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Cemento

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Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vediCemento (disambigua).

Ilcemento, inedilizia, indica una varietà dimateriali da costruzione, in particolareleganti idraulici, che miscelati con acqua sviluppano proprietà adesive (proprietà idrauliche). Tecnicamente inarchitettura è considerato unapietra artificiale.

LaGermania era, nel 2014, il primo produttore in Europa (il secondo era l'Italia).[1]Si stima che nel 2009 si siano prodotte 36 milioni di tonnellate di cemento, pari a circa601 kg per abitante[2]. La produzione mondiale del 2008 è stata di 2,83 miliardi di tonnellate, ossia circa450 kg pro capite.[3]

Storia

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Una fabbrica di cemento Portland del 1895

Età antica

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L'utilizzo dellegante nelle costruzioni può essere fatto risalire al III millennio a.C., quando inEgitto era utilizzata lamalta digesso per la realizzazione di paramenti murari in conci di pietra. IRomani inizialmente impiegavano come legante prevalentemente lacalce aerea. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce aerea, l'indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza, poiché il consolidamento di una malta a base di calce è dovuto alla reazione dell'idrossido di calcio con l'anidride carbonica presente nell'aria, con la successiva produzione dicarbonato di calcio.

A partire dal I secolo a.C. i romani iniziarono a sostituire la sabbia costituente la malta con lapozzolana (pulvis puteolana) o con ilcocciopesto. La scoperta della pozzolana segnò una rivoluzione nella realizzazione di opere murarie. DiceVitruvio nel II libro delDe Architectura chela pozzolana diBaia o diCuma fa gagliarda non solo ogni specie di costruzione ma in particolare quelle che si fanno in mare sott'acqua. Grazie alcomportamento pozzolanico della pozzolana e delcocciopesto la malta, costituita da calce aerea + pozzolana, faceva presa e induriva anche in acqua, senza contatto con l'aria, consentendo la produzione di leganti ad alta resistenza e rapido indurimento.

Medioevo

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Con lacaduta dell'Impero romano d'Occidente iniziò, soprattutto lontano daRoma,un inesorabile declino nel campo delle costruzioni; tale declino proseguì per tutto ilmedioevo. Durante il medioevo venne infatti abbandonata la tecnologia della pozzolana in favore di leganti come ilgrassello di calce.[senza fonte] Con il risveglioumanistico, soprattutto dopo il XIV secolo, si tradussero e si rilessero i testi latini diPlinio il Vecchio e di Vitruvio. È del 1511 la riedizione delDe Architectura curata da un domenicano, Giovanni Monsignori (Fra' Giocondo). A questa seguirono moltissime altre traduzioni, che contribuirono a chiarire il segreto del costruire secondo i Romani. Così, soprattutto nellaFrancia del Settecento, si riscoprì l'arte del ben costruire opere secondo le conoscenze romane.

Età moderna

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In epocarinascimentale si rifanno a Vitruvio, ed al costruire romano, architetti del calibro diLeon Battista Alberti eAndrea Palladio. Quest'ultimo nel 1570 descrive nelTrattato di Architettura, Libri 4, Venezia, l'esistenza di una calce,calce nigra, ottenuta per cottura di una pietra calcarea originaria del padovano, contenente impurità argillose, con caratteristiche idrauliche. In questo continuo avvicinamento all'odierno cemento vi fu la scoperta rivoluzionaria dellacalce idraulica da parte dell'ingegnere britannicoJohn Smeaton nel 1756.

Questi, nella realizzazione delfaro di Eddystone utilizzò, al posto della miscela calce - pozzolana, la prima calce idraulica da lui ottenuta dalla cottura di calcare contenente una discreta quantità (circa 11%) di impuritàargillose. La scoperta della calce idraulica segna il passaggio dal calcestruzzo romano a quello moderno, giacché gli sperimentatori, con l'ausilio della scienza chimica appena nata conLavoisier, sono in grado di governare un nuovo processo di sintesi che porterà prima alla calce idraulica artificiale, poi al modernocemento Portland. Una volta scoperto che le impurità disilice eallumina presenti nell'argilla che accompagnano alcuni calcari sono responsabili della formazione dei silicati ed alluminati di calcio, capaci di indurire sott'acqua, iniziarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare e argilla a temperatura sempre più elevata fino ad arrivare a una rudimentalescorificazione del prodotto finale.

Età contemporanea

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Soprattutto inInghilterra ed in Francia, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo fiorirono invenzioni,brevetti ed iniziative industriali che portarono alla produzione dei primi leganti idraulici industriali, chiamati cementi. In particolare nel 1796 James Parker fabbrica il primo cemento a presa rapida (cemento Parker ocemento romano), cuocendo nei suoi forni da calce le concrezionimarnose contenute nelle argille delTamigi, mentre nel 1800 Lesage ottiene unmateriale idraulico di alta resistenza calcinando i ciottoli calcarei diBoulogne sur Mer. Generalmente lo spartiacque tra la calce idraulica di Smeaton e il cemento Portland realizzato viene fissato al 1818, allorché l'ingegnere franceseLouis J. Vicat definisce la formula della calce idraulica artificiale.

Infatti Vicat fu il primo a capire che per ottenere un materiale a comportamento idraulico non v'era necessità di cuocere i calcari argillosi naturali ma si poteva raggiungere lo stesso risultato unendo in cottura dei calcari puri e una qualsivoglia porzione d'argilla. Il primo industriale ad aver fabbricato cemento idraulico a lenta presa pare sia stato, nel 1824, un fornaciaro diYork,Joseph Aspdin, il quale diede al prodotto il nome di cemento Portland, grazie alla somiglianza tra la malta e il conglomerato formati con quel cemento con uncalcare compatto (pietra di Portland) dell'isola di Portland in Inghilterra. Nel 1844 J.C. Johnson mise in evidenza l'importanza dei processi di cottura ad alte temperature che portavano alla formazione delclinker, prodotto finale del procedimento.

Infatti, mentre per la cottura della calce aerea erano necessari tra i 600 e 900°C, per la idraulica servono 1000°C, per ottenere il cemento portland, ed in particolare i suoi composti caratteristici Alite, Celite e Brownmillerite, si devono raggiungere i 1450°C per fondere parzialmente la massa dei reagenti e ricavare, tramite un brusco raffreddamento un principio divetrificazione. Nel 1860 M. Chatelier stabilì la composizione chimica del cemento consentendo la produzione industrializzata del calcestruzzo.

Composizione

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La pasta cementizia oboiacca, cemento più acqua, viene impiegata come legante in miscela con materialiinerti comesabbia,ghiaia o pietrisco. A seconda dei componenti possiamo avere:

  • nel caso in cui la pasta di cemento si misceli con un aggregato fine (sabbia) si ha lamalta di cemento;
  • nel caso in cui alla pasta di cemento si uniscano aggregati di diverse dimensioni (sabbia, ghiaietto e ghiaia), secondo una determinata curva granulometrica, si ottiene ilcalcestruzzo;
  • nel caso in cui il calcestruzzo venga accoppiato con un'armatura costituita da tondini detti anche "rebar" (barre rigate) diacciaio, opportunamente posizionati, si ha ilcalcestruzzo armato (indicato erroneamente con il nome di cemento armato).

Tipologie

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Operaio con il cemento

Esistono diversi tipi di cemento, differenti per la composizione, per le proprietà diresistenza e durevolezza e quindi per la destinazione d'uso.

Il cemento Portland è alla base di quasi tutti i tipi di cemento attualmente utilizzabili in edilizia. Dal punto di vistachimico si tratta in generale di una miscela di silicati di calcio e alluminati di calcio, ottenuti dalla cottura ad alta temperatura dicalcare eargilla oppure dimarna (in questo caso si parla di cementi naturali). Il materiale ottenuto, denominatoclinker, viene finemente macinato e addizionato congesso nella misura del 4-6% con la funzione di ritardante dipresa (ettringite primaria). Tale miscela è commercializzata col nome di cemento Portland; questo, una volta miscelato conacqua, si idrata e solidifica progressivamente. Dal cemento Portland, miscelato con leaggiunte disponibili sulmercato in proporzioni fissate dalla normativa UNI EN 197-1, si ottengono tutti gli altri tipi e sottotipi di cemento.

