Innovazioni dagli antichi romani: hanno progettato il calcestruzzo autoriparabile secoli fa

Si chiama la città eterna, e non a torto! Gli edifici costruiti dai romani erano veramente resistenti e molti sono rimasti in piedi per secoli.

Come mai? Il dubbio è stato risolto recentemente, da chi ha studiato la strategia di produzione antica del calcestruzzo capitolino. Destinata a durare per millenni, grazie ad un mistero finora non chiaro.

Il segreto del calcestruzzo romano

È stato svelato, anche se con qualche sforzo.

I mastri dell’ingegneria classica sono stati studiati dai ricercatori del MIT (Massachusetts Institute of Technology) e dell’Università di Harvard, insieme ad esperti svizzeri, italiani (DMAT) e al Museo Archeologico di Priverno. Dopo diverso tempo, i risultati degli studi sono stati pubblicati a gennaio 2023, sulla rivista Science Advances.

A quanto pare, le modalità di fabbricazione del calcestruzzo sotto i Cesari, incorporavano delle funzionalità di auto-riparazione. Sembra impossibile ma la scienza di duemila anni fa batte ancora molte strutture moderne, che si sono sgretolate (purtroppo).

Questo straordinario materiale ha permesso ai romani di costruire la rete di edifici, strade, acquedotti che tuttora costella l’Europa e il Medio Oriente. Anche se a volte sotto forma di rovine, in molti casi sono ancora in piedi – persino nel caso di strutture a contatto con umidità ed erosione (fognature, dighe, moli, acquedotti).

Basti pensare al Pantheon nel centro di Roma: la più grande cupola in cemento non armato al mondo, innalzata nel II secolo dopo Cristo, arrivata intatta fino ad oggi.

Vale la pena di capire cosa hanno scoperto gli scienziati nello specifico…

Il calcestruzzo e la calce nell’edilizia antica

Gli antichi romani che hanno progettato il calcestruzzo autoriparabile, inizialmente sono stati “fraintesi”. Per molto tempo i ricercatori pensavano che la chiave della lunga durata del materiale dipendesse da un ingrediente particolare, la cenere vulcanica della zona di Pozzuoli (pozzolana).

Questo materiale pozzolanico, in realtà, veniva spedito e utilizzato in tutto l’impero come elemento chiave del calcestruzzo. Ma non è il suo “segreto”, si è capito oggi.

In realtà, un’indagine approfondita dei campioni di calcestruzzo romano contiene dei piccoli minerali bianchi e brillanti, detti “clasti di calce”.
Ricordiamo che la calce è un composto fondamentale nella fabbricazione del calcestruzzo classico insieme all’acqua, ai composti cementizi e aggregati (particelle di sabbia, ghiaia, pietra frantumata, etc.).

Tornando ai nostri granuli di calce bianca (clasti) li troviamo sempre presenti nel calcestruzzo classico, in scala millimetrica.

Sono i clasti calcarei a conferire forza e proprietà di auto-riparazione al calcestruzzo? Sembra di sì.

Considerati indice di scarsa qualità, sono diventati invece famosi per il segreto che nascondono.

I clasti di calce hanno permesso ai romani di creare un materiale da costruzione eccezionale, seguendo le ricette e proporzioni ottimizzate nei secoli.

Oggi questa materia prima non si trova più nelle formule moderne del calcestruzzo, quindi senza uno studio ben preciso rischiava di restare un mistero.

Soprattutto, il fatto che fosse presente solo all’epoca ci fa pensare sulle sue capacità uniche e mai più utilizzate.

Calce viva e miscelazione a caldo, le reazioni per l’auto-riparazione

Per produrre questo materiale così miscelato e potente, si incorporava la calce nel calcestruzzo romano, combinandola con l’acqua.

La calce derivava dal processo di calcinazione (riscaldamento ad alta temperatura), di pietre calcaree, marmo, travertino – tutti materiali contenenti carbonato di calcio.
Nella miscelazione a caldo, la calce idratata con acqua diventava un materiale pastoso, altamente reattivo e definito “calce viva” (ossido di calcio CaO).

I romani la usavano direttamente al posto della calce spenta, unendola poi con cenere vulcanica, frammenti di ceramica, pozzolana, sabbia, etc. Il risultato era la celebre malta idraulica che ancora oggi ammiriamo.

