Un antico cantiere a Pompei svela la formula del calcestruzzo romano capace di auto-ripararsi e durare millenni: lo studio del MIT

La produzione di cemento è attualmente responsabile di circa l’8% delle emissioni globali di gas serra. Ridurre l’impatto ambientale di questo materiale, in un contesto globale che chiede sviluppo urbano e nuove infrastrutture, è un’esigenza inderogabile. Perciò è fondamentale sviluppare metodi costruttivi che permettano di risparmiare materie prime, ma anche studiare nuove formulazioni ed estendere la vita di quelle più tradizionali, come appunto il calcestruzzo.

Il calcestruzzo romano – che tiene in piedi acquedotti e maestosi monumenti da oltre due millenni – potrebbe custodire il segreto per materiali più resistenti e durevoli. Da tempo gli scienziati cercano di decifrare cosa donasse a questa antica miscela la prodigiosa capacità di auto-ripararsi. La risposta definitiva è arrivata dalla Regio IX di Pompei: qui, grazie a un cantiere domestico di duemila anni fa recentemente riportato alla luce, i ricercatori del MIT hanno finalmente isolato la “formula magica” che ha reso immortali le opere di Roma

Calcestruzzo che dura millenni: qual era il segreto dei romani?

Il calcestruzzo è stato il fondamento dell’antico impero romano. È il materiale che ha permesso di costruire edifici, ponti, acquedotti, strade lunghe centinaia di chilometri e imponenti strutture architettoniche ancora intatte dopo duemila anni, inclusa la più grande cupola in cemento non armato del mondo, quella del Pantheon. Nel frattempo, diverse strutture moderne in calcestruzzo sono crollate – a volte dopo pochi decenni. Perciò ci si chiede da tempo quale fosse la formula magica di quel materiale così resistente che sembra capace di auto-ripararsi.

Il Professore Associato del Massachusetts Institute of Technology (MIT) Admir Masic ha trascorso quasi un decennio a studiare la composizione chimica del calcestruzzo che ha permesso alle costruzioni romane di attraversare indenni due millenni di storia. In uno studio del 2023, Masic ha sostenuto che i romani usassero la calce viva: secondo la ricerca, gli antichi maestri mescolavano frammenti di calce a cenere vulcanica e altri ingredienti secchi e soltanto dopo aggiungevano l’acqua (che “spegne” la calce in una violenta reazione esotermica).

La prova definitiva per l’ipotesi dell’hot-mixing, però, poteva venire soltanto da un’evidenza fisica. Ovvero da un cantiere di epoca romana perfettamente conservato fino a oggi, che è esattamente quello che Masic si è trovato davanti all’interno di una domus della Regio IX di Pompei riportata alla luce durante una recente campagna di scavi.

Pompei rivela la formula magica del calcestruzzo romano

Come si legge nel nuovo studio di Masic e colleghi, pubblicato su Nature Communications, nella Regio IX sono stati rinvenuti muri in fase di costruzione, attrezzi da lavoro, segni di riparazioni, diverse anfore contenenti calce e cumuli di materiali premiscelati costituiti da calce e aggregati (uno dei quali presenta addirittura l’impronta di uno strumento simile a una pala). Masic ha ammesso che quando è entrato per la prima volta nel sito di Pompei gli sono venute le lacrime agli occhi:

“Mi aspettavo di vedere operai romani camminare tra i cumuli di terra con i loro attrezzi. Era così vivido che ti sentivi come se fossi stato trasportato nel tempo. Quindi sì, mi sono emozionato guardando un mucchio di terra”.

In quella domus, nel momento dell’eruzione del Vesuvio, si stavano facendo dei lavori di ristrutturazione. L’evento che cancellò la città di Pompei, infatti, fu accompagnato da un’intensa attività sismica che anticipò di anni l’eruzione vulcanica. Nelle case di Pompei, nel momento in cui la città venne sepolta, si stavano riparando i danni inferti da quei terremoti.

“Siamo stati fortunati ad aprire questa capsula del tempo e a trovare grandi quantità di materiale pronto per essere utilizzato per il muro”,

spiega Masic. Per studiare la composizione del calcestruzzo romano, i ricercatori hanno analizzato campioni del materiale secco premiscelato, un muro in fase di costruzione e riparazioni di malta effettuate su un muro esistente. E hanno trovato la prova inequivocabile che i romani utilizzassero davvero l’hot-mixing, o miscelazione a caldo, per la produzione di calcestruzzo.

Calcestruzzo: i romani utilizzavano anche la calce viva?

Per molti anni, si era creduto che la chiave della longevità del calcestruzzo romano fosse dovuta ai materiali pozzolanici, come la cenere vulcanica proveniente dalla zona di Pozzuoli, descritti dagli storici dell’epoca come ingrediente fondamentale per la preparazione del composto.

