Nel tempo, il cemento si screpola e si sgretola. O meglio: la maggior parte del cemento si screpola e si sgretola. Le strutture costruite nell’antica Roma, infatti, sono ancora in piedi, mostrando una notevole durabilità nonostante le condizioni che devastererebbero il cemento moderno.
Una di queste strutture è la grande tomba cilindrica della nobildonna Cecilia Metella, mausoleo fra i più celebri di Roma, risalente al I secolo. Nuove ricerche mostrano 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 le acque sotterranee, che rendono il materiale ancora più resistente.
“La costruzione di questo monumento e punto di riferimento molto innovativo e robusto sulla Via Appia Antica indica che era tenuta in grande considerazione“, afferma Marie Jackson, professore associato di geologia e geofisica presso l’Università dello Utah, “e il tessuto di cemento 2.050 anni dopo riflette una presenza forte e resiliente”.
La ricerca è pubblicata sul Journal of the American Ceramic Society ed è finanziata in parte dal programma “Extreme Durability of Cementitious Materials” del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ARPA-e.
Chi era Cecilia Metella?
La tomba di Cecilia Metella è un punto di riferimento sulla Via Appia Antica, un’antica strada romana conosciuta anche come Via Appia. Consiste in una torre a forma di tamburo che si trova su una base quadrata, in totale circa 70 piedi (21 m) 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 (fu costruito un castello annesso alla tomba nel XIV secolo).
La stessa Cecilia era un membro di una famiglia benestante, figlia di un console romano. Si sposò con la famiglia di Marco Lincio Crasso, un generale e statista romano che formò una famosa alleanza di triumvirato con Giulio Cesare e Pompeo.
Non si sa molto di più sulla vita di Caecilia, ma la grandezza duratura della sua tomba ha catturato l’attenzione dei visitatori per secoli, incluso Lord Byron che scrisse della tomba in “Childe Harold’s Pilgrimage” all’inizio del 1800. Dopo aver descritto la struttura simile a una fortezza, Byron chiede:
“Cos’era questa torre di forza? nella sua caverna
Quale tesoro giaceva così chiuso, così nascosto? La tomba di una donna”.
Jackson ha visitato la tomba nel 2006 con l’archeologa Dottoressa Lisa Gianmichele e con un permesso della Soprintendenza Archeologia di Roma per raccogliere piccoli campioni della malta per l’analisi. “Era una giornata molto calda di giugno – racconta – ma quando siamo scesi i gradini del corridoio sepolcrale l’aria è diventata molto fresca e umida“. Nota le pareti in muratura di mattoni compatte, coese, quasi perfettamente conservate e l’affioramento di roccia vulcanica quasi satura d’acqua nella sottostruttura. “L’atmosfera era molto tranquilla, eccetto per lo svolazzare dei piccioni nel centro aperto della struttura circolare”, aggiunge.
Cos’è il cemento romano?
Prima di addentrarci nei particolari, orientiamoci alla terminologia del calcestruzzo. Cammina lungo la maggior parte dei marciapiedi e vedrai che il calcestruzzo è costituito da un aggregato (sabbie rocciose e ghiaie) e un legante cementizio. Il cemento in un moderno marciapiede è probabilmente cemento Portland, prodotto riscaldando calcare e minerali argillosi in un forno per formare clinker, macinando il clinker e aggiungendo una piccola quantità di gesso.
La tomba è un esempio delle raffinate tecnologie di costruzione in calcestruzzo della Roma tardo repubblicana che non contengono cemento. Le tecnologie furono descritte dall’architetto Vitruvio nel periodo in cui 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 idrata e tefra vulcanica (frammenti porosi di vetro e cristalli provenienti da eruzioni esplosive), darebbe luogo a strutture che “nel lungo tempo non cadono in rovina”.
Le parole di Vitruvio sono dimostrate vere 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, che Jackson e i suoi colleghi hanno anche studiato .
Quello che gli antichi romani non potevano sapere, però, è come i cristalli del minerale leucite, ricco di potassio, nell’aggregato vulcanico di tefra si sarebbero dissolti nel tempo per rimodellare e riorganizzare beneficamente la coesione del calcestruzzo.
Per comprendere la struttura minerale del calcestruzzo, Jackson ha collaborato con i ricercatori Linda Seymour e Admir Masic del Massachusetts Institute of Technology e Nobumichi Tamura presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Hanno approfondito la microstruttura del calcestruzzo con una serie di potenti strumenti scientifici.
