Un’inaspettata strategia di produzione antica può essere la chiave per progettare calcestruzzo che dura per millenni.

 

Chi visita il Pantheon a Roma, che ha la più grande cupola di cemento armato del mondo ed è ancora intatto dal 128 d.C, si può rendere conto dal vivo di quanto gli antichi romani fossero maestri dell’ingegneria, avendo costruito vaste reti di strade, acquedotti, porti e massicci edifici, i cui resti sono sopravvissuti per due millenni.

Molte di queste strutture sono state realizzate con cemento: alcuni antichi acquedotti romani forniscono ancora acqua a Roma oggi. Nel frattempo, molte moderne strutture in cemento si sono sbriciolate dopo pochi decenni.

I ricercatori hanno trascorso decenni cercando di capire il segreto di questo antico materiale da costruzione ultraresistente, in particolare in strutture che hanno sopportato condizioni particolarmente difficili, come banchine, fognature 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 di calcestruzzo che incorporavano diverse funzionalità chiave di auto-riparazione.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Science Advances, in un articolo del professore di ingegneria civile e ambientale del MIT Admir Masic, dell’ex dottoranda Linda Seymour e di altri quattro.

Per molti anni, i ricercatori hanno ipotizzato che la chiave per la durabilità dell’antico calcestruzzo fosse basata su un ingrediente: materiale come la cenere vulcanica della zona di Pozzuoli, sul Golfo di Napoli.

Questo specifico tipo di cenere è stato persino spedito in tutto il vasto impero romano per essere utilizzato nella costruzione, ed è stato descritto come un ingrediente chiave per il calcestruzzo nei resoconti da architetti e storici dell’epoca.

A un esame più attento, questi antichi campioni contengono anche minerali bianchi brillanti su scala millimetrica, che sono stati 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 cemento.

“Fin 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 antichi materiali?”

Precedentemente ignorato come semplice prova di pratiche di miscelazione sciatte o materie prime di scarsa qualità, il nuovo studio suggerisce che questi minuscoli clasti di calce hanno dato al calcestruzzo una capacità di auto-ripararsi precedentemente non riconosciuta.

“L’idea che la presenza di questi clasti di calce fosse semplicemente attribuita al basso controllo di qualità mi ha sempre infastidito”, afferma Masic.

“Se i Romani si impegnavano 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 dovuto fare 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 ad alta risoluzione e di 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 era ipotizzato che quando la calce veniva incorporata nel calcestruzzo romano, veniva prima 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 chiedeva: “Era possibile che i Romani potessero effettivamente usare 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, 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 calce viva al posto di, o in aggiunta a, calce spenta nella miscela. La miscelazione a caldo, ha ora concluso il team, era in realtà la chiave per la natura super-resistente.

“I vantaggi della miscelazione a caldo sono duplici”, afferma Masic. “In primo luogo, quando il calcestruzzo complessivo viene riscaldato a temperature elevate, consente la formazione di sostanze chimiche che non sono possibili se si utilizza 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 polimerizzazione e presa poiché tutte le reazioni sono accelerate, consentendo una costruzione molto più rapida”.

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 critica di auto-riparazione.

Non appena piccole crepe iniziano a formarsi all’interno del calcestruzzo, possono viaggiare preferenzialmente attraverso i clasti di calce. 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 i materiali pozzolanici per rafforzare ulteriormente il materiale composito.

Queste reazioni avvengono spontaneamente e quindi riparano automaticamente le crepe prima che si diffondano. Il supporto precedente 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 durabilità del calcestruzzo romano, il team ha prodotto campioni di calcestruzzo miscelato a caldo che incorporavano formulazioni antiche e moderne, le rompevano deliberatamente e poi facevano scorrere l’acqua attraverso le fessure.

Nel giro di due settimane le crepe erano completamente chiuse e l’acqua non poteva più scorrere. Un pezzo identico di cemento fatto senza calce viva nonsi  è mai auto-riparato e l’acqua continuava a scorrere attraverso il campione.

Come risultato di questi test di successo, 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 potrebbero migliorare la durata delle formulazioni di calcestruzzo stampate in 3D”, afferma Masic.



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