I campioni antichi, però, contengono anche delle “distintive, millimetriche caratteristiche minerali di un bianco brillante, da tempo riconosciute come componente onnipresente dei calcestruzzi romani”, che nei calcestruzzi moderni non esistono. Queste formazioni, spesso definite “clasti di calce”, sono state ignorate per decenni, o derubricate come effetto di una miscelazione approssimativa o dell’uso di materiali di scarsa qualità. Masic, però, è sempre stato scettico:

“Se i Romani si impegnarono così tanto per realizzare un materiale da costruzione eccezionale, seguendo tutte le ricette dettagliate ottimizzate nel corso di molti secoli, perché avrebbero dovuto impegnarsi così poco per garantire la produzione di un prodotto finale ben miscelato?”,

spiegava nel 2023. Nella ricerca, Masic e colleghi analizzarono dei campioni provenienti da una cinta muraria di Priverno, una cittadina a circa 100 chilometri da Roma, e utilizzando tecniche di imaging multiscala ad alta risoluzione e mappatura chimica riuscirono a ricostruire il processo di produzione del calcestruzzo romano.

I frammenti di calce, si legge nell’articolo, venivano mescolati con cenere e altri ingredienti secchi. Aggiungendo l’acqua al composto, la calce (viva) reagiva violentemente, producendo il calore che dà il nome all’“hot-mixing”. Mentre il calcestruzzo così ottenuto induriva, intrappolava la calce altamente reattiva sotto forma di “clasti di calce”. E sarebbero proprio questi clasti l’ingrediente che permette al calcestruzzo romano di auto-ripararsi, poiché possono disciogliersi e riempire le crepe che si vanno formando nel tempo.

La verità sul segreto dei romano: Admir Masic, Vitruvio e Pompei

Storicamente si era ipotizzato che la calce, sempre presente nei calcestruzzi romani, venisse prima combinata con l’acqua, in un processo noto come slaking. Questa visione trovava conferma in un testo più che autorevole, il De Architectura dell’architetto e scrittore romano Vitruvio. Nell’opera del I secolo a.C., che è anche il primo libro conosciuto sulla teoria architettonica, si trova descritto un processo di preparazione preciso. Secondo Vitruvio, la produzione iniziava con la preparazione della calce, che poi veniva miscelata con acqua per costituire la cosiddetta “calce spenta” (o calce idrata), un legante che veniva infine mescolato con i componenti pozzolanici.

Come spiega Admir Masic, trovarsi in disaccordo con Vitruvio non è stato facile:

“Avendo grande rispetto per Vitruvio, era difficile sostenere che la sua descrizione potesse essere inaccurata. Gli scritti di Vitruvio hanno avuto un ruolo fondamentale nello stimolare il mio interesse per l’architettura romana antica, e i risultati delle mie ricerche contraddicevano questi importanti testi storici”.

Ma il processo descritto dall’autore romano non riusciva a spiegare i clasti di calce. A maggior ragione perché nella ricerca del 2023 erano emersi diversi indizi del fatto che queste inclusioni blanche si fossero formate a temperature estreme, come ci si aspetterebbe dalla reazione esotermica prodotta dall’uso di calce viva al posto, o in aggiunta, alla calce spenta nella miscela.

La prova finale dell’ipotesi dell’hot-mixing, illustrata nel nuovo studio, arriva proprio da Pompei: i campioni della Regio IX analizzati, infatti, non soltanto contenevano i clasti di cui sopra, ma anche frammenti intatti di calce viva miscelati con altri materiali. Un primo passaggio fondamentale per la preparazione del calcestruzzo miscelato a caldo.

La ricerca attuale di “nuovi” materiali capaci di rigenerarsi

Ricostruire nel dettaglio le tecniche di preparazione del calcestruzzo in età romana non è importante soltanto per motivi di accuratezza storica. Si tratta di scoprire cosa rendesse questo materiale così resistente:

“C’è l’importanza storica di questo materiale, e poi c’è l’importanza scientifica e tecnologica di comprenderlo. Questo materiale può autoripararsi nel corso di migliaia di anni, è reattivo ed è altamente dinamico. È sopravvissuto a terremoti e vulcani. Ha resistito sott’acqua e al degrado causato dagli elementi. Oggi non vogliamo copiare completamente il calcestruzzo romano. Vogliamo solo tradurre alcune frasi di questo libro di conoscenza nelle nostre moderne pratiche costruttive”,

spiega lo studioso del MIT.

Il calcio è un componente chiave sia nei calcestruzzi antichi che in quelli moderni; secondo il Professore, comprendere come reagisce nel tempo offre spunti di riflessione per comprendere anche i processi dinamici del cemento moderno. Ma c’è di più: la capacità di autoriparazione del calcestruzzo romano, resa possibile dall’hot‑mixing e da componenti vulcanici reattivi come la pomice, apre la strada a materiali più durevoli e a tecniche di restauro più efficaci e sostenibili.

“Il cemento romano è durevole, si rigenera da solo ed è un sistema dinamico. Il modo in cui questi pori negli ingredienti vulcanici possono essere riempiti attraverso la ricristallizzazione è un processo ideale che vogliamo tradurre nei nostri materiali moderni. Vogliamo materiali che si rigenerino da soli”,

conclude il Professore. Quanto all’”alterco” con Vitruvio, c’è da dire che lo scrittore romano menzionò anche il calore latente durante il processo di miscelazione del cemento – il che, dopotutto, potrebbe anche suggerire una miscelazione a caldo.

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