I segreti del calcestruzzo prodotto dai romani
Il MIT pubblica l'esito di una ricerca fatta sul calcestruzzo realizzato dai Romani evidenziando quali siano i segreti che portavano il materiale a maturare una elevatissima durabilità.
Da cosa deriva la durabilità del calcestruzzo prodotto in epoca romana. Fino ad oggi si era sempre considerato come "segreto" l'uso di pozzolana, ovvero di prodotti naturali in grado di conferire alla calce proprietà idrauliche. Ma secondo lo studio sviluppato da MIT, dell'Università di Harvard e dei laboratori in Italia e Svizzera ci sono anche altri segreti.
Il team di ricercatori - riporta il MIT Technology Rewiev - ha fatto progressi in questo campo, scoprendo antiche strategie di produzione del calcestruzzo che hanno incorporato diverse funzionalità chiave di autoguarigione. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Science Advances, in un articolo firmato da Admir Masic, professore di ingegneria civile e ambientale del MIT, della ricercatrice Linda Seymour, sempre del MIT, di Duncan Keenan-Jones di The University of Queensland, di James Weaver di Harvard University e Gian Luca Zanzi, della Sovraintendenza di Roma Capitale.
Cemento romano: non solo pozzolana
Per molti anni, i ricercatori hanno ipotizzato che la chiave per la durata dell'antico calcestruzzo fosse basata su un ingrediente: il materiale pozzolanico come la cenere vulcanica della zona di Pozzuoli, sulla baia di Napoli.
Questo tipo specifico di cenere fu persino spedito in tutto il vasto impero romano per essere utilizzato nella costruzione, e fu descritto come un ingrediente chiave per il calcestruzzo nei resoconti di architetti e storici dell'epoca.
Ma la nuova sperimentazione a seguito di un esame più attento ha verificato la presenza anche di piccole e distintive caratteristiche minerali bianche brillanti, in scala millimetrica, che sono state a lungo riconosciute come una componente onnipresente dei calcestruzzi romani.
Questi pezzi bianchi, spesso indicati come clasti di calce,provengono dalla calce, un'altra componente chiave dell'antica miscela di cemento.
Lo studio evidenzia che questi clasti di calce siano la fonte che ha conferito al calcestruzzo la capacità di autoguarigione precedentemente non riconosciuta.
"L'idea che la presenza di questi clast di calce fosse semplicemente attribuita a un basso controllo di qualità mi ha sempre infastidito", afferma Masic. "Se i romani mettessero così tanto sforzo per realizzare un materiale da costruzione eccezionale, seguendo tutte le ricette dettagliate che erano state ottimizzate nel corso di molti secoli, perché avrebbero messo così poco sforzo per garantire la produzione di un prodotto finale ben miscelato? Ci deve essere di più in questa storia.”
Dopo un'ulteriore caratterizzazione di questi clasti di calce, utilizzando l'imaging multiscala ad alta risoluzione e tecniche di mappatura chimica nel laboratorio di Masic, i ricercatori hanno acquisito nuove intuizioni sulla potenziale funzionalità di questi clasti di calce.
Storicamente, si era ipotizzato che quando la calce prima di venire incorporata nel calcestruzzo romano, fosse combinata con l'acqua per formare un materiale altamente reattivo simile alla pasta, in un processo noto come slaking. Ma questo processo da solo non poteva spiegare la presenza dei clasti di calce.
Masic si chiese: "Era possibile che i Romani potessero effettivamente usare direttamente la calce nella sua forma più reattiva, nota come calce rapida?"
Studiando campioni di questo antico calcestruzzo, lui e il suo team hanno stabilito che le inclusioni bianche erano, infatti, fatte di varie forme di carbonato di calcio. E l'esame spettroscopico ha fornito indizi che questi si erano formati a temperature estreme, come ci si aspetterebbe dalla reazione esotermica prodotta usando la calce rapida invece o in aggiunta alla calce slaked nella miscela.
In tutto l'antico impero romano, le ceramiche frantumate erano comunemente usate come additivi per le malte superficiali che erano in continuo o frequente contatto con l'acqua dolce. Ispirati dalla durata a lungo termine di questi materiali e dall'impiego di approcci di caratterizzazione correlativa multiscala che combinano la microscopia elettronica e le tecniche basate sulla microspettroscopia Raman, dimostriamo il ruolo di queste ceramiche come fonte a lungo termine di aluminosilicati reattivi. Mappando la distribuzione spaziale sia delle fasi pozzolanica che post-pozzolanica, le nostre analisi rivelano la presenza di un legante ibrido costituito da idrati cementizi e calcite all'interfaccia tra la ceramica e la matrice circostante e forniscono prove della densificazione post-pozzolanica e del riempimento di pori e crepe. L'analisi di una vasta gamma di antiche strutture romane utilizzate per la distribuzione e lo stoccaggio dell'acqua dolce dimostra l'ubiquità degli additivi ceramici per queste applicazioni e indica l'opportunità di creare analoghi moderni più robusti di queste antiche formulazioni di calcestruzzo.
Il mixaggio caldo, ha ora concluso la squadra, era in realtà la chiave della natura super-durable.
"I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici", dice Masic. “In primo luogo, quando il calcestruzzo complessivo viene riscaldato ad alte temperature, consente sostanze chimiche che non sono possibili se si utilizza solo calce slaked, producendo composti associati ad alte temperature che altrimenti non si formerebbero. In secondo luogo, questo aumento della temperatura riduce significativamente i tempi di polimerizzazione e impostazione poiché tutte le reazioni sono accelerate, consentendo una costruzione molto più veloce”.
