La nuova ricerca sul cemento romano antico offre spunti sulla resilienza del cemento usato dagli antichi, ispirando costruzioni moderne durevoli e sostenibili.
Il calcestruzzo spesso inizia a rompersi e sgretolarsi dopo alcuni decenni di vita, ma curiosamente non è stato così per molte strutture romane. Le strutture sono ancora in piedi, mostrando una notevole durabilità nonostante le condizioni che distruggerebbero il cemento moderno.
La tomba di Cecilia Metella
Una struttura particolare è la grande tomba cilindrica della nobildonna Cecilia Metella del I secolo. Una nuova ricerca di scienziati e colleghi del MIT pubblicata sul Journal of the American Ceramic Society mostra che la qualità del cemento della sua tomba può superare quella dei monumenti dei suoi contemporanei maschi a causa dell’aggregato vulcanico scelto dai costruttori e delle insolite interazioni chimiche con la pioggia e acque sotterranee che si sono accumulate nell’arco di due millenni.
I coautori principali dello studio, Admir Masic, professore associato di ingegneria civile e ambientale al MIT, e Marie Jackson, professoressa associata di geologia e geofisica all’Università dello Utah, hanno collaborato per comprendere la composizione minerale dell‘antica struttura in calcestruzzo.
“Comprendere la formazione e i processi dei materiali antichi può informare i ricercatori di nuovi modi per creare materiali da costruzione durevoli e sostenibili per il futuro”, ha affermato Masic. “La tomba di Cecilia Metella è una delle strutture più antiche ancora in piedi, offrendo spunti che possono ispirare la costruzione moderna”.
Un cemento curiosamente coeso
Situata su un’antica strada romana conosciuta anche come Via Appia, la tomba di Cecilia Metella è un punto di riferimento sulla Via Appia Antica. Consiste in una torre a forma di rotonda che si trova su una base quadrata, in totale circa 70 piedi (21 metri) di altezza e 100 piedi (29 m) di diametro. Costruita intorno al 30 a.C., alla trasformazione della Repubblica Romana in Impero Romano, guidata dall’imperatore Augusto, nel 27 a.C., la tomba è considerata uno dei monumenti meglio conservati della Via Appia.
La stessa Cecilia era un membro di una famiglia aristocratica. Si sposò nella famiglia di Marco Crasso, che formò una famosa alleanza con Giulio Cesare e Pompeo.
“La costruzione di questo monumento e punto di riferimento molto innovativo e robusto sulla Via Appia Antica indica che era tenuta in grande rispetto”, ha affermato Jackson “e il tessuto in cemento 2.050 anni dopo riflette una presenza forte e resiliente”.
La tomba è un esempio delle raffinate tecnologie di costruzione in calcestruzzo nella Roma tardo repubblicana. Le tecnologie furono descritte dall’architetto Vitruvio mentre era in costruzione la Tomba di Cecilia Metella. La costruzione di spesse pareti di mattoni grezzi o aggregati di roccia vulcanica legati con malta a base di calce e tefra vulcanica (frammenti porosi di vetro e cristalli provenienti da eruzioni esplosive), comporterebbe strutture che “con un lungo passaggio di tempo non cadono in rovina“.
Le parole di Vitruvio sono confermate dalle numerose strutture romane esistenti oggi, inclusi i Mercati di Traiano (costruiti tra il 100 e il 110 d.C., più di un secolo dopo la tomba) e strutture marine come moli e frangiflutti.
Quello che gli antichi romani non potevano sapere, però, è come i cristalli del minerale leucite, ricco di potassio, nell’aggregato vulcanico si sarebbero dissolti nel tempo per rimodellare e riorganizzare beneficamente l’interfaccia tra aggregati vulcanici e matrice cementizia legante, migliorando la coesione del calcestruzzo.
