La parola cemento deriva dal latino caementum (originariamente caedimentum) dal verbo caedere "tagliare, squadrare", e significò dapprima "pietra squadrata, pietra di cava", o anche "scheggia di marmo". Di poi si indicò con la parola caementum anche una sostanza (pozzolana) che, aggiunta alla calce, le conferiva la proprietà di indurire sott'acqua, cioè la rendeva idraulica.
Con l'introduzione nell'industria edilizia dei cementi a rapida presa e del cemento Portland, la parola cemento ha assunto un significato ancora più specifico. Nel corso dei secoli si è assistito ad una progressiva trasformazione delle caratteristiche chimico-fisiche dei leganti utilizzati nelle costruzioni, con inevitabili mutamenti nel comportamento degli impasti in opera.
L’uso dei leganti ottenuti dalla cottura della pietra era già pratica diffusissima in Siria, Fenicia, Cipro e Grecia fin dal VI secolo a. C. I Romani inizialmente utilizzavano come legante prevalentemente la calce. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce, l’indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza.
A partire dal I secolo a. C. i Romani iniziarono a sostituire la sabbia costituente la malta con la pozzolana o con il cocciopesto. Ciò segnò una rivoluzione nella realizzazione delle opere murarie, infatti il comportamento della pozzolana e del cocciopesto faceva sì che la malta facesse presa ed indurisse anche in acqua, senza contatto con l’aria, consentendo quindi la produzione di leganti di alta resistenza e rapido indurimento.
Durante tutto il Medioevo venne abbandonata la tecnologia della pozzolana in favore di leganti come il grassello di calce. Si dovrà attendere il XIV secolo, quando si cominceranno a tradurre i testi latini di Plinio il Vecchio e di Vitruvio, che contribuiranno a chiarire il segreto del costruire secondo i Romani.
Prima di giungere alla composizione de cemento attuale, l’ ingegnere britannico Jhon Smeaton, per realizzare il faro di Eddystone, utilizzò al posto della classica miscela calce-pozzolana, la prima calce idraulica ottenuta dalla cottura di calcare contenente una quantità di impurezze argillose. E’ la scoperta della calce idraulica che segnerà il passaggio dal calcestruzzo romano a quello moderno. Da questo momento hanno inizio sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare ed argilla a temperature sempre più elevate che porteranno alla scoperta del moderno cemento Portland e ad altri tipi di cemento.
La fabbricazione dei cementi propriamente detti s'iniziò soltanto verso la metà del sec. XVIII. Nel 1796 un inglese - J. Parker - dalla cottura di speciali calcari trovati nei dintorni di Londra trasse un prodotto cementizio di colore "giallognolo" che egli chiamò "cemento romano" e la cui principale caratteristica era la rapidità nella presa. Queste calci e cementi venivano anche esportati dal porto di Marsiglia, e in Italia furono largamente importati.
Calci Idrauliche e Cementi a Rapida e Lenta Presa
La fabbricazione della calce idraulica consiste nel cuocere sino a eliminazione di acido carbonico (circa 850°) delle marne calcari, non perfettamente pure, contenenti una certa quantità di silice o di silicato di allumina. Dopo la cottura i pezzi estratti dal forno vengono idratati, e si polverizzano spontaneamente.
Le modalità di preparazione dei cementi a pronta presa (cosiddetti romani) sono molto simili a quelle della calce idraulica. Si cuociono cioè nel forno a tino a temperatura di circa 800° e si macinano grossolanamente nel molino a palle senza preventiva idratazione. In generale, impastati col 34-36% di acqua, fanno presa tra i 5 e i 15′ e l'indurimento prosegue poi lentamente per molto tempo. I regolamenti italiani impongono, per la pasta normale di questi cementi, un minimo di resistenza alla trazione di kg. 12 per cmq., e alla compressione di kg. 120 per cmq. dopo 7 giorni dalla confezione dei provini regolamentari.
Per la macinazione si adottarono dapprima le forme di mulini già esistenti (mulini a palmenti usati per i cereali e molazze), ma il macchinario andò poi specializzandosi e per parecchio tempo si disputarono il primato il mulino a pendolo e il mulino a palle, che finì per vincere tutti gli apparecchi concorrenti, specialmente nella forma detta Kominor.
Accade talora che calcari magri (con molta argilla) cotti come i precedenti, cioè nel forno a tino a circa 800°, non facciano rapida presa, ma una presa semilenta con un discreto indurimento anche in presenza di umidità. Sono quei cementi che i Tedeschi chiamano langsambinder Romanzement, e che ancora si producono in alcune piccole fabbriche col nome di cementi a lenta presa. Questi prodotti secondarî e pur costanti sono in genere trascurati dalle norme ufficiali e vanno scomparendo dal commercio e dall'uso.
Cemento Portland Artificiale
Il 21 ottobre 1824 l'inglese Joseph Aspdin, fornaciaio muratore nato a Leeds nel 1779, conseguì un brevetto per il processo di preparazione di un prodotto che, ottenuto con la cottura di un'intima mescolanza di calcare e di sostanze argillose, ridotto in polvere finissima e impastato con acqua, dopo un breve periodo diveniva una massa dura facilmente lavorabile con lo scalpello e in tutto simile alla pietra da costruzione che abbonda nell'isola di Portland. Da ciò il nome col quale lo stesso Aspdin chiamò il suo ritrovato.
