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di Lynn Yarris, lcyarris@lbl.gov
RITORNO AL FUTURO? CON IL CALCESTRUZZO ROMANO

Una ricerca avanzata, svolta presso Light Source del Berkeley Lab,
rivela le basi della longevità dei monumenti romani imperiali.


I muri di calcestruzzo dei Mercati di Traiano a Roma hanno superato la prova del tempo e degli elementi per quasi 2.000 anni. Essi sono anche sopravvissuti a un forte terremoto nel 1349.

Nessuna visita a Roma è completa senza una visita al Pantheon, ai Mercati di Traiano, al Colosseo, o ad altri spettacolari esempi di antichi monumenti romani, fatti con il calcestruzzo, che hanno superato la prova del tempo e degli elementi per quasi duemila anni.
Una scoperta chiave per comprendere la longevità e la resistenza del calcestruzzo romano è stata fatta da una collaborazione internazionale e interdisciplinare di ricercatori che utilizzavano fasci di raggi X da una sorgente luminosa avanzata (ALS), del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).
Lavorando con la linea di luce ALS linea di luce 12.3.2, uno strumento a micro-diffrazione nel quale un superconduttore piega i raggi X, il team di ricerca ha studiato una riproduzione della malta romana fatta di cenere vulcanica, che era stata precedentemente sottoposta a esperimenti e test di frattura presso la Cornell University. Nelle pareti di calcestruzzo dei Mercati di Traiano, costruiti verso il 110 d.C., la malta si lega con frammenti di tufo e mattoni. Attraverso l'osservazione dei cambiamenti mineralogici che hanno avuto luogo nell’indurimento della malta, per un periodo di 180 giorni, e confrontando i risultati con i campioni originali, vecchi di 1900 anni, il team ha scoperto che un idrato cristallino del legante impedisce la moltiplicazione delle microfessure.
"La malta resiste alla microfessurazione attraverso la cristallizzazione in situ di strätlingite, un silicato stabile di calcio e allumino che rafforza le zone di interfaccia e la matrice cementizia", dice Marie Jackson, una scienziata del Dipartimento d’ingegneria civile (UC) e ambientale della Facoltà di Berkeley dell'Università della California, che ha condotto questo studio. "L’interposizione dei densi cristalli di platipecilo ostacola la propagazione di microfessurazioni e preserva la coesione alla scala di micron, il che a sua volta permette al calcestruzzo di mantenere la sua resistenza chimica e l'integrità strutturale in un ambiente sismicamente attivo, a scala millenaria".
Jackson, vulcanologa di formazione, che ha condotto uno studio precedente con ALS su calcestruzzo romano immerso in acqua di mare, è l'autrice di un articolo che descrive questo studio negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS) dal titolo "Mechanical Resilience and Cementitious Processes in Imperial Roman Architectural Mortar". Co-autori dell’articolo sono Eric Landis, Philip Brune, Massimo Vitti, Heng Chen, Qinfei Li, Martin Kunz, Hans-Rudolf Wenk, Paulo Monteiro e Anthony Ingraffea.


Da sinistra: Marie Jackson, Qinfei Li, Martin Kunz e Paulo Monteiro a ALS Beamline 12.3.2 dove hanno condotto uno studio sugli antichi calcestruzzi romani.

