Cemento (edilizia)

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In edilizia con cemento o più propriamente cemento idraulico si intende una varietà di materiali da costruzione che miscelati con acqua sviluppano notevoli proprietà adesive.

Viene impiegato come legante in miscela con materiali inerti (sabbia, ghiaia) a formare la malta e per preparare il calcestruzzo, utilizzato per la costruzione di edifici e strutture in cemento armato.

Gli antichi Egiziani conoscevano già il cemento come materiale da costruzione, così come i greci e i babilonesi.

I Romani impiegavano come legante prevalentemente la calce, meno resistente.

Successivamente impararono a produrre un cemento migliore a partire dalla pozzolana.

Indice 1 Tipi di cemento 1.1 Il cemento Portland 1.1.1 Reazioni di formazione dei clinker 1.1.2 Reazioni di idratazione 1.1.3 Funzione del gesso 1.1.4 Moduli 1.1.5 Cementi Portland speciali 1.1.5.1 Portland ferrico 1.1.5.2 Cementi bianchi 1.2 Cementi di miscela 1.2.1 Il cemento pozzolanico 1.2.2 Cemento siderurgico 1.3 Cemento a presa rapida 1.4 Cemento alluminoso 1.4.1 Reazioni di idratazione 2 Sicurezza e rischi per la salute 2.1 Alcalinità 2.2 Presenza di cromo 2.3 Inquinamento 3 Voci correlate

[modifica] 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.
Poiché la composizione chimica dei cementi è complessa, vengono usate terminologie specifiche per definirne le composizioni.

[modifica] Il cemento Portland

Il bl è il tipo più utilizzato, ed è usato come legante nella preparazione del calcestruzzo.
Fu inventato nel 1824 in Inghilterra dal muratore Joseph Aspdin e deve il nome alla somiglianza nell'aspetto con la roccia di Portland, un'isola nella contea di Dorset (Inghilterra).

La fabbricazione del cemento Portland avviene in 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%) e ossido di magnesio (1,6%). L'estrazione avviene in cave poste in prossimità della fabbrica, 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 cresce lungo il cilindro fino a circa 1480° centigradi; la temperatura è determinata in modo che i minerali si aggreghino ma non fondano e vetrifichino.
Nella sezione a temperatura minore il carbonato di calcio (calcare) 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 (Ca₄AlFe). 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. 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 degli edifici (intonaco). Il cemento normale non si presta infatti ad essere spalmato.

Nel 2004 i principali produttori mondiali di cemento Portland erano la Lafarge in Francia, la Holcim in Svizzera e la Cemex in Messico. Alcuni produttori di cemento sono stati multati per comportamento contrario al libero mercato.

[modifica] Reazioni di formazione dei clinker

1000-1100°C
3CaO+Al₂O₃→ 3CaOAl₂O₃
2CaO+SiO₂→ 2CaOSiO₂
CaO+Fe₂O₃→ CaOFe₂O₃
1100-1200°C
CaOFe₂O₃+3CaOAl₂O₃→ 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃
1250 - 1480°C
2CaOSiO₂+CaO → 3CaOSiO₂
La composizione finale sarà di:

• 50% 3CaOSiO₂
• 25% 2CaOSiO₂
• 12% 3CaOAl₂O₃
• 8% 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃

[modifica] Reazioni di idratazione

2(3CaOSiO₂) + (x+3)H₂O → 3CaO2SiO₂xH₂O + 3Ca(0H)₂
2(2CaOSiO₂)+ (x+1)H₂O → 3CaO2SiO₂xH₂O + Ca(0H)₂
2(3CaOAl₂O₃)+ (x+8)H₂O → 4CaOAl₂O₃xH₂O + 2CaOAl₂O₃8H₂O
3CaOAl₂O₃ + 12H₂O + Ca(0H)₂ → 4CaOAl₂O₃13H₂O
4CaOAl₂O₃Fe₂O₃ + 7H₂O → 3CaOAl₂O₃6H₂O + CaOFe₂O₃H₂O
Queste reazioni sono tutte reazioni esotermiche. La più isotermica è l'idratazione di 3CaOAl₂O₃, seguita da quella di 3CaOSiO₂, poi 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃ ed infine 2CaOSiO₂.