L'unico che fa eccezione è il cemento alluminoso, che però non è preso in considerazione dalla suddetta norma.

I cementi comuni conformi alla UNI EN 197-1 sono suddivisi in cinque tipi principali:

Nei diversi cementi è ammesso un contenuto di costituenti secondari (fillers o altri materiali) non superiore al 5%.

Classi di resistenza

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La classe di resistenza del cemento dipende dalla finezza di macinazione dello stesso e dalla percentuale disilicato tricalcico rispetto a quellobicalcico; maggiore è la finezza di macinazione del cemento, maggiore è il tenore di silicato tricalcico rispetto a quello bicalcico e più rapido lo sviluppo dellaresistenza meccanica.

Ogni tipo di cemento è potenzialmente disponibile in sei diverse classi di resistenza normalizzata (a 28 gg).

Per ogni classe di resistenza normalizzata si definiscono due classi di resistenza iniziale (2-7 gg):

  • la prima con resistenza iniziale ordinaria, contrassegnata con la lettera "N";
  • la seconda con resistenza iniziale elevata, contrassegnata con la lettera "R".

Pertanto secondo le UNI EN 197/1 esistono le seguenti classi di resistenza del cemento:

  • Classe 32,5N:resistenza a compressione iniziale a 7giorni ≥ 16; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 32,5 ≤ 52,5
  • Classe 32,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 10; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 32,5 ≤ 52,5
  • Classe 42,5N: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 10; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 42,5 ≤ 62,5
  • Classe 42,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 20; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 42,5 ≤ 62,5
  • Classe 52,5N: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 20; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 52,5
  • Classe 52,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 30; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 52,5.

I numeri rappresentano la resistenza a compressione, espressa in MPa, che devono avere provini cubici preparati in modo standardizzato con rapporto a/c pari a 0,5 e rapporto sabbia/cemento pari a 3. È importante sottolineare che tale resistenza è da intendersi a rottura.

I tempi di iniziopresa per ogni classe di resistenza normalizzata sono i seguenti:

  • Classe32,5: t ≥ 75 min;
  • Classe42,5: t ≥ 60 min;
  • Classe52,5: t ≥ 45 min;

Il cemento Portland

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Immagine al microscopio del cemento Portlandferrico.

Il cemento Portland è il tipo di cemento più utilizzato, ed è usato come legante nella preparazione delcalcestruzzo. Fu inventato nel 1824 inInghilterra dalmuratoreJoseph Aspdin e deve il nome alla somiglianza nell'aspetto con laroccia diPortland, un'isola nellacontea diDorset (Inghilterra).

Si ottiene dalla miscelazione delclinker, con l'aggiunta digesso nella quantità necessaria per regolarizzare il processo diidratazione. L'analisi microscopica eseguita su pezzi di cementoscorificato ha rilevato la presenza di quattro componenti principali e precisamente l'alite (silicato tricalcico), labelite (silicato bicalcico), lacelite (alluminato tricalcico) e labrownmillerite (alluminato ferrito tetracalcico).Viene usato anche in campo odontoiatrico come MTA (Mineral Trioxide Aggregate) per isolare l’endodonto dal parodonto.

Le fasi del processo per la produzione del cemento sono le seguenti:

  • estrazionematerie prime;
  • controllo caratteristiche materie prime;
  • frantumazione;
  • preomogeneizzazione;
  • essiccazione emacinazione materie prime per produzione della miscela cruda ("farina");
  • controllo caratteristiche della farina;
  • deposito e omogeneizzazione della farina;
  • preparazione deicombustibili;
  • cottura clinker;
  • controllo caratteristiche del clinker;
  • deposito clinker;
  • deposito costituenti e additivi;
  • controllo caratteristiche dei costituenti;
  • deposito additivi cromoriducenti;
  • macinazione cemento;
  • controllo caratteristiche dei cementi prodotti;
  • deposito nei silos dei cementi;
  • insaccamento;
  • controllo di conformità del cemento CE;
  • spedizione sfuso e sacchi.

Le materie prime per la produzione del Portland sonominerali contenenti:ossido di calcioCaO{\displaystyle {\ce {CaO}}} (44%),ossido di silicioSiO2{\displaystyle {\ce {SiO2}}} (14,5%),ossido di alluminioAl2O3{\displaystyle {\ce {Al2O3}}} (3,5%),ossido di ferroFe2O3{\displaystyle {\ce {Fe2O3}}} (2%) eossido di magnesioMgO{\displaystyle {\ce {MgO}}} (1,6%). L'estrazione avviene inminiere, in sotterraneo o a cielo aperto, poste in prossimità dellafabbrica, che in genere hanno già la composizione desiderata, mentre in alcuni casi è necessario aggiungereargilla ocalcare, oppure minerale di ferro,bauxite o altri materiali residui difonderia.

Nel caso della marna da cemento si parla di miniere (anche in scavi a cielo aperto) e non di cave (anche se in sotterraneo), poiché la marna viene "coltivata" in regime di concessione mineraria e non di autorizzazione (come nel caso delle cave).[4]

Schema di forno kiln

La miscela viene riscaldata in un forno speciale costituito da un enormecilindro (chiamatokiln) disposto orizzontalmente con leggera inclinazione e ruotante lentamente. Latemperatura cresce lungo il cilindro fino a circa1480 °C; la temperatura è determinata in modo che i minerali si aggreghino ma nonfondano evetrifichino. Nella sezione a temperatura minore il carbonato di calcio (calcare) si scinde in ossido di calcio eanidride carbonica (CO2), secondo la reazione:

CaCO3CaO+CO2{\displaystyle {\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}}

Nella zona ad alta temperatura l'ossido di calcio reagisce con i silicati a formaremetasilicato di calcio (CaSiO3{\displaystyle {\ce {CaSiO3}}} eCa2Si2O5{\displaystyle {\ce {Ca2Si2O5}}}). Si forma anche una piccola quantità dialluminato tricalcicoCa3(AlO3)2{\displaystyle {\ce {Ca3(AlO3)2}}} e dialluminato ferrito tetracalcico (C4AF, risultato della reazione4CaO+Al2O3+Fe2O3{\displaystyle {\ce {4CaO + Al2O3 + Fe2O3}}}). Il materiale risultante è complessivamente denominatoclinker. 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 ilclinker è di circa 1 700 Joule per grammo, ma a causa delle dispersioni il valore è molto più alto e può arrivare fino a 3 000 Joule per grammo. Questo comporta una grande richiesta di energia per la produzione del cemento, e quindi un notevole rilascio inatmosfera dibiossido di carbonio,gas aeffetto serra. Il quantitativo di biossido di carbonio rilasciato in atmosfera è mediamente pari a1,05 kg diCO2{\displaystyle {\ce {CO2}}} per chilogrammo diclinker di cemento Portland prodotto.

Per migliorare le caratteristiche del prodotto finito alclinker viene aggiunto circa il 2% digesso o disolfato di calcio e la miscela è finemente macinata. La polvere ottenuta è il cemento pronto per l'uso.Il cemento ottenuto ha unacomposizione del tipo:

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 tricalcico, a formare unastruttura cristallina dialluminato di calcio 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 tricalcico, a formare una struttura amorfa chiamatasilicato di calcio 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{\displaystyle {\ce {SiO2}}}). Tutte e tre le reazioni sviluppanocalore.

Con l'aggiunta al cemento di particolari materiali (calcare e calce) si ottiene il cemento plastico, di più rapidapresa e maggiore lavorabilità. Lamalta 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 degliedifici (intonaco). Il cemento normale non si presta infatti ad essere spalmato.

