L’evoluzione del calcestruzzo: dai Romani alla digital fabrication age

Devid Falliano, PhD Researcher, Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica, Politecnico di Torino; e-mail: [email protected] 

Luciana Restuccia, Assistant Professor, Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica, Politecnico di Torino; e-mail:  [email protected]

1. Introduzione 

Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo anche perché costituito da materie prime economiche e prontamente disponibili nella maggior parte dei luoghi: cemento, acqua, aggregati e, ormai imprescindibili, additivi.

Questa affascinante “pietra liquida”, nonostante le diverse innovazioni tecnologiche subite nel corso dei secoli si è sempre mantenuta fedele alle origini da cui scaturisce, ponendosi come ponte diretto tra i Fenici del VI secolo a.C. e i nostri posteri che, potrebbero sfruttarlo, unitamente alle tecnologie robotiche, per la realizzazione di moduli abitativi su altri pianeti. Ad esser precisi, però, lungo questo ponte si potrebbero perdere degli elementi che hanno da sempre caratterizzato questo materiale: le casseforme. L’immagine della pietra liquida colata nei casseri potrebbe dunque diventare obsoleta, facendo spazio a forme sempre più libere ed estreme grazie all’applicazione robotizzata.

In questo breve articolo gli autori prendono per mano il lettore accompagnandolo attraverso un percorso tra passato, presente e futuro del calcestruzzo. Partendo dalle diverse tappe che hanno dato vita al moderno concetto di calcestruzzo, passando attraverso alcune speciali miscele dalle prestazioni meccaniche e di durabilità notevoli che, già oggi, possono essere ordinariamente ottenute, fino a gettare uno sguardo alla cosiddetta Digital Concrete Age, che promette di innovare profondamente un settore tradizionalmente poco incline ad accettare modifiche sostanziali. 

2. Uno sguardo al passato 

Già nel VI secolo a.C. in luoghi quali Fenicia, Cipro, Grecia era nota la possibilità di ottenere leganti dalla cottura delle rocce. Tuttavia se si pensa al passato del calcestruzzo il primo pensiero non può che andare ai Romani. Le strutture che hanno realizzato impiegando il loro opus caementitium, basti pensare al Pantheon, Fig. 1, e al Colosseo, sono modelli eccellenti di architettura e tecnologia. Proprio la cupola del Pantheon è uno degli esempi più calzanti dell’audacia costruttiva e tecnologica dei Romani per via del diametro di 43.4 m e della soluzione di utilizzare, procedendo dal basso verso l’alto, un calcestruzzo dalla densità sempre più leggera grazie al più alto rapporto pomice/sabbia e all’impiego di anfore vuote.

Gli ingredienti dell’opus cementitium erano: rottami di pietra o mattoni, calce, acqua e, a partire dal I sec. a.C., pozzolana vulcanica o cocciopesto in sostituzione parziale o totale della comune sabbia fluviale.Molti studiosi hanno trovato nella pozzolana vulcanica la risposta alla annosa questione relativa all’estrema durabilità del calcestruzzo romano. Altri si sono soffermati non solo sulla presenza del materiale pozzolanico, ma anche sull’impiego di acqua di mare; questi ingredienti danno luogo, nel tempo, a prodotti minerali che riducono la porosità del materiale, aumentandone prestazioni meccaniche e, aspetto non di poco conto, durabilità.  

 

Fig.1 – Il passato della tecnologia del calcestruzzo: il Pantheon.

Il nome caementum si deve proprio ai rottami di pietra che erano indicati con questa denominazione anche da Cicerone. Da denominazione di un singolo costituente, con caementum si finì per intendere tutto il conglomerato. In sostanza, fino al medioevo quello che oggi chiamiamo calcestruzzo era comunemente noto come cemento.

Il calcestruzzo dei Romani era capace di indurire anche in assenza di aria (differentemente dalla calce aerea) grazie alla presenza della pozzolana. Solo dopo più di 17 secoli, nel 1750, l’inglese John Smeaton riuscì a far compiere un passo decisivo alla tecnologia del calcestruzzo grazie alla invenzione della calce idraulica, capace di indurire in assenza di aria e di resistere all’azione dilavante dell’acqua anche senza la presenza di pozzolana. Smeaton fu il primo a capire che la presenza di materiale argilloso nel calcare permette di ottenere una calce idraulica. Ad onor del vero le proprietà della calce idraulica erano note già due secoli prima, sebbene non fosse noto il motivo della differenza tra calce aerea e calce idraulica.   

