Cementi vecchi e nuovi

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex presidente SCI

Un nuovo studio apparso sui Proceedings of the National Academy of Sciences fornisce nuovi elementi che spiegano l’incredibile resistenza del calcestruzzo dell’antica Roma.

La ricerca, realizzata da un team di scienziati americani, cinesi e italiani, ha analizzato infatti la composizione chimica della malta utilizzata nelle opere in muratura dell’antica Roma, scoprendo che particolari reazioni chimiche tra i suoi componenti fornivano al materiale una resistenza paragonabile a quella di molti cementi odierni.

La formula della malta in questione è una ricetta perfezionata dai costruttori romani intorno al primo secolo a.C., e rimasta in uso per oltre 500 anni. Gli ingredienti principali del composto sono la pozzolana (un miscuglio di ceneri vulcaniche e limo estratto all’epoca nei Campi Flegrei di Pozzuoli e nel Lazio) e la calce, in cui venivano inseriti frammenti di tufo, mattoni e cocci per formare il cosiddetto cementizio, uno dei primi esempi di calcestruzzo della storia. Per scoprire il segreto di questo materiale, i ricercatori hanno riprodotto l’esatta mistura utilizzata nelle costruzioni romane e l’hanno lasciata indurire per 180 giorni, osservando i cambiamenti mineralogici che avvenivano al suo interno e confrontando i risultati con i campioni prelevati dai muri dei Mercati di Traiano.

PNAS December 30, 2014 vol. 111 no. 52

 Hanno così scoperto che quando la malta romana si indurisce i materiali presenti al suo interno reagiscono tra loro, creando dei cristalli di un minerale estremamente resistente noto come statlingite. Quando la malta è completamente secca questi cristalli formano quindi al suo interno un’impalcatura che impedisce alle crepe di propagarsi, rendendo il materiale estremamente duraturo e resistente alle sollecitazioni meccaniche e sismiche, anche per gli standard attuali.

Queste conclusioni devono essere confrontate con quanto si sa oggi sul cemento moderno durante il suo invecchiamento per comprendere i grandi vantaggi della ricetta romana antica.La ricerca di parametri capaci di funzionare da marker dell’invecchiamento del cemento moderno parte da un confronto fra cemento preparato di fresco e cemento invecchiato naturalmente od artificialmente. Al fine di evidenziare le possibili differenze si è ricorsi all’uso di tecniche diffrattometriche e di metodi termici. Si è pervenuti alla conclusione che all’aumentare del tempo di invecchiamento aumenta la quantità d’acqua rilasciata al riscaldamento (dal 2-3% all’8-10%), diminuisce il rilascio di anidride carbonica (dal 35-40% al 6-10%) alla temperatura di decomposizione del carbonato e diminuisce il peso del residuo del processo di calcinazione (dal 40-42% al 16-20%). Tali differenze sono da attribuire a una degradazione subita durante l’invecchiamento dei composti che caratterizzano la formazione del cemento. A riprova di ciò a tali variazioni corrispondono ben individuate variazioni degli spettri di polvere ai raggi X per i quali sono state evidenziati due effetti di diffrazione diagnostici corrispondenti ai valori di d_hkl 4,24 e 3,34 A˚ (probabile cristallizzazione con il tempo dell’ossido di silicio).

Se riuscissimo anche noi a incorporare un volume consistente di pietre vulcaniche nella produzione di cementi potremmo ridurre sensibilmente le emissioni di “anidride carbonica”.Si tenga presente che la produzione di cemento Portland richiede il riscaldamento di una miscela di calcare e argilla a 1.450 gradi Celsius, un processo che rilascia molto carbonio – visti i 19 miliardi di tonnellate di cemento Portland utilizzati annualmente – e rappresenta circa il 7% del totale del carbonio emesso in atmosfera ogni anno.