1. INTRODUZIONE

Questo articolo si compone di tre Parti. Dopo la Parte I, qui presentata, verranno affrontate la Parte II dedicata al calcestruzzo dei Romani, e la Parte III dedicata alla evoluzione scientifica e tecnologica del calcestruzzo dopo il Secolo dei Lumi.

L’evoluzione nel tempo delle malte e dei calcestruzzi è scandita dalle scoperte dei leganti. Questi componenti, in combinazione con l’acqua di impasto, hanno appunto la funzione di legare gli elementi lapidei (sabbia e ghiaia) per ottenere un prodotto monolitico in forma di intonaco o di struttura in calcestruzzo. La Tabella 1 mostra la successione dei leganti dal tempo degli Egiziani ai nostri giorni. Essi possono essere suddivisi in:

- legante aereo, capace cioè di indurire e di permanere durevolmente in servizio solo se esposto all’aria ed in assenza di acque naturali (pioggia, mare,ecc.);

- legante idraulico, che, invece, può indurire anche in assenza di aria ed è capace di resistere all’azione dilavante delle acque naturali.

2. LEGANTE GEOPOLIMERICO NELLE PIRAMIDI EGIZIANE

Con il legante geopolimerico, secondo J. Davidovits (“The Pyramids: an enigma solved”, Hippocrene Books, New York, 1989) furono costruite le Piramidi in Egitto alcuni millenni a.C. precedendo qualsiasi altro legante della storia. La teoria di Davidovits, per spiegare il mistero della costruzione delle Piramidi, parte da questa osservazione: era praticamente impossibile ritagliare, da cave rocciose, blocchi di pietra che in alcuni casi raggiungono un peso di oltre 2 tonnellate, con gli strumenti in pietra e rame disponibili in quell’epoca agli Egiziani. Secondo la teoria più comunemente accettata, infatti, si ritiene che grossi blocchi di calcare siano stati prima intagliati in forme prismatiche quasi perfette, quindi sollevati sempre più in alto con il procedere della costruzione, ed infine montati l’uno accanto all’altro per la loro sistemazione definitiva che dava forma alle Piramidi.

Secondo Davidovits, né una tecnica di lavorazione così precisa e geometricamente perfetta delle pietre, e neppure i mezzi di movimentazione e sollevazione di blocchi così grandi, erano disponibili agli Egiziani all’epoca della costruzione delle Piramidi. Davidovits avanza quindi una ipotesi alternativa per spiegare come gli antichi Egiziani abbiano potuto costruire opere così imponenti dotate di una precisa collocazione dei blocchi lapidei.

Vale subito la pena di precisare che la ipotesi di Davidovits si basa sulla disponibilità di particolari materie prime presenti nei luoghi vicini alle Piramidi, ma non disponibili in altri siti e quindi non utilizzabili al di fuori delle aree dove si trovano le Piramidi. Una materia prima fondamentale, distante non più di un chilometro dalle Piramidi, era costituita da un calcare marnoso, un minerale contenente carbonato di calcio (CaCO₃) e argilla (H₂O•SiO₂•Al₂O₃) mineralogicamente ed intimamente tra loro frammisti. Questo calcare argilloso veniva mescolato con acqua e conservato in appositi canali scavati vicino al Nilo fino ad ottenere una sorte di fango nel quale il calcare era disaggregato dall’argilla.

Una seconda materia prima, assolutamente indispensabile per la trasformazione del fango contenente calcare e argilla in blocchi di pietra artificiale, era costituito dalla soda caustica (NaOH). Questo composto, del quale ovviamente gli Egiziani non conoscevano la composizione chimica, non è disponibile in natura. Tuttavia gli Egiziani,secondo Davidovits, avevano empiricamente scoperto che il composto, che oggi è noto come soda caustica, poteva essere ottenuto mescolando il minerale Natron (Na₂CO₃), disponibile in natura nelle aree prossime alla costruzione delle Piramidi, con acqua e con calce (CaO), a sua volta ottenuta riscaldando pietra calcarea secondo il processo [7] che verrà illustrato nel paragrafo 4 destinato alla produzione della calce:

Il mescolamento del fango contenente calcare e argilla con la sospensione acquosa di Natron e calce (cioè con soda caustica) innescava una reazione chimica capace di trasformare i minerali argillosi contenenti (H₂O•Al₂O₃•SiO₂) in prodotti capaci di indurire (C-S-H e C-A-H) secondo il processo seguente:

