Il termine calcestruzzo,
generalmente associato ad un materiale da
costruzione moderno impiegato soprattutto in questo
secolo, include in realtà anche materiali compositi
largamente utilizzati nell’antichità almeno
alcuni secoli prima di Cristo. Le principali
differenze tra i due tipi di conglomerato consistono
nel diverso legante impiegato e nel concetto di
assortimento granulometrico degli inerti
praticamente assente nella produzione del
calcestruzzo antico ed essenziale, invece, in una
produzione moderna.
La scelta dei materiali, la composizione e le
modalità di messa in opera del calcestruzzo
utilizzato all’epoca dell’Impero Romano vengono
dettagliatamente riportate da Vitruvio nei suoi 10
libri De Architectura. Nelle costruzioni
dell’epoca, i paramenti in mattoni o in pietra,
che fungevano da casseri a perdere, venivano
riempiti di malta all’interno della quale venivano
poi conficcati a mano rottami di pietra e mattone
(30-50mm) costipati con una mazza di ferro. Il
legante della malta era costituito da sola calce o
da calce e pozzolana. Nel primo caso l’indurimento
del calcestruzzo avveniva molto lentamente in
seguito alla reazione della calce, Ca(OH)2,
con l’anidride carbonica presente nell’aria (CO2)
e alla conseguente produzione di carbonato di calcio
(CaCO3). Questo processo d’indurimento,
fortemente legato al grado di penetrazione
dell’aria, risultava paradossalmente tanto più
scadente quanto più compatta ed impenetrabile era
la barriera offerta dai paramenti in pietra o in
mattoni.
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Interno del Panteon (Roma)
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La scoperta della pozzolana (la
"rena di Cuma" nel testo di Vitruvio) segnò
un rivoluzionario progresso nelle antiche
costruzioni in calcestruzzo grazie alla capacità
della miscela calce-pozzolana, non solo di indurire
in assenza di CO2 , ma anche con velocità
molto maggiore di quella richiesta dal processo di
carbonatazione della calce. Oggi sappiamo che la
pozzolana è un materiale di natura inorganica,
prevalentemente costituito da silice (SiO2)
e da allumina (Al2O3) mal
cristallizzate o completamente amorfe. Essa è in
grado di provocare l’indurimento della calce e di
rendere il conglomerato indurito resistente
all’azione dell’acqua grazie alla formazione di
silicati di calcio idrati (C-S-H) e alluminati di
calcio idrati (C-A-H) per reazione della calce con
la silice e l’allumina della pozzolana.
Il declino della qualità nelle costruzioni,
iniziato con la caduta dell’Impero Romano e
proseguito per tutto il Medioevo, è legato
all’aver disatteso le dettagliate raccomandazioni
di Vitruvio. Solo dopo il XIV sec. si tradussero e
si rilessero i testi di Vitruvio riscoprendo, così,
l’arte del ben costruire degli antichi architetti.
Una vera rivoluzione, datata attorno al 1750 ad
opera dell’inglese Smeaton, fu l’invenzione
della calce idraulica ottenuta fortuitamente per
cottura di un calcare che, contravvenendo alle
raccomandazioni di Vitruvio per la produzione della
calce, conteneva impurezze argillose. L’impiego
della calce idraulica presentava caratteristiche
analoghe a quelle della miscela calce-pozzolana, con
il vantaggio, tuttavia, di non dover ricorrere
all’introduzione di pozzolana non disponibile
ovunque.
Una volta capito che il meccanismo di reazione della
calce idraulica era legato alla presenza di impurità
argillose, cominciarono, a partire dagli inizi del
1800, le sperimentazioni nella cottura di miscele
artificiali di calcare ed argilla. Nel 1924 su
brevetto di Aspdin, si arrivò alla formulazione del
cemento Portland ottenuto per cottura del calcare
con il 40% di argilla. Dal punto di vista chimico,
la reazione del cemento Portland con l’acqua porta
alla produzione di C-S-H, C-A-H e Ca(OH)2
con una velocità molto maggiore di quella della
reazione pozzolanica. Un punto chiave di questo
processo produttivo, messo in luce solo in un
successivo brevetto dell’inglese Johnson, era la
temperatura di cottura ben superiore a 850°C per
arrivare alla completa combinazione della calce
proveniente dal calcare con la silice e l’allumina
contenute nell’argilla.
I successivi progressi nel campo dei cementi hanno
in sostanza perfezionato il processo produttivo
indirizzando la composizione verso la presenza di
quei costituenti mineralogici ( 3CaO • SiO2
e 2CaO • SiO2 ) maggiormente capaci di
contribuire ad un rapido indurimento, senza
trascurare l’importanza dei componenti come il
3CaO • Al2O3 e il 4CaO •
Al2O3 • Fe2O3
indispensabili all’ottenimento del clinker
ad una temperatura ragionevolmente bassa.
Un ulteriore passo in avanti nella produzione del
moderno calcestruzzo avvenne grazie all’intuizione
del tedesco Michaelis il quale propose l’aggiunta
di pozzolana al cemento Portland affinché,
combinandosi con la calce di idrolisi, migliorasse
l’idraulicità e l’impermeabilità del
calcestruzzo attraverso l’ulteriore produzione di
C-S-H e C-A-H. A questa intuizione si deve il
successivo sviluppo della produzione di cemento
pozzolanico con pozzolana naturale o l’impiego di
pozzolana artificiale (loppa, cenere volante, fumo
di silice) come materiale sia comacinato con il
clinker sia aggiunto successivamente al cemento.
Negli stessi anni in cui si assiste al progresso
nella produzione del cemento Portland, compaiono
anche le prime pubblicazioni relative
all’importanza dell’utilizzo di inerti con
granulometria assortita al fine di minimizzare il
volume dei vuoti interstiziali tra elementi
lapidei,e di conseguenza, il volume di matrice
cementizia necessaria al loro riempimento. Il
raggiungimento di questo obiettivo ha come effetto
sia la riduzione del costo del calcestruzzo (grazie
alla riduzione del componente più costoso, il
cemento) sia la limitazione degli inconvenienti
tecnici legati ad un eccesso di cemento
(deformazione viscosa, fessurazioni per ritiro o per
gradienti termici). Si arriverà, così, alla
formulazione di equazioni che descrivono la
combinazione ottimale degli inerti per minimizzare i
vuoti tra aggregati. Tra quelle ancor oggi più
utilizzate si può ricordare l’equazione di Fuller:
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100
(d/D)1/2 -C
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P =
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-------------------- |
100
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100-C
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dove P indica la percentuale di
inerte (con diametro massimo D) passante al vaglio
di apertura d, o quella di Bolomey
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A-C+(100-A)(d/D)1/2
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|
P =
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----------------------
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100
|
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100-C
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dove A è una costante che tiene
conto anche del tipo di inerte (naturale o
frantumato) e della lavorabilità richiesta, mentre
C è la percentuale di cemento sulla totalità dei
solidi . Proprio la cura nel controllo
granulometrico degli inerti distingue un produttore
di calcestruzzo moderno da chi, invece, seguita a
produrre un calcestruzzo con criteri non conformi ad
un vero processo industriale.
Calcestruzzo
antico gettato entro paramenti
in mattone (Pompei).
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Enco
Journal n.7 - 1997
Articolo pubblicato in accordo con "ENCO journal"
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