“Concentrarsi sulla progettazione di calcestruzzi moderni con zone interfacciali costantemente rinforzate potrebbe fornirci un’altra strategia per migliorare la durabilità dei materiali da costruzione moderni”, ha affermato Masic. “Fare questo attraverso l’integrazione della ‘saggezza romana’ comprovata nel tempo fornisce una strategia sostenibile che potrebbe migliorare la longevità delle nostre soluzioni moderne di ordini di grandezza”.
Linda Seymour ’14, PhD ’21, che ha partecipato a questo studio come dottoranda nel laboratorio Masic del MIT, ha studiato la microstruttura del calcestruzzo con strumenti scientifici.
“Ciascuno degli strumenti che abbiamo usato ha aggiunto un indizio ai processi nel mortaio”, ha affermato Seymour. La microscopia elettronica a scansione ha mostrato le microstrutture dei mattoni della malta su scala micron. La spettrometria a raggi X a dispersione di energia ha mostrato gli elementi che compongono ciascuno di questi elementi costitutivi. “Queste informazioni ci consentono di esplorare rapidamente diverse aree della malta e potremmo individuare gli elementi costitutivi relativi alle nostre domande”, afferma. Il trucco, aggiunge, è di colpire con precisione lo stesso bersaglio di blocchi di costruzione con ogni strumento quando quel bersaglio è solo della larghezza di un capello.
La scienza dietro una sostanza straordinariamente forte
Nelle spesse mura di cemento della tomba di Cecilia Metella, una malta contenente tefra vulcanica lega grandi blocchi di mattoni e aggregati lavici. È simile alla malta usata nei Mercati di Traiano 120 anni dopo. La colla della malta dei Mercati di Traiano è costituita da un blocco costitutivo chiamato fase legante CASH (calcio-alluminio-silicato-idrato), insieme a cristalli di un minerale chiamato strätlingite.
Ma la tephra che i romani usarono per il mortaio di Cecilia Metella era più abbondante di leucite ricca di potassio. Secoli di acqua piovana e sotterranea che filtravano attraverso le pareti della tomba dissolvevano la leucite e rilasciavano il potassio nella malta. Nel calcestruzzo moderno, un’abbondanza di potassio creerebbe gel espansivi che causerebbero microfessurazioni ed eventuale deterioramento della struttura.
Nella tomba, invece, il potassio si è dissolto e ha riconfigurato la fase di legame CASH.
“La diffrazione dei raggi X e le tecniche di spettroscopia Raman ci hanno permesso di esplorare come era cambiata la malta”, afferma Seymour. “Abbiamo visto domini CASH che erano intatti dopo 2.050 anni e alcuni che si erano divisi, esili o comunque diversi nella morfologia. La diffrazione dei raggi X, in particolare, ha consentito un’analisi dei domini a ciuffi fino alla loro struttura atomica. Vediamo che i domini esili stanno assumendo questa natura nanocristallina”, afferma.
I domini rimodellati “evidentemente creano robusti componenti di coesione nel calcestruzzo”, afferma Jackson. In queste strutture, a differenza dei Mercati di Traiano, si forma poca strätlingite.
Stefano Roascio, l’archeologo responsabile della tomba, osserva che lo studio ha una grande rilevanza per la comprensione di altre strutture in cemento antiche e storiche che utilizzano l’aggregato Pozzolane Rosse.
“L’interfaccia tra gli aggregati e la malta di qualsiasi calcestruzzo è fondamentale per la durabilità della struttura”, ha affermato Masic. “Nel calcestruzzo moderno, le reazioni alcali-silice che formano gel espansivi possono compromettere le interfacce anche del calcestruzzo più indurito”.
“Si scopre che le zone interfacciali nell’antico cemento romano della tomba di Cecilia Metella sono in continua evoluzione attraverso rimodellamenti a lungo termine”, ha affermato Masic. “Questi processi di rimodellamento rinforzano le zone interfacciali e potenzialmente contribuiscono a migliorare le prestazioni meccaniche e la resistenza al cedimento del materiale antico”.
