La parola cemento deriva dal latino caementum (originariamente caedimentum) dal verbo caedere, che significa "tagliare, squadrare". Inizialmente, indicava "pietra squadrata, pietra di cava" o "scheggia di marmo". Successivamente, caementum indicò anche una sostanza (pozzolana) che, aggiunta alla calce, la rendeva idraulica, ovvero capace di indurire sott'acqua.
Con l'introduzione nell'industria edilizia dei cementi a rapida presa e del cemento Portland, avvenuta nella prima metà del secolo scorso, la parola cemento ha assunto il significato che conosciamo oggi.
Storia e Sviluppo del Cemento
La fabbricazione dei cementi propriamente detti iniziò solo verso la metà del XVIII secolo. Nel 1796, l'inglese J. Parker, cuocendo speciali calcari trovati nei dintorni di Londra, ottenne un prodotto cementizio di colore "giallognolo" chiamato "cemento romano", caratterizzato dalla rapidità di presa. Queste calci e cementi venivano esportati dal porto di Marsiglia e importati in Italia.
Nel 1824, l'inglese Joseph Aspdin brevettò un processo per preparare un prodotto ottenuto dalla cottura di una miscela di calcare e sostanze argillose, ridotto in polvere finissima e impastato con acqua. Questo materiale, dopo un breve periodo, diventava una massa dura simile alla pietra da costruzione dell'isola di Portland. Da qui il nome cemento Portland.
In Francia, la prima fabbrica di cemento Portland fu fondata a Boulogne-sur-Mer nel 1846, seguita dalla Germania nel 1852 e dalla Russia nel 1857. In Italia, le prime fabbriche sorsero nel Monferrato e nel Bergamasco nel 1876. Lo sviluppo fu rapido in quasi tutti i paesi.
Il cemento Portland, grazie alle sue straordinarie qualità di resistenza, stabilità e presa, si impose ai costruttori, permettendo la creazione dell'arte delle costruzioni in cemento armato, che consente le concezioni più ardite.
Calci Idrauliche e Cementi a Rapida e Lenta Presa
La fabbricazione della calce idraulica consiste nel cuocere marne calcaree non perfettamente pure, contenenti silice o silicato di allumina, fino all'eliminazione dell'acido carbonico (circa 850°C). Dopo la cottura, i pezzi vengono idratati e si polverizzano spontaneamente.
Le modalità di preparazione dei cementi a pronta presa (cosiddetti romani) sono simili a quelle della calce idraulica. Vengono cotti nel forno a tino a circa 800°C e macinati grossolanamente nel molino a palle senza preventiva idratazione. Impastati con il 34-36% di acqua, fanno presa tra i 5 e i 15 minuti e l'indurimento prosegue lentamente per molto tempo.
I regolamenti italiani impongono, per la pasta normale di questi cementi, una resistenza minima alla trazione di 12 kg/cm² e alla compressione di 120 kg/cm² dopo 7 giorni dalla confezione dei provini.
Talvolta, calcari magri (con molta argilla) cotti come i precedenti non fanno rapida presa, ma una presa semilenta con un discreto indurimento anche in presenza di umidità. Questi cementi sono chiamati langsambinder Romanzement dai tedeschi e sono ancora prodotti in alcune piccole fabbriche come cementi a lenta presa.
Composizione Chimica del Cemento Portland
La principale differenza tra il cemento Portland e gli altri cementi risiede nel fatto che il cemento Portland deve essere calcinato fino a incipiente fusione (1400°C, clinkerizzazione), mentre gli altri cementi e calci idrauliche sono calcinati a temperature più basse (circa 800°C) senza subire la fusione.
Il dott. W. ha individuato un rapporto fondamentale per la preparazione del cemento Portland, completato poi da altri due rapporti:
- Modulo silicico: (SiO2)/(Al2O3 + Fe2O3), compreso tra 2 e 3 (eccezionalmente > 4).
- Modulo dei fondenti: dovrebbe essere il più alto possibile, ma può scendere anche al di sotto di 1 senza peggiorare il prodotto.
Un primo tentativo per rispondere ai problemi dell'industria dei cementi fu fatto da Trörnebohm nel 1897, con uno studio petrografico. Gli studi di Le Châtelier diedero risultati concordanti per la morfologia dei costituenti, ma diversa fu l'interpretazione della loro costituzione.
Da allora, si cominciò a chiamare Alite la massa cristallina predominante nel cemento Portland, sebbene i ricercatori non fossero concordi nel fissarne la composizione. L'orizzonte cominciò a rischiararsi con studi metodici sui sistemi binari SiO2 − CaO; Al2O3 − CaO; SiO2 − Al2O3 e poi sul sistema ternario CaO − SiO2 − Al2O3.
