POZZOLANA
POZZOLANA
. Le pozzolane sono prodotti di deiezioni vulcaniche in forma di minuti lapilli, modificati dall'azione del tempo e degli agenti atmosferici, che, unite a grassello di calce (generalmente nella proporzione di 3:1), dànno una malta capace di far presa sotto acqua. Il loro uso era conosciuto fin dall'antichità: ne fanno cenno Catone, Varrone, Vitruvio, Strabone, Plinio.
Struttura mineralogica e stratigrafica. - I maggiori depositi di pozzolana si trovano nella Campagna Romana e nei Campi Flegrei.
Materiali di analoghe proprietà come agglomeranti idraulici si rinvengono in parecchie località vulcaniche; i più noti sono il trass della Renania (valli del Brohl e del Nette) che ha consistenza tufacea e viene macinato per l'uso; il santorino che si trova nell'omonima isola delle Cicladi.
Le pozzolane della Campagna Romana si possono considerare come dei tufi granulari basaltici, leucitici, incoerenti. Sono costituite da una massa fondamentale amorfa, vetrosa, della natura della lava fondamentale del vulcano laziale, cioè una leucitite, in cui sono disseminati numerosi inclusi di svariata natura, costituiti principalmente da leuciti e da pirosseni; l'alterazione delle leuciti produce spesso delle zeoliti, a volte dei felspati (di origine secondaria nelle leucititi), arrivando in ultimo alla caolinizzazione; dai pirosseni derivano varî materiali ferrosi che colorano differentemente la massa (pozzolane rosse e pozzolane nere o scure).
La serie dei tufi è quaternaria: essa si depose su terre e bassifondi salmastri o di acqua dolce della fine del Pliocene da cui il mare si era già ritirato. La serie stratigrafica laziale, di cui le pozzolane sono parte, può essere rappresentata nella sua generalità come segue: tufo granuloso, tufo litoide con pozzolana nera (superiore, inferiore e intercalata), conglomerato giallo, pozzolana rossa, tufo granulare. La serie è in realtà più varia e disordinata; non mancano punti in cui le pozzolane rosse stanno sopra ad altre grige o scure. Un terzo e più recente strato costituisce le pozzolanelle.
Le pozzolane provenienti dal sistema vulcanico Sabatino sono diverse e indipendenti dalle precedenti: sono sempre scure e si presentano in uno stato coerente, consistendo in tufi pomicei che debbono essere polverizzati meccanicamente per poterli usare.
Le pozzolane di origine laziale si trovano prevalentemente a est e a sud di Roma, sulla sinistra del Tevere; quelle di origine sabatina si trovano a nord di Roma.
Le pozzolane flegree ebbero origine nel quaternario e si deposero su una piattaforma di tufo giallo compatto, frutto di una attività vulcanica sottomarina pure del Quaternario, fra le più antiche formazioni trachitiche di Cuma e di Monte Procida. Su questa piattaforma sollevata, posteriori e più limitate eruzioni attraverso gli antichi camini o in nuove squarciature nella compagine dei tufi gialli depositarono nuovi prodotti frammentarî, incoerenti (tufi sciolti e pozzolana) che determinarono i sistemi dei crateri a recinto, di forma ampia e depressa. Le pozzolane flegree sono un impasto di lapilli di dimensioni variabili, con cristalli isolati di feldspato (sanidino principalmente, labradorite, bitownite), di pirosseni (augite), mica (biotite), oltre ad apatite, magnetite titanifera. La massa è prevalentemente grigio chiara, a volta un po' gialliccia; questa tinta si può modificare per la presenza di pomici bianche e di lapilli grigi. Nella zona del Vulture vi sono altre pozzolane caratterizzate dalla presenza di haüyna.
Si trovano in altre regioni della penisola numerosi depositi originati da trasporto eolico di materiale vulcanico (anche a grandi distanze), a cui seguirono spesso rimaneggiamenti alluvionali con altri materiali; il loro valore tecnico, molto variabile, è inferiore a quello delle vere pozzolane laziali e flegree.