Nel 2004 i principali produttori mondiali di cemento Portland conaziende in tutto il mondo e anche inItalia, sono laLafargeFrancia, laHolcimSvizzera e laCemexMessico. Nel 2014 il gruppo franceseLafarge e lo svizzeroHolcim si sono fusi,LafargeHolcim, formando il primo produttore mondiale di cemento[5].

Alcuni produttori di cemento sono stati multati per comportamento contrario allibero mercato.

Reazioni di formazione dei clinker

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Granuli di clinker

Se si analizza il processo di produzione, ovvero che cosa succede all'interno del forno di cottura, si trova che diversi gruppi di reazioni hanno luogo in successivi intervalli di temperatura:

  • 1000-1100 °C
3CaO+Al2O33CaOAl2O3{\displaystyle {\ce {3CaO + Al2O3 -> 3CaO*Al2O3}}}
2CaO+SiO22CaOSiO2{\displaystyle {\ce {2CaO + SiO2 -> 2 CaO*SiO2}}}
CaO+Fe2O3CaOFe2O3{\displaystyle {\ce {CaO + Fe2O3 -> CaO * Fe2O3}}}
  • 1100-1200 °C
CaOFe2O3+3CaOAl2O34CaOAl2O3Fe2O3{\displaystyle {\ce {CaO*Fe2O3 + 3CaO*Al2O3 -> 4CaO*Al2O3*Fe_2O_3}}}
  • 1250-1480 °C
2CaOSiO2+CaO3CaOSiO2{\displaystyle {\ce {2CaO*SiO2 + CaO -> 3CaO*SiO2}}}

La composizione finale sarà costituita dalle seguenti percentuali in peso:

Il clinker per essere impiegato per la produzione di leganti idraulici secondo la normativa EN 197-1 deve essere composto da almeno due terzi in massa di silicati di calcio3CaOSiO2{\displaystyle {\ce {3CaO*SiO2}}} e2CaOSiO2{\displaystyle {\ce {2CaO*SiO2}}}. La parte rimanente è costituita da fasi di clinker contenentialluminio,ferro e altri composti. Il rapporto in massaCaO/SiO2{\displaystyle {\ce {CaO/SiO2}}} non deve essere minore di 2,0. Il tenore diMgO{\displaystyle {\ce {MgO}}} non deve superare il 5% inmassa.

Reazioni di idratazione

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Lo stesso argomento in dettaglio:Idratazione del cemento.

Il fenomeno di presa e indurimento di un calcestruzzo è legato alle trasformazioni chimico-fisiche che avvengono tra il cemento e l'acqua d'impasto.

Le reazioni chimiche più importanti, dal punto di vista della resistenza meccanica, sono le seguenti:

(3CaOAl2O3)2+(x+8)H2O4CaOAl2O3xH2O+2CaOAl2O38H2O{\displaystyle {\ce {(3CaO*Al2O3)2 + (x + 8)H2O -> 4CaO*Al2O3*xH2O + 2CaO*Al2O3*8H2O}}}
3CaOAl2O3+12H2O+Ca(OH)24CaOAl2O313H2O{\displaystyle {\ce {3CaO*Al2O3 + 12H2O + Ca(OH)2 -> 4CaO*Al2O3*13H2O}}}
4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O{\displaystyle {\ce {4CaO*Al2O3*Fe2O3 + 7H2O -> 3CaO*Al2O3*6H2O + CaO*Fe2O3*H2O}}}
(3CaOSiO2)2+(x+3)H2O3CaO2SiO2xH2O+3Ca(OH)2{\displaystyle {\ce {(3CaO*SiO2)2 + (x + 3)H2O -> 3CaO2*SiO2*xH2O + 3Ca(OH)2}}}
(2CaOSiO2)2+(x+1)H2O3CaO2SiO2xH2O+Ca(OH)2{\displaystyle {\ce {(2CaO*SiO2)2 + (x + 1)H2O -> 3CaO2*SiO2*xH2O + Ca(OH)2}}}

Resistenza dei cementi

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I fattori che agiscono sulla resistenza iniziale e su quella finale per una determinata tipologia di cemento sono la qualità delle materie prime, in particolare del clinker e la finezza dimacinazione. Più importanti sono ilrapporto acqua-cemento a/c e iltempo di stagionatura, che determinano laporosità dell'aggregato cementizio e che, a sua volta, caratterizza la resistenza a compressione e agliagenti corrosivi.

Rapporto alite/belite

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L'indurimento, e pertanto il potere legante del cemento, è dovuto in gran parte alla formazione dei silicati idrati di calcio, mentre la formazione dei silicati idrati di alluminio sono la causa principale dellapresa[6]. Dall'idratazione dei silicati dipendono le principali caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche delle paste indurimento di cemento Portland. Tra le tipologie di silicati, quello tricalcico è il più rapido nel reagire con l'acqua e nello sviluppare la resistenza meccanica. Questo determina, a breve scadenza, un diverso comportamento dei cementi Portland in cui è maggiore la percentuale di silicato tricalcio rispetto a quello bicalcico. Infatti, i cementi ricchi dialite raggiungono una buona resistenza meccanica già a pochi giorni dal getto e comportano, come vedremo in seguito, un maggiore sviluppo delcalore di idratazione.

A lunghe maturazioni, invece, i prodotti d'idratazione dei due silicati portano agli stessi valori della resistenza meccanica e, pertanto, nel lungo termine il comportamento meccanico del conglomerato cementizio è indipendente dal rapportoalite/belite. Perciò, un clinker a maggior contenuto di silicato tricalcico permette un rapido guadagno di resistenza, mentre uno che contiene una maggiore quantità di silicato bicalcico sviluppa resistenza meno velocemente, pur raggiungendo resistenze finali altrettanto soddisfacenti. Inoltre, il silicato bicalcico idratandosi produce una maggiore quantità di silicati di calcio idrati rispetto al silicato tricalcico.

Un'altra differenza fra i due silicati è che, durante l'idratazione del silicato tricalcico, viene prodotta una maggiore percentuale di idrossido di calcioCa(OH)2{\displaystyle {\ce {Ca(OH)2}}} (30-40%) rispetto a quella prodotta durante l'idratazione del silicato bicalcico (10-15%). Pertanto, i cementi più ricchi di silicato bicalcico sono i maggiormente indicati nel caso, ad esempio, diacque dilavanti o attacco solfatico.

Finezza di macinazione

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Ad influenzare lo sviluppo delle resistenze iniziali, oltre al rapporto tra il silicato tricalcico e il silicato bicalcico, c'è anche la finezza di macinazione. Un cemento più fine ha una maggioresuperficie specifica e quindi una maggiore velocità di idratazione.

Calore di idratazione

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Tutte le reazioni di idratazione dei costituenti delclinker sonoesotermiche. Il calore di idratazione dipende dal tipo e dalla classe del cemento. Maggiore è il tenore di cemento Portland, maggiore è la finezza di macinazione (cioè la classe di resistenza), maggiore è il calore di idratazione. Pertanto, i cementi di miscela producono un minor calore di idratazione rispetto al cemento Portland. Le quantità di calore emesse nel corso dell'idratazione dei principali costituenti del clinker di Portland sono:

Per effetto del calore di idratazione ilcalcestruzzo subisce un riscaldamento rispetto alla temperatura iniziale del getto che coincide con quella dell'ambiente. L'andamento della temperatura in un calcestruzzo a seguito dell'idratazione del cemento è di tipoa campana, infatti nei primi 2-3 giorni risulterà crescente poiché il calore di idratazione si sviluppa a velocità elevate. Successivamente decrescerà, poiché la dissipazione del calore verso l'ambiente esterno prevale sul calore dovuto all'idratazione, che dopo circa 7 giorni viene prodotto molto più lentamente.

