Benché si possa pensare che il calcestruzzo sia un materiale molto moderno, in realtà questo materiale da costruzione è noto all’umanità da circa 14’000 anni. In genere è composto da un impasto di sabbia, ghiaia, cemento, acqua e altri additivi. Ispirandosi alla puddinga, detta anche «cemento naturale», gli artigiani dell’Impero Ottomano utilizzavano il calcestruzzo per legare i mattoni. In Israele, Serbia e Cina sono stati inoltre scoperti pavimenti di epoca pre-cristiana consolidati con malta di calce. Tuttavia, la pratica d’impastare sistematicamente pietre e sabbia per creare nuovi componenti con elevata resistenza alla compressione fu sviluppata solo nell’antichità dagli antichi romani.

Dopo essere caduto nel dimenticatoio per un lungo periodo, l’utilizzo del calcestruzzo tornò in voga nel XVIII secolo e diventò sempre più popolare come materiale da costruzione grazie al suo costante sviluppo e miglioramento. L’origine della parola beton è tuttora incerta. La più antica testimonianza scritta risale all’anno 1753, quando l’ingegnere francese Bernard Forest de Bélidor descrisse una miscela di malta resistente all’acqua e granulato grossolano, definendola «béton».

Tanti vantaggi, un grave svantaggio

Come materiale da costruzione, il calcestruzzo è particolarmente interessante dal punto di vista statico e strutturale, e offre anche altri vantaggi. Non solo vanta una stabilità e una resistenza alla compressione eccezionali, ma è anche flessibile e facile da usare. La miscela di materiali viene gettata ancora liquida nello stampo desiderato e deve soltanto indurire. In più, si tratta di un materiale difficilmente infiammabile in grado di resistere a temperature fino a 1’000 °C. Un altro importante punto a suo favore è la sua capacità fonoisolante. Ma il calcestruzzo ha anche un grande punto debole: la scarsa resistenza alla trazione. 

Calcestruzzo armato

Per ovviare a ciò capitò a proposito l’«invenzione» del calcestruzzo armato nella seconda metà del XIX secolo. Come data di nascita di questo materiale da costruzione rivoluzionario viene spesso indicato l’anno 1867, quando un giardiniere e imprenditore francese di nome Joseph Monier ottenne un brevetto per le sue cassette per piante che vendeva ai giardini signorili per trasportare gli alberelli di arancio. Questi contenitori erano realizzati in calcestruzzo armato, vale a dire dotato di una rete metallica al suo interno. Si deve a Monier anche il termine tecnico che un tempo veniva utilizzato nella lingua tedesca per indicare l’acciaio per armature: «Moniereisen».

Questa invenzione non fu tuttavia un’esclusiva di Monier: qualche anno prima, precisamente nel 1855, il nobile francese Joseph-Louis Lambot aveva già depositato un brevetto simile per la produzione di barche. Ma a lanciare definitivamente il calcestruzzo armato contribuì l’ingegnere e imprenditore edile francese François Hennebique, con il cui «sistema Hennebique» vennero realizzate migliaia di costruzioni in calcestruzzo armato a partire dal 1890 (vedi riquadro).

Il successo del calcestruzzo armato è dovuto principalmente al fatto che si tratta di un materiale composito a base di calcestruzzo e acciaio per armature. Nella produzione del calcestruzzo armato i due componenti vengono incollati con del cemento. A tal fine, l’acciaio viene inserito nella cassaforma e sopra ci viene versato il calcestruzzo. Grazie alla superficie scanalata dell’acciaio per armature e all’utilizzo del cemento, i due componenti si uniscono perfettamente. 

Poiché il comportamento all’allungamento di acciaio e calcestruzzo è più o meno lo stesso, è possibile ottenere un connubio perfetto da cui risulta un materiale da costruzione stabile. Mentre la resistenza alla trazione del calcestruzzo è solo del 10 %, quella dell’acciaio è molto più alta. Tuttavia, l’acciaio è a rischio di corrosione. Così dai due componenti nasce un’unione efficace, per non dire una simbiosi perfetta:

il calcestruzzo protegge l’acciaio dalla ruggine e dal calore, l’acciaio protegge il calcestruzzo dalla rottura

Il calcestruzzo protegge l’acciaio dalla corrosione, mentre la scarsa resistenza alla trazione del calcestruzzo è compensata dall’acciaio. La sollecitazione di compressione viene a sua volta assorbita dal calcestruzzo, che presenta un’elevata resistenza alla compressione. Il calcestruzzo armato si distingue quindi dal normale calcestruzzo sotto alcuni aspetti fondamentali.

L’impiego del calcestruzzo armato al posto di quello non armato è sempre necessario quando in un elemento costruttivo sono presenti delle sollecitazioni di trazione che potrebbero provocare l’improvviso venir meno della capacità di carico totale. Rispetto ad altri materiali da costruzione come l’acciaio, il legno o la plastica, il suo impiego è sempre opportuno quando non servono strutture portanti sottili e leggere. Come dimostra il suo utilizzo nella costruzione di bunker, in presenza di dimensioni sufficienti il calcestruzzo armato è adatto anche in caso di impatti fortissimi. Due suoi ulteriori vantaggi sono in particolare anche la non infiammabilità e l’elevata resistenza al fuoco. 

I limiti dell’utilizzo del calcestruzzo armato derivano invece dal suo peso elevato che, in quanto carico morto, aumenta la quantità di acciaio necessaria e, in caso di strutture snelle, provoca grandi deformazioni dovute alla formazione di crepe. In questi casi è più indicato l’impiego di una costruzione composita o di calcestruzzo precompresso. 

