Gli antichi romani erano maestri dell’ingegneria e costruirono vaste reti di strade, acquedotti, porti e imponenti edifici, i cui resti sono sopravvissuti per due millenni. Molte di queste strutture furono costruite con il calcestruzzo: Il famoso Pantheon di Roma, che ha la cupola in cemento non armato più grande del mondo ed è stato dedicato nel 128 d.C., è ancora intatto, e alcuni antichi acquedotti romani forniscono acqua a Roma ancora oggi. Nel frattempo, molte strutture moderne in calcestruzzo si sono sgretolate dopo pochi decenni. I ricercatori hanno trascorso decenni a cercare di scoprire il segreto di questo antico materiale da costruzione ultraresistente, in particolare per le strutture che hanno sopportato condizioni particolarmente difficili, come moli, fognature e muri, o quelle costruite in luoghi sismicamente attivi. Ora, un team di ricercatori del MIT, dell’Università di Harvard e di laboratori in Italia e in Svizzera, ha fatto progressi in questo campo, scoprendo antiche strategie di fabbricazione del calcestruzzo che incorporavano diverse funzionalità chiave di auto-riparazione. I risultati sono pubblicati sulla rivista Science Advances.
Il segreto sta nei granuli di calce
Per molti anni, i ricercatori hanno ipotizzato che la chiave della durabilità del calcestruzzo antico si basasse su un ingrediente: materiale, come la cenere vulcanica, proveniente dalla zona di Pozzuoli, sul Golfo di Napoli. Questo tipo specifico di cenere veniva addirittura spedito in tutto il vasto Impero Romano per essere utilizzato nelle costruzioni e, nei resoconti di architetti e storici dell’epoca, veniva descritto come un ingrediente chiave per il calcestruzzo. Ad un esame più attento, questi antichi campioni contengono anche piccoli e caratteristici elementi minerali bianchi su scala millimetrica, da tempo riconosciuti come una componente onnipresente dei calcestruzzi romani. Questi pezzi bianchi, spesso chiamati “clasti di calce“, provengono dalla calce, un altro componente chiave dell’impasto dell’antico calcestruzzo. “Da quando ho iniziato a lavorare con il calcestruzzo romano antico, sono sempre stato affascinato da queste caratteristiche”, afferma uno degli autori della ricerca. “Non si trovano nelle formulazioni moderne di calcestruzzo, quindi perché sono presenti in questi materiali antichi?”.
Precedentemente questa miscelazione del calcestruzzo con i microgranuli era stata erroneamente classificata come miscelazione approssimativa o un mix di materie prime di scarsa qualità, il nuovo studio suggerisce, invece, che questi minuscoli granuli di calce hanno conferito al calcestruzzo una capacità di auto-riparazione precedentemente non riconosciuta. “L’idea che la presenza di questi clasti di calce fosse semplicemente attribuita a un basso controllo di qualità non ci ha ai convinto”, affermano gli autori. “Se i Romani si sono impegnati così tanto per produrre un materiale da costruzione eccezionale, seguendo tutte le ricette dettagliate che erano state ottimizzate nel corso di molti secoli, perché avrebbero dovuto impegnarsi così poco per garantire la produzione di un prodotto finale ben miscelato?”.
Dopo un’ulteriore caratterizzazione dei clasti di calce, utilizzando tecniche di imaging multiscala ad alta risoluzione e di mappatura chimica, i ricercatori hanno acquisito nuove conoscenze sulla potenziale funzionalità di questi clasti di calce. Storicamente, si è ipotizzato che quando la calce veniva incorporata nel calcestruzzo romano, veniva prima combinata con l’acqua per formare un materiale pastoso altamente reattivo, in un processo noto come slaking. Ma questo processo da solo non poteva spiegare la presenza dei clasti di calce. “È possibile che i Romani abbiano usato direttamente la calce nella sua forma più reattiva, nota come calce viva?” si sono quindi chiesti i ricercatori.
La rigenerazione per riempire le fessure
Studiando campioni di questo antico calcestruzzo, il team ha determinato che le inclusioni bianche erano effettivamente costituite da varie forme di carbonato di calcio. L’esame spettroscopico ha fornito indizi sul fatto che si sono formate a temperature estreme, come ci si aspetterebbe dalla reazione esotermica prodotta dall’uso della calce viva al posto della calce spenta o in aggiunta ad essa nell’impasto. La miscelazione a caldo, ha concluso il team, è stata in realtà la chiave della natura super resistente.
“I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici”, spiega Masic. “In primo luogo, quando il calcestruzzo nel suo complesso viene riscaldato ad alte temperature, si creano delle chimiche che non sarebbero possibili se si usasse solo calce spenta (calce spenta è idrossido di calcio e si distingue nettamente dalla calce viva che è ossido di calcio. Entrambe si producono dalla selezione di pietre calcaree proveniente dalle cave. Quando la calce viene riscaldata subisce una decomposizione termica e diventa calce viva) producendo composti associati ad alte temperature che altrimenti non si formerebbero. In secondo luogo, l’aumento della temperatura riduce significativamente i tempi di maturazione e di presa, poiché tutte le reazioni sono accelerate, consentendo una costruzione molto più rapida“. Durante il processo di miscelazione a caldo, i clasti di calce sviluppano un’architettura nanoparticellare caratteristica, creando una fonte di calcio facilmente fratturabile e reattiva che, come proposto dal team, potrebbe fornire una funzionalità critica di auto-riparazione. Non appena iniziano a formarsi piccole crepe all’interno del calcestruzzo, queste possono attraversare preferenzialmente i clasti di calce in superficie. Questo materiale può reagire con l’acqua, creando una soluzione satura di calcio, che può ricristallizzare come carbonato di calcio e riempire rapidamente la fessura, oppure reagire con materiali pozzolanici (I materiali a comportamento pozzolanico o ad attività pozzolanica sono sostanze naturali o sottoprodotti industriali) per rafforzare ulteriormente il materiale composito. Queste reazioni avvengono spontaneamente e quindi guariscono automaticamente le crepe prima che si diffondano. Un precedente supporto a questa ipotesi è stato trovato attraverso l’esame di altri campioni di calcestruzzo romano che presentavano fessure riempite di calcite.
La prova del nove
Per dimostrare che questo era effettivamente il meccanismo responsabile della durata del calcestruzzo romano, il team ha prodotto campioni di calcestruzzo impastato a caldo che incorporavano formulazioni antiche e moderne, li ha volutamente spaccati e poi ha fatto scorrere acqua attraverso le crepe. Nel giro di due settimane le fessure erano completamente riparate e l’acqua non poteva più scorrere. Un pezzo identico di calcestruzzo realizzato senza calce viva non si è mai auto-riparato e l’acqua ha continuato a scorrere attraverso il campione. In seguito al successo di questi test, il team sta lavorando per commercializzare questo materiale cementizio modificato.
“È emozionante pensare a come queste formulazioni di cemento più durevoli possano espandere non solo la durata di questi materiali, ma anche come possano migliorare la durata delle formulazioni di cemento stampate in 3D”, afferma uno degli autori.
Grazie all’estensione della durata funzionale e allo sviluppo di forme di calcestruzzo più leggere, si spera che questi sforzi possano contribuire a ridurre l’impatto ambientale della produzione di cemento, che attualmente è responsabile di circa l’8% delle emissioni globali di gas serra. Insieme ad altre nuove formulazioni (come il calcestruzzo in grado di assorbire l’anidride carbonica dall’aria, altro obiettivo di ricerca del laboratorio), questi miglioramenti potrebbero contribuire a ridurre l’impatto del calcestruzzo sul clima globale.