Questo andamentoa campana assume valori diversi a seconda se ci riferisce alla zona corticale o al nucleo interno. Nel primo caso l'azione di dissipazione verso l'esterno è più marcata rispetto a quella che si ha nel secondo caso, pertanto all'interno nello stesso periodo si hanno temperature più elevate rispetto a quelle della zona più superficiale. Questo gradiente termico determina l'insorgere diautotensioni poiché il nucleo interno (più caldo) si oppone alla maggiore contrazione della zona corticale (più fredda).Per quanto sopra il nucleo risulta compresso mentre la parte corticale risulta tesa; tale stato tensionale può causarefessurazioni della parte superficiale con ripercussioni sulladurabilità del materiale. Di norma questo rischio è limitato poiché il calcestruzzo in questa fase ha appena iniziato il processo di indurimento, pertanto le tensioni che insorgono sono limitate a causa del basso valore delmodulo di Young e dagli effetti del rilassamentoviscoso del materiale.

Tale fenomeno è invece più insidioso nei getti massivi quali quelli per la realizzazione di dighe dove, a causa del basso coefficiente di conducibilità del calcestruzzo, il nucleo si raffredda molto lentamente. Pertanto la contrazione della parte interna del calcestruzzo avviene a calcestruzzo molto indurito (pertanto a valori del modulo di Young prossimi a quelli di esercizio e con valori della viscosità meno accentuati). In queste condizioni l'opposizione effettuata dalla parte più superficiale alla contrazione interna determina autotensioni molto più elevate rispetto alla situazione precedente, inoltre in questo caso è il nucleo che risulta assoggettato a trazione con il rischio di fessurazioni interne non visibili e pertanto più pericolose.

Funzione del gesso

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Il gesso viene solitamente aggiunto aiclinker per regolare la presa. La sua presenza fa in modo che l'inizio della presa sia maggiore di 75minuti per la classe di resistenza a compressione32,5 N/mm², di 60 minuti per la classe di resistenza42,5 N/mm² e maggiore di 45 minuti per la classe52,5 N/mm². Il gesso reagisce con l'alluminato tricalcico per formare un sale espansivo chiamatoettringite (ettringite primaria). La velocità di reazione tra ilCa3A{\displaystyle {\ce {Ca3A}}} e ilCaSO4{\displaystyle {\ce {CaSO4}}} è elevatissima, ma rallenta velocemente a causa della formazione di strati protettivi sullasuperficie dell'alluminato. Lacinetica della reazione dipende anche dalla temperatura, dalla superficie di reazione, e dal rapporto acqua/solido.

(CaO)3Al2O3 + 3(CaSO42H2O) + 26H2O → (CaO)3Al2O33CaSO432H2O

I cementi a norma UNI EN 197 devono contenere a seconda della classe di resistenza una quantità di solfati espressa comeSO3{\displaystyle {\ce {SO3}}} ≤ 3,5% per le classi 32,5; 32,5 R; 42,5; mentre per le classi 42,5 R; 52,5; 52,5 R; la quantità diSO3{\displaystyle {\ce {SO3}}} deve essere ≤ 4,0%.

La quantità di solfati comeSO3{\displaystyle {\ce {SO3}}} nei cementi viene determinata secondo la norma EN 196-2.

Moduli

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

Mi=%CaO%Al2O3+%Fe2O3+%SiO2=2,2{\displaystyle M_{i}={\frac {\%CaO}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}+\%SiO_{2}}}=2\mathrm {,} 2}

rapporto tra la componente basica e quella acida del cemento varia 1,7 a 2,2

Ms=%SiO2%Al2O3+%Fe2O3=2,42,7{\displaystyle M_{s}={\frac {\%SiO_{2}}{\%Al_{2}O_{3}+\%Fe_{2}O_{3}}}=2\mathrm {,} 4-2\mathrm {,} 7}

rapporto tra i cementanti (SiO2{\displaystyle {\ce {SiO2}}}) e fondenti (Al2O3{\displaystyle {\ce {Al2O3}}} eFe2O3{\displaystyle {\ce {Fe2O3}}}). Maggiore è il suo valore più difficile sarà la cottura;

Mc=%CaO%SiO2=2,4{\displaystyle M_{c}={\frac {\%CaO}{\%SiO_{2}}}=2\mathrm {,} 4}
  • Modulo dei fondenti
Mf=%Al2O3%Fe2O3=1,52{\displaystyle M_{f}={\frac {\%Al_{2}O_{3}}{\%Fe_{2}O_{3}}}=1,5-2}

Classificazione del Cemento Portland secondo la ASTM

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La normativa americana prevede 5 tipologie di cementi Portland:

  • ordinario - I
  • modificato - II
  • a rapido indurimento - III
  • a basso calore di idratazione IV
  • resistente ai solfati - V

Cementi Portland speciali

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

Portland ferrico

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Il Portland ferrico è un particolare tipo di Portland caratterizzato da un modulo dei fondenti pari a 0,64 e si ottiene introducendo ceneri dipirite o minerali di ferro in polvere. Ciò significa che questo cemento è molto ricco di ferro e, precisamente, che presenta un numero uguale o pressoché uguale diatomi di ferro e di atomi di alluminio. In tali cementi tutta, o quasi tutta, l'allumina è contenuta nellafase ferrica e pertanto presenta percentuali di alluminato tricalcio (celite) bassissime o addirittura nulle.

Poiché l'alluminato tricalcico è tra i costituenti del clinker quello che durante l'idratazione sviluppa più calore, i cementi Portland ferrici hanno la caratteristica di produrre poco calore durante l'idratazione e pertanto sono particolarmente adatti per gettate in climi caldi o per getti massivi (dighe, platee di fondazione, ecc.).

Grazie al loro ridotto tenore di alluminato tricalcico, i cementi Portland ferrici sono più resistenti dei normali Portland all'attacco solfatico. I cementi ferrici migliori sono quelli a basso modulo calcareo. Essi contengono, infatti, una minor quantità di alite (3CaOSiO2{\displaystyle {\ce {3CaOSiO2}}}), la cui idratazione produce la maggior quantità di calce libera (Ca(OH)2{\displaystyle {\ce {Ca(OH)2}}}). Poiché la calce libera è il componente maggiormente attaccabile dalleacque aggressive, questi cementi, contenendone una minor quantità, sono anche più resistenti all'azione di queste acque. L'inconveniente di questi cementi è che proprio per il basso tenore di alluminato ticalcico, che è il più veloce tra i componenti del clinker a fare presa, si idratano più lentamente, con conseguente più lento sviluppo delle proprietà meccaniche.

Cementi resistenti ai solfati
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Uno dei componenti base delclinker è l'alluminato tricalcico,C3A{\displaystyle {\ce {C3A}}}, che a contatto con acquesolfatiche o terreni selentitosi, reagisce dando origine adettringite. Pertanto in strutture soggette all'attacco solfatico, quali quelle conclasse di esposizione XA1, XA2 o XA3, per le norme UNI EN 206-1:2006 e UNI 11104 è essenziale l'utilizzo di cementi resistenti ai solfati.

Sono definiti cementi resistenti ai solfati, quei cementi (di tipo I, II, III, IV) realizzati con cementi Portland ferrici, che per la loro composizione presentano principalmente un basso tenore di alluminato tricalcico (celite), e l'allumina è presente nella maggior parte sotto forma di ferrito alluminato tetracalcico (fase ferrica -C4AF{\displaystyle {\ce {C4AF}}}), e tra questi quelli a basso modulo calcareo hanno anche un basso tenore di silicato tricalcico che durante l'idratazione produce una maggiore quantità dicalce.

Nei cementi pozzolanici (tipo IV) o siderurgici (tipo III), inoltre, poiché sia lapozzolana che laloppa d'altoforno idratandosi non producono né alluminato tricalcio né calce (anzi nell'attivazione della pozzolana ne viene consumata anche una parte), l'effetto protettivo all'attacco solfatico è ancora più marcato.

Per i cementi di tipo I ad esempio la norma UNI 9156 classifica i cementi nel seguente modo:

La quantità di solfati espressa comeSO3{\displaystyle {\ce {SO3}}} nei cementi viene determinata secondo la norma EN 196-2.

