Da una tomba romana di 2.050 anni fa gli spunti sull'antica resilienza del cemento

Anche se è stato oggetto di una continua evoluzione è possibile ancora oggi poter conoscere meglio le proprietà e le caratteristiche di un calcestruzzo attraverso lo studio del comportamento di opere costruite centinaia e centinaia di anni fa, come quelle realizzate in epoca romana. In questi ambiti scopriamo infatti ancora tante strutture che sono ancora in piedi, mostrando una notevole durabilità nonostante le condizioni che distruggerebbero il calcestruzzo moderno.

Studiare il calcestruzzo della grande tomba di Caecilia Metella

Una struttura particolare è la grande tomba cilindrica della nobildonna Caecilia Metella del I secolo.

Una nuova ricerca di scienziati del MIT  e pubblicata sul Journal of the American Ceramic Society mostra che la qualità del cemento di questo grande monumento funerario può superare quella di opere contemporanee a causa dell'aggregato vulcanico scelto dai costruttori e delle insolite interazioni chimiche con la pioggia e acque sotterranee che si accumulano nell'arco di due millenni.

I coautori principali dello studio, Admir Masic, professore di ingegneria civile e ambientale al MIT, e Marie Jackson, professore di geologia e geofisica all'Università dello Utah, hanno collaborato per comprendere la composizione minerale dell'antica struttura in calcestruzzo .

"Comprendere la formazione e i processi dei materiali antichi può informare i ricercatori di nuovi modi per creare materiali da costruzione durevoli e sostenibili per il futuro", afferma Masic. "La tomba di Cecilia Metella è una delle strutture più antiche ancora in piedi, offrendo spunti che possono ispirare la costruzione moderna."

 

Dopo duemila anni un cemento curiosamente coeso

La Tomba di Cecilia Metella (nella foto sopra), il monumento simbolo della via Appia Antica, fu costruita negli anni compresi tra il 30 ed il 20 a.C. per la nobile romana Cecilia Metella, come recita la grande iscrizione funeraria murata sulla parte alta del mausoleo: “CAECILIAE Q(UINTI) CRETICI F(ILIAE) METELLAE CRASSI”, ovvero “A Cecilia Metella, figlia di Quinto Cretico (e moglie) di Crasso”.

Cecilia era figlia di Quinto Cecilio Metello, console nel 69 a.C. e conquistatore, tra il 68 ed il 65, dell’isola di Creta e per questo motivo denominato Cretico, e moglie di Marco Licinio Crasso, questore e governatore nonché figlio maggiore di Marco Licinio Crasso, grande personaggio politico che formò, insieme a Cesare e Pompeo, il primo triumvirato. Il rango della famiglia spiega sia la posizione dominante, rispetto alla strada, del mausoleo, su un rilievo che ne consente la visibilità anche da notevole distanza, sia la sinteticità dell’iscrizione, in quanto i nomi ivi incisi erano sufficienti a ricordare ai passanti il livello sociale della defunta.

Il monumento è costituito da un poderoso basamento quadrato in calcestruzzo, originariamente rivestito con blocchi di travertino ma poi spogliato in età rinascimentale, e da un corpo cilindrico (alto metri 11 x 29,50 di diametro) il cui rivestimento, pure in blocchi di travertino a bugnato liscio, è decorato con un fregio in marmo ornato di ghirlande e bucrani, ossia un ornamento architettonico a forma di cranio di bue molto comune nell’antichità e da cui prende il nome la località, “Capo di Bove“.

Il fregio, all’altezza della sopracitata iscrizione, si interrompe per lasciare posto ad un altorilievo con trofeo di armi e con la figura di un barbaro prigioniero con le mani legate dietro la schiena. Probabilmente il cilindro originariamente era sormontato da un tumulo di terra ricoperto da vegetazione o con una copertura in muratura a forma di cono.

L’interno era una camera unica rivestita di laterizi (uno dei più antichi esempi conosciuti di tale tecnica), di forma leggermente conica del diametro di circa metri 6,50 e coperta da un’alta volta conica. Nell’XI secolo il sepolcro venne utilizzato come torrione di un castello di proprietà dei Conti di Tuscolo, ai quali subentrarono nel 1299 i Caetani.