Costituzione chimica. - La composizione media delle pozzolane romane si può rappresentare come segue: SiO2 40-60%; Al2O3 14-30; Fe2O3 6-25; CaO 2-12; MgO 1-4; alcali 2-12; SO3 0,2-0,8; P2O5 0,05-0,5; CO2 tracce. Si trovano inoltre tracce di numerosi altri elementi, rivelabili con l'analisi spettrografica (rame, bismuto, piombo, stagno, titanio, molibdeno, ecc.). Le forme di combinazione sono numerose e complesse; la massa fondamentale è una miscela di silicati multipli di alluminio, ferro e calcio. La densità apparente si aggira fra 1,15-1,23, la reale è di circa 2,3; per la pozzolana di Bacoli la densità apparente è intorno a 1, quella reale di circa 2. La costituzione chimica non dà indizî sufficienti per giudicare del valore tecnico di una pozzolana; materiali di costituzione simile possono avere valori tecnici differenti: l'acqua di costituzione (6-10%), presa come indice dello stato di dispersione della massa vetrosa, può, secondo alcuni autori, essere un indice, per quanto insufficiente, per tale giudizio.
Sofisticazioni e saggi per il valore tecnico. - La pozzolana vera può essere mescolata, sia naturalmente sia artificialmente a scopo di frode, con materie, come cappellaccio, pozzolanella, prodotti di alterazione e di trasporto, terra argillosa, terra vegetale, ecc., che ne diminuiscono il valore tecnico. Una pozzolana pura, stretta con la mano, dà un rumore particolare, non macchia un panno su cui sia stata stesa, al saggio di chiarificazione (dibattendola in un cilindro con acqua) sedimenta in breve tempo, senza lasciare torbida l'acqua. È utile pure la ricerca delle sostanze umiche, che sono solubili in aleali e che per distillazione secca dànno ammoniaca e basi organiche.
Non esiste un saggio di laboratorio che ci dia un indice sicuro del valore tecnico di una pozzolana. Ammettendo che tale valore sia proporzionale all'attitudine che una pozzolana ha di assorbire la calce da una soluzione di calce, Vicat istituì un saggio che consiste nel titolare una soluzione di calce prima e dopo che è stata a contatto per un certo tempo con un dato peso di pozzolana. Ammettendo che la reattività di una pozzolana rispetto alla calce sia in rapporto col suo comportamento rispetto agli acidi e alle basi, Rivot istituì un saggio consistente nell'attaccarla con acido nitrico in determinate condizioni e successivamente con soluzione di KOH, determinando il residuo risultante dalla differenza fra i due attacchi e la composizione delle porzioni passate in soluzione. Questo saggio è stato ripreso con varianti da altri autori come Landrin (trattamento con acido cloridrico e con acqua di calce), da Rebuffat, e recentemente da Malquori.
Teorie sulla presa e usi della pozzolana. - La proprietà della pozzolana di far presa con la calce non è in dipendenza solo della sua costituzione chimica, ma anche dello stato fisico e dello stato di alterazione del materiale. Un materiale da poco eruttato (come le ceneri del Vesuvio) ha scarsa attitudine alla presa; è necessaria l'azione del tempo e una parziale lenta azione degli agenti atmosferici che produce trasformazioni nella struttura fisica dei costituenti e specialmente della silice amorfa (che passa in stati più dispersi, divenendo idraulica), per conferirgli le proprietà caratteristiche. Se però l'alterazione è spinta, tali proprietà vengono attenuate o annullate: le pozzolane del terzo strato (pozzolanelle), esposte direttamente e intensamente all'azione degli agenti atmosferici, sono materiale di scarso valore tecnico.
Il meccanismo di presa delle pozzolane è certamente più complicato di quello dei cementi e degli altri leganti idraulici, e non è ancora completamente chiarito. Vi hanno parte importante la formazione di silicati e alluminati poco basici, i fenomeni di idrolisi e la formazione di geli di silice e allumina, i fenomeni di adsorbimento della calce per opera dei colloidi preesistenti e formati durante la presa, fenomeni zeolitici di scambio fra la calce e le altre basi. La sede più attiva di tali fenomeni è la massa amorfa vetrosa, che sotto l'influenza della calce si disperde, rigonfia, formando una gelatina (ted. Quellung) in cui i fenomeni di adsorbimento hanno grande attività. L'azione della calce e i fenomeni a cui si è accennato si prolungano per un tempo lunghissimo; vengono attaccati in un primo tempo e nel termine di pochi mesi i composti potassici (leucite), gli altri composti dopo parecchi mesi sono ancora attaccati con maggiore energia che non nei primi tempi. Una malta a pozzolana, immersa in acqua, è un sistema in continua evoluzione che diventa stabile solo dopo molti anni, quaado una parte della calce (almeno nelle parti in cui può giungere l'azione dell'acqua esterna), dopo avere trasformato ed elaborato gli elementi della pozzolana, abbandona per dilavamento la massa (le costruzioni romane sommerse nelle coste flegree e laziali contengono poca calce, e sono in perfetto stato di conservazione e di resistenza), lasciando uno scheletro compatto di geli induriti e di silicati idrati chimicamente e fisicamente inattaccabili.