Calcestruzzo precompresso: il non plus ultra

Il calcestruzzo precompresso è una variante del calcestruzzo armato. Si distingue dal calcestruzzo armato per la precompressione sistematica (= predilatazione) degli inserti in acciaio. In questo modo si applica un’ulteriore forza di compressione longitudinale esterna che causa una pressione eccessiva delle sollecitazioni di trazione e riduce notevolmente la formazione di crepe e la conseguente deformazione dell’elemento costruttivo.

Per questo motivo il calcestruzzo precompresso viene utilizzato in edifici di grandi dimensioni come grattacieli, ponti, gusci paraboloidi iperbolici (e anche gusci in calcestruzzo sottili e slanciati) nonché nella costruzione di soffitti, travi e pavimenti.

Il processo di produzione del calcestruzzo precompresso è notevolmente più complesso e lungo rispetto a quello del calcestruzzo armato «normale» in quanto l’armatura in acciaio viene messa in tensione in assenza di carico e in questo modo sottoposta a una torsione preliminare. Ciò crea una forza che comprime letteralmente il calcestruzzo. Di conseguenza, il calcestruzzo precompresso presenta caratteristiche più forti rispetto al normale calcestruzzo armato.

Il calcestruzzo anche come elemento di design per l’allestimento interno

Il calcestruzzo non viene utilizzato soltanto nelle soprastrutture e nelle sottostrutture, ma sempre più spesso anche nella progettazione di ambienti su pareti e pavimenti e anche nel design di mobili. Le pareti in calcestruzzo conferiscono ai locali un aspetto minimalista e attraente. Si possono inoltre combinare in modo versatile. Chi ad esempio ama stanze dall’aspetto ordinato, fresco e strutturato può combinare il calcestruzzo con vetro e acciaio o altre superfici lisce. Le pareti in calcestruzzo possono essere combinate con legno e altri materiali naturali per creare un’atmosfera calda e naturale. Anche elementi colorati o superfici ruvide rendono gli interni accoglienti. Come alternativa alle pareti di calcestruzzo colato esistono anche piastrelle con effetto calcestruzzo.

Lo svantaggio: calcestruzzo e sostenibilità

Di qualunque tipo esso sia, il materiale da costruzione calcestruzzo ha un grande difetto: è poco sostenibile, visto che per produrre una tonnellata di cemento si rilasciano nell’atmosfera circa 700 chili del gas serra anidride carbonica. Questo rende l’industria del cemento responsabile di circa il 6 % delle emissioni globali di CO₂.

Ciò si potrebbe cambiare senza grandi sforzi solo per un terzo. Tale terzo corrisponde alla parte di energia che può essere prodotta con elettricità pulita (da energia idrica, eolica e solare). I restanti due terzi delle emissioni di CO₂ sono causati da reazioni chimiche.

Alternative al calcestruzzo ecologicamente interessanti

Per questo motivo, il settore sta studiando possibili alternative al calcestruzzo. Alcune soluzioni innovative esistono già, ma devono prima superare una serie di fasi di prova per poter essere impiegate nella produzione. Tra queste si annoverano ad esempio i residui alimentari, dai quali gli scienziati creano materiali da costruzione infrangibili in alternativa al calcestruzzo. Anche dai sottoprodotti industriali come la lolla di riso o la microsilice si può ricavare un materiale da costruzione che permette di risparmiare risorse: il calcestruzzo geopolimerico.

Anche la canapa, utilizzata come base per il calcestruzzo di canapa o la calce di canapa, è un candidato molto promettente. Con essi i designer realizzano già oggi oggetti d’arredamento riciclabili al 100%. Un altro approccio sta sperimentando con i sistemi radicali dei funghi. Un’azienda italiana sta testando questa alternativa al calcestruzzo, soprattutto per gli interni sotto forma di piastrelle. Uno studio di design tedesco crea una miscela di materiali composta da sughero riciclato, fibre di bambù e calcestruzzo. In questi materiali compositi viene utilizzato molto meno calcestruzzo rispetto ai processi tradizionali.

Un’altra innovazione viene dal Canada. Lì un’azienda ha sviluppato un processo che riduce le emissioni di CO₂ in fase di produzione. Un processo chimico permette di prelevare la CO₂ dall’atmosfera e successivamente trasformarla in un nano-minerale che viene lavorato insieme al calcestruzzo. Un circolo che offre due vantaggi: riduce nello stesso tempo le emissioni di CO₂ e la percentuale di CO₂ nell’atmosfera.

Nonostante tutti questi approcci innovativi, il calcestruzzo e il calcestruzzo armato restano dei materiali da costruzione indispensabili. A dimostrarlo bastano i volumi che continuano a essere utilizzati nelle costruzioni. Secondo uno studio della Società Svizzera degli Impresari-Costruttori, nel 2019 la percentuale di calcestruzzo, cemento e acciaio per armature ha raggiunto il 91,4 % del totale dei materiali da costruzione utilizzati in Svizzera. Con un impiego annuo di 16 milioni di metri cubi e una percentuale dell’82,3 % sul volume complessivo, il materiale più importante è stato di gran lunga il calcestruzzo.

Se si aggiungono dati comparativi più significativi provenienti dalla Germania, dove, con un utilizzo annuo di oltre 100 milioni di metri cubi, il calcestruzzo armato è il materiale da costruzione più importante del Paese e dove il 12 % della produzione tedesca di acciaio viene trasformata in 6 milioni di tonnellate di acciaio per armature (Svizzera 0,14 milioni di m³) l’anno, si evince che il calcestruzzo armato è anche il materiale da costruzione più utilizzato nel nostro Paese. E la situazione resterà invariata anche nel prossimo futuro.

Fonti: Società Svizzera degli Impresari-Costruttori SSIC, imm Cologne / KölnMesse, Wikipedia