 

(Fonte: romasegreta.it)

 

Un esempio delle raffinate tecnologie di costruzione in calcestruzzo nella Roma tardo repubblicana

"La costruzione di questo monumento e punto di riferimento molto innovativo e robusto sulla Via Appia Antica indica che era tenuta in grande rispetto", afferma Jackson "e il tessuto in cemento 2.050 anni dopo riflette una presenza forte e resistente".

La tomba è un esempio delle raffinate tecnologie di costruzione in calcestruzzo nella Roma tardo repubblicana.

Le tecnologie furono descritte dall'architetto Vitruvio mentre era in costruzione la Tomba di Cecilia Metella. La costruzione di spesse pareti di mattoni grezzi o aggregati di roccia vulcanica legati con malta a base di calce e tefra vulcanica (frammenti porosi di vetro e cristalli provenienti da eruzioni esplosive), comporterebbe strutture che "con un lungo passaggio di tempo non cadono in rovina".

Le parole di Vitruvio sono dimostrate vere dalle numerose strutture romane esistenti oggi, tra cui i Mercati di Traiano (costruiti tra il 100 e il 110 d.C., più di un secolo dopo la tomba) e strutture marine come moli e frangiflutti.

Quello che gli antichi romani non potevano sapere, però, è come i cristalli del minerale leucite, ricco di potassio, nell'aggregato vulcanico si dissolvessero nel tempo per rimodellare e riorganizzare beneficamente l'interfaccia tra aggregati vulcanici e matrice cementizia legante, migliorando la coesione del calcestruzzo.

"Concentrarsi sulla progettazione di calcestruzzi moderni con zone interfacciali costantemente rinforzate potrebbe fornirci un'altra strategia per migliorare la durabilità dei materiali da costruzione moderni", afferma Masic. "Fare questo attraverso l'integrazione della "saggezza romana" collaudata nel tempo fornisce una strategia sostenibile che potrebbe migliorare la longevità delle nostre soluzioni moderne di ordini di grandezza".

 

La microstruttura del calcestruzzo 

Linda Seymour '14, PhD '21, che ha partecipato a questo studio come dottoranda nel laboratorio Masic del MIT, ha studiato la microstruttura del calcestruzzo con strumenti scientifici.

"Ciascuno degli strumenti che abbiamo usato ha aggiunto un indizio ai processi nel mortaio", afferma Seymour.

La microscopia elettronica a scansione ha mostrato le microstrutture dei mattoni della malta su scala micron. La spettrometria a raggi X a dispersione di energia ha mostrato gli elementi che compongono ciascuno di questi elementi costitutivi. "Queste informazioni ci consentono di esplorare rapidamente diverse aree della malta e potremmo individuare gli elementi costitutivi relativi alle nostre domande", afferma. Il trucco, aggiunge, è di colpire con precisione lo stesso bersaglio di blocchi di costruzione con ogni strumento quando quel bersaglio è solo della larghezza di un capello.

Nelle spesse pareti di cemento della tomba di Cecilia Metella, una malta che contiene tefra vulcanica lega grandi blocchi di mattoni e aggregati lavici.

È simile alla malta usata nei Mercati di Traiano 120 anni dopo. La colla della malta dei Mercati di Traiano è costituita da un blocco costitutivo chiamato fase legante C-A-S-H (calcio-alluminio-silicato-idrato), insieme a cristalli di un minerale chiamato strätlingite.

Ma la tephra che i romani usavano per il mortaio di Cecilia Metella era più abbondante di leucite ricca di potassio. Secoli di acqua piovana e sotterranea che filtravano attraverso le pareti della tomba dissolvevano la leucite e rilasciavano il potassio nella malta.

Nel calcestruzzo moderno, un'abbondanza di potassio creerebbe gel espansivi che causerebbero microfessurazioni ed eventuale deterioramento della struttura. Nella tomba, invece, il potassio si è dissolto e ha riconfigurato la fase di legame C-A-S-H.

"La diffrazione dei raggi X e le tecniche di spettroscopia Raman ci hanno permesso di esplorare come era cambiata la malta", afferma Seymour. “Abbiamo visto domini C-A-S-H che erano intatti dopo 2.050 anni e alcuni che si erano spaccati, esili o comunque diversi nella morfologia. La diffrazione dei raggi X, in particolare, ha consentito un'analisi dei domini a ciuffi fino alla loro struttura atomica. Vediamo che i domini esili stanno assumendo questa natura nanocristallina ", afferma.

