Questi chimici hanno decifrato il codice del cemento romano di lunga durata

Il chimico del MIT Admir Masic sperava davvero che il suo esperimento non esplodesse.

Masic ei suoi colleghi stavano cercando di ricreare un’antica tecnica romana per fare il cemento, un mix di cemento, ghiaia, sabbia e acqua. I ricercatori sospettavano che la chiave fosse un processo chiamato “miscelazione a caldo”, in cui granuli secchi di ossido di calcio, chiamato anche calce viva, vengono mescolati con cenere vulcanica per produrre il cemento. Quindi viene aggiunta acqua.

La miscelazione a caldo, pensavano, alla fine avrebbe prodotto un cemento che non era completamente liscio e miscelato, ma conteneva invece piccole rocce ricche di calcio. Quelle piccole rocce, onnipresenti nei muri degli edifici in cemento dei romani, potrebbero essere la chiave del perché quelle strutture hanno resistito alle ingiurie del tempo.

Non è così che viene prodotto il cemento moderno. La reazione della calce viva con l’acqua è altamente esotermica, il che significa che può produrre molto calore e possibilmente un’esplosione.

“Tutti direbbero: ‘Sei pazzo'”, dice Masic.

Ma non è successo nessun big bang. Invece, la reazione ha prodotto solo calore, un sospiro umido di vapore acqueo e una miscela di cemento simile ai romani con piccole rocce bianche ricche di calcio.

I ricercatori hanno cercato per decenni di ricreare la ricetta romana per la longevità concreta, ma con scarso successo. L’idea che la miscelazione a caldo fosse la chiave era un’ipotesi plausibile.

Masic e colleghi avevano studiato attentamente i testi dell’architetto romano Vitruvio e dello storico Plinio, che offrivano alcuni indizi su come procedere. Questi testi citavano, ad esempio, specifiche rigorose per le materie prime, come ad esempio che il calcare che è la fonte della calce viva deve essere molto puro, e che mescolando calce viva con cenere calda e poi aggiungendo acqua si potrebbe produrre molto calore.

Le rocce non sono state menzionate, ma la squadra aveva la sensazione che fossero importanti.

“In ogni campione che abbiamo visto dell’antico cemento romano, puoi trovare queste inclusioni bianche”, frammenti di roccia incastonati nelle pareti. Per molti anni, dice Masic, l’origine di quelle inclusioni non è stata chiara: forse i ricercatori sospettavano una miscelazione incompleta del cemento. Ma questi sono i romani altamente organizzati di cui stiamo parlando. Quanto è probabile che “ogni operatore [was] non si mescola correttamente e ogni singolo [building] ha un difetto?”

E se, suggeriva il team, queste inclusioni nel cemento fossero in realtà una caratteristica, non un bug? Le analisi chimiche dei ricercatori di tali rocce incorporate nelle pareti del sito archeologico di Privernum in Italia hanno indicato che le inclusioni erano molto ricche di calcio.

Ciò suggeriva l’allettante possibilità che queste rocce potessero aiutare gli edifici a guarire da crepe dovute agli agenti atmosferici o addirittura a un terremoto. Una pronta scorta di calcio era già a portata di mano: si sarebbe dissolta, si sarebbe infiltrata nelle fessure e si sarebbe ricristallizzata. Ecco! Cicatrice guarita.

Ma il team potrebbe osservarlo in azione? Il primo passo è stato ricreare le rocce tramite miscelazione a caldo e sperare che nulla esplodesse. Fase due: prova il cemento di ispirazione romana. Il team ha creato il calcestruzzo con e senza il processo di miscelazione a caldo e li ha testati fianco a fianco. Ogni blocco di cemento è stato spezzato a metà, i pezzi sono stati posizionati a una piccola distanza l’uno dall’altro. Quindi l’acqua è stata fatta gocciolare attraverso la fessura per vedere quanto tempo ci voleva prima che l’infiltrazione si fermasse.

“I risultati sono stati sbalorditivi”, afferma Masic. I blocchi che incorporavano cemento miscelato a caldo sono guariti entro due o tre settimane. Il calcestruzzo prodotto senza cemento miscelato a caldo mai guarito affattoil team riporta il 6 gennaio in I progressi della scienza.

Decifrare la ricetta potrebbe essere un vantaggio per il pianeta. Il Pantheon e la sua cupola di cemento svettante e dettagliata hanno resistito per quasi 2000 anni, ad esempio, mentre le moderne strutture in cemento hanno una durata di vita di forse 150 anni, e questo è lo scenario migliore (SN: 2/10/12). E i romani non avevano barre di rinforzo in acciaio che sostenevano le loro strutture.

Sostituzioni più frequenti delle strutture in cemento significano maggiori emissioni di gas serra. La produzione di calcestruzzo è un’enorme fonte di anidride carbonica nell’atmosfera, quindi le versioni più durature potrebbero ridurre l’impronta di carbonio. “Produciamo 4 gigatonnellate all’anno di questo materiale”, afferma Masic. Quella produzione produce fino a 1 tonnellata metrica di CO₂ per tonnellata metrica di calcestruzzo prodotto, che attualmente ammonta a circa l’8% della CO globale annuale₂ emissioni.

Tuttavia, afferma Masic, l’industria del calcestruzzo è resistente al cambiamento. Per prima cosa, ci sono preoccupazioni sull’introduzione di una nuova chimica in una miscela collaudata con proprietà meccaniche ben note. Ma “il principale collo di bottiglia nel settore è il costo”, afferma. Il calcestruzzo è economico e le aziende non vogliono prezzarsi fuori dalla concorrenza.

I ricercatori sperano che la reintroduzione di questa tecnica che ha superato la prova del tempo e che potrebbe comportare un piccolo costo aggiuntivo per la produzione possa rispondere a entrambe queste preoccupazioni. In effetti, ci stanno scommettendo: Masic e molti dei suoi colleghi hanno creato una startup che chiamano DMAT che sta attualmente cercando denaro iniziale per iniziare a produrre commercialmente il cemento miscelato a caldo di ispirazione romana. “È molto attraente semplicemente perché è un materiale vecchio di migliaia di anni.”