Il ruolo della soda caustica nel decorso della reazione [2], responsabile dell’indurimento del fango, è assimilabile a quello di un catalizzatore che accelera una reazione chimica che di per sé procederebbe così lentamente da perdere qualsiasi vantaggio pratico. Questo processo è lo stesso che oggi viene talvolta realizzato su basi scientifiche, e non empiriche, attivando con soda caustica la loppa d’altoforno (anch’essa fonte di silice ed allumina) finemente macinata e dispersa in acqua. I prodotti ottenuti da questo processo, come anche quelli formati per miscelazione di calcare argilloso con Natron e calce, sono in grado di indurire e i prodotti di questo indurimento sono stati chiamati da Davidovits “geo-polimeri”. Ovviamente gli Egiziani non conoscevano né il meccanismo chimico [2] né tanto meno i geopolimeri di Davidovits.

Il fango degli Egiziani veniva trasportato a mano, con l’ausilio di secchi o altri contenitori, e veniva trasferito in casseforme cubiche o prismatiche predisposte sul sito in costruzione delle Piramidi. Il materiale veniva meccanicamente compattato con pestelli all’interno delle cassaforme e, appena indurito nel giro di qualche giorno, veniva sformato in forma di blocchi che esternamente oggi si presentano come vere e proprie pietre naturali tagliate con precisione al punto di poter essere accostare l’una all’altra con un giunto regolare e costante. Questo processo è in grado di spiegare come gli Egiziani abbiano potuto costruire le Piramidi accostando blocchi senza ritagliarli dalla roccia naturale e senza trasportare i blocchi dalla cava fino alla sommità delle costruzioni.

3. IL GESSO LEGANTE

Esistono tre forme chimiche di gesso tutte a base di solfato di calcio (CaSO₄). In natura è largamente disponibile la pietra di gesso che si presenta come un solfato di calcio bi-idrato (CaSO₄•2H₂O) che non ha caratteristiche leganti. Per cottura del gesso bi-idrato a 100-150 °C si formano gesso semi-idrato (CaSO₄•0.5 H₂O) e/o anidrite (CaSO₄) con sviluppo di vapore acqueo (H₂O) che viene rimosso in alto (↑) insieme ai fumi della combustione:

Sia la polvere di gesso semi-idrato che quella di anidrite, mescolata con acqua e sabbia, forma una malta plastica modellabile che progressivamente indurisce riformando il gesso bi-idrato:

In sostanza si parte dal gesso bi-idrato come materia prima e si chiude il ciclo con la ri-formazione di gesso bi-idrato al termine dell’indurimento.

In teoria, l’acqua stechiometrica, cioè quella necessaria a convertire tutto il legante in gesso bi-idrato è pari a 18,7% o 25,4% a seconda che si debba far avvenire la completa trasformazione chimica in gesso bi-idrato rispettivamente secondo la reazione [5] o [6]. In pratica, però, l’acqua impiegata per ottenere una malta plastica lavorabile può variare dal 30 al 100% rispetto al peso del legante e quindi è molto maggiore di quella necessaria stechiometricamente alla conversione di tutto il legante in gesso bi-idrato.

In teoria, il gesso si comporta come un legante idraulico in quanto per indurire non richiede la presenza di aria ma solo di acqua; in altre parole una miscela di gesso legante ed acqua tenuta al riparo dell’aria è in grado di indurire grazie alle reazioni [5] e [6]. Tuttavia, il gesso viene classificato come legante aereo in quanto la malta di gesso indurita non è in grado di sopportare l’azione dilavante della pioggia e di altre acque naturali per la enorme solubilità del gesso in acqua (circa 2 g/L) che verrebbe così progressivamente dilavato dall’azione di un’acqua corrente come si verifica durante la pioggia o con il moto ondoso delle acque fluviali e marine.

Gli impieghi del gesso come materiale legante risalgono ai primordi della storia da parte dei Fenici e degli Egizi in quanto facilmente producibile a temperature di cottura relativamente basse. Il gesso è ancora largamente impiegato (in forma di malta da intonaco, di pannelli divisori di carton-gesso,ecc.) per usi in ambienti abitativi interni al riparo dalla pioggia.

