Perché il cemento romano era così resistente?

Gli antichi romani erano maestri dell'ingegneria, costruendo vaste reti di strade, acquedotti, porti e imponenti edifici, i cui resti sono sopravvissuti per due millenni. Molte di queste strutture furono costruite in cemento: il famoso Pantheon di Roma, che ha la cupola in cemento non rinforzato più grande del mondo e fu dedicato nel 128 d.C., è ancora intatto, e alcuni antichi acquedotti romani forniscono ancora oggi acqua a Roma. Nel frattempo, molte moderne strutture in cemento sono crollate dopo pochi decenni.

I ricercatori hanno trascorso decenni cercando di scoprire il segreto di questo materiale da costruzione antico e ultraresistente, in particolare in strutture che hanno resistito a condizioni particolarmente difficili, come banchine, fogne e dighe, o quelle costruite in luoghi sismicamente attivi.

Ora, un team di ricercatori del MIT, dell’Università di Harvard e di laboratori in Italia e Svizzera ha fatto progressi in questo campo, scoprendo antiche strategie di produzione del calcestruzzo che incorporavano diverse funzionalità chiave di auto-riparazione.I risultati vengono pubblicatisulla rivista Science Advances, in un articolo del professore di ingegneria civile e ambientale del MIT Admir Masic, dell’ex studentessa di dottorato Linda Seymour e di altri quattro.

Per molti anni, i ricercatori hanno ipotizzato che la chiave della durabilità del calcestruzzo antico fosse basata su un ingrediente: materiale pozzolanico come la cenere vulcanica proveniente dalla zona di Pozzuoli, sul Golfo di Napoli. Questo specifico tipo di cenere veniva persino spedito in tutto il vasto impero romano per essere utilizzato nelle costruzioni, ed era descritto come un ingrediente chiave per il calcestruzzo nei resoconti di architetti e storici dell'epoca.

Ad un esame più attento, questi antichi campioni contengono anche piccole, distintive caratteristiche minerali bianche brillanti su scala millimetrica, che sono state a lungo riconosciute come una componente onnipresente dei cementi romani. Questi pezzi bianchi, spesso definiti "clasti di calce", provengono dalla calce, un altro componente chiave dell'antica miscela di cemento. "Da quando ho iniziato a lavorare con il calcestruzzo dell'antica Roma, sono sempre stato affascinato da queste caratteristiche", afferma Masic. "Questi non si trovano nelle moderne formulazioni di calcestruzzo, quindi perché sono presenti in questi materiali antichi?"

Precedentemente ignorati come mera prova di pratiche di miscelazione sciatte o di materie prime di scarsa qualità, il nuovo studio suggerisce che questi minuscoli clasti di calce conferiscano al calcestruzzo una capacità di autoriparazione precedentemente non riconosciuta. "L'idea che la presenza di questi clasti di calce fosse semplicemente attribuita a un controllo di qualità scadente mi ha sempre dato fastidio", dice Masic. "Se i romani si impegnavano così tanto per creare un materiale da costruzione eccezionale, seguendo tutte le ricette dettagliate che erano state ottimizzate nel corso di molti secoli, perché dovrebbero impegnarsi così poco per garantire la produzione di un prodotto finale ben miscelato? ? Ci deve essere altro in questa storia."

Dopo un'ulteriore caratterizzazione di questi clasti di calce, utilizzando tecniche di imaging multiscala ad alta risoluzione e mappatura chimica sperimentate nel laboratorio di ricerca di Masic, i ricercatori hanno acquisito nuove informazioni sulla potenziale funzionalità di questi clasti di calce.

Storicamente, si presumeva che quando la calce veniva incorporata nel cemento romano, veniva prima combinata con l’acqua per formare un materiale pastoso altamente reattivo, in un processo noto come schiacciamento. Ma questo processo da solo non potrebbe spiegare la presenza dei clasti calcarei. Masic si chiedeva: "Era possibile che i romani usassero direttamente la calce nella sua forma più reattiva, detta calce viva?"

Studiando campioni di questo antico calcestruzzo, lui e il suo team hanno stabilito che le inclusioni bianche erano, effettivamente, costituite da 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 utilizzando calce viva al posto o in aggiunta alla calce spenta nella miscela. La miscelazione a caldo, ha ora concluso il team, era in realtà la chiave della natura super durevole.