L’ulteriore progresso tecnologico si ebbe a cavallo tra la fine del 1700 e i primi venti anni del 1800 con diversi brevetti che segnano il passaggio dalla calce idraulica al cemento (grazie all’incremento dell’impiego di argilla prima della cottura dal 10% utilizzato da Smeaton fino al 40%) e, conseguentemente, al calcestruzzo moderno (il cemento Portland fu brevettato da Aspdin nel 1824). Val la pena ricordare che un’altra sostanziale differenza tra calce idraulica e cemento Portland risiede nella presenza di gesso in quest’ultimo per evitare una presa troppo rapida del clinker dopo l’aggiunta di acqua.

L’ultimo tassello, relativo ai cementi di miscela, è ancor più recente, essendo dovuto all’intuizione di sostituire una porzione di clinker con pozzolana, avuta da Michaelis nel 1896.

3. I mille e uno calcestruzzi dei nostri giorni 

Il calcestruzzo “moderno”, però, è il risultato di una convergenza di più fattori. Certamente, come detto, l’invenzione del cemento Portland; tuttavia ciò non è affatto sufficiente. Al cemento Portland vanno aggiunte almeno altre due conquiste più una terza sempre in continuo e rapido sviluppo. Le prime due sono rappresentate dalla disponibilità di mezzi meccanici per la miscelazione dei diversi costituenti e dallo studio dell’assortimento granulometrico degli aggregati. La terza riguarda invece la sempre più vasta gamma di additivi chimici che, aggiunti in piccole dosi all’impasto, permettono di modificare in modo significativo le proprietà allo stato fresco, le caratteristiche prestazionali, funzionali e di durabilità dei conglomerati cementizi. 

Negli ultimi decenni il numero di questi prodotti chimici è lievitato in modo sostanziale. Ai classici fluidificanti a base di ligninsolfonato degli anni ’70 del secolo scorso si sono via via aggiunti: superfluidificanti, acceleranti, ritardanti, inibitori di corrosione, idrofobizzanti, cristallizzanti, battericidi e fungicidi, aeranti, viscosizzanti, anti-ritiro.

Oggi, grazie alle conoscenze chimiche acquisite e agli sviluppi nella tecnologia del calcestruzzo è possibile produrre non solo calcestruzzi ordinari dalle proprietà certificate, ma anche dei particolari conglomerati cementizi detti calcestruzzi speciali, alcuni dei quali sono ormai di comune impiego.

Gli High Performane Concrete (HPC) e i Densified with Small Particles Concrete (DSP) caratterizzati da una resistenza a compressione tra 60 e 100 MPa, i Self Compacting Concrete (SCC), o autocompattanti, e lo Spritz beton, indirizzato con una lancia su una superficie, ormai non fanno più notizia.

I Reactive Powder Concrete (RPC), che annoverano la presenza tra i propri costituenti di polvere reattiva e fibre metalliche, riescono a raggiungere non solo resistenze a compressione di 200 MPa, ma anche un comportamento più duttile, avvicinandosi a quello del calcestruzzo armato con barre metalliche. Visto l’elevato costo, vengono impiegati in casi eccezionali (ad esempio contenitori per rifiuti nucleari), sebbene vi sia un esempio di applicazione più ordinaria: la Passerelle di Sherbrook in Canada, caratterizzata da uno spessore della soletta di soli 3 cm (Fig. 2).

 

Fig. 2 – Un calcestruzzo speciale dei nostri giorni: Passerelle di Sherbrook con uso di RPC.

