INTRODUZIONE

Questo articolo è la seconda parte di una pubblicazione intitolata “Dal calcestruzzo antico a quello moderno” la cui prima parte (“ Evoluzione dei leganti per malte e calcestruzzi”) è apparsa nel giugno 2008 sul N.41 di Enco Journal.


1. LA SCOPERA 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 in forma di mattone macinato (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 cocciopesto 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 in forma di mattoni o tegole finemente macinate (cocciopesto).

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, che è capace di produrre una maggiore resistenza meccanica rispetto alla normale malta aerea, che indurisce anche sotto acqua e che resiste all’azione dilavante dell’ acqua piovana o del moto ondoso nel caso di opere marittime:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + Al₂O₃ + H₂O ⇒ C-S-H* + C-A-H*

*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 per carbonatazione :

Ca(OH)₂ + CO₂ ⇒ CaCO₃

Nella Tabella 1 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, come è mostrato nel successivo paragrafo.

2. IL CALCESTRUZZO DEI ROMANI

Le murature in calcestruzzo sono state ampiamente costruite nell’antichità e sono citate nelle opere di Plinio il Vecchio (Storia Naturale) e di Vitruvio (De Architectura). Il calcestruzzo (denominato opus caementitium) era costituito da rottami di pietra o mattoni, mescolati con calce, acqua e pozzolana vulcanica o cocciopesto in sostituzione parziale o totale della comune sabbia fluviale.

Il rottame di pietra usato per confezionare il calcestruzzo, veniva indicato in latino, anche da Livio e Cicerone, con il termine di caementum dal verbo latino caedere che significa “tagliare in pezzi”, da cui deriva anche l’italiano “incido” (cioè “taglio dentro”). Val la pena di segnalare, 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), la curiosa trasformazione etimologica di caementum che, divenuto cementum nel passaggio dal latino classico a quello volgare, conservò originariamente il significato di “rottame di pietra”, per poi assumere, attraverso un tipico processo di sineddoche, il significato di tutto il conglomerato formato, cioè, da acqua, legante, sabbia e rottame di pietra, cioè quello che oggi è definito “calcestruzzo”. In sostanza si indicò a lungo, fino al Medioevo, con il termine “cemento” quello che oggi è correttamente indicato con il nome di “calcestruzzo”. Solo alla fine del diciottesimo secolo, i vocaboli italiani “cemento” e “calcestruzzo” assunsero l’attuale corretto significato di polvere legante e di conglomerato. Ma ancor oggi i due termini si confondono e con “cemento” si indica non già la polvere ma piuttosto il calcestruzzo: è come se si confondesse la farina con il pane.

Per gli amanti della glottologia può essere interessante conoscere l’etimologia di “calcestruzzo”: esso deriva dal latino calcis structio, cioè struttura a base di calce; divenne poi “calcestrutto” ed infine “calcestruzzo”. Anche il vocabolo inglese molto noto ed elegante di concrete (cioè calcestruzzo) viene dal latino concretum, ma presenta, rispetto al nostro “calcestruzzo”, una origine etimologica meno sofferta e più lineare. Cicerone scriveva infatti concretum corpus ex elementis che significa “corpo composto di elementi diversi” che include appunto il significato di “conglomerato”, talvolta usato in italiano in luogo del vocabolo “calcestruzzo”.

Nella maggior parte delle opere dei Romani, il calcestruzzo fu in realtà impiegato come riempimento tra i paramenti esterni in mattoni o in pietra che fungevano come casseforme permanenti (Fig. 1). Infatti, nelle antiche costruzioni in calcestruzzo lo spazio tra i paramenti in mattoni o in pietre squadrate, che fungevano da casseri permanenti, veniva rapidamente riempito di malta nella quale venivano poi conficcati a mano, più o meno regolarmente, l’aggregato grosso (caementum) in forma di pietra in pezzi (Fig. 1) o di rottami di mattone (Fig. 2).