Si arriva così all’elemento che aiuta a risolvere il mistero: la miscelazione a caldo è stata la svolta che ha creato un calcestruzzo super resistente.

Grazie alla combinazione degli elementi a temperature elevate:

• il calcestruzzo surriscaldato crea reazioni chimiche particolari
• tali reazioni non sarebbero possibili se si usasse solo calce spenta
• le alte temperature creano composti particolari (nanoparticelle)
• l’aumento della temperatura riduce i tempi di maturazione e di presa del calcestruzzo.

Tutte le reazioni chimiche sono accelerate, consentendo un processo molto più rapido di produzione della materia prima e, quindi, tempi di costruzione minori. I fattori tempo e presa del calcestruzzo, all’epoca erano importanti, dato che la tecnica edilizia non era ancora sviluppata come la tecnologia di oggi.

Il risultato più importante, comunque, rimane quello legato alla creazione del calcestruzzo che si ripara da solo. Vediamo qualche dettaglio in più!

Calcestruzzo e nanoparticelle nell’antica Roma

I clasti di calce di cui abbiamo accennato, nella miscelazione a caldo subiscono una trasformazione nella struttura. Sviluppano delle nanoparticelle particolari, che in teoria sarebbero fragili. Nella reazione con l’acqua, però, diventano quei materiali speciali alla base della funzionalità di autoriparazione.

Com’è possibile?

I clasti di calce possono reagire in diversi modi per rendere più solido il calcestruzzo:

• a contatto con l’acqua, creano una soluzione satura di calcio
• la soluzione calcarea si ri-cristallizza come carbonato di calcio (calcite)
• questa nuova materia riempie la fessura della crepa.

Il risultato è che il calcestruzzo diventa reattivo ad ogni possibile fessura che si forma al suo interno. Le nanoparticelle reagiscono alle incrinature: attraversano i clasti e riparano le crepe riempiendole automaticamente con il carbonato di calcio.

Grazie a tali qualità, la materia prima “guarisce” ogni crepa che si insinua negli edifici, prima che si allarghi per creare danni.

Inoltre, a contatto con gli altri materiali pozzolanici le nanoparticelle dei clasti rinforzano ulteriormente il calcestruzzo.

Oggi studiamo queste nanoparticelle con facilità, ma i romani già avevano intuito le loro potenzialità grazie alle tante prove effettuate dai loro ingegneri. Con un confronto di laboratorio, i ricercatori moderni hanno riprodotto il calcestruzzo impastato a caldo, con calce viva, e hanno riscontrato le capacità di auto-riparazione straordinarie dell’epoca.

Dagli antichi ai moderni: il nuovo calcestruzzo autoriparabile

La scoperta di un materiale cementizio dalle prestazioni così speciali, sicuramente sarà una nuova frontiera di ricerca nel campo delle costruzioni e dei restauri.
Un calcestruzzo “modificato” con proprietà di autoriparazione, presenta una formula non difficile da replicare ma che sicuramente richiede studio.

L’obiettivo è quello di creare dei materiali a lunga durata, sicuri ed eco-sostenibili; che uniscono la sapienza antica alle nuove produzioni stampate in 3D (la tecnologia del futuro).
Il loro impatto ambientale ridotto sarebbe utile, dato che la produzione del cemento ordinario (Portland OPC) oggi è una delle fonti di gas serra e CO2.

Il calcestruzzo innovativo potrebbe durare di più, evitando la costante emissione di anidride carbonica che si libera nella produzione della calce viva.

A tal fine, i ricercatori dell’impresa DMAT (che hanno partecipato allo studio sul calcestruzzo romano), stanno avviando la produzione di nuovi materiali da costruzione.

Più duraturi ed eco-sostenibili, i calcestruzzi di nuova generazione combinano diverse caratteristiche antiche, comprese le capacità di autoriparazione delle crepe. Il risparmio in termini di CO2 è notevole (20% di emissioni), e anche i costi potrebbero dimezzarsi grazie alle tecnologie DMAT.

L’eredità classica ancora oggi si fa sentire, quindi: dagli antichi romani che hanno progettato il calcestruzzo autoriparabile, potrebbe partire un nuovo Rinascimento Green.