 

Una menzione speciale meritano i Polymer Impregnate Concrete (PIC), conglomerato di nicchia dalle elevatissime prestazioni meccaniche (anche 180 MPa di resistenza a compressione) e di durabilità, queste ultime grazie alla pressoché completa eliminazione della porosità capillare. Proprio per tale ragione è indicato nei casi di presenza di attacchi chimici severi, ad esempio dovuti ad acque acide. In particolare, tubi realizzati con Polymer Impregnate Concrete non armati hanno mostrato un miglior comportamento dei tubi in calcestruzzo armato sia nei riguardi della pressione idrostatica tollerabile che, soprattutto, della resistenza alle aggressioni chimiche. La nota dolente risiede nella scarsissima durabilità di questo calcestruzzo speciale in caso di presenza di cloruri che provocano la riduzione del polimero solido in monomero liquido con conseguente ingresso dell’agente aggressivo all’interno del manufatto.

Data la sempre maggior attenzione alle problematiche dell’impatto ambientale e del riutilizzo di prodotti di scarto, una categoria di calcestruzzi speciali che risulta particolarmente oggetto di ricerca in questo periodo storico è costituita dai calcestruzzi con aggregati da riciclo: non solo metalli e plastica ma, in ottica futura, anche e soprattutto il reimpiego dell’ingente materiale proveniente dalle demolizioni di opere civili ed edili. A tal riguardo la ricerca punta all’ottenimento di conglomerati cementizi riciclati caratterizzati da prestazioni meccaniche e di durabilità con elevati livelli di affidabilità in relazione alla riproducibilità dei risultati.

Per limitare o eliminare del tutto una poco gradita proprietà intrinseca comune a tutti i materiali a base cementizia, oggi è possibile progettare e confezionare i cosiddetti calcestruzzi a ritiro compensato. In questi conglomerati, la presenza di ossido di magnesio e ossido di calcio e le reazioni che danno luogo alla formazione di ettringite consentono di ridurre sensibilmente il fenomeno del ritiro, sebbene ciò sia comunque legato ad una stagionatura umida di almeno 4 giorni dei manufatti a ritiro compensato.    

Una classe particolare di calcestruzzi speciali è quella costituita dai calcestruzzi leggeri, caratterizzati da una densità variabile tra circa 150 kg/m3 e 2000 kg/m3. Il vantaggio essenziale è quello della leggerezza (a cui si associa però, in genere, un valore più basso del modulo elastico, con tutto ciò che ne consegue in relazione al progetto e alle verifiche agli stati limite di esercizio). A questa, però, vanno aggiunte altre caratteristiche prestazionali rimarcabili che vengono enfatizzate quanto più bassa è la densità: resistenza al fuoco, isolamento termico, assorbimento acustico. A seconda di come viene ottenuto l’alleggerimento si distinguono: 

  • calcestruzzi leggeri di aggregati leggeri (a loro volta suddivisi in naturali ed artificiali);
  • calcestruzzi leggeri alveolari, detti anche no-fines concrete, in cui l’alleggerimento si ottiene mediante l’eliminazione della parte fine dell’aggregato in modo da ottenere una frazione più elevata di vuoti grossolani;
  • calcestruzzi organici, confezionati utilizzando fibre e truciolato di legno, mineralizzati per impedirne la putrescibilità e favorirne l’adesione alla matrice cementizia;
  • calcestruzzi cellulari, in cui l’alleggerimento è dovuto all’inglobamento di bolle d’aria all’interno della matrice cementizia, a loro volta suddivisi in gassosi e aerati.

In definitiva le conquiste già raggiunte nel campo della tecnologia del calcestruzzo consentono di poter materializzare anche le visioni architettoniche più ardite, dove i piani verticali confluiscono in quelli orizzontali senza soluzione di continuità donando dinamicità di forma al costruito, Fig. 3.

 

Fig. 3 – Forest of Meditation, Crematorium Center, Gifu, Japan, Toyo Ito & Associates.

 

4. Uno sguardo al futuro: calcestruzzi e robotica

Oltre ai calcestruzzi richiamati nel paragrafo precedente, ormai entrati, chi più chi meno, nell’ordinarietà della tecnologia del calcestruzzo moderno, negli ultimi anni altre tipologie di calcestruzzi innovativi dalle proprietà sorprendenti stanno cominciando a rivoluzionare il concetto tradizionale di conglomerato cementizio.

Basti pensare ai calcestruzzi fotoluminescenti, che assorbono e rilasciano luce, ai calcestruzzi self-healing, capaci di autoriparare le fessure che possono insorgere durante la vita di esercizio, ai calcestruzzi trasparenti, in grado di trasmettere la luce grazie alla presenza di fibre ottiche, ai calcestruzzi fotocatalitici, che promettono di ridurre sensibilmente l’inquinamento atmosferico mediante un processo ossidativo che dà luogo a prodotti non tossici. 

