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Il
cemento
Il cemento, utilizzato in edilizia ma non solo, è un prodotto
proveniente dalla macinazione e cottura di pietre di vario tipo che, mescolato
con acqua, ritorna per reazione chimica e fisica, nel suo originario stato
solido.
Viene impiegato come legante in miscela con materiali inerti (sabbia,
ghiaia) per formare la malta e per preparare il calcestruzzo. E' utilizzato,
in questo caso, per la costruzione di edifici e strutture in cemento armato.
Nell'antichità era conosciuto un legante che può essere
chiamato cemento come materiale da costruzione, naturalmente non ancora
con le proprietà e la qualità di oggi giorno e molto più
simile alla calce (che si ottiene con la cottura delle pietre). Sia gli
Egizi che i Greci e i Babilonesi lo impiegavano nei loro edifici, così
come i Romani.
Tipi di cemento
Esistono diversi tipi di cemento, differenti per la composizione, per
le proprietà di resistenza e durevolezza e quindi per la destinazione
d'uso.
Dal punto di vista chimico si tratta in generale di una miscela di
silicati e alluminati di calcio, ottenuti dalla cottura di calcare, argilla
e sabbia. Il materiale ottenuto, finemente macinato, una volta miscelato
con acqua si idrata e solidifica progressivamente nel tempo. In alcune
tombe dell'antico egitto sono stati trovati, nello spessore murario, alcune
parti che non ancora avevano terminato il processo di presa iniziato 5000
anni prima.
La composizione chimica dei cementi è complessa e vengono usate
terminologie specifiche per definirli.
Il cemento Portland
Il cemento Portland, probabilmente il tipo più utilizzato, fu
scoperto nel 1824 in Inghilterra dal muratore Joseph Aspdin e deve il nome
alla somiglianza nell'aspetto e nel colore con la roccia di Portland, un'isola
nella contea di Dorset in Inghilterra.
La fabbricazione del cemento Portland avviene nelle seguenti tre fasi:
- preparazione della miscela grezza dalle materie prime;
- produzione del clinker;
- preparazione del cemento.
Le materie prime per la produzione del Portland sono minerali contenenti:
- ossido di calcio (44%),
- ossido di silicio (14,5%),
- ossido di alluminio (3,5%),
- ossido di ferro (3%),
- ossido di magnesio (1,6%).
L'estrazione avviene in apposite cave poste in prossimità della
fabbrica, (anche se generalmente questa viene costruita dove è possibile
fornirsi del materiale con poca spesa per il trasporto), che in genere
hanno già la composizione desiderata, mentre in alcuni casi è
necessario aggiungere argilla o calcare, oppure minerale di ferro, bauxite
o altri materiali residui di fonderia.
La miscela viene riscaldata in un forno speciale costituito da un enorme
cilindro (chiamato Kiln) disposto orizzontalmente con leggera inclinazione
e ruotante lentamente. La temperatura viene fatta crescere lungo il cilindro
fino a circa 1480° centigradi in modo che i minerali si aggreghino,
ma non fondano e vetrifichino.
Nella sezione a temperatura minore il carbonato di calcio (il calcare,
le pietre) si scinde in ossido di calcio e biossido di carbonio (CO2).
Nella zona ad alta temperatura l'ossido di calcio reagisce con i silicati
a formare silicati di calcio (Ca2Si e Ca3Si). Si forma anche una piccola
quantità di Alluminato di tricalcio (Ca3Al) e Alluminoferrite di
tricalcio (Ca3AlFe).
Il materiale risultante è complessivamente denominato clinker.
Il clinker può essere conservato per anni prima di produrre il cemento,
a condizione di evitare il contatto con l'acqua.
L'energia teorica necessaria per produrre il clinker è di circa
1700 Joule per grammo, ma a causa delle dispersioni il valore è
molto più alto. Questo comporta una grande richiesta di energia
per la produzione del cemento, e quindi un notevole rilascio di biossido
di carbonio in atmosfera, gas ad effetto serra.
Per migliorare le caratteristiche del prodotto finito al clinker viene
aggiunto circa il 2% di gesso e la miscela è finemente macinata.
La polvere ottenuta è il cemento pronto per l'uso.
Il cemento ottenuto ha una composizione del tipo:
* 64% ossido di calcio
* 21% ossido di silicio
* 5,5% ossido di alluminio
* 4,5% ossido di ferro
* 2,4% ossido di magnesio
* 1,6% solfati
* 1% altri materiali, tra cui soprattutto acqua
Quando il cemento Portland viene miscelato con l'acqua, il prodotto
solidifica in alcune ore e indurisce progressivamente nell'arco di diverse
settimane. Anche se la presa continua nel tempo si considera ottenuta completamente
a 28 giorni quando raggiunge il 90% del suo sviluppo. L'indurimento iniziale
è provocato dalla reazione tra acqua, gesso e l'alluminato di tricalcio,
a formare una struttura cristallina di calcio-alluminio-idrato (CAH), ettringite
(Aft) e monosolfato (Afm). Il successivo indurimento e lo sviluppo di forze
interne di tensione deriva dalla più lenta reazione dell'acqua con
il silicato di tricalcio a formate una struttura amorfa chiamata calcio-silicato-idrato
(CSH gel). In entrambi i casi le strutture avvolgono e legano i singoli
granuli di materiale presenti. Un'ultima reazione produce il gel di silice
(SiO2). Tutte le tre reazioni sviluppano calore.
Con l'aggiunta di particolari materiali al cemento (calcare e calce)
si ottiene il cemento plastico, di più rapida presa e maggiore lavorabilità.
La malta preparata usando una miscela di cemento Portland e calce è
nota come malta bastarda.
Questo materiale è usato in particolare per rivestire le superfici
esterne ed interne degli edifici. Tale lavorazione prende il nome di intonaco. |
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