Le malte che legano i composti di cemento utilizzati per costruire le strutture della Roma Imperiale sono di grande interesse scientifico, non solo a causa della loro resilienza senza pari e della loro durata, ma anche per i vantaggi ambientali che essi offrono. La maggior parte dei calcestruzzi moderni sono vincolati da cemento calcareo Portland. La produzione del cemento Portland richiede il riscaldamento di una miscela di calcare e argilla a 1450 gradi Celsius, un processo che rilascia abbastanza carbonio, visti i 19 miliardi di tonnellate di cemento Portland utilizzati annualmente, tanto da rappresentare circa il sette per cento del totale di carbonio emesso in atmosfera ogni anno.
La malta di cemento dei romani, invece, è una miscela di circa 85 per cento (in volume) di cenere vulcanica, acqua fresca e calce, che viene calcinata a temperature molto inferiori rispetto al cemento Portland. Pezzi grossolani di tufo e mattoni compongono circa 45 - 55 per cento (in volume) del calcestruzzo. Il risultato è una significativa riduzione delle emissioni di carbonio.
"Se fossimo in grado di trovare il modo di integrare una componente volumetrica sostanziale di roccia vulcanica nella produzione di calcestruzzi speciali, potremmo ridurre notevolmente le emissioni di anidride carbonica associate alla loro produzione e migliorare anche la loro durata e resistenza meccanica nel tempo", spiega Jackson.
Come parte del loro studio, Jackson e i suoi collaboratori presso l’UC di Berkeley hanno usato ALS linea di luce 12.3.2 per fare misure della micro-diffrazione di raggi X su campioni di malta romana che erano spessi soltanto circa 0,3 millimetri. "Abbiamo ottenuto diffrattogrammi ai raggi X per molti punti diversi all'interno di un dato microstruttura cementizia", dice Jackson. "Questo ci ha permesso di rilevare i cambiamenti di associazioni di minerali, il che ha dato indicazioni precise dei processi chimici attivi su aree molto piccole".


Il calcestruzzo degli antichi Romani è costituito da pezzi grossolani di tufo e mattoni legati da una malta di calce cenere vulcanica che resiste alla microfessurazione, una chiave per la sua longevità e resistenza.

I cambiamenti mineralogici che Jackson ei suoi collaboratori osservano hanno mostrato che la riproduzione dell’antica malta acquistava forza e resistenza per oltre 180 giorni, mentre il silicato idrato di calcio-alluminio (CASH) si consolidava e i cristalli strätlingite crescevano nelle zone di interfaccia tra le scorie vulcaniche e la matrice di malta. L'indurimento di queste zone di interfaccia si riflette nella capacità morfologica di bloccare la fessurazione, che è stata misurata dal co-autore Landis dell'Università del Maine, con tomografia computerizzata dei campioni di malta fratturati. Questi risultati sperimentali si correlano bene con i calcoli di crescente energia di frattura determinati dal co-autore Brune, ora a Dupont Technologies. I cristalli di strätlingite mostrano corrosione e le loro superfici lisce suggeriscono stabilità a lungo termine, simile a quella della strätlingite geologica che persiste per centinaia di migliaia d'anni.
"La cristallizzazione in situ dei cristalli di strätlingite produce zone d’interfaccia che sono molto diverse da qualsiasi microstruttura interfacciale osservato in calcestruzzi di cemento Portland", dice Jackson. "L’alta porosità lungo le zone d’interfaccia di inerti in calcestruzzo di cemento Portland crea i percorsi di fratturazione, attraverso i quali le prime fratture si propagano".
Una sfida per i ricercatori del futuro, Jackson dice, sarà quella di "trovare il modo di attivare aggregati, come scorie o come cenere vulcanica, ad esempio, in calcestruzzi innovativi in modo che questi possano sviluppare rinforzi di strätlingite nelle zone di interfaccia come le malte costruttive dei romani".
Gli esperimenti di prova di frattura della Cornell University sono stati guidati dal co-autore Ingraffea. I campioni di malta provenienti dai Mercati Traianei sono stati forniti dal co-autore Vitti e dalla Soprintendenza Capitolina di Roma Capitale. Il co-autore Kunz è il ricercatore di ALS linea di luce 12.3.2.

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Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dalla Biblioteca Loeb presso la Harvard University. L'Advanced Light Source è una strumentazione scientifica avanzata del DOE Office of Science.

Il Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, fondato nel 1931, affronta più urgenti sfide scientifiche di tutto il mondo per portare avanti l'energia sostenibile, la protezione della salute umana, la creazione di nuovi materiali, e rivelando l'origine e destino dell'universo. Le competenze scientifiche di Berkeley Lab sono state riconosciute con 13 premi Nobel. L'Università della California gestisce Berkeley Lab per il Dipartimento dell'Energia dell'Office of Science degli Stati Uniti.
Per saperne di più, visita: http://www.lbl.gov.

L’ufficio del DOE of Science è il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.
Per ulteriori informazioni, si prega di visitare il sito web dell'Ufficio di Scienze: science.energy.gov/.

Fonte: EurekAlert, 15/12/2014.


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