Particolarmente interessanti risultano poi le ricerche nel campo dei calcestruzzi self-sensing. Lo straordinario obiettivo di questa categoria di calcestruzzi è l’automonitoraggio delle reali condizioni di esercizio delle strutture e l’immediata segnalazione di possibili anomalie. È facilmente intuibile come questa innovazione sia di straordinaria importanza ed efficacia nel campo delle grandi infrastrutture come ponti, viadotti, gallerie, ma anche nei casi di strutture di fondamentale importanza strategica.

Tuttavia, il futuro del calcestruzzo sembra ormai sempre più sinergicamente legato alla tecnologia robotica secondo una visione che promette di rivoluzionare il settore delle costruzioni. Molti ricercatori stanno concentrando i propri sforzi nello studio di particolari miscele cementizie adatte ad essere processate mediante tecnologie robotiche che, in assenza di casseri, dispongono opportunamente e con estrema libertà di forma i layer di calcestruzzo estruso, Fig. 4. Ciò è reso possibile grazie al recente sviluppo ed avvento sul mercato di sensori ad altissime prestazioni ed agli enormi progressi registrati nel campo del controllo robotico. Con questa tecnica possono dunque essere realizzati: componenti singoli da assemblare in cantiere, pezzi di arredo, muri e colonne direttamente in opera, casseforme a perdere e così via. I conglomerati cementizi che vengono impiegati in questo campo sono solitamente caratterizzati da un elevato contenuto di cemento al metro cubo (molte ricerche tendono proprio alla definizione di miscele stampabili con contenuti di cemento decisamente inferiori e, dunque, a più basso impatto ambientale) e da un diametro massimo dell’aggregato pari a circa 2, 3 mm dato che le dimensioni standard dell’ugello di stampa risultano solitamente comprese tra 6 e 50 mm (sebbene quelle più utilizzate ricadano nel range tra 20 e 40 mm).    

 

Fig. 4 – Calcestruzzo e robotica: 3D Concrete Printing presso l’Eindhoven University of Technology.

 

La sinergia tra calcestruzzo e robotica promette di ottenere vantaggi significativi dal punto di vista della produttività, della qualità, del controllo della produzione e contemporanea messa in opera del materiale, paragonabile ad una prefabbricazione controllata. Ma anche vantaggi economici, vista l’assenza dei casseri, e ambientali, grazie alla possibilità di ottimizzare topologicamente le sezioni posizionando il materiale solo laddove serve. L’analisi strutturale su modelli tridimensionali permetterà di individuare la disposizione del materiale più opportuna in base ai carichi attesi e alle dimensioni previste, così da ottenere una struttura che prevede il minor impiego possibile di materiale e, conseguentemente, un minor sfruttamento delle risorse ambientali. Il ricorso a forme complesse può dunque non essere dovuto semplicemente a particolari richieste estetiche, ma anche a precise strategie progettuali tendenti al minor utilizzo delle materie prime secondo il principio razionale ed economico del minimo strutturale.

5. Conclusioni

Il viaggio tra secoli di tecnologia del calcestruzzo ha messo in evidenza come la curiosità e l’arguzia osservativa dei primi sperimentatori e la perfezionata ricerca condotta a partire dal 1800 abbiano trasformato l’opus cementitium dei Romani in un materiale ingegnerizzabile, da progettare in base alle esigenze ed ai bisogni del caso. 

Le enormi conquiste già raggiunte e i considerevoli obiettivi che la ricerca del settore si è posta di perseguire e sta rapidamente ottenendo, rinnovano continuamente questo materiale versatile, formale e strutturale allo stesso tempo, che si riscopre sempre in grado di accompagnare l’umanità nelle varie fasi della sua evoluzione.

Bibliografia

  1. D. Falliano, G. Crupi, D. De Domenico, G. Ricciardi, L. Restuccia, G. Ferro, E. Gugliandolo. Investigation on the rheological behavior of lightweight foamed concrete for 3D printing application, RILEM Bookseries, 28: 246-254 (2020).
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