Tutte le pozzolane (almeno le vere) dànno dopo lungo tempo dei prodotti che hanno proprietà simili, cioè al limite rispetto al tempo tutte le pozzolane si equivalgono; possono invece differire nei primi tempi di azione; sono migliori quelle che sono più reattive e che quindi raggiungono nel più breve tempo limiti di resistenze compatibili con le esigenze costruttive. Da questo punto di vista le pozzolane laziali sono migliori di quelle flegree.
Mentre le malte a cemento comune sono facilmente aggredite dalle acque marine, poiché (a prescindere dall'azione intrinseca degli espansivi) la calce che si libera per idrolisi (dei silicati e degli alluminati fortemente basici) può venire asportata per azione chimica e fisica delle acque (e ciò in funzione della protezione superficiale, della porosità, del movimento delle acque, ecc.), le malte di pozzolana sono poco aggredite, sia perché la quantità di calce è abbastanza bassa perché la sua asportazione, anche totale, non renda la massa sensibilmente porosa, sia perché la natura acida dei composti (silicati e alluminati), che si formano in una malta a pozzolana quando ha fatto presa, li rendono meno attaccabili di quelli che si formano in una malta a cemento.
La resistenza all'aggressione delle acque di un legante idraulico è in relazione con la natura acida dei costituenti (silicati e alluminati), e, secondo alcuni autori (Vicat-La Fuma) è in dipendenza con un indice di resistenza chimica
Nelle pozzolane tale indice è nei limiti di una buona resistenza chimica. Ciò spiega la resistenza delle malte a pozzolana nelle acque marine e nelle acque solfatate, poiché uno dei più temibili espansivi, il solfoalluminato di calcio o sale di Candlot, si forma facilmente quando vi sono sali basici (silicato e alluminato tricalcico presenti nei cementi), e non quando vi sono sali di natura acida, come nel caso delle pozzolane.
Cementi pozzolanici. - Le considerazioni precedenti servono di base alla teoria dei cementi pozzolanici, la cui fabbricazione e il cui uso vanno sempre più estendendosi e acquistando importanza.
La calce è necessaria, in un cemento, fino a raggiungere i limiti richiesti dal modulo idraulico:
o meglio dal modulo calcare, che è il rapporto fra la calce restante (calce totale meno quella combinata con l'ossido di ferro e con l'allumina) e la silice; d'altra parte essa, sia per le azioni espansive di origine intrinseca ed estrinseca a cui dà luogo, sia per la porosità che liberandosi e dilavandosi essa induce nella massa, è il responsabile maggiore della poca resistenza delle malte a cemento nelle acque marine e di altri difetti dei cementi. Diminuire la quantità di calce non è possibile, quindi la soluzione del problema va ricercata nella possibilità di fissare la calce che si libera per idrolisi.
La soluzione migliore è l'aggiunta di pozzolana a un clinker di cemento basico; tale pozzolana in alcune fabbriche è attivata, mediante un riscaldamento seguito da tempera.
Riguardo alle proprietà meccaniche nei cementi pozzolanici, le resistenze a trazione e a compressione sono nei primi tempi (circa un anno) un po' minori di quelle dei cementi; in questi però non vi è più alcun aumento dopo tale periodo e le curve resistenza-tempo tendono bruscamente a un asintoto, mentre con i cementi pozzolanici esse hanno un andamento ascendente per anni (superando il valori di resistenza dei cementi), indicando quindi un'attività idraulica che si sviluppa per lungo tempo. La caratteristica più importante dei cementi pozzolanici è però la loro resistenza chimica, che li rende atti a svariati usi, con un alto coefficiente di sicurezza.
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