Capacità autorigenerante e resistenza millenaria, un nuovo studio svela le proprietà nascoste e inaspettate del cemento romano.
Non poi così raramente ci si è chiesti come mai il Colosseo oppure il Pantheon siano ancora in condizioni ottimali, nonostante i millenni sulle spalle, mentre alcune strutture moderne cedono anche solo dopo pochi decenni. L’ingegneria e l’architettura hanno fatto passi da gigante e continuano ad evolversi, tuttavia ci sono edifici antichi, la cui resistenza non ha proprio nulla da invidiare alle nuove tecnologie. Finalmente, dopo tanto tempo, la scienza ci svela l’insospettato ingrediente che conferirebbe al cemento romano tale incredibile resistenza.
Lo studio
Pubblicato su Science Advances, ha visto la collaborazione di ricercatori del MIT, dell’Università di Harvard e di alcuni laboratori in Italia e Svizzera. Nel tentativo di risolvere l’enigma, il team si è focalizzato sulla composizione chimica della malta utilizzata dai Romani. Il chimico Admir Masic, insieme ai suoi collaboratori, ha analizzato campioni di cemento romano prelevati dalla cinta muraria a Privernum (Roma), proprio con l’obiettivo di studiare i depositi di calcio incorporati nella struttura.
Il cemento romano
Utilizzato già dagli Egizi, il calcestruzzo romano era composto da una serie di elementi, quali tufo vulcanico e aggregati grossolani, legati insieme da una particolare malta. Quest’ultima, fatta di calce e materiali pozzolanici, aveva proporzioni diverse dei vari materiali, a seconda dell’applicazione prevista. Ad esempio, l’impiego su strutture idriche richiedeva la miscela di acqua e calce con silicati e alluminosilicati reattivi, in modo da formare idrati cementizi.
Malte idrauliche
Nel 2017, un altro importante studio svelò come i Romani avessero ottenuto una calce viva da idratare con acqua. La sua particolare composizione, fatta anche di minerali alluminosi (es. tobermorite e phillipsite ) conferiva maggiore durevolezza alle strutture adibite ad attività idrauliche. Inoltre, i ricercatori avevano scoperto una particolare interazione tra l’acqua di mare e il cemento romano, grazie alla quale venivano prodotti nuovi minerali particolarmente resistenti.
I risultati
Tramite l’utilizzo del microscopio SEM-EDS, il team ha analizzato i componenti della malta su scala centimetrica, millimetrica e submillimetrica. Dai risultati emerge una quantità prevalente di calcio, silicio e alluminio, ma sulle superfici fratturate è stata evidenziata una prevalenza di calcio. Nello specifico, questo materiale si concentra nel nucleo dei frammenti, mentre gli altri due minerali si trovano soprattutto sui margini.
L’utilizzo della microspettroscopia Raman ha permesso di rilevare le differenze compositive all’interno dei singoli campioni, in quanto i polimorfismi dei carbonati di calcio, aragonite e vaterite restituiscono spettri diversi. Se in passato si pensava che tali clasti di calce fossero “materie prime di scarsa qualità”, oggi il nuovo studio ne rivaluta completamente la funzione. Infatti, dall’analisi è chiara una loro formazione a temperature estreme, possibile solo tramite reazioni esotermiche. Tale evidenza ha infine suggerito al team l’ipotesi che il cemento romano venisse prodotto utilizzando calce viva e non spenta.
L”idea che la presenza di questi clasti calcarei fosse semplicemente attribuita a uno scarso controllo di qualità mi ha sempre infastidito.”
Dopo anni di ricerca le parole di Masic trovano un loro fondamento scientifico: i clasti spiegano l’incredibile resistenza delle strutture di epoca romana. In realtà, inizialmente si riteneva che l’incorporazione della calce nel calcestruzzo fosse preceduta da una combinazione della prima con l’acqua poiché, in questo modo, tramite un processo detto slaking, si creava un materiale pastoso molto reattivo. Tuttavia, una simile spiegazione non concorda con il ritrovamento di così tanti clasti di calce e infatti la verità è ben diversa.
Era possibile che i romani avessero effettivamente utilizzato direttamente la calce nella sua forma più reattiva, nota come calce viva?
Secondo lo studio del MIT, la miscela a caldo è la chiave per comprendere la natura così resistente del cemento romano. Infatti, questo processo permette di modificare le condizioni in cui i clasti di calce si trasformano nella malta, rendendola di fatto più duratura nel tempo. Inoltre, le alte temperature facilitano la formazione di un gradiente di idratazione intorno alla calce, impedendone la dissoluzione nella matrice.
Un duplice vantaggio
Nella miscelazione a caldo i clasti sviluppano un’architettura nanoparticellare tipicamente fragile, ma tuttavia capace di conferire al cemento una capacità unica di autoriparazione. Infatti, quando l’acqua penetra nelle crepe presenti nel calcestruzzo, il materiale reagisce con il liquido, producendo una sostanza satura di calcio che, indurendosi, diventa carbonato di calcio. Quest’ultimo può incollare nuovamente le fessure, così da impedirne un ulteriore ampliamento; in alternativa, il calcestruzzo reagisce anche con i materiali pozzolanici, conferendo nel complesso una maggiore robustezza alla struttura, peraltro in tempi rapidi.
L’altro vantaggio di questa tecnica è la produzione di composti altrimenti impossibili da trovare nella matrice, se venisse impiegata la calce spenta.
È emozionante pensare a come queste formulazioni di calcestruzzo più durevoli potrebbero espandere non solo la durata di questi materiali, ma anche come migliorare la durabilità delle formulazioni di calcestruzzo stampate in 3D.
Con l’obiettivo di comprovare le osservazioni fatte sui campioni di cemento romano, il team ha riprodotto in laboratorio tale materiale. Successivamente sono state meccanicamente create delle fratture sia sulla calce vecchia sia sulla nuova ottenendo, nel giro di due settimane, lo stesso risultato; invece i campioni di controllo, privi di calce, sono rimasti danneggiati.
Prospettive future
La produzione del cemento moderno ha degli effetti importanti anche sull’ambiente, poiché rilascia una quantità di CO2 pari al volume prodotto. Da tempo si cercano delle strategie mirate a ridurre queste emissioni, ma la domanda è talmente alta che, attualmente, nessuna soluzione è realmente efficace.
Tuttavia, quanto scoperto sul cemento romano potrebbe aiutare anche il problema ambientale in quanto, aumentando la durevolezza dei materiali, se ne potrebbe produrre di meno e più duraturi. Ad oggi, ogni anno 30 miliardi di tonnellate di cemento vengono prodotte, contribuendo per l’8% alle emissioni globali di anidride carbonica. Per queste ragioni, l’obiettivo di Masic è ora produrre un calcestruzzo resistente ed ecologico, che possa sostituire in futuro quello attuale.
Al momento i test di laboratorio hanno prodotto due materiali molto efficaci e potenzialmente commercializzabili. Se tutto questo diventasse realtà, potremmo definitivamente sostituire il calcestruzzo moderno, capace di riparare crepe massimo di 0,2 o 0,3 millimetri di diametro, con cemento romano, che ha sanato fratture fino a 0,6 millimetri di diametro.
Il tempo scrive sul Colosseo usando come penna la sua pietra.
Scrittura lentissima, quasi impercettibile, di un poema nato migliaia di anni fa.