La scoperta della pozzolana segnò un rivoluzionario progresso nelle antiche costruzioni in calcestruzzo. Scrive Vitruvio nel capitolo VI del secondo dei suoi dieci libri sull’Architettura che la pozzolana di Baia o di Cuma “fa gagliarda non solo ogni specie di costruzione ma particolarmente quelle che si fanno in mare sott’acqua”.

La capacità del calcestruzzo di calce-pozzolana non solo di indurire all’interno di casseforme impenetrabili all’aria, ma anche e soprattutto sott’acqua, era ben nota a Vitruvio che, nel capitolo XII del quinto libro, a proposito delle costruzioni dei porti, scriveva: “Queste costruzioni nell’acqua così sembrano doversi fare: si prenda l’arena da quelle regioni che da Cuma si estendono fino al promontorio di Minerva (“pozzolana” n.d.t.) e si adoperi in modo che nella miscela due parti di arena corrispondono ad una di calce. Indi nel luogo, che sarà stato stabilito, si calino dentro l’acqua cassoni senza fondo formati con travicelli e legami in legno rovere, e fortemente si fissino con ritegni: di poi con rastrelli si eguagli e si spurghi quella parte di fondo di mare che rimane dentro i medesimi, indi vi si gettino cementi (“rottami di pietre” n.d.a.) mescolati con la miscela formata come di sopra si è scritto, fintantoché venga riempito di costruzione il vuoto interno dei calcestruzzi”.

Con la caduta dell’Impero Romano, soprattutto lontano da Roma, iniziò un lento ma inesorabile declino nelle qualità delle costruzioni e si è molto discusso fino alla metà del diciottesimo secolo su quale fosse il segreto che i Romani possedevano per la produzione del loro durabile calcestruzzo. In realtà il segreto, tutt’altro che nascosto, era rintracciabile tra le righe delle opere di Vitruvio. E’ già stato menzionato il brano di Vitruvio sull’importanza dell’impiego delle pozzolane, ma vale la pena ancora di citare altri brani tutti presi dal secondo dei suoi dieci libri, quello dedicato alle caratteristiche dei materiali, per garantire il successo nella costruzione.

A proposito della sabbia Vitruvio scriveva: “Nelle costruzioni fatte con cementi (nota: con rottame di pietra, cioè nelle costruzioni in calcestruzzo) devesi in primo luogo aver cura di trovar l’arena che sia atta al mescolamento della materia e che non sia commista alla terra…… Fra tutte sarà ottima quella, che sfregata colle mani, cigola; quella ch’è terrosa manca d’asperità; però se sparsa sopra una bianca veste, poi scossa e scrollata non lascerà macchia né terra attaccata sarà pure idonea…. La sabbia marina poi ha questo di più, che i muri quando sarà tirato sopra di quelli l’intonaco, trasudando e salsedine, si dissolvono” (e per questo nel primo libro Vitruvio consiglia di lavare con acqua fluviale la sabbia marina). Non sono questi preziosi suggerimenti per i materiali destinati alle costruzioni durabili?

A proposito della calce scriveva Vitruvio: “Avendo spiegato i diversi generi dell’arena, si dee porre in opera tutta la diligenza intorno alla calce affinché sia cotta di pietra bianca o di selce; e quella che sarà di pietra più compatta e più dura sarà utile nella fabbricazione (del calcestruzzo) quella di pietra porosa nell’intonacato”. Val la pena di sottolineare che le indicazioni sulla compattezza e sul colore bianco della pietra da cuocere indirizzassero gli addetti alla cottura del calcare per produrre la calce (calcis coctores) verso la scelta di una pietra che oggi noi sappiamo essere di calcare puro, e quindi verso un alto contenuto di CaO nel prodotto della cottura e verso un’elevata grassezza della calce spenta, Ca(OH)₂; al contrario la presenza di impurità, che rendevano il calcare poroso e colorato, finivano con il diminuire il contenuto di CaO nella pietra cotta e, quindi, con l’aumentare la magrezza della calce spenta. E per non lasciare dubbi sulla qualità della calce Vitruvio suggerisce ancora: “Quando poi sarà fatta la macerazione (“spegnimento” n.d.t.) e diligentemente preparata per l’opera, si prenda un’ascia, e come si fende il legname, così si faccia alla calce macerata nella vasca: se coll’ascia si incontreranno sassolini (n.d.t. : noi oggi sappiamo che i “sassolini” erano in realtà dovuti ad un eccesso di cottura del CaO) non sarà ben macinata; se si estrarrà fuori il ferro asciutto e netto indicherà essere la calce magra e secca; se poi rimarrà attaccata intorno al ferro a guisa di glutine, indicherà essere grassa e ben macerata, e sarà ciò prova più che sufficiente per crederla ben preparata”.

