Roman Mortars used in the archaeological sites in Spain and Turkeya comparative study and the design of repair mortars

Resumen

La calidad de los morteros romanos destaca, por lo general, por su alta durabilidad habiendo llegado, después de haber estado puesto más de dos milenios en obra, en muy buenas condiciones de conservación. La caracterización de estos morteros nos va a permitir entender su comportamiento y establecer las pautas para nuevos diseños de morteros que aproximen sus propiedades a las de los morteros romanos. El área de investigación en ciencias del patrimonio cultural ha descubierto hace tiempo estas buenas cualidades del mortero romano y el número de estudios de caso en yacimientos arqueológicos está aumentando día a día, sin embargo existe una carencia dentro de los estudios comparativos. Se supone que incluso si el clima, el desarrollo histórico-cultural y las construcciones son similares en los dos extremos del Mediterráneo dentro del Imperio Romano, la materia prima obtenida en el entorno geológico del yacimiento o importada de otras áreas tiene una importancia en la apariencia, durabilidad y funcionalidad de los morteros. En consecuencia, los morteros de reparación preparados utilizando las materias primas originales y las dosificaciones con los morteros romanos pueden ser o no ser compatibles en gran medida dependiendo de las condiciones de curado que juegan un papel importante cuando si se tiene en cuenta la carbonación lenta. En esta tesis doctoral se realiza la comparación de los morteros de dos yacimientos romanos en España y otros dos yacimientos en Turquía, es decir, los extremos occidental y oriental del Imperio Romano Mediterráneo. Se realiza, además, un estudio innovador en el diseño de mortero de reparación utilizando los conocimientos adquiridos a través de su caracterización y controlando los procesos de carbonatación que experimentan estos morteros con el paso del tiempo. En el estudio comparativo se caracterizaron morteros romanos de Complutum y Mérida de España y de Nysa y Labraunda de Turquía que se remontan a un periodo comprendido entre el siglo 1º a.C y el siglo 4º d. C. Los morteros se examinaron en dos grupos según la inclusión cerámica: opus caementicium y opus signinum. De esta forma se pretende definir las variaciones en la tecnología de elaboración entre estas dos regiones. Las muestras se analizaron mediante Microscopía óptica polarizada (POM), Difracción de rayos X (XRD), Análisis termogravimétrico (TGA-DSC), Fluorescencia de rayos X (XRF), Espectrofotometría de color, Dureza de superficie (Equotip), Porosimetría por intrusión de mercurio (MIP), partes ácido solubles/insolubles y distribución del tamaño de los agregados. Las composiciones de mortero en Complutum y Mérida son diferentes, al contrario de la homogeneidad encontrada en los morteros Nysa cuya composición es muy similar y muy diferentes a los del yacimiento de Labraunda . La mayoría de los morteros tienen propiedades hidráulicas incluso a veces no relacionadas con su función. En Turquía, entre las materias primas las arenas más arcillosas o los fragmentos de roca triturada del origen metamórficos y/o volcánicos, que incluyen también proporciones altas de feldespato y de mica, dan efecto puzolánico medio-alto. Los resultados de esta investigación doctoral demuestran que en los dos extremos del Imperio Romano Mediterráneo se utilizaba la materia prima del entorno, no existiendo conexión en las técnicas de elaboración, además de que la calidad de los morteros recogidos en cada yacimiento es diferente. A partir de estos estudios se han podido determinar las diferencias tecnológicas en la elaboración de los morteros en ambas partes del Mediterráneo y también ha permitido proporcionar información de composición de los diferentes morteros en cada edificio del yacimiento lo que ha permitido establecer diferentes fases constructivas o asignar diferentes edificios en una fase de construcción determinada de las ciudades romanas. En la segunda parte de la tesis, se prepararon diferentes morteros de reparación basados en el conocimiento empírico adquirido en la primera parte. Con el fin de estimular el proceso de carbonatación, se aplicaron dos métodos innovadores; curado en la cámara climática con una atmósfera de CO2 relativamente más alta y aplicación de un agente acelerante de la carbonatación por medio de espray. Las muestras curadas se compararon con las muestras de control que se curaron en las condiciones de laboratorio y se evaluaron en 28, 90, 120 y 180 días de carbonatación. Para la valoración de sus cualidades se realizaron análisis de microscopía óptica de polarización, Microscopía Electrónica de Barrido, Espectroscopía Raman, Difracción de Rayos X (XRD), Análisis Termogravimétrico (TGA) reacción de Fenolftaleína, Espectrofotometría de Color, Porosimetría de Intrusión de Mercurio (MIP), Resistencia a la Flexión y Compresión, Dureza de Superficie (Equotip), permeabilidad al aire, velocidad del pulso ultrasónico (UPV), saturación y absorción de agua capilar. Los morteros curados en la cámara climática mostraron carbonatación avanzada, encontrándose al final del estudio casi totalmente carbonatados. Se observó la formación incipiente de calcita solo en los morteros que se curaron en la cámara. La profundidad de carbonatación fue mayor en los morteros sin cerámica, sin embargo los morteros con cerámica tuvieron más alto nivel de carbonatación y mejor rendimiento. Pero debido a la rapidez de este proceso se produjeron grietas y se formaron cristales de hábito irregular que provocaron una disminución repentina en las propiedades. La aplicación de productos que favorecen la aceleración del proceso de carbonatación mostró la presencia de nuevas fases cristalinas en los morteros con cerámica. Sin embargo, en los morteros con contenido cerámico que respondieron mejor a las pruebas de valorización también se produjeron fisuras en su aglomerante. En todos los casos, los morteros que se utilizaron con cerámica mostraron una microestructura más compacta y una carbonatación más estable. Los productos de reacción puzolánica no pudieron detectarse debido a las bajas condiciones de humedad relativa y/o a la baja actividad puzolánica de los ladrillos y tejas romanas utilizadas. Al tener aspectos petrográficos similares, los nuevos morteros preparados y los morteros romanos mostraron una buena compatibilidad física y química; sin embargo las propiedades mecánicas no mejoraron, por tanto sería necesario mejorar esta propiedad disminuyendo la cantidad de cerámica en los morteros. Si bien los morteros carbonatados en la cámara ha obtenido unos resultados de carbonatación óptima, la aparición de grietas así como la dificultad de utilizar este método en el campo hace que nos inclinemos por el uso del acelerante, recomendando la reducción en la proporción de cerámica utilizada y el curado en un ambiente más húmedo.