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 sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances, in un articolo del professore di ingegneria civile e ambientale del MIT Admir Masic, dell’ex studentessa di dottorato Linda Seymour ’14, PhD ’21 e 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’antico impasto 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“, afferma 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 avessero effettivamente utilizzato direttamente la calce nella sua forma più reattiva, conosciuta come 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 per ottenere una natura super durevole.
“I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici“, afferma Masic. “In primo luogo, quando il calcestruzzo complessivo viene riscaldato a temperature elevate, consente sostanze chimiche che non sarebbero possibili se si utilizzasse solo calce spenta, producendo composti associati alle alte temperature che altrimenti non si formerebbero. In secondo luogo, questo aumento della temperatura riduce significativamente i tempi di indurimento e presa poiché tutte le reazioni sono accelerate, consentendo una costruzione molto più rapida”.
Crediti:Per gentile concessione dei ricercatori
Durante il processo di miscelazione a caldo, i clasti di calce sviluppano un’architettura nanoparticellare tipicamente fragile, creando una fonte di calcio reattiva e facilmente fratturabile che, come proposto dal team, potrebbe fornire una funzionalità critica di auto-riparazione. Non appena iniziano a formarsi piccole crepe nel calcestruzzo, queste possono spostarsi preferenzialmente attraverso i clasti calcarei ad alta superficie.
Questo materiale può quindi reagire con l’acqua, creando una soluzione satura di calcio, che può ricristallizzarsi come carbonato di calcio e riempire rapidamente la fessura, oppure reagire con materiali pozzolanici per rafforzare ulteriormente il materiale composito. Queste reazioni avvengono spontaneamente e quindi rimarginano automaticamente le crepe prima che si allarghino. Un precedente supporto a questa ipotesi è stato trovato attraverso l’esame di altri campioni di cemento romano che presentavano crepe piene di calcite.
Per dimostrare che questo era effettivamente il meccanismo responsabile della durabilità del calcestruzzo romano, il team ha prodotto campioni di calcestruzzo miscelato a caldo che incorporava sia formulazioni antiche che moderne, le ha deliberatamente fessurate e poi ha fatto scorrere l’acqua attraverso le fessure. Infatti, nel giro di due settimane le crepe si erano completamente rimarginate e l’acqua non poteva più scorrere.
Un pezzo identico di cemento realizzato senza calce viva non si è mai guarito e l’acqua ha continuato a scorrere attraverso il campione. A seguito del successo di questi test, il team sta lavorando per commercializzare questo materiale cementizio modificato.
“È emozionante pensare a come queste formulazioni di calcestruzzo più durevoli potrebbero espandere non solo la durata di questi materiali, ma anche a come potrebbero migliorare la durabilità delle formulazioni di calcestruzzo stampate in 3D”, afferma Masic.
Attraverso l’estensione della vita utile e lo sviluppo di forme di calcestruzzo 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 serra. Insieme ad altre nuove formulazioni, come il calcestruzzo che può effettivamente assorbire l’anidride carbonica dall’aria, un altro obiettivo di ricerca attuale del laboratorio Masic, questi miglioramenti potrebbero aiutare a ridurre l’impatto climatico globale del calcestruzzo.
Il gruppo di ricerca comprendeva Janille Maragh del MIT, Paolo Sabatini del DMAT in Italia, Michel Di Tommaso dell’Istituto Meccanica dei Materiali in Svizzera e James Weaver del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard. Il lavoro è stato realizzato con il contributo del Museo Archeologico di Priverno in Italia.