Gli antichi romani erano maestri dell'edilizia e dell'ingegneria, forse soprattutto rappresentati dagli acquedotti. Queste meraviglie ancora funzionanti si basano su un materiale da costruzione unico: il cemento pozzolanico, un cemento incredibilmente durevole che conferiva alle strutture romane la loro incredibile forza.
Ancora oggi, uno dei loro edifici – il Pantheon, ancora intatto e vecchio di quasi 2.000 anni – detiene il record per la cupola in cemento non rinforzato più grande del mondo.
Le proprietà di questo cemento sono generalmente attribuite ai suoi ingredienti: pozzolana, una miscela di cenere vulcanica – dal nome della città italiana di Pozzuoli, dove si trovano grandi giacimenti – e Lime. Se miscelati con acqua, i due materiali possono reagire per produrre calcestruzzo resistente.
Ma, a quanto pare, questa non è tutta la storia. Nel 2023, un team internazionale di ricercatori guidati dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha scoperto che non solo i materiali erano leggermente diversi da quanto pensassimo, ma anche le tecniche utilizzate per mescolarli erano diverse.
Le pistole fumanti erano piccoli pezzi bianchi di calce che si potevano trovare in quello che sembrava essere cemento ben miscelato. La presenza di questi pezzi era stata precedentemente attribuita a una scarsa miscelazione o a materiali scadenti, ma ciò non aveva senso per lo scienziato dei materiali Admir Masek del MIT.
“L’idea che la presenza di questi blocchi di calcare sia semplicemente dovuta ad uno scarso controllo di qualità mi ha sempre dato fastidio”. Ha detto Macek Nel gennaio 2023.
“Se i romani si impegnavano così tanto per creare un materiale da costruzione di prima qualità, seguendo tutte le ricette dettagliate perfezionate nel corso di molti secoli, perché si impegnavano così poco per garantire che fosse prodotto un prodotto finale ben miscelato? Ci deve essere di più a questa storia.”
Macek e il team, guidato dall'ingegnere civile del MIT Linda Seymour, hanno studiato campioni di cemento romano di 2.000 anni fa provenienti dal sito archeologico di Perevernum in Italia. Questi campioni sono stati sottoposti a microscopia elettronica a scansione su vasta area, spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, diffrazione di raggi X su polveri e imaging Raman confocale per ottenere una migliore comprensione delle masse calcaree.
Una delle domande che avevo in mente era la natura della calce utilizzata. La comprensione standard del calcestruzzo pozzolanico è che viene utilizzato Calce idrata. Innanzitutto, il calcare viene riscaldato ad alte temperature per produrre una polvere caustica altamente reattiva chiamata calcare Calce vivaO ossido di calcio.
Mescolando la calce viva con acqua si ottiene la calce spenta, o idrossido di calcio: una pasta meno reattiva e meno caustica. Secondo la teoria era proprio questa calce idrata che gli antichi romani mescolavano alla pozzolana.
Sulla base dell'analisi del team, i blocchi di calce trovati nei campioni non erano coerenti con questo metodo. In alternativa, il calcestruzzo romano potrebbe essere stato realizzato mescolando calce viva direttamente con pozzolana e acqua a temperature estremamente elevate, da sola o in aggiunta alla calce idrata, un processo che il team chiama “miscelazione a caldo” che produce briciole di calce.
“I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici.” Ha detto Macek.
“In primo luogo, quando il calcestruzzo aggregato viene riscaldato ad alte temperature, si verificano processi chimici che non sarebbero possibili se si utilizza solo calce idrata, creando composti legati ad alta temperatura che non potrebbero formarsi altrimenti. In secondo luogo, questa temperatura aumentata riduce drasticamente la polimerizzazione e tempi di indurimento poiché tutte le reazioni sono accelerate, consentendo una costruzione molto più rapida.
Ha un altro vantaggio: la mollica di calce conferisce al calcestruzzo una notevole capacità di autoripararsi.
Quando si formano delle crepe nel calcestruzzo, queste si spostano preferibilmente nei blocchi di calce, che hanno una superficie maggiore rispetto alle altre particelle della matrice. Quando l'acqua entra nella fessura, reagisce con la calce per formare una soluzione ricca di calcio che si asciuga e si indurisce come il carbonato di calcio, ricompattando la fessura e impedendole di diffondersi ulteriormente.
Questo È stato notato In cemento proveniente da un altro sito di 2.000 anni, la tomba di Cecilia Metella, dove le crepe nel cemento erano riempite di calcite. Potrebbe anche spiegare perché il cemento romano delle mura marittime costruite 2.000 anni fa è rimasto intatto per migliaia di anni nonostante il costante martellamento degli oceani.
Pertanto, il team ha testato le proprie scoperte producendo calcestruzzo pozzolanico secondo ricette antiche e moderne utilizzando la calce viva. Hanno anche prodotto calcestruzzo di controllo senza calce viva e hanno eseguito test di fessurazione. Come previsto, il calcestruzzo calcareo fessurato si è completamente indurito entro due settimane, ma il calcestruzzo di controllo è rimasto fessurato.
Il team sta ora lavorando per commercializzare il proprio calcestruzzo come alternativa più rispettosa dell’ambiente al calcestruzzo attuale.
“È emozionante pensare a come queste composizioni di calcestruzzo più durevoli possano aumentare non solo la durata di questi materiali, ma anche come possono migliorare la durabilità delle composizioni di calcestruzzo stampate in 3D”. Ha detto Macek.
La ricerca è stata pubblicata in Progresso della scienza.
Una versione di questo articolo è stata pubblicata per la prima volta nel gennaio 2023.
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