In merito alla classe di esposizione la norma UNI 8981-2 prescrive quanto segue:

  • per la classe di esposizione XA1 (attacco debole) - cemento a moderata resistenza chimica ai solfati (M.R.S.);
  • per la classe di esposizione XA2 (attacco moderato) - cemento ad alta resistenza chimica ai solfati (A.R.S.);
  • per la classe di esposizione XA3 (attacco forte) - cemento ad altissima resistenza chimica ai solfati (AA.R.S.).

Per attacchi più severi di quelli previsti dalle suddette classi di esposizione (attacco molto forte) si rende necessario ricorrere a protezioni supplementari, utilizzando delle protezioni superficiali quali guaine, resine o pitture impermeabilizzanti.

Cementi resistenti al dilavamento
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Durante l'idratazione del cemento viene prodotto idrossido di calcio, detta comunementecalce. Se il cemento entra in contatto con acque dilavanti, ovvero acque molto pure o ricche dianidride carbonica aggressiva, la calce viene dilavata, lasciando micropori nella matrice cementizia con conseguente riduzione del grado didurabilità, poiché tali pori facilitano l'ingresso di agenti aggressivi all'interno del calcestruzzo. Nel caso di acque pure l'idrossido di calcio, che è piuttosto solubile in acqua, passa spontaneamente in soluzione e viene dilavato, mentre in presenza dianidride carbonica aggressiva la calce, reagendo con questa, si trasforma inbicarbonato di calcio, il quale, essendo solubile, viene dilavato dall'acqua. Pertanto, in strutture soggette adacque dilavanti quali quelle conclasse di esposizione XA1, XA2 o XA3, devono essere realizzate con cementi a prestazioni particolari detti cementi resistenti al dilavamento.

Poiché l'idrossido di calcio è dovuto principalmente alla presenza di silicato tricalcico, dalla cui idratazione si produce la maggior quantità di calce libera i cementi resistenti al dilavamento hanno un ridotto tenore dialite come i cementi confezionati con cemento Portland ferrico speciale.

Poiché i cementi d'altoforno e pozzolanici quanto si idratano non produconoidrossido di calcio solubilizzabile, anzi in quelli pozzolanici una parte viene consumato per attivare la pozzolana, il comportamento protettivo all'azione dilavante di questi leganti è ancora più marcato.

La norma UNI 8981-3 prescrive quanto segue:

  • per la classe di esposizione XA1 (attacco debole) - cemento a moderata resistenza al dilavamento (M.R.D.);
  • per la classe di esposizione XA2 (attacco moderato) - cemento ad alta resistenza al dilavamento (A.R.D.);
  • per la classe di esposizione XA3 (attacco forte) - cemento ad altissima resistenza al dilavamento (AA.R.D.).

Per attacchi più severi di quelli previsti dalle suddette classi di esposizione si rende necessario utilizzare delle protezioni superficiali quali guaine, resine o pitture impermeabilizzanti.

Cementi a basso calore di idratazione
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I cementi a basso calore di idratazione, o tipo LH, secondo le UNI EN 197-1 sono cementi ordinari il cui calore di idratazione cementi non deve superare il valore caratteristico di 270 J/giorno (secondo le EN 196-8 a 7 giorni e le EN 196-9 a 41 h).

In genere sono cementi confezionati con Portland ferrico a basso tenore di silicato tricalcico e alluminato tricalcio, che sono i due costituenti principali delclinker che producono maggiore calore di idratazione, nonché sono macinati in maniera più grossolana rispetto a quelli comuni (minore velocità di idratazione).

Sviluppano un basso calore di idratazione anche i cementi pozzolanici e quelli d'altoforno.

Vengono utilizzati per getti massivi, poiché in questi casi, essendo il calcestruzzo un cattivo conduttore di calore, il calore più interno al getto viene eliminato quando il conglomerato è già indurito.

Pertanto la contrazione del nucleo centrale, viene contrastata dalla parte corticale del calcestruzzo; ne consegue l'insorgere ditensioni interne che possono disgregare il calcestruzzo.

Questa tipologia di cemento si deve utilizzare in generale quando il gradiente termico tra l'interno e l'esterno del getto risulta: ΔT ≥25-30 °C.

Per getti di calcestruzzo in sbarramenti di ritenuta di grandi dimensioni si dovranno utilizzare cementi a bassissimo calore di idratazione VHL conformi alla norma UNI EN 14216.

Cementi bianchi

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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 ma anche dimanganese.

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[7].

Ma poiché Fe2O3 è il componente che permette la fusione nella fase di cottura, la sua azione fondente sarà ripristinata aggiungendo fondenti quali lafluorite (CaF2) e lacriolite (Na3AlF6).

I cementi bianchi vengono spesso impiegati per confezionare calcestruzzi a vista dove vengono utilizzati anche inerti di colore chiaro.

Cementi colorati

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Altri cementi Portland speciali sono quelli colorati che si ottengono miscelando cemento bianco con un pigmento colorato. È importante che il pigmento non contenga sostanze nocive sia per l'idratazione del cemento che per ladurabilità del calcestruzzo.

Cementi di miscela

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Icementi di miscela si ottengono aggiungendo al cemento Portland normali altri componenti come lapozzolana o laloppa. L'aggiunta di questi componenti conferisce a questi tipi di cementi nuove caratteristiche rispetto al Portland normale.

Cemento pozzolanico

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Lo stesso argomento in dettaglio:Pozzolana.

Lapozzolana è una finecenerevulcanica estratta tradizionalmente aPozzuoli, sullefalde dellaSolfatara, ma anche in diverse altreregioni vulcaniche. GiàVitruvio descriveva quattro tipi di pozzolana: nera, bianca, grigia e rossa.

Miscelata con la calce (in rapporto 2:1) si comporta come il cemento pozzolanico e permette di preparare una buonamalta, 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 iRomani:l'anticoporto diCosa 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 dimare.I tremoli sono ancora oggi visibili, con la parte subacquea ancora in buone condizioni dopo 2 100 anni.

La pozzolana è una pietra a naturaacida, molto reattiva poiché molto porosa ed ottenibile a basso costo. Un cemento pozzolanico contiene all'incirca:

  • 45-89% diclinker Portland
  • 11-55% di pozzolana
  • 2-4% di gesso

Poiché la pozzolana reagisce con la calce (Ca(OH)2{\displaystyle {\ce {Ca(OH)2}}}), si avrà una minor quantità di quest'ultima. Ma proprio perché la calce è il componente che viene attaccato dalleacque aggressive, il cemento pozzolanico sarà più resistente all'azione di queste. Inoltre, siccomeCaCO3Al2O3{\displaystyle {\ce {CaCO3*Al2O3}}} è presente soltanto nella componente costituita daiclinker Portland, la gettata del cemento pozzolanico svilupperà un minor calore di reazione. Inoltre un minor tenore di alluminato tricalcico garantisce una maggiore resistenza all'attacco solfatico. Questo cemento è dunque utilizzabile inclimi particolarmente caldi o per gettate di grandi dimensioni o quando si è in presenza di acque aggressive o solfatiche.

Cemento siderurgico o cemento d'altoforno

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La pozzolana è stata in molti casi rimpiazzata da cenere dicarbone proveniente dallecentrali termoelettriche, scorie difonderia o residui ottenuti scaldando ilquarzo. Questi componenti che prendono il nome diloppa, posseggono un'attività idraulica latente e pertanto, opportunamente macinate, vengono utilizzate comeaggiunte minerali e miscelate con il cemento Portland inproporzioni variabili dal 36 fino al 95%.

A differenza dei cementi pozzolanici, che devono avere un tenore di clinker tale da garantire un contenuto di calce necessario all'attivazione della pozzolana, la loppa ha bisogno solo di piccole quantità di calce, e perciò di clinker di Portland, per accelerare il suo indurimento.

