I ricercatori hanno trascorso decenni cercando di capire il segreto di questo antico materiale da costruzione ultra resistente, in particolare nelle strutture che hanno sopportato condizioni particolarmente difficili, come moli, 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 compiuto progressi in questo campo, scoprendo antiche strategie di produzione del calcestruzzo che incorporavano diverse funzionalità chiave di autoguarigione. 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 studente di dottorato Linda Seymour e di altri quattro.
Per molti anni, i ricercatori hanno ipotizzato che la chiave della durabilità dell’antico calcestruzzo fosse basata su un ingrediente: materiale pozzolanico come la cenere vulcanica proveniente dalla zona di Pozzuoli, nel Golfo di Napoli. Questo specifico tipo di cenere veniva persino spedito in tutto il vasto impero romano per essere utilizzato nella costruzione, ed era descritto come un ingrediente chiave per il calcestruzzo nei resoconti di architetti e storici dell’epoca.
A 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 calcestruzzi romani. Questi pezzi bianchi, spesso indicati come “clasti di calce”, provengono dalla calce, un altro componente chiave dell’antica miscela di calcestruzzo. “Da quando ho iniziato a lavorare con il cemento dell’antica Roma, sono sempre stato affascinato da queste caratteristiche”, afferma Masic. “Questi non si trovano nelle moderne formulazioni concrete, quindi perché sono presenti in questi materiali antichi?”
Precedentemente ignorato come semplice prova di pratiche di miscelazione sciatte o di materie prime di scarsa qualità, il nuovo studio suggerisce che questi minuscoli clasti di calce conferissero al calcestruzzo una capacità di autoguarigione precedentemente non riconosciuta. “L’idea che la presenza di questi clasti calcarei fosse semplicemente attribuita a uno scarso controllo di qualità mi ha sempre infastidito”, afferma Masic. “Se i romani si sono impegnati così tanto per realizzare un materiale da costruzione eccezionale, seguendo tutte le ricette dettagliate che erano state ottimizzate nel corso di molti secoli, perché avrebbero fatto 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 tecniche di imaging multiscala e mappatura chimica ad alta risoluzione 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 calcestruzzo romano, fosse 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 è chiesto: “Era possibile che i romani avessero effettivamente utilizzato direttamente la calce nella sua forma più reattiva, nota come calce viva?”
Studiando campioni di questo antico calcestruzzo, lui e il suo team hanno determinato che le inclusioni bianche erano, in effetti, 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 resistente.
“I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici”, afferma Masic. “In primo luogo, quando l’intero calcestruzzo viene riscaldato a temperature elevate, consente sostanze chimiche che non sono possibili se si utilizzasse solo calce spenta, producendo composti associati ad alta temperatura che altrimenti non si formerebbero. In secondo luogo, questa temperatura aumentata riduce significativamente i tempi dell’indurimento e di conseguenza 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 nanoparticellare caratteristicamente fragile, creando una fonte di calcio facilmente fratturabile e reattiva, che, come proposto dal team, potrebbe fornire una funzionalità critica di autoguarigione. Non appena iniziano a formarsi minuscole crepe all’interno del calcestruzzo, possono preferenzialmente viaggiare 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 guariscono automaticamente le crepe prima che si diffondano.
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 incorporavano formulazioni sia antiche che moderne, li ha deliberatamente incrinati e poi ha fatto scorrere l’acqua attraverso le fessure. Abbastanza sicuro: entro due settimane le crepe erano completamente guarite e l’acqua non poteva più scorrere. Un pezzo identico di cemento fatto senza calce viva non è mai guarito e l’acqua ha continuato a scorrere attraverso il campione. Come risultato di questi test riusciti, 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 come migliorare la durata delle formulazioni di calcestruzzo stampate in 3D”, afferma Masic.
Attraverso l’estensione della vita funzionale 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 contribuire 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’Instituto Meccanica dei Materiali, in Svizzera, e James Weaver del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard. I lavori sono stati eseguiti con il contributo del Museo Archeologico di Priverno, Italia.
Fonte: Materiali forniti dal Massachusetts Institute of Technology . Originale scritto da David Chandler. Riferimento rivista : Linda M. Seymour, Janille Maragh, Paolo Sabatini, Michel Di Tommaso, James C. Weaver e Admir Masic. Miscelazione a caldo: approfondimenti meccanicistici sulla durabilità dell’antico calcestruzzo romano . Science Advances , 2023 DOI: 10.1126/sciadv.add1602 Istituto di Tecnologia del Massachussetts. “Indovinello risolto: perché il cemento romano era così resistente?” ScienceDaily. ScienceDaily, 6 gennaio 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230106144441.htm>.
