CALCESTRUZZO ANTICO E MODERNO
Silvia Collepardi

     
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.


Interno del Panteon (Roma)

Calcestruzzo antico gettato entro paramenti
in mattone (Pompei).

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:

 

100 (d/D) ½-C

 

P =

-------------------

100

 

100-C

 


dove P indica la percentuale di inerte (con diametro massimo D) passante al vaglio di apertura d, o quella di Bolomey

 

A-C+(100-A)(d/D)1/2

 

P =

-----------------------------

100

 

100-C

 

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.