Durante il processo di miscelazione a caldo, i clasti di calce sviluppano un'architettura nanoparticolata tipicamente fragile, creando una fonte di calcio facilmente fratturata e reattiva, che, come proposto dal team, potrebbe fornire una funzionalità di autoguarigione critica.
Non appena piccole crepe iniziano a formarsi all'interno del calcestruzzo, possono viaggiare preferenzialmente attraverso i clasti di calce ad alta superficie specifica reattiva.
Questo materiale può quindi reagire con l'acqua, creando una soluzione satura di calcio, che può ricristallizzare come carbonato di calcio e riempire rapidamente la fessura, o reagire con materiali pozzolanici per rafforzare ulteriormente il materiale composito. Queste reazioni avvengono spontaneamente e quindi guariscono automaticamente le crepe prima che si diffondano.
Il precedente supporto a questa ipotesi è stato trovato attraverso l'esame di altri campioni di calcestruzzo romano che mostravano crepe piene di calcite.
Per dimostrare che questo era davvero il meccanismo responsabile della durata del calcestruzzo romano, il team ha prodotto campioni di calcestruzzo miscelato a caldo che incorporavano sia formulazioni antiche che moderne. Questi campionisono stati volutamente fessurati, e sono stati poi soggetti a bagnatura.
Nel giro di due settimane le crepe erano completamente guarite e l'acqua non poteva più fluire.
Un pezzo identico di cemento fatto senza calce non è riuscito mai a guarire, e l'acqua continuava a scorrere attraverso il campione. Come risultato di questi test di successo, il team sta lavorando per commercializzare questo materiale di cemento modificato.
"È emozionante pensare a come queste formulazioni in calcestruzzo più durevoli potrebbero espandere non solo la durata di questi materiali, ma anche come potrebbe migliorare la durata delle formulazioni in calcestruzzo stampate in 3D", afferma Masic.
Attraverso la durata della vita funzionale prolungata e lo sviluppo di forme concrete più leggere, spera che questi sforzi possano contribuire a ridurre l'impatto ambientale della produzione di cemento, che attualmente rappresenta circa l'8% delle emissioni globali di gas a effetto serra. Insieme ad altre nuove formulazioni, come il calcestruzzo che può effettivamente assorbire l'anidride carbonica dall'aria, un altro attuale obiettivo di ricerca del laboratorio Masic, questi miglioramenti potrebbero aiutare a ridurre l'impatto climatico globale del calcestruzzo.
Il team di ricerca comprendeva Janille Maragh al MIT, Paolo Sabatini al DMAT in Italia, Michel Di Tommaso all'Instituto Meccanica dei Materiali in Svizzera e James Weaver al Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard. I lavori sono stati eseguiti con l'assistenza del Museo Archeologico di Priverno in Italia.
L'inclusione di clasti di calce non idratata nel calcestruzzo promuove self healing, come dimostrato nello studio, allo stesso modo in cui questo si osserva con gli additivi cristallini moderni. I prodotti di reazione non sono identici, ma il principio si.
Quello che si osserva con i clasti però è la velocità con cui il fenomeno si manifesta e conclude. Mentre con gli additivi cristallini, a seconda del prodotto e dosaggio, si va da qualche settimana fino anche a mesi, con i clasti di calce si raggiunge il risultato in un paio di settimane. Inoltre, mentre con gli additivi cristallini moderni si crea un reticolo discontinuo di cristalli aciculari coalescenti che rallentano il flusso d'acqua fino a renderlo uno stillicidio, con i clasti di calce i prodotti di reazione (calcite essenzialmente) sono piu' abbondanti e creano una cicatrice vera a propria. Il dosaggio e granulometria della calce però giocano un ruolo essenziale ed è qui che sta l'interesse della ricerca. Ovvero nel trovare un range granulometrico e di dosaggi che consentano di avere durabilità e capacità auto-cicatrizzante senza incorrere nelle controindicazioni della calce, ovvero l'eccessivo calore di idratazione e la eccessiva instabilità volumetrica iniziale.
La cristallizzazione: una tecnica già adottata nei calcestruzzi moderni
In realtà l'uso del meccanismo della cristallizzazione è già conosciuto e abbastanza diffuso nel calcestruzzo.
Oggi quando si vuole proteggere una struttura in calcestruzzo nel tempo non si pensa solo alla sua impermeabilità di laboratorio, ovvero del calcestruzzo compatto senza fessura, ma anche a quella in opera, quando le fessure si sono sviluppate, utilizzando dei prodotti cristalizzanti, o pseudo cristalizzanti perchè in realtà non tutti ancora sono realmente efficienti quanto promesso.
E in effetti, una visione più moderna del calcestruzzo dovrebbe essere recepita anche a livello normativo, sia per quanto riguarda le NTC, prevedendo una protezione post fessurativa in tutte le opere a contatto con ambienti umidi, sia nelle none EN e UNI migliorando il concetto attuale di classi di esposizione.
Sarebbe poi utile mettere a putno in tempi brevi una norma di prova di verifica della prestazione di self healing. Ne avevamo parlato su INGENIO con Michel Di Tommaso qualche tempo fa: "Proposta di un metodo sperimentale per quantificare le prestazioni degli additivi idrofillici".
Questo studio però presenta dei risultati innovativi che potranno essere utili per un ulteriore sviluppo dei prodotti di autoriparazione.
Sarà quindi interessante seguirne lo sviluppo.
Calcestruzzo Armato
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