[modifica] Funzione del gesso

Il gesso viene solitamente aggiunto ai clinker per regolare la presa. La sua presenza fa in modo che la presa si concluda all'incirca in 45minuti. Il gesso reagisce con l'alluminato tricalcico per formare un sale espansivo chiamato ettringite.
3CaOAl₂O₃ + 3(CaSO₄2H₂O) + 26H₂O → 3CaOAl₂O₃3CaSO₄32H₂O

[modifica] Moduli

I moduli sono valori caratteristici di ogni cemento o calce, che permettono di conoscere in che relazione stanno i diversi componenti in percentuale del prodoto finale. Per il cemento portland si ha:
Modulo idraulico

Modulo silicico

Modulo calcareo

Modulo dei fondenti

[modifica] Cementi Portland speciali

I cementi Portland speciali sono cementi che si ottengono allo stesso modo del Portland, ma che hanno caratteristiche differenti da questo a causa della diversa composizione percentuale dei componenti.

[modifica] Portland ferrico

Il Portland ferrico è caratterizzato da un modulo dei fondenti pari a 0.64. Ciò significa che questo cemento è molto ricco di ferro. Si ottiene infatti introducendo ceneri di pirite o minerali di ferro in polvere. Questo tipo di composizione comporta dunque, oltre ad una maggior presenza di Fe₂O₃, una minor presenza di 3CaOAl₂O₃ la cui idratazione è quella che sviluppa più calore. E' per questo motivo che i cementi ferrici sono particolarmente adatti per gettate in climi caldi. I cementi ferrici migliori sono quelli a basso modulo calcareo, essi contengono infatti una minor quantità di 3CaOSiO₂, la cui idratazione produce la maggior quantità di calce libera (Ca(OH)₂). Poiché la calce libera è il componente maggiormente attaccabile dalle acque aggressive, questi cementi, contenendone una minor quantità, sono più resistenti all'azione della acque aggressive.

[modifica] Cementi bianchi

Contrariamente ai cementi ferrici, i cementi bianchi hanno un modulo dei fondenti molto alto, pari a 10. Essi conterranno dunque una percentuale bassissima di Fe₂O₃. Il colore bianco è dovuto appunto alla carenza di ferro che conferisce un colore grigiastro al Portland normale ed un grigio più scuro al cemento ferrico. Ma poiché Fe₂O₃ è il componente che permette la fusione nella fase di cottura, la sua azione fondente sarà ripristinata aggiungendo fondenti quali la fluorite (CaF₂) e la criolite (Na₃AlF₆).

[modifica] Cementi di miscela

I cementi di miscela si ottengono aggiungendo al cemento Portland normali altri componenti come la Pozzolana o la loppa. L'aggiunta di questi componenti conferisce a questi tipi di cementi nuove caratteristiche rispetto al Portland normale.

[modifica] Il cemento pozzolanico

La Pozzolana è una fine cenere vulcanica estratta tradizionalmente a Pozzuoli, vicino a Napoli, sulle falde del Vesuvio, ma anche in diverse altre regioni vulcaniche. Già Vitruvio descriveva quattro tipi di pozzolana: nera, bianca, grigia e rossa.