Equilibri Ternari
Gli equilibri ternari si rappresentano graficamente con un triangolo equilatero ai cui vertici corrispondono i tre costituenti. Dividendo ogni lato in cento parti, la percentuale di ogni costituente è rappresentata dalla distanza di un punto qualsiasi dell'interno del triangolo dai tre lati di esso. Ogni punto del triangolo rappresenta una miscela qualsiasi dei tre costituenti, mentre i composti binari e le miscele binarie sono rappresentati sui lati del triangolo.
Il cemento Portland ideale dovrebbe contenere circa 68% di CaO, 23% di SiO2, 8% di Al2O3 (più Fe2O3) e 1% di altri costituenti secondari. Tuttavia, buoni prodotti industriali si trovano in una zona più estesa, e il contenuto di CaO può scendere sotto il 60%. Ottimi prodotti di questo tipo si trovano nei cementi artificiali di scorie, essendo le scorie metallurgiche più ricche di silice e fondenti (R2O3).
Per ottenere clinker normali, non è necessario scaldare fino a fusione completa. Basta mantenersi a temperature più basse. La rapidità con cui i composti si formano dipende dalla temperatura e dalla quantità di liquido presente, che a sua volta dipende dalla finezza dei materiali e dalla loro intima mescolanza.
Per miscugli della composizione indicata, è necessaria una temperatura di cottura di circa 1650°C. A questa temperatura, il clinker è fuso per circa il 30%, consentendo alle reazioni di procedere fino a completezza in un tempo ragionevole. Raffreddando, il clinker è costituito approssimativamente dal 45% di 3CaO•SiO2, 35% di 2CaO•SiO2 e 20% di 3CaO•Al2O3.
La temperatura di fusione della parte liquida è abbassata dalla presenza di piccole quantità di impurezze come Fe2O3 e MgO.
Discussioni e Studi Successivi
Le discussioni e gli studi si fecero più attivi sulla formazione e sull'esistenza del silicato tricalcico (3CaO•SiO2), che è instabile al suo punto di fusione e si dissocia in 2CaO•SiO2 + CaO. Secondo alcuni autori, esso non può esistere come solido a contatto della massa fusa, ma la sua stabilità sarebbe possibile nel sistema ternario CaO, SiO2, Al2O3. Altre discussioni riguardano l'Alite, con diverse interpretazioni sulla sua composizione.
Un'altra differenza fondamentale tra questi studi e la fabbricazione industriale dei cementi riguarda l'ufficio esercitato dall'ossido ferrico Fe2O3. Mentre Al2O3 e SiO2 formano un unico composto fusibile oltre 1800°, il ferro dà diversi silicati assai fusibili e vetrosi, che possono abbassare la temperatura di formazione dei composti principali del cemento Portland.
Studi sulla Presa del Cemento
I fenomeni di presa e indurimento del cemento consentono due specie di osservazioni. Le Châtelier studiò l'idratazione di laminette di cemento Portland immerse in acqua. I silicati e gli alluminati stabili alle temperature del forno di preparazione del cemento si decompongono dando luogo a composti più semplici, prodotti per idrolisi al contatto dell'acqua.
Il Bosio ha osservato che la massa amorfa giallastra contenuta nel clinker di cemento Portland subisce una pronta decomposizione a contatto dell'acqua.
Intonaco a Calce: Un'Alternativa Salutare
La calce è stata abbandonata negli ultimi 50 anni a favore del cemento, ma ora sta ritornando protagonista degli intonaci per le sue caratteristiche igroscopiche. L'intonaco a base calce offre un miglioramento importante in termini di comfort abitativo.
L'intonaco, derivante dal latino tunicare, è il rivestimento di superfici più diffuso fin dall'antichità. Vitruvio definì le modalità di realizzazione dell'intonaco a più strati, con funzioni di protezione e finitura.
L'intonaco interno ha la funzione di assorbire l'umidità superficiale delle pareti e deve evitare i fenomeni di gocciolamento. Un buon intonaco deve avere un ottimo grado di igroscopicità, assorbendo e disperdendo l'eccesso di umidità relativa.
Applicazione dell'Intonaco
Un intonaco fatto a regola d'arte consiste in almeno tre strati:
- Rinzaffo sottile: per l'aderenza alla muratura.
- Intonaco vero e proprio (grezzo): con potere traspirante, igroscopico, idrorepellente e resistente.
- Intonaco fine: lisciato per la pittura.
L'intonaco a base calce assolve egregiamente a queste esigenze, a differenza dell'intonaco a base cemento la cui igroscopicità è drammaticamente più bassa.