Ed, inoltre, a proposito delle proporzioni nelle malte Vitruvio suggeriva: “Quando la calce sarà estinta, allora si mescoli alla materia in guisa che, se l’arena fosse fossile, si confondono tre parti di questa ed una calce. Se sarà fluviale o marina una di questa con due di arena e così vi sarà giusta proporzione del miscuglio. E se nella fluviale o marina si aggiungerà una terza parte di mattone pesto e vagliato, ciò formerà la composizione della materia ancora migliore per l’uso”. Per la confezione del calcestruzzo Vitruvio suggerisce: pezzi di tufo con una malta costituita da pozzolana (2 parti) e calce (1 parte); per i pavimenti: 3 parti di rottami di mattoni ed una parte di calce oppure cinque parti di pietra frantumata (per dimensione contenibile in una mano) con due parti di calce; oppure ancora: due parti di pietra frantumata con una parte di cocciopesto ed una parte di calce.

Ed, infine, a proposito della messa in opera, sia Vitruvio che Plinio il Vecchio, nella sua “Storia naturale”, raccomandano di battere e costipare tanto le malte degli intonaci quanto i calcestruzzi soprattutto nelle fondazioni con l’uso di mazze di ferro , la qualcosa evidenzia quanto fosse importante, per la buona riuscita della costruzione, la completa compattazione del conglomerato e l’impiego della minore quantità di acqua possibile.

Il declino della qualità nelle costruzioni iniziata con la caduta dell’impero Romano e proseguito per tutto il Medioevo può essere spiegato non già sulla base di un segreto non tramandato ma piuttosto per aver disatteso le raccomandazioni di Vitruvio. Ed infatti le fornaci di calce inizialmente molto curate nei dettagli costruttivi furono sostituite da rudimentali forni di campagna che generavano molto materiale non cotto nella calce; furono sempre più impiegate sabbie sporche ed inquinate da argilla; si abbandonò l’uso della pozzolana vulcanica e del cocciopesto; ed infine si trascurò la tecnica di costipare adeguatamente malte e calcestruzzi confezionati con poca acqua.


3. ESEMPI DI COSTRUZIONI IN CALCESTRUZZO ROMANO

Di seguito sono illustrati due esempi di costruzioni romane in calcestruzzo entrambi caratterizzati dalla durabilità. Si tratta), di un’opera dell’ingegneria idraulica (l’Acquedotto di Nimes in Francia) e di una costruzione architettonica (il Pantheon di Roma).

3.1 Pont Du Gard a Nimes
Pont du Gard a Nimes, in Francia, l’antica Nemansis dei Romani, faceva parte di un acquedotto che portava l’acqua dalla sorgente di Uzès fino alla città di Nimes per oltre 50 Km per lo più attraversando zone interrate.

