Cemento
Che cos'è il cemento?
In senso lato con il termine di cemento si intende qualunque sostanza che abbia azione legante verso altri materiali.
In senso più stretto e in particolare nel campo dell'ingegneria edile, con il termine di cemento si indicano quasi sempre i cementi idraulici, poiché questi sono di gran lunga i più importanti cementi impiegati attualmente.
Il cemento idraulico classico (che prende il nome di cemento Portland) si prepara per cottura di miscele intime di calcare e argilla e macinazione fine del clinker così ottenuto.
La cottura, effettuata a temperatura elevata, produce silicati e alluminati di calcio, che hanno la proprietà di reagire chimicamente con l'acqua formando una massa dura simile alla pietra.
Quando si impastano questi cementi con acqua, sabbia e ghiaia o pietrisco si ottengono le malte e i calcestruzzi.
Tipi di cemento idraulico
Vi sono molti tipi di cemento idraulico, ognuno dei quali presenta qualità e usi particolari.
I tipi principali usati nell'edilizia sono :
- il cemento Portland, di cui esistono numerose varietà;
- il cemento alluminoso, detto anche cemento fuso, che consiste principalmente di alluminati più che di silicati di calcio ed è caratterizzato da indurimento rapido e alta resistenza all'azione dei solfati;
- il cemento d'alto forno, miscela di cemento Portland e scorie basiche granulate d'altoforno;
- il cemento pozzolanico, miscela di cemento Portland e pozzolana.
Preparazione del cemento
Le materie prime per la preparazione del cemento sono il calcare e la marna, ricavati da apposite cave.
Il calcare passa a un frantoio giratorio e successivamente a un deposito. La marna viene fatta invece passare ad un frantoio a cilindri e successivamente a un deposito.
Calcare e marna, opportunamente miscelati, vengono inviati a un mulino, a un impianto di omogeneizzazione e da questo, dopo granulazione, a un forno rotante.
Il prodotto ottenuto - nella cottura della miscela nel forno rotante - è il clinker che, dopo raffreddamento, viene frantumato e quindi ridotto in polvere molto fine in un mulino (detto in questo caso mulino a cemento) e passato poi ai silos.
Presa e indurimento del cemento
Impastando acqua e cemento in modo da avere una massa abbastanza fluida, questa a poco a poco si rapprende (fa presa) e indurisce fino a prendere la consistenza della pietra.
Il fenomeno è dovuto a reazioni chimiche dell'acqua con i componenti del cemento. Comunque esso è un processo graduale anche se per ragioni di controllo dei cementi si definiscono un inizio e una fine della presa.
Dal punto di vista chimico avviene quanto segue: il silicato tricalcico (ottenuto nella cottura dell'impasto di calcare e marna nel forno) con l'acqua si idrolizza dando luogo alla formazione di idrato di calcio cristallino e di un idrosilicato di calcio gelatinoso di composizione non precisata, ma per la quale il rapporto molecolare fra CaO e SiO2 è uguale o poco minore a 2.
Il silicato bicalcico si idrata lentamente. L'alluminato tricalcico viceversa reagisce rapidamente trasformandosi per assorbimento di calce (liberata dal silicato tricalcico) in alluminato tetracalcico idrato oppure, in presenza di gesso, dando luogo alla formazione del cosiddetto sale di Candlot.
L'alluminato ferrico reagisce lentamente con formazione di alluminati e ferriti separati.
Proprietà meccaniche del cemento
La resistenza meccanica degli impasti (di acqua e cemento o di acqua, cemento, sabbia) aumenta con la finezza di macinazione del cemento usato, con la diminuzione, entro certi limiti, della quantità d'acqua e, sempre entro certi limiti, con la stagionatura dell'impasto.
Un cemento ricco di silicato tricalcico dà luogo a resistenza elevata che viene sviluppata anche rapidamente: la maggior parte nel primo mese di stagionatura.
Un cemento ricco di silicato bicalcico dà ancora luogo alla fine a resistenza elevata, ma questa viene raggiunta molto lentamente.
Il silicato tricalcico nell'idratazione dà luogo a uno sviluppo sensibile di calore, mentre il silicato bicalcico ne sviluppa circa la metà.
Lo sviluppo di calore segue di pari passo quello della resistenza meccanica e quindi è piuttosto rapido nel caso del silicato tricalcico.
Questo calore, se non viene disperso, provoca un aumento sensibile della temperatura dell'impasto, il che può dar luogo a inconvenienti vari e in particolare a fessurazioni nel successivo ritiro.
Da quanto detto, in conseguenza delle diverse esigenze tecniche, deriva che i cementi ricchi di silicato tricalcico sono i più indicati per le costruzioni edilizie comuni (per esse è conveniente un rapido indurimento e d'altra parte il disperdimento del calore di idratazione non presenta difficoltà); quelli ricchi di silicato bicalcico sono indicati per i getti in grandi masse come dighe, ecc.
C'è anche una ragione chimica di quest'ultima preferenza: il silicato bicalcico nell'idratazione non genera Ca(OH)2, che è relativamente solubile in acqua e quindi facilmente dilavabile dalle acque che vengono a contatto con il calcestruzzo rendendolo per conseguenza poroso e poco resistente.
In definitiva l'abbondanza del silicato bicalcico aumenta la resistenza chimica del cemento. Un'azione opposta, a causa della facile formazione del sale di Candlot, è esercitata dall'alluminato tricalcico.
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