Cemento

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Introduzione

Cemento In generale, qualsiasi sostanza che, applicata in forma liquida o pastosa, indurendosi manifesti proprietà fortemente adesive (vedi Adesivi). Nel significato più diffuso, tuttavia, il cemento è un materiale da costruzione in forma di polvere la quale, mescolata con acqua, mantiene per un certo tempo un comportamento plastico, quindi si solidifica, diventando molto tenace.

Uno degli utilizzi più importanti del cemento è la produzione di calcestruzzo, un conglomerato artificiale di fondamentale importanza in edilizia, nel quale si mescolano cemento, acqua e materiali inerti (sabbia, ghiaia e pietrisco).

I diversi tipi di cemento solitamente prendono nome dal costituente principale (ad esempio il cemento calcareo, che contiene carbonato di calcio, o il cemento pozzolanico, a base di pozzolana, una roccia sabbiosa e friabile di origine vulcanica); ma possono anche venire classificati in base al materiale che dovranno legare (come nel caso del cemento da vetro), o alla destinazione (come il cemento per caldaie), o a determinate peculiarità (come il cemento idraulico, che indurisce in presenza di acqua, quello resistente agli acidi, quello a pronta presa, quello refrattario, resistente alle alte temperature). Talvolta il nome deriva dal luogo d'origine, come il cemento romano, o dalla somiglianza con altri materiali, come il cemento portland, che fornisce un calcestruzzo di aspetto simile a quello della pietra da costruzione estratta dalle cave di Portland, in Gran Bretagna.

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Cemento portland

Il cemento portland, il più usato nell'edilizia, e in particolare nella preparazione del calcestruzzo, è composto da silicato tricalcico (3CaO·SiO₂), alluminato tricalcico (3CaO·Al₂O₃) e silicato dicalcico (2CaO·SiO₂), in proporzioni variabili, con piccole quantità di magnesio e composti ferrosi. Spesso per rallentare il processo di essiccamento si aggiunge solfato di calcio idrato (gesso).

L'aggiunta di acqua al cemento innesca una serie di reazioni chimiche fra i componenti, che si riassestano in nuovi composti. L'indurimento iniziale è dovuto principalmente all'idratazione del silicato tricalcico, che forma silice idrata colloidale e idrossido di calcio; queste sostanze cristallizzano legando strettamente gli inerti, fino a formare una massa solida. L'alluminato tricalcico contribuisce solo alla formazione dell'idrossido di calcio, mentre l'idratazione del silicato dicalcico avviene molto lentamente, con un lungo processo di indurimento che può durare anche anni. L'idratazione e l'indurimento del cemento comportano reazioni chimiche esotermiche (ovvero che generano calore).

Il cemento portland si ottiene miscelando roccia calcarea (generalmente calcite) con argilla, scisti e scorie di altoforno contenenti ossido di alluminio e ossido di silicio.

Nel processo di produzione, le materie prime vengono innanzitutto mescolate e macinate insieme, poi cotte in un forno rotativo, fino a che si trasformano in una massa omogenea ma incoerente, detta clinker. Il forno di cottura, lungo oltre 150 m e con quasi 4 m di diametro, ha l'asse di rotazione leggermente inclinato rispetto all'orizzontale, in modo che il materiale introdotto dalla bocca di carico, posta all'estremità più alta, progredisca lentamente per effetto della rotazione. Mano a mano che avanza, la carica (costituita da materiale polverizzato o impastato con acqua) viene essiccata e riscaldata dalla fiamma prodotta in un bruciatore di combustibile, situato nella parte inferiore del forno. Approssimandosi alla fiamma, il materiale sviluppa diossido di carbonio e completa la cottura, arrivando fino a temperature di 1550-1600 °C. Uscendo incandescente dal forno, il clinker viene rapidamente raffreddato e polverizzato, e quindi avviato al confezionamento in sacchi o ai depositi.

In media, 50 kg di materie prime forniscono da 30 a 35 kg di cemento. Il calo di peso durante la cottura è dovuto principalmente alla perdita di acqua e di diossido di carbonio. I combustibili più usati nei forni da cemento sono il carbon fossile in polvere, il gasolio e il metano. Per ottenere 1000 g di cemento sono necessari circa 500 g di carbone.

La qualità del cemento viene collaudata con metodi diversi; il più comune consiste nel valutare la resistenza strutturale di un campione di malta, composto da una parte di cemento e tre di sabbia, tenuto per una settimana all'aria e poi in acqua. Un cemento di buona qualità offre, in queste condizioni, una resistenza di quasi 20 kg per cm².

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Cementi speciali

Variando la percentuale dei componenti normalmente usati o aggiungendone altri, è possibile modificare le caratteristiche del cemento portland, ottenendo indurimenti più rapidi, minore riscaldamento durante l'idratazione, maggiore resistenza agli agenti alcalini. I cementi a presa rapida si ottengono aumentando la percentuale di silicato di calcio o macinando più finemente il composto. La maggiore velocità di presa comporta però, nella fase di idratazione, una più intensa reazione esotermica, e dunque una maggiore produzione di calore: tali cementi pertanto sono soggetti a incrinature, e risultano inutilizzabili per la costruzione di grosse strutture. Per colate massicce si ricorre a speciali cementi a reazione esotermica contenuta, ottenuti aumentando la percentuale di silicato di calcio, mentre per ottenere maggiore resistenza agli agenti alcalini si riduce il contenuto di minerali di alluminio. I cementi resistenti ad acque salate contengono fino al 5% di ossido di ferro.