I domini rimodellati "evidentemente creano solidi componenti di coesione nel calcestruzzo", afferma Jackson. In queste strutture, a differenza dei Mercati di Traiano, si forma poca strätlingite.

Stefano Roascio, l'archeologo responsabile della tomba, osserva che lo studio ha una grande rilevanza per la comprensione di altre strutture antiche e storiche in calcestruzzo che utilizzano l'aggregato Pozzolane Rosse.

"L'interfaccia tra gli aggregati e la malta di qualsiasi calcestruzzo è fondamentale per la durabilità della struttura", afferma Masic. "Nel calcestruzzo moderno, le reazioni alcali-silice che formano gel espansivi possono compromettere le interfacce anche del calcestruzzo più indurito".

"Si scopre che le zone interfacciali nell'antico cemento romano della tomba di Cecilia Metella sono in continua evoluzione attraverso rimodellamenti a lungo termine", afferma Masic. "Questi processi di rimodellamento rinforzano le zone interfacciali e potenzialmente contribuiscono a migliorare le prestazioni meccaniche e la resistenza al cedimento del materiale antico".

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Correlative Raman and SEM-EDS spectroscopic analyses describe the interface of a Pozzolane Rosse microscoria and the surrounding cementing matrix (see also Figure 1D–F), 06-CMETELLA-C2 sample. (A) SEM-BSE micrograph showing the interfacial zone (site 1), the binding phase (site 2), and a partially altered clinopyroxene crystal (site 3). (B) Raman imaging (overlain on the SEM-BSE micrograph) shows the distribution of crystals in the tephra (pyroxene, hematite, and analcime) and cementing phases present in the interfacial zone (the C-A-S-H binding phase, strätlingite and (Al)-tobermorite). (C) Color-coded Raman spectra corresponding to the components identified in (B). (D–G) Elemental distributions showing the wt. % concentrations of Na, Ca, Al, and Si, respectively. Mineral assignments from RRUFF 34 - from "Reactive binder and aggregate interfacial zones in the mortar of Tomb of Caecilia Metella concrete, 1C BCE, Rome" JOURNAL AMERICAN CERAMIC SOCIETY

 

Oltre a Masic, Seymour e Jackson, altri coautori dello studio includono Nobumichi Tamura, scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. La ricerca è finanziata, in parte, dagli Stati Uniti. Programma ARPA-e del Dipartimento dell'Energia.


Abstract

Reactive binder and aggregate interfacial zones in the mortar of Tomb of Caecilia Metella concrete, 1C BCE, Rome

Linda M. Seymour, Nobumichi Tamura, Marie D. Jackson, Admir Masic,

Integrated spectroscopic analyses and synchrotron X-ray microdiffraction investigations provide insights into the long-term reactivity of volcanic aggregate components and calcium-aluminum-silicate-hydrate (C-A-S-H) binder in mortar samples from the robust concrete of the sepulchral corridor of the Tomb of Caecilia Metella, 1st C BCE, Rome. The results of innovative micrometer-scale analytical maps indicate that Pozzolane Rosse tephra components–scoria groundmass, clinopyroxene, and leucite crystals–contributed to pozzolanic production of C-A-S-H binder and then remained reactive long after hydrated lime (Ca(OH)2) was fully consumed. The C-A-S-H binding phase is reorganized into wispy halos and tendril-like strands, some with nanocrystalline preferred orientation or, alternatively, split into elongate features with short silicate chain lengths. These microstructures apparently record chemical and structural destabilization of C-A-S-H during excessive incorporation of Al3+ and K+ released through leucite dissolution. Resistance to failure may result from the intermittent toughening of interfacial zones of scoriae and clinopyroxene crystals with post-pozzolanic strätlingite and Al-tobermorite mineral cements and from long-term remodeling of the pozzolanic C-A-S-H binding phase. Roman builders’ selection of a leucite-rich facies of Pozzolane Rosse tephra as aggregate and construction of the tomb in an environment with high surface and ground water exposure apparently increased beneficial hydrologic activity and reactivity in the concrete.


Fonte: MIT NEWS, JOURNAL AMERICAN CERAMIC SOCIETY