Pertanto la percentuale di loppa granulata d'altoforno in un cemento siderurgico può essere molto elevata, ma al crescere del tenore di loppa, essendo lento il suo processo di indurimento, diminuisce il valore dellaresistenza meccanica a brevi stagionature (2-7 gg) del cemento siderurgico; tale valore è dovuto essenzialmente all'azione del clinker di Portland e cresce all'aumento del tenore di clinker. Pertanto, per tenori di loppa superiore al 90%, laresistenza a compressione a breve scadenza è praticamente assente, essendo la quantità di cemento Portland esigua; in queste percentuali non è possibile produrre cementi di classe di resistenza 42,5R, 52,5 e 52,5R, poiché tali cementi siderurgici non possono garantire i valori minimi di resistenza a compressione a 2 giorni previsti dalla UNI EN 197-1. Entro certi limiti il rallentamento iniziale può essere compensato aumentando la finezza di macinazione e agendo sulle condizioni di stagionatura.

Visto il basso tenore di clinker rispetto a quello presente nel cemento Portland, il cemento siderurgico presenta le stesse prestazioni del cemento pozzolanico, anzi, poiché il tenore di clinker può essere molto basso in quanto non è necessario che si garantisca un contenuto di calce necessario all'attivazione della pozzolana, tali proprietà sono più marcate.

Inoltre, fanno parte dei cementi siderurgici i cosiddetti cementi soprasolfatati che le UNI EN 197 -1 individuano con la sigla CEM III/C.Sono cementi siderurgici ad elevata percentuale di loppa (80-85%) e di gesso (10-15%), mentre hanno un tenore di clinker di Portland intorno al 5%.

Pertanto, tra i prodotti dell'idratazione, oltre ai silicati di calcio idrati (C-S-H) troviamo anche l'ettringite cristallina (siamo in assenza di calce a causa del basso tenore di clinker) la quale rispetto a quella colloidale, che si forma nei normali cementi a seguito dell'attacco solfatico, non è rigonfiante. Questo cemento ha una buona resistenza agli attacchi chimici (cloruri esolfati) e all'attacco degliacidi (soluzioni conpH > 3,5).

Idratazione dei cementi di miscela

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Una volta iniziata l'idratazione della frazione del clinker di Portland presente nel cemento di miscela, oltre alla formazione dei silicati idrati di calcio (C-S-H), si produce anche la calce. Quest'ultima attiva la pozzolana o la loppa del cemento di miscela la cui idratazione produce un'ulteriore quantità di C-S-H. In questo modo, la calce, che da sola non contribuisce allo sviluppo della resistenza meccanica, contribuisce al processo di indurimento del calcestruzzo. La formazione di questa ulteriore aliquota di silicati idrati di calcio determina un sistema più ricco di materiale fibroso e, quindi, meno poroso e meno permeabile di un cemento Portland con uguale rapporto acqua/cemento. Inoltre, la minore quantità di calce, sia perché è minore il tenore di clinker, sia perché parte di questa reagisce con la pozzolana o la loppa, in associazione a una matrice più compatta, rende questi cementi meno soggetti a problemi diattacco solfatico,dilavamento ecarbonatazione[8].

Cemento a presa rapida

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Ilcemento apresa rapida, anche detto cemento di pronta, ha la caratteristica di rapprendere in pochi minuti dallamiscelazione con acqua.Si produce in modo simile al cemento Portland, ma con temperature di cottura inferiori.La velocità di presa dipende sia dalla quantità e qualità degliadditivi che dalla quantità di gesso di miscela.

Si utilizza da solo o miscelato consabbia (malta) ed 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 un buon getto.

Cementi espansivi

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Icementi espansivi sono costituiti da una miscela di cemento e additivi espansivi e vengono utilizzati per compensare gli effetti negativi dovuti alritiro o per l'inghisaggio.

Il loro comportamento si basa sulla formazione, durante l'idratazione di prodotti espansivi, di:

Attualmente le normestatunitensi identificano tre tipologie di cementi espansivi, in funzione degli additivi utilizzati:

Questa tipologia di cementi viene utilizzata per ottenere:

  • cementi aritiro compensato che provocano all'interno del calcestruzzo un'espansione iniziale pari alla successiva contrazione dovuta al ritiro;
  • cementi autocompressi (in ingleseSelf Compressing Concrete oSCC) che provocano all'interno del conglomerato cementizio un'espansione iniziale molto superiore alla successiva contrazione da ritiro. Esistono malte a base di cementi fortemente espansivi (la spinta generata può arrivare a circa 6000 t/m²) che vengono utilizzate per ledemolizioni e tagli di rocce e calcestruzzi senza produzione dirumore,vibrazioni e lanci di detriti.

Cemento alluminoso o cemento fuso

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Ilcemento alluminoso ocemento fuso è il prodotto ottenuto dalla cottura sino afusione quasi completa di una miscela dibauxite ecalcare ovvero ilcarbonato di calcio.

Labauxite, costituita prevalentemente da ossidi idrati di alluminio, contiene, talvolta, anche in quantità rilevanti, ossidi anidri e idrati di ferro,silice, silicati idrati di alluminio e piccole percentuali dibiossido di titanio. La miscela di calcare e bauxite viene portata durante la cottura a una temperatura di1550-1600 °C. Per la cottura si fa riferimento a diversi tipi di forni:

Il cemento fuso viene colato in stampi per formare dei pani, che poi saranno raffreddati esternamente ad acqua ed infine macinati in mulini a palle per ottenere il prodotto finito.

Il cemento alluminoso ha una composizione in ossidi di:

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

Per quanto riguarda l'ossido di silicio, la sua presenza come impurità deve essere minore del 6%, in quanto il componente che origina, l'alluminato silicato bicalcico (2CaOAl2O3SiO2{\displaystyle {\ce {2CaOAl2O3SiO2}}}), ha scarse proprietà idrauliche.

La normativa italiana proibisce l'utilizzo del cemento alluminoso per la costruzione delle opere incalcestruzzo armato.

Il cemento alluminoso è caratterizzato da un rapido indurimento e pertanto da elevati valori della resistenza meccanica a breve scadenza.Altro vantaggio è la sua resistenza all'attacco solfatico e all'azione dilavante dell'acqua.

Di contro ha un elevato calore d'idratazione.

Reazioni di idratazione

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Se gli alluminati di calcio idrati esagonali si trasformano in cubici questo cambiamento determina un aumento dellaporosità del conglomerato confezionato con questo cemento con relativa diminuzione dellaresistenza meccanica delmateriale. Questo perché i cristalli cubici occupano un volume inferiore rispetto a quello occupato dagli equivalenti cristalli esagonali.

La trasformazione di cui sopra è favorita:

  • da unastagionatura a temperatura elevata. Il cemento alluminoso è da pertanto da utilizzarsi a temperature inferiori ai30 °C;
  • da un'umidità relativa elevata;
  • da un elevato rapporto acqua/cemento.

Mentre il cemento Portland è un cemento a naturabasica, grazie alla presenza di calceCa(OH)2{\displaystyle {\ce {Ca(OH)2}}}, il cemento alluminoso è a natura sostanzialmente neutra. La presenza dell'idrossido di alluminio (Al(OH)3{\displaystyle {\ce {Al(OH)3}}}), che è unanfotero e che in questo caso si comporta daacido, provoca la sostanziale neutralizzazione dei due componenti e come risultato si ha appunto un cementoneutro.

Sicurezza e rischi per la salute

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Alcalinità

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Dopo che il cemento Portland è stato miscelato con l'acqua, la miscela formata è moltoalcalina (circapH 13) a causa della liberazione diidrossidi di calcio,sodio epotassio. Sullapelle ha un effetto caustico e in caso di contatto occorre lavare immediatamente con abbondante acqua. È opportuno utilizzareguanti edocchiali per proteggere gliocchi dagli spruzzi. Una volta indurito, il cemento può essere toccato senza problemi.

