Intorno al 79 d.C. L'autore romano Plinio il Vecchio scrisse nel suo Naturalis Historia che le strutture in cemento armato nei porti, esposto all'assalto costante delle onde salate, diventare "un unico ammasso di pietra, inespugnabile alle onde e ogni giorno più forte."

Non stava esagerando. Mentre le moderne strutture marine in cemento si sgretolano nel giro di decenni, 2, I moli e i frangiflutti romani risalenti a migliaia di anni fa persistono fino ad oggi, e sono più forti ora di quando furono costruiti per la prima volta. La geologa dell'Università dello Utah, Marie Jackson, studia i minerali e le strutture su microscala del calcestruzzo romano come farebbe con una roccia vulcanica. Lei ei suoi colleghi hanno scoperto che l'acqua di mare che filtra attraverso il cemento porta alla crescita di minerali interconnessi che conferiscono al cemento una maggiore coesione. I risultati sono pubblicati oggi in Mineralologo americano.

Calcestruzzo romano contro cemento Portland

I romani facevano cemento mescolando cenere vulcanica con calce e acqua di mare per fare un mortaio, e poi inglobando in quella malta pezzi di roccia vulcanica, l'"aggregato" nel calcestruzzo. La combinazione di cenere, acqua, e la calce viva produce quella che si chiama reazione pozzolanica, prende il nome dalla città di Pozzuoli nel Golfo di Napoli. I Romani potrebbero aver avuto l'idea di questa miscela da depositi di cenere vulcanica cementati naturalmente chiamati tufo che sono comuni nella zona, come descrisse Plinio.

Il calcestruzzo simile al conglomerato è stato utilizzato in molte strutture architettoniche, tra cui il Pantheon ei Mercati di Traiano a Roma. Enormi strutture marine proteggevano i porti dal mare aperto e fungevano da ampi ancoraggi per navi e magazzini.

Il moderno calcestruzzo di cemento Portland utilizza anche aggregati di roccia, ma con una differenza importante:le particelle di sabbia e ghiaia sono destinate ad essere inerti. Qualsiasi reazione con la pasta di cemento potrebbe formare gel che si espandono e screpolano il calcestruzzo.

"Questa reazione alcali-silice si verifica in tutto il mondo ed è una delle principali cause di distruzione delle strutture in cemento Portland, "dice Jackson.

Riscoprire il cemento romano

L'interesse di Jackson per il cemento romano iniziò con un anno sabbatico a Roma. Ha studiato prima i tufi e poi ha studiato i depositi di cenere vulcanica, presto affascinati dai loro ruoli nella produzione della notevole durabilità del calcestruzzo romano.

Insieme ai colleghi, Jackson iniziò a studiare i fattori che rendevano il cemento architettonico a Roma così resistente. Un fattore, lei dice, è che le concrescenze minerali tra l'aggregato e la malta impediscono l'allungamento delle fessure, mentre le superfici degli aggregati non reattivi nel cemento Portland aiutano solo a propagare le crepe.

In un altro studio sulle carote di perforazione del calcestruzzo portuale romano raccolto dal progetto ROMACONS nel 2002-2009, Jackson e colleghi hanno trovato un minerale eccezionalmente raro, tobermorite alluminosa (Al-tobermorite) nel mortaio marino. I cristalli minerali si sono formati nelle particelle di calce attraverso la reazione pozzolanica a temperature alquanto elevate. La presenza di Al-tobermorite sorprese Jackson. "È molto difficile da fare, " dice del minerale. La sua sintesi in laboratorio richiede alte temperature e si ottiene solo in piccole quantità.

