I geopolimeri nella nostra storia: il PANTHEON

La cupola del Pantheon in Roma, la luce della quale misura ben 43,3 metri (146 piedi), fu costruita con un sistema strutturale di alleggerimento datato con precisione, tra il 118 ed il 125 a.D., sulla base dei ritrovamenti dei bolli doliari impressi sui laterizi adoperati per elevare la struttura verticale su cui la cupola insiste.

In questo straordinario edificio s’incontrano ben sei strati anulari orizzontali di materiali, comprese le fondazioni. I sei strati si caratterizzano per essere più pesanti negli strati inferiori, alla base del monumento (Opus Caementicium), e più leggeri man mano che si procede verso l’alto. La composizione delle malte varia, in peso, al variare della posizione che queste occupano nella struttura che serrano.

Prima che tale opera fosse eretta, nessuno aveva mai osato pensare di progettare una struttura di tale ardimento. Né la maestosa cupola di Hagia Sophia (33 metri circa), né la cupola di San Pietro (circa 42 metri) nonostante la loro imponenza, mostrano tutto il genio di chi la progettò e la capacità di chi la costruì, che solo nei nostri tempi è stato possibile sorpassare, grazie alla tecnica costruttiva del calcestruzzo armato. Come arrivarono i Romani a realizzare opere così prestigiose?

Per realizzare l’Opus caementicium si fece uso dei geopolimeri, che permisero di realizzare tanta straordinaria, longeva bellezza.

La forma dell’elemento da costruire veniva ottenuta mediante una cassaforma costruita in pietre opportunamente posate oppure formata da tavole e travi di legno; gli aggregati venivano accuratamente e prolungatamente mescolati alla malta e con l’indurimento del legante e la sua maturazione, si otteneva un conglomerato assai resistente alla compressione; la cassaforma di legno veniva quindi allontanata, come si fa tutt’oggi, per essere eventualmente riutilizzata. Il termine Opus caementitium indica sia la tecnica, che la qualità del manufatto. La locuzione può pertanto essere tradotta come “costruzione in calcestruzzo” o più genericamente “calcestruzzo romano”.

Originariamente la tecnica di preparazione del calcestruzzo romano si sviluppò per contenere gli aggravi di spesa e per offrire soluzioni più spedite per la costruzione delle mura delle città, dei granai, delle conserve d’acqua, delle strutture portuali, degli acquedotti ed altro. A partire dalla metà del primo secolo della nostra era, col raffinarsi della tecnica dell’Opus Caementitium, abili architetti inventarono nuove strategie progettuali, nel momento in cui impiegarono tale materiale per la costruzione di volte e cupole.

E’ sorprendente scoprire come gli ingegneri romani avessero già sperimentato anche il principio del moderno cemento armato.

In un ipocausto, che veniva, come di consueto, fornito d’acqua calda attraverso le condutture, la cosa più rilevante consiste nel fatto che nella copertura di una di queste canalizzazioni, realizzate in Opus Caementitim, gli archeologi hanno rinvenuto armature di rinforzo in ferro annegate nel conglomerato. Si sono anche ritrovate armature in ferro intrecciate a forma di rete nelle coperture dell’Herculaneum e delle terme di Traiano a Roma.

Sono state condotte indagini sulla resistenza meccanica di questo materiale, indagando su provini provenienti da strutture storiche romane di tutta Europa, prelevati da manufatti appartenenti alle più ricorrenti tipologie costruttive, quali murature e pareti, fondazioni di colonne, volte di copertura, conserve d’acqua e le condutture. I risultati rilevati dall’indagine conducono ad una sorprendente conclusione: i valori di resistenza alla compressione dei vari Opus Caementitium sono compresi tra circa 50 e 400 Kg/cm². Essi, pertanto, si sovrappongono, in ordine di grandezza, ai valori di resistenza di un calcestruzzo dei nostri tempi. Ma ciò che stupisce maggiormente è che la scelta della granulometria degli inerti avveniva in modo scrupoloso secondo criteri analoghi ai nostri. 

Dalla ricostruzione di due originarie curve granulometriche si evince come queste potrebbero perfettamente soddisfare anche le attuali prescrizioni normative.

Il minerale di partenza per la preparazione di un Opus Caementitum è sostanzialmente analogo a quello impiegato oggi per la produzione del cemento e della calce grassa. Alla soluzione alcalina (calce) ed agli aggregati (sabulum), venivano aggiunti composti pozzolanici come il tufo vulcanico e la mondiglia ottenuta dalla frantumazione dei mattoni cotti. Il calcestruzzo veniva gettato a strati: e la reiterata battitura e costipazione del materiale consentiva una uniforme trasmissione del carico alla struttura, e per effetto della eguale aderenza tra gli stati, ottenuta dalla compattazione, si otteneva un manufatto d’un solo corpo, con proprietà paragonabili a quelle della pietra.

Si può affermare che la tecnica della preparazione dell’Opus Caementitium abbia svolto un ruolo fondamentale per la stabilità secolare dell’Impero Romano; e la durabilità di queste opere, che possiamo ancora ammirare, sono tuttora una testimonianza di rara capacità costruttiva. Più che l’oltraggio del tempo fu l’uomo ad infierire: gli antichi monumenti, si sa, sono sempre stati privilegiate cave di pietra per il nuovo fare. Ma ciò che rimane di estremamente prezioso degli opus caementitium, e che fu oggetto di studio per molti ricercatori dell’800, è il sapiente uso che i Romani seppero fare della pozzolana.

E’ qui da osservare come si sia appurato che le malte romane vitruviane mostrano di avere un setto poroso tale da porle fra i composti con il miglior coefficiente alla diffusione al vapore nonostante il loro peso specifico. Ecco la composizione della malta definita “Pantheon”, composta come prescritto dalla ricetta originaria: 

calx intrita (calce spenta di fossa),

pulvis Baianus (pozzolana di Baia),

testa tunsam (coccio pesto),

pumex (pomice),

sabulum (sabbia silicea).

L’impasto battuto ed essiccato, mostra avere un peso specifico medio di 2,0 K/litro; e, nonostante ciò, il relativo coefficiente di diffusione al vapore (μ) è pari a 3. Si noti poi, che nell’impasto nel quale tutta la calce [Ca(OH)₂] si è combinata con i silico-alluminati delle pozzolane (pozzolana di Baia, cocciopesto, pomice), non vi è alcun residuo di calce libera; e avendo come aggregato sabbia silicea (sabulum) e non carbonatica, che resiste egregiamente all’aggressione chimica, ben si comprende come questi manufatti abbiano resistito integre alle ingiurie del tempo nei secoli. 

NOTA
La reazione pozzolanica comporta una dissoluzione di silice e allumina che si disperdono nel legante e poi reagiscono con l’idrossido di Ca, tramutandosi in gehlenite (C₂ASH₈). La gehlenite è un minerale di neoformazione prodotto dalla reazione alcali calce - idraulicizzante pozzolana (silico-alluminati amorfi).

Il Pantheon è un monolite geopolimerico