Calce: Un Disinfettante Naturale
L'intonaco a base di calce funziona come un disinfettante naturale, togliendo nutrimento a spore, batteri e muffe. È caratterizzato da altissima traspirabilità e porosità.
Chimica della Calce
La calce viene preparata mediante cottura di rocce calcaree (CaCO3), che si dissociano in ossido di calcio (Ca0) e anidride carbonica. La massa porosa della calce, a contatto con acqua, si trasforma in idrossido di calcio, Ca(OH)₂, capace di indurire lentamente all'aria.
Calce Viva e Calce Spenta
La trasformazione dell'ossido in idrossido di calcio avviene con un forte sviluppo di calore. L'idrossido di calcio, mescolato con acqua e sabbia, forma una malta capace di indurire lentamente all'aria.
Presa e Velocità di Indurimento
Inizialmente, la malta perde la sua plasticità originale (presa) a seguito dell'evaporazione dell'acqua. Successivamente, si verifica un lento indurimento per la precipitazione di cristalli di CacO₃, a causa della reazione dell'idrossido di calcio con l'anidride carbonica dell'aria.
La resistenza meccanica a compressione di una malta di calce raggiunge valori di una decina di Mpa molto lentamente. Aggiungendo pozzolana alla calce, la malta è in grado di indurire più rapidamente, soprattutto a contatto con l'acqua.
La Pozzolana
L'impiego della pozzolana fu una delle scoperte più rivoluzionarie degli antichi Romani, migliorando le malte di calce e rendendole più resistenti all'acqua.
Il Primo Calcestruzzo
Una miscela di calce e pozzolana può indurire in presenza di acqua e in assenza di aria, consentendo lo sviluppo del primordiale calcestruzzo (calcis structio).
La Calce Idraulica
Nel trattamento termico di una marna calcarea, si forma l'ossido di calcio che si combina con la silice e l'allumina dell'argilla, formando prodotti capaci di indurire con l'acqua. La calce idraulica ha affrancato i costruttori dalla disponibilità di pozzolana.
Precursore del Cemento
La calce idraulica, la cui produzione industriale è iniziata nel XVIII secolo, può essere considerata il precursore del moderno cemento portland.
Prodotti a Base di Calce
- Grassello di Calce: Calce spenta (idratata) ottenuta dalla cottura di pietra calcarea con impurità inferiori al 10%.
- Latte di Calce: Diluizione del grassello per la tradizionale pittura a calce.
- Calce Idrata in Polvere: Ottenuta con un trattamento speciale per ottenere calce idrata in polvere.
- Calce Idraulica in Polvere: Si ottiene dalla cottura di pietre calcaree contenenti argilla.
Kerakoll Biocalce
Tra gli intonaci a base calce disponibili sul mercato, Biocalce di Kerakoll è un intonaco certificato, eco-compatibile, di pura calce naturale NHL 3.5. La composizione naturale lo rende ideale nel GreenBuilding.
Cemento: Un Materiale Versatile
Il cemento è un legante idraulico a base di clinker, ottenuto dalla combinazione chimica di calcare e argilla ad altissima temperatura. Rappresenta uno dei leganti più versatili e più usati in edilizia grazie alle sue caratteristiche di resistenza meccanica e di stabilità nel tempo.
La classica composizione del cemento è data per l'80% da calcare e per il 20% da argilla. I cementi Portland compositi CEM II/A o B contengono elementi diversi dal clinker: fumi di silice, scorie, pozzolana, scisto calcinato, ceneri volanti da centrali termoelettriche.
Pozzolana: Un Componente Chiave
La pozzolana è una roccia naturale costituita da scorie vulcaniche o rocce sedimentarie con composizione chimica e mineralogica appropriata, essenzialmente composta da silice, allumina e ferro. Le pozzolane sono silici o materiali allumina-silicato che reagiscono chimicamente con l'idrossido di calcio (calce viva) a temperatura normale per formare composti con proprietà idrauliche e cementanti.
Il cemento pozzolanico è ottenuto dalla miscela di clinker di pozzolana o altro materiale con lo stesso comportamento, uniti con gesso e anidrite carbonica.
Tipi di Cemento
La normativa italiana classifica i cementi fondamentali in:
- Portland
- Pozzolanico
- D'altoforno
- Alluminoso o fuso
Considerando dei primi tre sia il tipo normale sia quello ad alta resistenza.
Cemento Portland
È il cemento idraulico classico, con calcare e argilla nelle proporzioni del 78 e del 22%. La miscela può essere preparata per via secca o umida e viene cotta in forni verticali o rotativi. Il clinker viene poi macinato in mulini a sfere e depositato in silos.
Cemento Pozzolanico
Ottenuto unendo al clinker, durante la macinazione, della pozzolana (30-45%).