Miscelata con la calce (in rapporto due a uno) si comporta come il cemento pozzolanico e permette di preparare una buona malta, in grado di fare presa anche sott'acqua. Questa proprietà consente un impiego innovativo nella realizzazione di strutture in calcestruzzo, come avevano già ben compreso i Romani: l'antico porto di Cosa fu realizzato in pozzolana miscelata con calce appena prima dell'uso e gettata sotto l'acqua, probabilmente utilizzando un lungo tubo per depositarla sul fondo senza disperderla nell'acqua di mare.
I tre moli sono ancora oggi visibili, con la parte subacquea ancora in buone condizioni dopo 2100 anni. La pozzolana è una pietra a natura acida, molto reattiva poiché molto porosa ed ottenibile a basso costo. Un cemento pozzolanico contiene all'incirca:

• 55-70% di clinker Portland
• 30-45% di pozzolana
• 2-4% di gesso

Poiché la pozzolana reagisce con la calce (Ca(OH)₂), si avrà una minor quantità di quest'ultima. Ma proprio perché la calce è il componente che viene attaccato dalle acque aggressive, il cemento pozzolanico sarà più resistente all'azione di queste. Inolre, siccome 3CaOAl₂O₃ è presente soltanto nella componente costituita dai clinker Portland, la gettata del cemento pozzolanico svilupperà un minor calore di reazione. Questo cemento è dunque utilizzabile in climi particolarmente caldi o per gettate di grandi dimensioni.

[modifica] Cemento siderurgico

La pozzolana è stata in molti casi rimpiazzata da cenere di carbone proveniente dalle centrali termoelettriche, scorie di fonderia o residui ottenuti scaldando il quarzo. Questi componenti che prendono il nome di loppa vengono introdotti dal 35 fino all'80%. La percentuale di loppa può essere molto elevanta in quanto, essendo originata a partire da silicati, è un materiale potenzialmente idraulico. Essa deve però essere attivata in abiente alcalino, dunque in presenza di ioni OH^-. E' per questo motivo che deve essere presente almeno un 20% di cemento Portland normale. Per gli stessi motivi del cemento pozzolanico, anche il cemento siderurgico è maggiormente resistenze alle acque aggressive e sviluppa minor calore durante la gettata. Un'altra caratteristica di questo materiale è la sua elevata basicità naturale, che lo rende particolarmente resistente alla corrosione atmosferica operata dai solfati.

[modifica] Cemento a presa rapida

Il cemento a presa rapida, anche detto cemento romano, ha la caratteristica di rapprendere in pochi minuti dalla miscelazione con acqua. Si produce in modo simile al cemento Portland, ma con temperature di cottura inferiori.
È indicato per piccoli lavori di fissaggio e riparazione, mentre non è adatto per opere maggiori, in quanto non si avrebbe il tempo per effettuare una buona gettata

[modifica] Cemento alluminoso

Il cemento alluminoso si produce a partire principalmente dalla bauxite, contenente impurità come l'ossido di ferro (Fe₂O₃), l'ossido di titanio (TiO₂) e l'ossido di silicio (SiO₂). Inoltre viene aggiunto ai prodotti di partenza il calcare ovvero il carbonato di calcio. Il cemento alluminoso è anche detto cemento fuso, in quanto per la cottura si raggiungono temperature fino a 1600°C e sia ha la vera e propria fusione dei componenti. Il cemento fuso viene colato in stampi per formare dei pani, che poi saranno raffreddati esternamente ad acqua ed infine macinati per ottenere il prodotto finito. Il cemento alluminoso ha una composizione in ossidi di:

• 35-40% ossido di calcio
• 40-50% ossido di alluminio
• 5% ossido di silicio
• 5-10% ossido di ferro
• 1% ossido di titanio

Per quanto riguarda invece i componenti veri e propri si ha:

• 60-70% CaOAl₂O₃
• 10-15% 2CaOSiO₂
• 4CaOAl₂O₃Fe₂O₃
• 2CaOAl₂O₃SiO₂

Per quanto riguarda l'ossido di silicio, la sua presenza come impurità deve essere minore del 6%, in quanto il componente che va ad originare, ovvero l'alluminato silicato bicalcico (2CaOAl₂O₃SiO₂) ha scarse proprietà idrauliche.