In Francia la prima fabbrica di cemento Portland fu fondata a Boulogne-sur-Mer da Dupont e Demarche nel 1846; in Germania a Stettino ad opera di H. Bleibtreu nel 1852; in Russia a Polev nel 1857. In Italia le prime fabbriche sorsero nel Monferrato e nel Bergamasco nel 1876. Lo sviluppo del resto, fu rapido in quasi tutti i paesi.
Il cemento Portland, per le sue qualità straordinarie di resistenza, di stabilità e di presa, s'imponeva infatti ai costruttori, e questi, utilizzandone gli speciali requisiti, poterono creare quell'arte delle costruzioni in cemento armato, che permette ormai le concezioni più ardite.
Composizione Chimica del Cemento Portland
La principale differenza fra il cemento Portland e gli altri cementi, indipendentemente dalla composizione chimica, sta nel fatto che il cemento Portland deve essere calcinato fino a incipiente fusione (1400°; clinkerizzazione), mentre gli altri cementi e calci idrauliche sono calcinati a una temperatura assai più bassa (800° circa) senza subire il principio di fusione.
Un primo tentativo per rispondere più esattamente ai problemi inerenti all'industria dei cementi fu fatto da Trörnebohm in uno studio petrografico intrapreso per incarico dell'Unione scandinava dei fabbricanti di cemento Portland (1897). Alite (fig. Belite (fig. Gli studi fatti quasi contemporaneamente in Francia dal Le Châtelier diedero risultati assai concordanti per la morfologia dei costituenti, solamente fu assai diversa l'interpretazione della loro costituzione.
Da allora in poi si cominciò a chiamare Alite la massa cristallina predominante nel cemento Portland; ma i numerosissimi sperimentatori furono tutt'altro che concordi nel fissarne la composizione. Ritenuto da alcuni un silico alluminato, ne furono proposte diverse formule, nessuna delle quali invero può dirsi dimostrata. L'orizzonte cominciò un po' a rischiararsi quando s'intrapresero studî metodici prima sui sistemi binarî SiO2 − CaO; Al2O3 − CaO; SiO2 − Al2O3 poi sul sistema ternario CaO − SiO2 − Al2O3, specialmente da parte del Bureau of Standard di Washington.
Il sistema ternario permette così di differenziare molto bene i tipi di cemento più importanti per l'industria. Il cemento Portland ideale dovrebbe contenere circa 68% di CaO; 23% di SiO2; 8%, di Al2O3 (più Fe2O3) e 1% di altri costituenti secondarî, e corrisponde al punto P del diagramma. Ma i buoni prodotti industriali si trovano in una zona assai estesa e in certi casi il contenuto in CaO può discendere al di sotto del 60%.
Si trovano ottimi prodotti di questo tipo nei cementi artificiali di scorie, essendo, come si sa, le scorie metallurgiche molto più ricche di silice e fondenti (R2O3) dei cementi.
Supponiamo di avere un miscuglio con 68% di CaO; 8% di Al2O3 e 23,6% di SiO2, il quale, quando sia cotto opportunamente, dà un buon Portland, e riscaldiamolo lentamente. La prima reazione che si compie, perché è quella che ha luogo più facilmente e alla temperatura più bassa, è la combinazione di CaO con Al2O3 per formare 5CaO.3Al2O3 e di CaO con SiO2 per formare 2CaO. SiO2. In seguito poi questi due componenti si combinano ad altra calce e formano rispettivamente 3CaO•Al2O3 e 3CaO•SiO2.
La rapidità con cui i composti si formano dipende dalla temperatura e dalla quantità di liquido presente; questa a sua volta dipende dalla finezza dei materiali sottoposti a cottura e dalla loro intima mescolanza. Per i miscugli della composizione sopra indicata è necessaria una temperatura di cottura di circa I650°. A questa temperatura il clinker è per circa 30% fuso e questa proporzione di liquido consente che le reazioni procedano fino a completezza in un tempo ragionevole.
Raffreddando, tutto il prodotto solidifica e il clinker che si ottiene è costituito approssi mativamente dal 45% di 3CaO•SiO2; 35% di 2CaO•SiO2 e 20% di 3CaO•Al2O3.
Non è a credere però che con queste ricerche ogni problema fosse risolto, anzi le discussioni e gli studî si fecero immediatamente più attivi sopra i punti particolarmente più interessanti e prima di tutto sulla formazione e sull'esistenza del silicato tricalcico (3CaO•SiO2), che è instabile al suo punto di fusione (previsto oltre 2000°) e già a 1900° si dissocia in 2CaO•SiO2 + CaO.