4. LA CALCE

La calce viene prodotta per cottura della pietra calcarea, costituita da carbonato di calcio (CaCO₃), a temperature relativamente elevate (800-1000 °C), e quindi molto maggiori di quella adottata per la produzione del gesso legante rispetto alla quale, quindi, la produzione della calce rappresenta un decisivo progresso tecnologico. La cottura del calcare avviene con sviluppo dell’anidride carbonica (CO₂) che viene trascinata dai gas della combustione anch’essi prevalentemente costituiti da CO₂:

Il materiale ottenuto dalla cottura (CaO), denominato ossido di calcio o calce, non può essere impiegato come legante, ma necessita di un successivo trattamento della calce consistente in una reazione tra calce e acqua per ottenere la calce idrata costituita da idrossido di calcio:

Mentre il processo di cottura [7] è fortemente endotermico, cioè occorre fornire molto calore al forno per far decorrere la reazione di termo-decomposizione, il processo di idratazione [8] è invece fortemente esotermico, avviene cioè con un forte sviluppo di calore. Il calore sviluppato è così elevato che la miscela di calce ed acqua per produrre calce idrata si surriscalda oltre 100 °C ed arriva a bollire: per questo motivo il CaO è chiamato calce viva, mentre l’idrossido è chiamato calce spenta, ed il processo di conversione del CaO in Ca(OH)₂ è noto come spegnimento.

Soprattutto in passato la calce idrata veniva utilizzata in forma di grassello che è una sospensione di Ca(OH)₂ in acqua, ottenuto spegnendo la calce viva (CaO) con un quantitativo di acqua in eccesso rispetto a quello richiesto per ottenere la calce idrata Ca(OH)₂ secondo la reazione [8]. Sebbene ci siano testimonianze (Plinio il Vecchio) che gli Egiziani conoscessero il modo di produrre la calce, tuttavia essa fu largamente impiegata solo successivamente dai Greci e soprattutto dai Romani.

La calce idrata è un legante aereo perché l’indurimento avviene solo per contatto con l’aria ed in particolare con la CO₂ dell’aria:

Anche in questo caso, come avviene per il gesso, con la carbonatazione della calce idrata si chiude un ciclo: si parte dalla materia prima formata da calcare secondo il processo per produrre calce [7], ed al calcare si torna secondo la reazione [9]. Oltre alla formazione di calcare, l’indurimento della calce richiede un processo di asciugamento per la eliminazione all’aria dell’acqua che si forma secondo la reazione [9].

Esiste un secondo motivo per il quale la calce è considerato un legante aereo ed è il comportamento dilavante della pioggia nei confronti dal calcare la cui solubilità in acqua e di circa 13 mg/L. Sebbene molto meno dilavabile del gesso, che è molto più solubile in acqua (2000 mg/L), la malta di calce non è molto indicata per intonaci esposti alla pioggia e pertanto il suo impiego è stato applicato con successo quasi esclusivamente per gli intonaci di murature in ambienti chiusi.

Oltre che per gli intonaci, la calce è stata impiegata per la malta di allettamento di una muratura, allo scopo di creare un giunto adesivo tra gli elementi lapidei o ceramici. In questo caso, la carbonatazione e l’indurimento che ne consegue avvengono abbastanza rapidamente solo nella porzione del giunto adesivo esposto direttamente all’aria, mentre il fronte della carbonatazione si propaga più lentamente nello strato interno del giunto distante dall’aria per la lenta diffusione della CO₂ attraverso la malta già indurita. Infatti, se manca il diretto contatto con l’aria, il processo di carbonatazione della calce idrata è così lento che in alcune antiche costruzioni si è trovato ancora del Ca(OH)₂ tal quale e cioè non combinato con la CO₂.

Ancora più problematico apparve l’impiego della calce idrata per confezionare strutture in calcestruzzo che, gettato in forma di massa plastica all’interno di cassaforme permanenti o temporanee, potesse assumere, dopo un graduale indurimento, la forma definitiva delle strutture stabili. Anche in questo caso, ed ancor più che nelle malte di allettamento, la calce idrata non può indurire attraverso il processo [9] per l’assoluta mancanza di aria, e quindi di carbonatazione, a causa dell’impedimento meccanico frapposto dalle cassaforme necessarie a plasmare il calcestruzzo fresco.

Con la scoperta della pozzolana cambiò radicalmente il processo produttivo delle malte e dei calcestruzzi.

5. LA SCOPERTA DELLA POZZOLANA

Marco Vitruvio Pollione* nel suo libro, in latino, De Architectura scrive: «Esiste una specie di polvere chiamata “pozzolana” (n.d.t. da Pozzuoli) che per natura possiede qualità straordinarie. Si trova nella Baia di Napoli e nelle terre circostanti il Vesuvio. Questa polvere, mescolata con calce e sabbia rende la muratura talmente stabile che questa indurisce non solo negli edifici normali, ma anche sotto l’acqua».

