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Cemento

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Cemento

In edilizia con il termine cemento, o più propriamente cemento idraulico, si intende una varietà di materiali da costruzione, noti come leganti idraulici, che miscelati con acqua sviluppano proprietà adesive (proprietà idrauliche).

La pasta cementizia o boiacca, cemento più acqua, viene impiegata come legante in miscela con materiali inerti come sabbia, ghiaia o pietrisco:

  • nel caso in cui la pasta di cemento si misceli con un aggregato fino (sabbia) si ha la malta 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 il calcestruzzo;
  • nel caso in cui il calcestruzzo venga accoppiato con un’armatura costituita da tondini di acciaio, opportunamente posizionati, si ha il calcestruzzo armato (indicato erroneamente con il nome di cemento armato). Con la normativa del 1971 prende il nome di conglomerato cementizio armato.

L’Italia è il primo produttore in Europa (la seconda è la Spagna), e tredicesima nel mondo: si stima che nel 2009 si siano prodotte 36 milioni di tonnellate di cemento, pari a circa 601 kg per abitante . La produzione mondiale, sempre nel 2008, è stata di 2,83 miliardi di tonnellate, ossia circa 450 kg pro capite.

Tipi di cemento

Quindi 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 di calcio e alluminati di calcio, ottenuti dalla cottura ad alta temperatura di calcare e argilla oppure di marna (in questo caso si parla di cementi naturali).

Il materiale ottenuto denominato clinker di Portland, viene finemente macinato e addizionato con gesso nella misura del 4-6% con la funzione di ritardante di presa (ettringite primaria).

Tale miscela è commercializzata col nome di cemento Portland; questo una volta miscelato con acqua si idrata e solidifica progressivamente.

Il cemento Portland è alla base di quasi tutti i tipi di cemento attualmente utilizzabili in edilizia. L’unico che fa eccezione è il cemento alluminoso, che però non è preso in considerazione dalla UNI EN 197-1. Dal cemento Portland miscelato con le varie aggiunte disponibili sul mercato in proporzioni variabili ma fissate dalla suddetta norma si ottengono tutti gli altri tipi e sottotipi di cemento.

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

  • cemento Portland con una percentuale di clinker pari ad almeno il 95%: sigla sottotipo: nessuna;
  • cemento Portland composito (previsti 19 sottotipi) con una percentuale di clinker di almeno il 65%, il cemento Portland composito che ha le seguenti denominazioni in funzione della tipologia delle aggiunte:
    1. Cemento Portland alla loppa (S): sigla sottotipi: II A/S, II B/S;
    2. Cemento Portland ai fumi di silice (D): sigla sottotipi: II A/D;
    3. Cemento Portland alla pozzolana: sigla sottotipi (P=naturale Q=calcinata): II A/P, II B/P, II A/Q, II B/Q;
    4. Cemento Portland alle ceneri volanti (V=silicee; W=calcaree): sigla sottotipi: II A/V, II B/V, II A/W, II B/W;
    5. Cemento Portland allo scisto calcinato (T): sigla sottotipi: II A/T, II B/T;
    6. Cemento Portland al calcare (L e LL): sigla sottotipi: II A/L, II B/L, II A/LL, II B/LL;
    7. Cemento Portland composito: sigla sottotipi: II A/M, II B/M.
  • cemento d’altoforno con una percentuale di loppa d’altoforno (S) dal 36 al 95% (previsti 3 sottotipi): sigla sottotipi: III A, III, B, III C
  • cemento pozzolanico con materiale pozzolanico (P e Q) dall’11 al 55% (previsti 2 sottotipi): sigla sottotipi: IV A, IV B
  • cemento composito ottenuto per simultanea aggiunta di clinker di cemento Portland (dal 20 al 64%), di loppa d’altoforno (dal 18 al 50%) e di materiale pozzolanico (dal 18% al 50%) (previsti 2 sottotipi): sigla sottotipi: V A, V B.

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

Cementi a basso calore di idratazione

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/g (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 del clinker 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 di tensioni interne che possono disgregare il calcestruzzo.

Questa tipologia di cemento is deve utilizzare in generale quando il gradiente termico tra l’interno e l’esterno del getto tisulta: 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

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 di manganese.

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).

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

Cementi colorati

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 la durabilità del calcestruzzo.

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.

Cemento pozzolanico

La pozzolana è una fine cenere vulcanica estratta tradizionalmente a Pozzuoli, sulle falde della Solfatara, 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:

  • 45-89% di clinker Portland
  • 11-55% 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. Inoltre, siccome Ca_3OAl2O3 è presente soltanto nella componente costituita dai clinker 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 in climi 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

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, posseggono una attività idraulica latente e pertanto, opportunamente macinate, vengono utilizzate come aggiunte minerali e miscelate con il cemento Portland in proporzioni variabili dal 36 fino all’95%.

A differenza dei cementi pozzolani, 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 della resistenza meccanica a brevi stagionature (2 – 7 gg) del cemento siderurigico; tale valore è dovuto essenzialmente all’azione del clinker di Portland e cresce al crescer del tenore di clinker.

Pertanto, per tenori di loppa superiore al 90%, la resistenza 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 siderurigici 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 e solfati) e all’attacco degli acidi (soluzioni con pH > 3,5).

Idratazione dei cementi di miscela

Una volta iniziata l’idratazione della frazione del clinker di Portland presente nel cemento di miscela, oltre a formarsi i silicati idrati di calcio (C-S-H), si produce anche la calce.

Questa 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 ad una matrice più compatta, rende tali cementi meno soggetti a problemi di attacco solfatico, dilavamento e carbonatazione.

Cemento a presa rapida

Il cemento a presa rapida, anche detto cemento di pronta, 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. La velocità di presa dipende sia dalla quantità e qualità degli additivi che dalla quantità di gesso di miscela.

Si utilizza da solo o miscelato con sabbia (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.


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