Ma le discussioni più appassionate riguardano l'Alite. Questo nome non fu adottato dai chimici americani (Rankin), che non ritennero esistere nei clinker di cemento Portland composti ternarî, ma solo 3CaO•SiO2; 2CaO•SiO2; (CaO) e 3CaO. Al2O3. Ma Jänecke, che in un importante lavoro pubblicato nel 1912, aveva creduto poter dimostrare che l'Alite corrispondeva alla formula: 8CaO•2SiO2Al2O3, in successive pubblicazioni (1926, 1927), confermò l'esistenza del composto che si denomina appunto Jäneckite nei cementi industriali, in cui si formerebbe per l'azione delle sostanze parzialmente fuse e per il rapido raffreddamento dei clinker.
Altra differenza fondamentale tra questi studî e la fabbricazione industriale dei cementi consiste nell'ufficio esercitato dall'ossido ferrico Fe2O3. Nello studio dell'equilibrio ternario CaO − SiO2 − Al2O3 era stato implicitamente ammesso che il ferro, almeno entro certi limiti, potesse praticamente consideraisi come sostituente dell'allumina; ma lo studio dell'equilibrio ternario Fe2O3 − SiO2 − CaO conduce a risultati molto diversi dai corrispondenti equilibrî di Al2O, con CaO e SiO2.
Mentre Al2O, e SiO2 formano un unico composto Al2O3 e SiO2 fusibile oltre 1800°, il ferro dà notoriamente diversi silicati assai fusibili e vetrosi, che possono abbassare la temperatura di formazione dei composti principali del cemento Portland.
Si è tentata la rappresentazione grafica del sistema quaternario CaO − SiO2 − Al2O3 − Fe2O3, prima da Spindel (1927) e poi da Kühl con geniali artifici, e i risultati di tali studî permettono certo rappresentazioni grafiche dell'influenza dei quattro principali costituenti sulle qualità del cemento Portland, più vicine alla pratica industriale dei precedenti sistemi.
Studî sulla Presa del Cemento
I fenomeni di presa e indurimento del cemento consentono due specie di osservazioni. Non sono mancati, anche su questo argomento, studî importanti. Le Châtelier studiò i fenomeni di idratazione di laminette di cemento Portland immerse in acqua.
È evidente che 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 specialmente una pronta decomposizione a contatto dell'acqua; e se vogliamo mettere questo fatto in relazione con l'osservazione di W. Infatti se, come fecero Le Châtelier, Gallo, Bosio, si mette in un vetrino concavo un poco di allumina gelatinosa con idrato di calcio (acqua di calce) e si copre immediatamente con vetrino coprioggetti, chiudendo con balsa...
A cavallo tra il Settecento e l’Ottocento, in particolare in Inghilterra e in Francia, si svilupperanno nuove invenzioni che porteranno alla produzione di primi leganti idraulici industriali, i cementi. La distinzione tra calce idraulica e cemento rimase a lungo incerta e controversa. Ad essere oggi condivisa è l’opinione di Vicat (1828): “qualunque che venga messo in opera previo spegnimento deve essere chiamato calce idraulica; qualunque legante idraulico che venga messo in opera senza spegnimento deve essere chiamato cemento”.
Un esempio moderno dell'utilizzo del cemento è il MAXXI - Museo di arte contemporanea di Roma. Splendido esempio di progettazione dell’architetto Zaha Hadid, vincitore nel 2010 del premio “World building of the year”. Sono in calcestruzzo le pareti che caratterizzano la forma e la struttura, come pure le superfici orizzontali, le lame di copertura, interamente rivestite in cemento fibrorinforzato, e gran parte delle finiture (superfici a vista, pavimenti, arredi).
La differenza principale che caratterizza il calcestruzzo antico da quello moderno consiste nel diverso tipo di legante impiegato: nel calcestruzzo antico, il legante era costituito da calce e pozzolana o da calce idraulica avente proprietà peculiari simili a quelle del cemento grazie ad alcune impurità (silice e allumina); nel calcestruzzo moderno, invece, il legante è costituito dal cemento Portland o da miscele di questo con scorie d’altoforno e pozzolana.
Un’altra importantissima differenza risiede nell’attenzione, nel calcestruzzo moderno, ad una distribuzione granulometrica degli inerti impiegati, particolarmente assortita nelle dimensioni. In queste condizioni si minimizza il volume dei vuoti interstiziali riducendo pertanto il volume di cemento necessario al loro riempimento.
Il cemento, nel corso dei secoli, ha avuto un incremento delle resistenze meccaniche a breve e lungo termine rispetto alle malte cementizie del passato, da cui si giustifica l’impiego quasi esclusivamente a scopo strutturale. L’esaltazione di tali caratteristiche meccaniche in tutti i leganti, anche non strutturali, ha fatto sì che si perdessero le peculiartà tipiche degli impasti del passato, interessanti soprattutto per le loro potenzialità microclimatiche.
Per poter effettuare un’inversione di tendenza e quindi riscoprire le virtù dei leganti al fine di migliorare le condizioni di salubrità e vivibilità degli ambienti, è necessario che le nuove sperimentazioni e quindi la messa in produzione dei nuovi materiali, avvengano rispettando parametri e caratteristiche tali da rispondere alle tecniche costruttive attuali in un’ottica di biocompatibilità in tutti i momenti di produzione, utilizzazione e smaltimento dei materiali.
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