“Campioni come la malta antica sono altamente eterogenei e complessi, costituiti da una miscela di diverse fasi cristalline con granulometrie che vanno da pochi micrometri fino a pochi nanometri“, afferma Tamura, che ha condotto analisi utilizzando la linea di luce Advanced Light Source 12.3.2 Per identificare i diversi minerali nel campione, così come il loro orientamento, dice, è necessario uno strumento come la linea di luce di microdiffrazione all’Advanced Light Source che produce un raggio di raggi X a matita “di dimensioni micron, estremamente luminoso ed energico che può penetrare attraverso l’intero spessore dei campioni, rendendolo uno strumento perfetto per tale studio”.
Seymour, che ha partecipato a questo studio come studente al MIT ed è ora consulente di progetto con la società di ingegneria Simpson, Gumpertz & Heger, ha condotto ulteriori analisi sui campioni. “Ciascuno degli strumenti che abbiamo usato ha aggiunto un indizio ai processi nel mortaio“, dice. 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.
Perché il cemento della tomba di Cecilia è così unico?
Nelle spesse pareti di cemento della tomba di Cecilia Metella, una malta che contiene tefra vulcanica proveniente dal vicino flusso piroclastico delle Pozzolane Rosse (una densa massa di tefra calda e gas espulsi in modo esplosivo dal vicino vulcano dei Colli Albani) lega grossi pezzi di mattoni e aggregati lavici. È più o meno la stessa malta usata nei muri dei Mercati di Traiano 120 anni dopo.
In precedenti analisi dei mercati della malta di Traiano, Jackson, Tamura e i loro colleghi hanno esplorato la “colla” della malta, un elemento costitutivo chiamato fase legante CASH (calcio-alluminio-silicato-idrato), insieme a un minerale chiamato strätlingite. I cristalli di strätlingite bloccano la propagazione delle microfessure nella malta, impedendo loro di legarsi tra loro e di fratturare la struttura in calcestruzzo.
Ma la tephra che i romani usavano 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, una tale inondazione di potassio creerebbe gel espansivi che causerebbero microfessurazioni ed eventuali scheggiature e deterioramento della struttura.
Nella tomba, invece, il potassio si è dissolto e ha riconfigurato la fase di legame CASH. Seymour afferma che le tecniche di microdiffrazione a raggi X e spettroscopia Raman hanno permesso loro di esplorare come era cambiata la malta. “Abbiamo visto domini CASH che erano intatti dopo 2.050 anni e alcuni che si erano spaccati, a ciuffi o comunque diversi nella morfologia”, dice. La microdiffrazione a raggi X, in particolare, ha consentito un’analisi dei domini a ciuffi fino alla loro struttura atomica. “Vediamo che i domini esili stanno assumendo una natura nanocristallina“, afferma. I domini rimodellati “evidentemente creano solidi componenti di coesione nel calcestruzzo“, afferma Jackson. In queste strutture, a differenza dei Mercati di Traiano, si forma molto meno strätlingite.
Stefano Roascio, l’archeologo responsabile della tomba, osserva che lo studio ha una grande rilevanza per la comprensione di altre strutture antiche e storiche in calcestruzzo che utilizzano l’aggregato Pozzolane Rosse.
Admir Masic, professore associato di ingegneria civile e ambientale al MIT, afferma che l’interfaccia tra gli aggregati e la malta di qualsiasi calcestruzzo è fondamentale per la durabilità della struttura. Nel calcestruzzo moderno, dice, 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 calcestruzzo romano della tomba di Caecilia Metella sono in continua evoluzione attraverso rimodellamenti a lungo termine“, afferma. “Questi processi di rimodellamento rafforzano le zone interfacciali e potenzialmente contribuiscono a migliorare le prestazioni meccaniche e la resistenza ai guasti del materiale antico”.
Credit: Marie Jackson
Possiamo ricreare quell’effetto oggi?
Jackson e i suoi colleghi stanno lavorando per replicare alcuni dei successi dei romani nei calcestruzzi moderni, in particolare in un progetto ARPA-e del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per incoraggiare simili aggregati beneficamente reattivi nei calcestruzzi che utilizzano magmatiche cellulari ingegnerizzate al posto della tefra dell’antica strutture romane. L’obiettivo, secondo ARPA-e, è che un calcestruzzo di tipo romano possa ridurre dell’85% le emissioni energetiche della produzione e installazione del calcestruzzo e quadruplicare la durata di 50 anni dei moderni calcestruzzi marini.
“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”, afferma 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”.