Cemento d'Altoforno
Ottenuto unendo al clinker scorie dell'altoforno (15-50%).
Altri Tipi di Cemento
- Cemento Alluminoso o Fuso
- Cemento Ferrico
- Cemento Romano
- Cemento di Grappiers
- Cemento Misti
- Cemento Fibroso
- Cemento Magnesiaco
- Cemento Retinato
Cemento Armato
Il cemento armato è un materiale da costruzione ottenuto inglobando nel conglomerato cementizio opportune armature metalliche. La resistenza nasce dalla collaborazione tra calcestruzzo (resistente a compressione) e acciaio (resistente a trazione).
Un elemento in cemento armato si realizza gettando calcestruzzo allo stato pastoso in casseforme con l'armatura resistente. La presenza del calcestruzzo protegge il ferro dagli agenti atmosferici e dal fuoco.
Ettringite: Dott. Jekyll e Mr. Hyde del Calcestruzzo
L’Ettringite gioca più ruoli nel determinare il comportamento del calcestruzzo. A seconda delle circostanze e delle condizioni la sua formazione può essere benefica o negativa. Da un punto di vista chimico l’ettringite è un trisolfo-alluminato di calcio idrato: 3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O.
La formazione di ettringite svolge sicuramente un ruolo positivo nella regolazione della presa del cemento portland. Quest’ultimo è sostanzialmente costituito da due componenti: il clinker, che deriva dalla cottura delle materie prime e che contiene una miscela di silicati e alluminati (C3S, C2S, C3A e C4AF), ed il gesso (CaSO4•2H2O) che viene aggiunto, in misura di circa il 5%, nel mulino di macinazione del cemento.
In assenza di gesso, il clinker (ed in particolare un suo componente molto reattivo: il C3A) provocherebbe una presa così rapida (subito dopo la miscelazione con acqua) da rendere impraticabile il trasporto del calcestruzzo.
La funzione del gesso è quella di reagire proprio con il C3A in presenza di acqua provocando il deposito di ettringite (in forma di una pellicola che avvolge la superficie del C3A) ed arrestando momentaneamente, o comunque ritardando fortemente, l’ulteriore idratazione del C3A e la formazione di C-A-H. Il risultato di questo processo, altamente positivo, è quello di far avvenire la presa del cemento in un tempo più lungo (almeno un’ora) e di consentire le operazioni di miscelazione, di trasporto, e di getto del calcestruzzo in tutta tranquillità.
La formazione della pellicola di ettringite - che in realtà è assimilabile ad un feltro di minutissimi cristalli aghiformi - è però accompagnata da un aumento di volume, derivante dal fatto che l’ettringite è più voluminosa rispetto ai prodotti (C3A, acqua e gesso) che la generano.
Se la formazione di ettringite è limitata e si esaurisce in breve tempo, cioè se si manifesta all’interno di un sistema deformabile (come è il calcestruzzo soprattutto nella fase plastica nelle prime ore di vita), allora l’incremento di volume, oltre ad essere modesto, non provoca sostanzialmente tensioni all’interno del materiale. Se, invece, la formazione di ettringite fosse abbondante e si protraesse per molto tempo (quando ormai il calcestruzzo è diventato molto rigido), allora l’aumento di volume potrebbe provocare pericolose tensioni con conseguenti fessurazioni dei manufatti cementizi.
Ciò comporta, però, che buona parte del C3A rimanga - per difetto di gesso - al di sotto della pellicola di ettringite. Questo C3A residuo completerà successivamente, quando ormai il calcestruzzo è stato messo in opera, la sua conversione in C-A-H per lenta diffusione dell’acqua attraverso la pellicola superficiale di ettringite.
Il rischio consiste nel fatto che la formazione di nuova ettringite, che definiremo secondaria, possa essere ri-alimentata a seguito di ulteriore gesso formato in situ per ingresso di solfati provenienti dall’ambiente. E’ questo tipo di ettringite (cioè quello formato a tempi lunghi per interazione del materiale con l’ambiente, ed in particolare tra il C-A-H del calcestruzzo in servizio con il solfato ambientale) che può provocare danni severi sotto forma di fessurazioni, delaminazioni e distacchi del calcestruzzo.
Questo tipo di degrado è noto con il nome di attacco solfatico ed è associato principalmente (ma non solo) con la formazione di ettringite secondaria.
Semplificando, l’attacco solfatico - che porta alla formazione di ettringite secondaria - può essere schematizzato con la successione di tre eventi (a, b, c) come è mostrato in Tabella 1.
| Evento | Descrizione |
|---|---|
| a | Ingresso del solfato nell'ambiente |
| b | Formazione di gesso |
| c | Formazione di ettringite secondaria |
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