Presenza di cromo

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Nel cemento può essere contenuta una certa quantità dicromo esavalente. Ormai in moltiPaesi il contenuto di cromo esavalente è regolamentato. Per esempio inEuropa, secondo la normativa della comunità europea, non deve superare le 2parti per milione (mg/kg). Il cromo metallico può essere contenuto in quantità superiori. Ad oggi vengono immessi nel cemento sfuso degli additivi che trasformano ilcromo esavalente (cancerogeno-mutageno) incromo trivalente (non dannoso). Questi additivi hanno un tempo di efficienza che varia da tre a seimesi.

Ladirettiva Europea 2003/53/CE, recepita in Italia attraverso ildecreto ministeriale dellasalute D.M. 10 maggio 2004, proibisce la commercializzazione e l'impiego di cemento o di preparati contenenti cemento che, quando idrati, contengono più dello 0,0002% (2 ppm) di cromoidrosolubile esavalente, determinato come percentuale in massa sul cemento secco.Tale decreto previene alcune problematiche relative alla possibilità didermatiti allergiche da contatto e rischi legati al fatto che ilCrVI{\displaystyle {\ce {Cr^{VI}}}} è cancerogeno per l'uomo.

Il cromo totale (stato di ossidazione II e III) presente nel clinker Portland è compreso tra 0,002% e 0,02%, rispettivamente 20 e200 ppm. Tale valore deriva essenzialmente daimateriali argillosi, in minima parte daicombustibili, dai corpi macinanti del molino del crudo e dairefrattari. Durante il processo di cottura del clinker tutto il cromo totale viene ossidato, e alle condizionitermodinamiche presenti in zona, la specie più stabile è ilCrIII{\displaystyle {\ce {Cr^{III}}}},insolubile, e quindi non pericoloso per lasalute.Durante la fase di raffreddamento una parte diCrIII{\displaystyle {\ce {Cr^{III}}}} si ossida inCrVI{\displaystyle {\ce {Cr^{VI}}}} eCrV{\displaystyle {\ce {Cr^{V}}}}. Quindi nel clinker Portland il cromo è presente in tre stati di ossidazione (+3, +4, +5). Di tutto il cromo presente solo una parte è legato alle fasi del clinker (77%-93%), mentre la restante parte (dal 7%al 23%) può essere facilmente solubilizzata, tranne ilCrIII{\displaystyle {\ce {Cr^{III}}}} che è insolubile, come detto precedentemente. Le due specie solubili in acqua,CrVI{\displaystyle {\ce {Cr^{VI}}}} eCrV{\displaystyle {\ce {Cr^{V}}}}, non sono stabili e quindi disproporzionano aCrIII{\displaystyle {\ce {Cr^{III}}}} insolubile eCrVI{\displaystyle {\ce {Cr^{VI}}}} solubile.

Affinché venga rispettato il D.M. 10 maggio 2004 è necessario aggiungere un agente cromo riducente. Comunemente l'agente riducente di maggior utilizzo è ilsolfato ferroso, ma sono state individuate e realizzate altre soluzioni molto promettenti (additivi a base diantimonio,di-trisolfuro di sodio,solfato ferroso monoidrato,solfato stannoso). Il solfato ferroso viene dosato allo 0,25-0,3% circa e non influenza minimamente le reazioni di idratazione del cemento, ma a contatto con l'aria sicarbonata, perdendo il suo potere riducente nei confronti del cromo esavalente. Per questo motivo sui sacchi deve essere indicata la data di confezionamento e il periodo di conservazione durante il quale il contenuto diCrVI{\displaystyle {\ce {Cr^{VI}}}} idrosolubile resta inferiore allo 0,0002% del peso totale a secco del cemento.

Di seguito vengono riportate lereazioni di ossido-riduzione che avvengono nel caso di utilizzo di solfato ferroso monoidrato o con iltriossido di diantimonio:

K2Cr2O7+6FeSO4+7H2OCr2(SO4)3+Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3+2KOH{\displaystyle {\ce {K2Cr2O7 + 6 FeSO4 + 7 H2O -> Cr2(SO4)3 + Fe2(SO4)3 + 4 Fe(OH)3 + 2 KOH}}}
2K2Cr2O7+3Sb2O3+5H2O2Cr2(OH)3+2Cr(Sb2O3)3+4KOH{\displaystyle {\ce {2 K2Cr2O7 + 3 Sb2O3 + 5 H2O -> 2 Cr2(OH)3 + 2 Cr(Sb2O3)3 + 4 KOH}}}

Inquinamento

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Emissioni annuali globali di CO2 associate alla produzione di cemento
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Un impianto di produzione di cemento neglianni trenta poteva avere importanti effetti sulla salute a causa delle sostanze rilasciate dai processi di lavorazione, oltre che dalle attività accessorie (traffico dicamion, estrazione conesplosivi). Al giorno d'oggi l'evoluzione della tecnologia e lalegislazione adottata da tutti i principali Paesi sviluppati ha permesso di ridurre tali rischi.In particolare la cottura del clinker richiede grandi quantità di combustibile, normalmentepet-coke (prodotto derivato dalpetrolio), che provoca una emissione diinquinanti, tra cuigas serra,ossidi di azoto (NOx),biossido di zolfo (SO2{\displaystyle {\ce {SO2}}}),monossido di carbonio (CO{\displaystyle {\ce {CO}}}),biossido di carbonio (CO2{\displaystyle {\ce {CO2}}}), composti organici volatili epolveri fini (PM10 ePM2,5)[9].

I cementifici raggiungono temperature di combustione pari a1400 °C. Non indicato il coincenerimento deirifiuti nei cementifici perché il materiale di scarto o il CDR può essere solamente immesso tramite la zona diprecalcinazione che ha temperature di circa800 °C, decisamente troppo basse e troppo pericolose.

I cementifici, per legge, sono tutti equipaggiati con sistemi di abbattimento dei fumi di combustione qualifiltri a maniche per altissime temperature: la grande quantità d'aria necessaria per bruciare i combustibili fossili agisce diluendo gli inquinanti contenuti nei rifiuti e quindi nelle emissioni al camino. Nonostante l'assenza di trattamenti specifici nei confronti didiossine emercurio, si registrano concentrazioni diinquinanti ben inferiori ai valori minimi imposti dalle norme di legge (normativa europea).

I registri europei INES/EPER confermano che non vi sono significative emissioni dipiombo, mercurio,ammoniaca.[senza fonte]

Pericolo di crollo

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L'uso di cemento depotenziato ha comportato numerosi crolli in molteregioni italiane.[10]Strade,ponti,viadotti,ferrovie,gallerie,case,centri commerciali e perfinoscuole,ospedali e commissariati sono a rischio di crolli, perché costruiti con poco cemento e molta sabbia, cosiddettocemento depotenziato. L'affare è redditizio per chiappalta lavori pubblici o anche privati, aggiudicandosiappalti nazionali e locali a prezzi ribassati, risparmiando poi durante l'esecuzione delle opere mediante l'utilizzo di malte e calcestruzzi a basso titolo di cemento.[11]

Evoluzione tecnologica nella sicurezza

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L'Università di Newcastle ha realizzato nel 2019 un bio-cemento in grado di auto-ripararsi in caso di crepe o fratture. Ispirandosi al batterioBacilla Filla, questo tipo di cemento reagisce alle variazioni di pressione dell’ambiente creando molecole dicarbonato di calcio[12][13].

Anche in Italia è nato un bio-cemento daacqua ossigenata e lievito di birra che non ha bisogno dialluminio[14].

Marcatura CE

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La marcatura CE non rappresenta un marchio di qualità del prodotto ma sta a significare che il prodotto soddisfa i requisiti essenziali previsti per quel prodotto e per l'impiego previsto.

Per il cemento è previsto un solo sistema di attestazione di conformità CE:

  • livello 1+: è richiesta la Dichiarazione di Conformità CE alla norma UNI EN 197, rilasciata dal produttore e accompagnata dal Certificato di Conformità del Prodotto alla norma UNI EN 197 rilasciata da un organismo notificato.

Generalmente la marcatura CE avviene mediante l'apposizione di un'etichetta direttamente sui prodotti, o sull'imballaggio, mediante stampa dell'etichetta sul Documento di Trasporto (DDT).