Sono due gli aspetti che più colpiscono questa opera dell’ingegneria idraulica ed architettonica (Fig. 3) al tempo stesso costruita da Marco Vipsanio Agrippa all’epoca dell’imperatore Augusto (2-19 d.C.):

1. la incredibile precisione nella pendenza dell’acquedotto che doveva trasportare per gravità l’acqua da Uzés a Nimes per 50 km contando solo su un dislivello di 17 m, pari cioè ad una pendenza di 1 m ogni 3 km, cioè dello 0,3‰. Per la realizzazione di questo obiettivo gli ingegneri Romani attraversarono colline scavando in sotterraneo e costruirono il ponte che attraversava il fiume Gard al fine di mantenere quella minima pendenza dello 0,3‰ capace di garantire il flusso dell’acqua per gravità;
2. la bellezza artistica del ponte che presenta un’altezza di 49 m per una lunghezza di 273 m; il ponte attraversa il fiume con 4 arcate al piano inferiore (con una luce di 24,5 m ed uno spessore di oltre 6,36 m per resistere alla corrente del fiume), sette arcate al piano intermedio (con uno spessore minore di 4,54 m) e 35 arcate nel piano superiore (con uno spessore ancora minore di 3,06 m) sopra le quali scorre l’acquedotto vero e proprio (Fig. 4).
   

Pont du Gard è un altro esempio di capolavoro ingegneristico ed architettonico costruito per durare a lungo. Non subì, infatti, degrado grazie all’impiego di malta pozzolanica che rivestiva la superficie interna dell’acquedotto. Tuttavia nel Medioevo fu impropriamente utilizzato come ponte stradale, per il quale non era stato costruito, e si verificarono preoccupanti fessure alla base del secondo piano di archi. Il dissesto fu riparato nel XVIII secolo riportando il monumento alla sua architettura originale ed affiancandolo con un ponte stradale senza modificare l’aspetto del Pont du Gard come costruito dai Romani.

3.2 Il Pantheon di Roma
Oltre ad essere un capolavoro dell’architettura mondiale, per la bellezza della forma, l’arditezza della tecnica costruttiva, l’illuminazione straordinaria all’interno del monumento, è la costruzione dell’antica Roma conservatasi più intatta fino ai giorni nostri (Fig. 5).

Non è possibile citare al mondo un’opera in calcestruzzo più durabile del Pantheon. Fu costruito in soli 7 anni con Adriano Imperatore dal 118 al 125 d.C. edificando una cupola semisferica (Fig. 6) su una precedente costruzione eseguita circa un secolo prima da Marco Agrippa (Fig. 7) figlio di Lucio, come appare scritto sul frontone del portico.

L’arditezza della costruzione sta soprattutto nella cupola in calcestruzzo del diametro record di 43,3 m (più grande di quello della cupola della Basilica di San Pietro) costruita con sabbia ordinaria ed inerti leggeri naturali (pomice) legati con calce e pozzolana. La cupola, che poggia su una struttura circolare in mattoni spessa 6 m, è stata realizzata gettando entro casseforme in legno un calcestruzzo sempre più leggero con massa volumica decrescente dal basso verso l’alto grazie al diverso rapporto pomice/sabbia. Nella parte bassa si conficcavano nella malta pezzi di travertino o mattone successivamente battuti con mazze metalliche mentre nella parte più alta si impiegavano anche anfore vuote per alleggerire - unitamente all’impiego della pomice- il calcestruzzo. Ciò ha consentito, tra l’altro, di realizzare l’ardito progetto di costruire una struttura perfettamente semi-sferica (essendo l’altezza della cupola terra uguale a 21,7 m, cioè metà del diametro) con lo spessore della cupola che si riduce da 6 a 1,2 m in corrispondenza dell’apertura circola (oculus) con diametro di 8,7 m nella sommità (Fig. 8).

4. DURABILITA' DELLE COSTRUZIONI DEI ROMANI

Attraverso l’analisi di due grandi costruzioni appartenenti all’ingegneria idraulica (come l’acquedotto sul Pont du Gard) e all’architettura (come il Pantheon) si evidenza che i Romani, abilissimi architetti e costruttori, non trascurarono di impiegare materiali pozzolanici, naturali come le pozzolane di origine vulcanica, o artificiali, come il cocciopesto, per assicurare una lunga durabilità alle loro opere straordinarie.