* Il primo testo del De Architectura disponibile, scritto in latino volgare da Fra’ Giovanni Sulpicio da Veroli, (Editio princeps in vulgare) è del 1486. Nel 1511 appare la stampa veneziana del libro di Vitruvio a cura di Giovanni Monsignori (Fra’ Giocondo), cui seguì nel 1521la versione “translata in vulgare et affigurata” di Caesare Caesariano, Architecto Mediolanense. E’del 1832 la versione più moderna del libro Vitruviano a cura di B. Galliani, Ed. A. Dozio, Milano, cui fa riferimento la descrizione della pozzolana sopra riportata come anche di quelle nel testo che segue.

Sebbene la scoperta della pozzolana sia attribuita ai Romani sembra che già nel X secolo a.C. i Fenici e gli Israeliti abbiano utilizzato miscele di calce e pozzolana in opere idrauliche (acquedotti, serbatoi, porti, ecc.) dove l’impiego della sola calce aerea avrebbe potuto provocare un lento ma inesorabile dilavamento sulla superficie delle strutture. Secondo C. Goria (“Evoluzione storica dei leganti e dei conglomerati: dall’empirismo alla loro conoscenza razionale”, in Cemento: Storia, Tecnologia, Applicazioni, Ed Fratelli Fabbri Editori, Milano, 1976) sembra che le cisterne dell’acqua potabile, fatte costruire da Re Salomone a Gerusalemme, siano state protette con un rivestimento superficiale di malta idraulica a base di calce e pozzolana artificiale a base di argilla cotta (cocciopesto).

Anche i Greci secondo F. M. Lea (“The Chemistry of cement and concrete”, Chemical Publishing, London,1971) utilizzarono la cenere vulcanica dell’isola di Cantorino. Addirittura risale al 2000 a.C. l’impiego di calce aerea mescolata con pozzolana artificiale, in forma di argilla cotta macinata, in alcune costruzioni nell’isola di Creta.

Il merito dei Romani consiste nell’impiego razionale e costante della pozzolana, del tipo di quella esistente presso Pozzuoli (pulvis puteolana), in parziale sostituzione della sabbia normale. Essi si resero conto che, grazie alla combinazione della calce con la pozzolana, la malta diventava idraulica: era in grado, cioè, di indurire anche sotto acqua e di raggiungere una maggiore resistenza meccanica.

In questo contesto, si potrebbe definire pozzolanica una sabbia speciale capace di trasformare una malta da aerea in una malta idraulica nonostante il legante impiegato (calce) sia di per sé stesso aereo. Oggi noi sappiamo che questo effetto è fondamentalmente dovuto alla presenza, nella pozzolana, di silice (SiO₂) ed allumina (Al₂O₃) reattive nei confronti della calce per il loro stato amorfo e vetroso,cioè non cristallino; ma di questa correlazione chimico-fisica i Romani non potevano certamente essere consci. Tuttavia essi erano in grado empiricamente di individuare una cava di pozzolana guidati dalla presenza di lava in prossimità dei vulcani spenti. Così pure intuirono che, laddove non esistevano giacimenti naturali di lava vulcanica in prossimità delle costruzioni in tutto l’Impero, lo stesso effetto si sarebbe potuto ottenere sostituendo la pozzolana di origine vulcanica con argilla cotta macinata nota come cocciopesto (mattoni o tegole finemente macinate).

Oggi noi sappiamo scientificamente che la sabbia di origine vulcanica (pozzolana naturale) come anche il cocciopesto (pozzolana artificiale) hanno la capacità di reagire con la calce trasformandola in alluminati di calcio idrati (C-A-H) ed in particolare in un idrosilicato di calcio (C-S-H), che si forma anche nella idratazione dei moderni cementi, e che è capace di produrre una maggiore resistenza meccanica rispetto alla normale malta aerea, di indurire sotto acqua e di resistere all’azione dilavante dell’ acqua piovana o del moto ondoso nel casi opere marittime:

*I simboli C-S-H e C-A-H non sono formule chimiche ma piuttosto le iniziali in inglese di Calcium Hydrated Silicate e Calcium Aluminate Hydrated.

Se la malta di calce e pozzolana è esposta all’aria una parte del Ca(OH)₂ si trasforma in CaCO₃ come avviene nell’indurimento della calce aerea secondo la reazione di carbonatazione [9].

Nella Tabella 2 sono mostrate comparativamente le prestazioni della malta a base di calce con e senza pozzolana.

Dopo la scoperta delle malte idrauliche a base di calce e pozzolana, iniziò l’uso della calce per produrre il cosiddetto calcestruzzo romano mescolando calce, sabbia pozzolanica, acqua e rottami di mattoni o più frequentemente di pietra. Questo sarà l’argomento che verrà presentato nella Parte II di questo articolo.