Il lay-out ed il contenuto di informazioni dell'etichetta vengono descritti nei punti successivi.

Evoluzione normativa in Italia

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sacchi di cemento Portland

Fino al 1993 in Italia era in vigore il decreto ministeriale 3 giugno 1968 e s.m.i. recante le norme sui requisiti e sulle modalità di prova dei cementi.

Con l'avvento delle regole comunitarie nell'Unione europea in Italia è entrata in vigore la UNI EN 197-1, che raccoglie in un'unica classificazione tutte le tipologie di cemento prodotte fino ad allora nei vari Paesi membri.

Per la normativa europea i requisiti fondamentali dei cementi sono:

  • la composizione;
  • la classe di resistenza normalizzata (a28 gg) espressa in MPa con riferimento alla resistenza a compressione iniziale (a sette giorni per il 32,5N e a due giorni per le altre classi).

La UNI EN 197-1 prevede cinque tipi di cemento, ventisette sottotipi e sei classi di resistenza.

Pertanto secondo la norma sono producibili 162 (27 × 6) cementi.

Denominazione normalizzata

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Con l'entrata in vigore della norma UNI EN 197-1 si è complicata la nomenclatura relativa ai cementi. Infatti la norma impone che sulla confezione del cemento compaia, per l'identificazione esatta, un codice alfanumerico costituito da: la sigla 'CEM', seguita da tipo, sottotipo, classe di resistenza normalizzata e tipo diindurimento iniziale (se rapido è riportata la lettera R se ordinario è riportata la lettera N). Nel caso di cementi a basso calore di idratazione deve essere riportata anche la sigla LH. Pertanto il codice del cemento Portland 325 a resistenza iniziale ordinaria è oraCEM I 32,5 N.

Documentazione

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Tutti i manufatti in cemento armato e cemento armato precompresso, potranno essere eseguiti impiegando unicamente cementi provvisti di attestato di conformità CE che soddisfino i requisiti previsti dalla norma UNI EN 197-1. Tutte le forniture di cemento, in cantiere o presso l'impianto di preconfezionamento del calcestruzzo, devono essere accompagnate da:

  • documento di trasporto (DDT);
  • dichiarazione di conformità CE rilasciata dal produttore riportante almeno le seguenti indicazioni:
    • dati del produttore e del legale rappresentante
    • nome dell'azienda produttrice
    • dati descrizioni generale del prodotto
    • indirizzo dello stabilimento
    • norme e direttive a cui il prodotto è conforme
    • numero dell'attestato CE
    • informazioni relative alla produzione es: n° matricola, lotto, partita, ultime due cifre dell'anno di produzione
    • data e firma autografa di chi la sottoscrive
  • attestato di Conformità CE alla norma UNI EN 197-1 rilasciato da un organismo notificato.

Inoltre deve essere presente l'etichetta riportante il simbolo CE applicata sull'imballaggio o sul prodotto o sul DDT;Le forniture effettuate da un intermediario, ad esempio un importatore, dovranno essere accompagnate dalla dichiarazione di Conformità CE rilasciato dal produttore di cemento e completato con i riferimenti ai documenti di trasporto (DDT) dei lotti consegnati dallo stesso intermediario.

Il Direttore dei Lavori è tenuto a verificare periodicamente quanto sopra indicato, in particolare la corrispondenza del cemento consegnato, come rilevabile dalla documentazione anzidetta, con quello previsto nel Capitolato Speciale di Appalto e nella documentazione o elaborati tecnici specifici.

Etichetta CE

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L'etichetta con il simbolo di marcatura CE che deve essere applicata sul prodotto, sull'imballaggio o sul DDT, nella versione semplificata deve riportare almeno le seguenti informazioni:

  • marcatura di conformità CE, consistente nel simbolo «CE»
  • numero di identificazione dell'Organismo di certificazione (es. 0123)
  • nome o marchio identificativo e indirizzo del produttore
  • ultime due cifre dell'anno in cui è stata applicata la marcatura (es. 10 per 2010)
  • numero del certificato di conformità CE (es. 0123CPD). Spesso tale numero è associato al precedente (es. 0123CPD-010)
  • norma a cui il prodotto e conforme (UNI EN 197)

Nella forma estesa (metodo 3) l'etichetta può contenere:

  • descrizione del prodotto (es. CEM II/A - LL 32,5R)
  • informazioni sul prodotto e sulle caratteristiche rilevanti.

Normativa

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  • UNI EN 197-1:2011 - Cemento - Parte 1: Composizione, specificazioni e criteri di conformità per cementi comuni
  • UNI EN 14647:2006 - Cemento alluminoso - Composizione, specificazioni e criteri di conformità
  • UNI EN 14216:2005 - Cemento - Composizione, specificazioni e criteri di conformità per cementi speciali a calore di idratazione molto basso

Note

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  1. ^Copia archiviata (PDF), suaitecweb.com.URL consultato il 24 settembre 2015(archiviato dall'url originale il 25 settembre 2015).
  2. ^Le conseguenze del cemento, Martinelli 2011, p.76
  3. ^(EN) Cembureau,Activity Report 2008 (PDF)[collegamento interrotto], p. 4.URL consultato il 3 maggio 2009.
  4. ^Vedi anche normative di riferimento:
    • Regio Decreto n. 1443 del 1927 - Norme di carattere legislativo per disciplinare la ricerca e la coltivazione delle miniere nel regno.
    • Decreto del Presidente della Repubblica n. 128 del 09/04/1959 - Norme di polizia delle miniere e delle cave.
  5. ^Fusione Lafarge-Holcim, nasce il primo produttore mondiale di cemento - News - Italiaoggi, suitaliaoggi.it.URL consultato il 29 luglio 2015.
  6. ^I silicati idrati di alluminio contribuiscono in maniera poco significativa allo sviluppo della resistenza meccanica e comunque la loro azione si esplica principalmente durante le prime ore della fase di indurimento.
  7. ^I cementi comuni vengono chiamati anche cementi grigi.
  8. ^Pur essendo minore la percentuale di calce rispetto ad un equivalente cemento Portland, nei cementi di miscela ne rimane sempre una quantità sufficiente da rendere l'acqua contenuta nei pori capillari satura di idrossido di calcio e pertanto garantire alla matrice cementizia un pH (> 12) capace dipassivare le armature
  9. ^https://www.renewablematter.eu/articoli/article/cemento-il-materiale-piu-distruttivo-del-mondo-o-una-leva-dellevoluzione
  10. ^In Sicilia usato cemento depotenziato, rischio crolli. Allarme di Agliastro. Il fatto nisseno. Cronaca. 27 febbraio 2015.
  11. ^Ecomafia. Cemento depotenziato, decine di opere a rischio crollo. La Stampa. 4 giugno 2010.
  12. ^Cemento biologico: un materiale innovativo che si autoripara! - Procenter habitissimo, suhabitissimo.it.URL consultato il 13 gennaio 2021.
  13. ^Biocemento: il materiale da costruzione “vivente” che si ripara da solo, suIl Brevetto, 29 novembre 2019.URL consultato il 13 gennaio 2021.
  14. ^ stefania,Bio-cemento superisolante: l’innovativo brevetto italiano, suRinnovabili, 17 novembre 2017.URL consultato il 13 gennaio 2021.

Bibliografia

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  • M. Collepardi,Il nuovo calcestruzzo, Tintoretto (Villorba - TV), 2002
  • P. Pedeferri, L. Bertolini,La corrosione nel calcestruzzo e negli ambienti naturali, McGraw-Hill
  • V. Alunno Rossetti,Il calcestruzzo: materiali e tecnologia, McGraw-Hill, 2003
  • V. Alunno Rossetti, F. Medici,Chimica Applicata, Ed. Scientifiche Siderea (Roma), 2007
  • M. Collepardi,T come temperatura - Enco Journal

Voci correlate

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Collegamenti esterni

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