Cemento (edilizia)
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In edilizia con il termine cemento, o più propriamente cemento idraulico, si intende una varietà di materiali da costruzione che miscelati con acqua sviluppano notevoli proprietà adesive.
La pasta cementizia (cemento più acqua) viene impiegata come legante in miscela con materiali inerti (sabbia, ghiaia o pietrisco) a formare la malta e per preparare il calcestruzzo, utilizzato per la costruzione di edifici e strutture in cemento armato.
Gli antichi Egiziani non conoscevano il moderno cemento come materiale da costruzione, così come i greci e i babilonesi.
I Romani non conoscevano il moderno cemento - impiegavano come legante prevalentemente la calce, meno resistente. Successivamente impararono a produrre la "calce idraulica" un legante migliore a partire dalla pozzolana. A metà dell'800 si incominciò a produrre direttamente calci idrauliche a partire da calcari argillosi (le marne).
Il moderno cemento (Portland) fu elaborato a partire dalla metà detà dell'800 cuocendo a temperatura sempre maggiore (oltre 1300°C) le marne argillose fino ad arrivare a un materiale che non conteneva più la vecchia calce "viva" da spengere. Infatti, ciò che distingue i cementi dalle calci è che questi non abbisognano di spegnimento con acqua.
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[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.
I cementi utilizzati per confezionare il conglomerato cementizio normale, armato e precompresso, devono essere conformi alla norma EN 197-1. I cementi comuni conformi alla EN 197-1 sono suddivisi in 5 tipi principali:
- I => cemento Portland
- II => cemento Portland composito
- III => cemento d'altoforno
- IV => cemento pozzolanico
- V => cemento composito
[modifica] Il cemento Portland
Il cemento portland è il tipo di cemento 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 CaO (44%), ossido di silicio SiO2 (14,5%), ossido di alluminio Al2O3 (3,5%), ossido di ferro Fe2O3 (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 tetracalcica (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 in atmosfera di biossido di carbonio, gas ad effetto serra.
Per migliorare le caratteristiche del prodotto finito al clinker viene aggiunto circa il 2% di gesso o di solfato di calcio 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 formare 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 e tre le reazioni sviluppano calore.
Con l'aggiunta al cemento di particolari materiali (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
Se analizziamo il processo di produzione, quindi cosa succede all'interno del forno di cottura, si ha che le prime reazioni hanno inizio in un range di temperatura tra i:
- 1000 ÷ 1100°C
- 1100 ÷ 1200°C
- 1250 ÷ 1480°C
La composizione finale sarà costituita dalle seguenti percentuali in peso:
- 50% 3CaOSiO2
- 25% 2CaOSiO2
- 12% 3CaOAl2O3
- 8% 4CaOAl2O3Fe2O3
[modifica] Reazioni di idratazione
- Presa
- Indurimento
Queste reazioni sono tutte reazioni esotermiche. La più isotermica è l'idratazione di 3CaOAl2O3, seguita da quella di 3CaO2SiO2, 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 l'inizio della presa sia maggiore di 60 minuti per le classi di resistenza a compressione 32,5 N/mm2 e 42,5 N/mm2 è maggiore di 45 minuti per la classe 52,5 N/mm2. Il gesso reagisce con l'alluminato tricalcico per formare un sale espansivo chiamato ettringite. La velocità di reazione tra il C3A e il CaSO4 elevatissima, rallenta velocemente a causa della formazione di strati protettivi sulla superfice del C3A. La cinetica della reazione dipende anche dalla temperatura, dalla superfice di reazione, e dal rapporto acqua/solido.
(CaO)3Al2O3 + 3(CaSO42H2O) + 26H2O → (CaO)3Al2O33CaSO432H2O
I cementi a norma EN 197 devono contenere a seconda della classe di resistenza una quantità di solfati espressa come 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 di SO3 deve essere ≤ 4,0 %.
La quantità di Solfati come SO3 nei cementi viene determinata secondo la norma EN 196-2.
[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 prodotto 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. È 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-. È 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 resistente 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, occorre 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. Ormai in molti paesi il contenuto di cromo esavalente è regolamentato. Per esempio in Europa, secondo la normativa della comunità europea, non deve superare le 2 parti per milione (mg/Kg). Il cromo metallico può essere contenuto in quantità superiori. Ad oggi sono immessi nel cemento sfuso degli additivi che trasformano il cromo esavalente (dannoso) in cromo trivalente (non dannoso). Questi additivi hanno un tempo di efficienza che varia da tre a sei mesi, a seconda delle disposizioni di legge.
[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 provoca una emissione di inquinanti, tra cui gas serra, ossidi di azoto (NOx), biossido di zolfo (SO2), monossido di carbonio (CO), composti organici volatili e polveri fini (PM10 e PM2,5). I cementifici, a differenza degli inceneritori, raggiungono temperature di combustione superiori ai 1300°C, ossia temperature che evitano la formazione di diossina, a differenza degli inceneritori che lavorano con temperature di combustione inferiori ai 1000°C, quindi con il potenziale rischio di emissioni di diossina.
Gli impianti di coincenerimento (cementifici) di ultima generazione sono equipaggiati con sistemi di abbattimento dei fumi di combustione quali filtri 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 di diossine e mercurio si registrano concentrazioni di inquinanti ben inferiori ai valori minimi imposti dalle norme di legge (normativa europea). I registri europei INES/EPER confermano che non vi sono significative emissioni di piombo, mercurio, ammoniaca.
A seguito dell'adozione della normativa europea sul Cromo Esavalente nel cemento, questo è oggi trasformato in Cromo Trivalente, mediante l'aggiunta al cemento di additivi che trasformano il cromo 6 (dannoso) in cromo 3(non dannoso). Questi additivi hanno un tempo di efficienza variabile da tre a sei mesi.