[modifica] Reazioni di idratazione

CaOAl₂O₃+10H₂O → CaOAl₂O₃10H₂O (cristalli esagonali)
2(CaOAl₂O₃)+11H₂O → 2CaOAl₂O₃8H₂O + Al(OH)₃ (cristalli + gelo)
2(2CaOSiO₂)+ (x+1)H₂O → 3CaO2SiO₂xH₂O + Ca(0H)₂ (cristalli + gelo)
Mentre il cemento Portland è un cemento a natura basica, grazie alla presenza di calce Ca(0H)₂, il cemento alluminoso è a natura sostanzialmente neutra. La presenza dell'idrossido d'alluminio Al(OH)₃, che è un anfotero e in questo caso si comporta da acido, provoca la sostanziale neutralizzazione dei due componenti e come risultato si ha appunto un cemento neutro. Il cemento alluminoso è da utilizzarsi a temperature inferiori ai 30°C, quindi in climi freddi. Se infatti la temperatura fosse superiore la seconda reazione di idratazione cambierebbe e si avrebbe la formazione di 3CaOAl₂O₃6H₂O (cristalli cubici) ed una maggior produzione di Al(OH)₃, che porterebbe ad un'aumento di volume e causare eventualmente delle fessurazioni.

[modifica] Sicurezza e rischi per la salute

[modifica] Alcalinità

Quando il cemento Portland è unito all'acqua, la miscela formata è molto alcalica (circa pH 13) a causa della liberazione di idrossidi di calcio, sodio e potassio. Sulla pelle ha un effetto caustico e per questo motivo, in caso di contatto, lavare immediatamente con abbondante acqua. È opportuno utilizzare guanti ed occhiali per proteggere gli occhi dagli spruzzi.
Una volta indurito il cemento può essere toccato senza problemi.

[modifica] Presenza di cromo

Nel cemento può essere contenuta una certa quantità di cromo esavalente, che è irritante per contatto con la pelle. In alcuni paesi il contenuto in cromo esavalente è regolamentato. Per esempio secondo la normativa della comunità europea, come già in passato nei paesi del nord Europa, non deve superare le 2 parti per milione (mg/Kg). Il cromo metallico può essere contenuto in quantità superiori.

[modifica] Inquinamento

Un impianto di produzione di cemento negli anni '30 poteva avere importanti effetti sulla salute a causa delle sostanze rilasciate dai processi di lavorazione, oltre che dalle attività accessorie (traffico di camion, estrazione con esplosivi). Al giorno d'oggi l'evoluzione della tecnologia e la legislazione adottata da tutti i principali paesi sviluppati ha permesso di ridurre al minimo tali rischi
In particolare la cottura del clinker richiede gradi quantità di combustibile, spesso carbone, che assieme alle impurità presenti nella calce provoca una significativa emissione di inquinanti, tra cui gas serra, ossidi di azoto (NO_x), biossido di zolfo (SO₂), monossido di carbonio (CO), composti organici volatili e polveri fini (PM10 e PM2,5). Non esistono prove scientifiche riguardanti emissioni significative di arsenico, piombo e mercurio.

L'industria del cemento in passato era ritenuta causa di problemi polmonari e circolatori, tra cui asma, bronchite, attacchi cardiaci nonché tumori. Al giorno d'oggi i controlli sanitari e le analisi on-line 24 ore su 24 dei cicli di produzione da parte degli Enti Competenti hanno eliminato tali rischi. Il cromo esavalente presente nel cemento, comporta rischi per l'operatore (che ne venisse a contatto sulla pelle) solo nella fase di impasto della malta o calcestruzzo. Ad oggi sono presenti degli additivi che trasformano il cromo esavalente (dannoso) in cromo tetravalente (non dannoso). Questi addittivi hanno un tempo di efficienza che varia da tre a sei mesi a seconda delle aziende che producono cemento.

[modifica] Voci correlate

• Calcestruzzo
• Cemento armato
• Calce
• Materiale composito