Corrosione dell'acqua di mare

Per il nuovo studio, Jackson e altri ricercatori sono tornati alle carote di perforazione ROMACONS, esaminandoli con una varietà di metodi, comprese le analisi di microdiffrazione e microfluorescenza presso la linea di luce Advanced Light Source 12.3.2 presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Hanno scoperto che Al-tobermorite e un minerale correlato zeolite, filippino, formato in particelle di pomice e pori nella matrice cementante. Da lavori precedenti, il team sapeva che il processo di polimerizzazione pozzolanica del calcestruzzo romano era di breve durata. Qualcos'altro deve aver fatto crescere i minerali a bassa temperatura molto tempo dopo che il cemento si era indurito. "Nessuno ha prodotto la tobermorite a 20 gradi Celsius, " dice lei. "Oh, tranne i romani!"

"Come geologi, sappiamo che le rocce cambiano, " Jackson dice. "Il cambiamento è una costante per i materiali della terra. Quindi in che modo il cambiamento influenza la durabilità delle strutture romane?"

Il team ha concluso che quando l'acqua di mare percolava attraverso il calcestruzzo nei frangiflutti e nei moli, ha sciolto i componenti della cenere vulcanica e ha permesso a nuovi minerali di crescere dai fluidi lisciviati altamente alcalini, in particolare Al-tobermorite e phillipsite. Questa Al-tobermorite ha composizioni ricche di silice, simili ai cristalli che si formano nelle rocce vulcaniche. I cristalli hanno forme platy che rinforzano la matrice cementante. Le piastre ad incastro aumentano la resistenza del calcestruzzo alla frattura fragile.

Jackson dice che questo processo simile alla corrosione sarebbe normalmente una cosa negativa per i materiali moderni. "Stiamo guardando un sistema che è contrario a tutto ciò che non si vorrebbe nel calcestruzzo a base di cemento, ", dice. "Stiamo guardando un sistema che prospera nello scambio chimico aperto con l'acqua di mare".

Calcestruzzo romano moderno

Dati i vantaggi di durabilità del calcestruzzo romano, perché non è usato più spesso, tanto più che la produzione di cemento Portland produce notevoli emissioni di anidride carbonica?

"La ricetta è andata completamente persa, " dice Jackson. Ha studiato a lungo i testi antichi romani, ma non ha ancora scoperto i metodi precisi per impastare la malta marina, per ricreare completamente il calcestruzzo.

"I romani sono stati fortunati nel tipo di roccia con cui hanno dovuto lavorare, "dice. "Hanno osservato che la cenere vulcanica cresceva cementi per produrre il tufo. Non abbiamo quelle rocce in gran parte del mondo, quindi bisognerebbe fare delle sostituzioni".

Ora sta lavorando con l'ingegnere geologico Tom Adams per sviluppare una ricetta sostitutiva, però, utilizzando materiali degli Stati Uniti occidentali. L'acqua di mare nei suoi esperimenti proviene dal Berkeley, California, marina, raccolti dalla stessa Jackson.

Il calcestruzzo romano richiede tempo per sviluppare forza dall'acqua di mare, e presenta una resistenza alla compressione inferiore rispetto al tipico cemento Portland. Per questi motivi, è improbabile che il cemento romano possa diffondersi, ma potrebbe essere utile in contesti particolari.

Jackson ha recentemente valutato la proposta di costruire una laguna di marea a Swansea, Regno Unito, per sfruttare la forza delle maree. La laguna, lei dice, avrebbe bisogno di funzionare per 120 anni per recuperare i costi sostenuti per costruirlo. "Puoi immaginare che, con il modo in cui costruiamo ora, a quel punto sarebbe una massa di acciaio corrosivo." Un prototipo romano in cemento, d'altra parte, potrebbe rimanere intatto per secoli.

Jackson afferma che mentre i ricercatori hanno risposto a molte domande sulla malta del calcestruzzo, le reazioni chimiche a lungo termine nei materiali aggregati rimangono inesplorate. Intende continuare l'opera di Plinio e di altri studiosi romani che si adoperarono assiduamente per scoprire i segreti del loro cemento. "I romani si preoccupavano di questo, " dice Jackson. "Se vogliamo costruire nel mare, dovremmo preoccuparci anche di questo».