a estructuras que durante un largo periodo del tiempo no se derrumban.

Lava sobre la tefra volcánica en la subestructura de la tumba | foto Marie Jackson

Las palabras de Vitruvio se demuestran ciertas por las numerosas estructuras romanas que se mantienen en pie hoy en día, como los mercados de Trajano (construidos entre el 100 y el 110 de nuestra era, más de un siglo después de la tumba) y las estructuras marinas, como los muelles y los rompeolas, que Jackson y sus colegas también han estudiado.

Sin embargo, lo que los antiguos romanos no podían saber es cómo los cristales del mineral leucita, rico en potasio, en el agregado de tefra volcánica se disolverían con el tiempo para remodelar y reorganizar beneficiosamente la cohesión del hormigón.

Para entender la estructura mineral del hormigón, Jackson se asoció con los investigadores Linda Seymour y Admir Masic, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, y Nobumichi Tamura, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Profundizaron en la microestructura del hormigón con una serie de potentes herramientas científicas.

Las muestras como el mortero antiguo son muy heterogéneas y complejas, ya que están formadas por una mezcla de diferentes fases cristalinas con tamaños de grano que van desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos nanómetros, dice Tamura.

Seymour, que participó en este estudio como estudiante de doctorado en el MIT y ahora es consultor de proyectos en la empresa de ingeniería Simpson, Gumpertz & Heger, realizó análisis adicionales en las muestras.

Cada una de las herramientas que utilizamos aportó una pista sobre los procesos en el mortero, afirma. La microscopía electrónica de barrido mostró las microestructuras de los bloques de construcción del mortero a escala de micras. La espectrometría de rayos X de dispersión de energía mostró los elementos que componen cada uno de esos bloques de construcción. Esta información nos permite explorar rápidamente las distintas zonas del mortero, y podemos seleccionar los bloques de construcción relacionados con nuestras preguntas, explica. El truco, añade, es acertar con precisión en el mismo objetivo de bloques de construcción con cada instrumento cuando ese objetivo es sólo del ancho de un cabello.

¿Por qué el hormigón de la tumba de Cecilia es tan singular?

En los gruesos muros de hormigón de la tumba de Cecilia Metela, un mortero que contiene tefra volcánica procedente del cercano flujo piroclástico de Pozzolana Rossa (una densa masa de tefra caliente y gases expulsados de forma explosiva desde el cercano volcán de los montes Albanos) une grandes trozos de ladrillo y agregados de lava. Se trata de un mortero muy parecido al utilizado en los muros de los Mercados de Trajano 120 años después.

En análisis anteriores del mortero de los Mercados de Trajano, Jackson, Tamura y sus colegas exploraron el «pegamento» del mortero, un bloque de construcción llamado fase de unión C-A-S-H (calcio-aluminio-silicato-hidrato), junto con un mineral llamado strätlingita. Los cristales de strätlingita bloquean la propagación de microfisuras en el mortero, impidiendo que se unan y fracturen la estructura del hormigón.

Imagen de microscopía electrónica de barrido del mortero de la tumba. La fase de unión C-A-S-H aparece de color gris mientras que las escorias volcánicas (y los cristales de leucita) aparecen de color gris claro | foto Marie Jackson

Pero la tefra que los romanos utilizaron para el mortero de la tumba de Cecilia Metela era más abundante en leucita, rica en potasio. Siglos de agua de lluvia y subterránea que se filtró por las paredes de la tumba disolvieron la leucita y liberaron el potasio en el mortero. En el hormigón moderno, esa inundación de potasio crearía geles expansivos que causarían microfisuras y eventualmente desconchados y deterioro de la estructura.

En la tumba, sin embargo, el potasio disolvió y reconfiguró la fase de unión C-A-S-H. Seymour dice que las técnicas de microdifracción de rayos X y espectroscopia Raman les permitieron explorar cómo había cambiado el mortero. Vimos dominios de C-A-S-H que estaban intactos después de 2.050 años y algunos que estaban divididos, difuminados o con una morfología diferente, dice. La microdifracción de rayos X, en particular, permitió analizar los dominios difusos hasta su estructura atómica. Vemos que los dominios difusos adquieren una naturaleza nanocristalina, afirma.

Los dominios remodelados evidentemente crean componentes robustos de cohesión en el hormigón, dice Jackson. En estas estructuras, a diferencia de los Mercados de Trajano, se forma mucha menos esträtlingita. Stefano Roascio, el arqueólogo encargado de la tumba, señala que el estudio tiene una gran relevancia para entender otras estructuras de hormigón antiguas e históricas que utilizan el agregado de Pozzolana Rossa.

Interior del sepulcro de la tumba de Cecilia Metela | foto Lalupa en Wikimedia Commons

Admir Masic, profesor asociado de ingeniería civil y medioambiental del MIT, afirma que la interfaz entre los áridos y el mortero de cualquier hormigón es fundamental para la durabilidad de la estructura. En el hormigón moderno, dice, las reacciones que forman geles expansivos pueden comprometer las interfaces incluso del hormigón más endurecido.

Resulta que las zonas interfaciales del antiguo hormigón romano de la tumba de Cecilia Metela evolucionan constantemente a través de una remodelación a largo plazo, afirma. Estos procesos de remodelación refuerzan las zonas interfaciales y contribuyen potencialmente a mejorar el rendimiento mecánico y la resistencia al fallo del material antiguo.

¿Podemos recrear ese efecto hoy en día?

Jackson y sus colegas están trabajando para replicar algunos de los éxitos de los romanos en los hormigones modernos, concretamente en un proyecto ARPA-e del Departamento de Energía de EEUU para fomentar agregados beneficiosos similares en hormigones que utilicen magmas celulares de ingeniería en lugar de la tefra de las antiguas estructuras romanas. El objetivo es que un hormigón similar al romano podría reducir en un 85% las emisiones energéticas de la producción e instalación del hormigón y mejorar cuatro veces la vida útil de 50 años de los hormigones marinos modernos.

Centrarse en el diseño de hormigones modernos con zonas interfaciales de refuerzo constante podría proporcionarnos otra estrategia para mejorar la durabilidad de los materiales de construcción modernos, afirma Masic. Hacerlo mediante la integración de la «sabiduría romana» probada en el tiempo proporciona una estrategia sostenible que podría mejorar la longevidad de nuestras soluciones modernas en órdenes de magnitud.


Fuentes

The University of Utah | Seymour, LM, Tamura, N, Jackson, MD, Masic, A. Reactive binder and aggregate interfacial zones in the mortar of Tomb of Caecilia Metella concrete, 1C BCE, Rome. J Am Ceram Soc. 2021; 1– 16. doi.org/10.1111/jace.18133