Cemento (edilizia)
In edilizia con cemento o più propriamente cemento idraulico si intende una varietà di materiali da costruzione che miscelati con acqua sviluppano notevoli proprietà adesive.
Viene impiegato come legante in miscela con materiali inerti (sabbia, ghiaia) a formare la malta e per preparare il calcestruzzo, utilizzato per la costruzione di edifici e strutture in cemento armato.
Gli antichi egiziani conoscevano già il cemento come materiale da costruzione, così come i greci e i babilonesi. I Romani impiegavano come legante prevalentemente la calce, meno resistente. Successivamente impararono a produrre un cemento migliore a partire dalla pozzolana.
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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.
Il cemento Portland
Il cemento Portland è il tipo più utilizzato, ed è usato come legante nella preparazione del calcestruzzo.
Fu inventato nel 1824 in Inghilterra dal muratore Joseph Aspdin e deve il nome alla somiglianza nell'aspetto con la roccia di Portland, un'isola nella contea di Dorset (Inghilterra).
La fabbricazione del cemento Portland avviene in tre fasi: preparazione della miscela grezza dalle materie prime, produzione del clinker, preparazione del cemento.
Le materie prime per la produzione del Portland sono minerali contenenti: ossido di calcio (44%), ossido di silicio (14,5%), ossido di alluminio (3,5%), ossido di ferro (3%) e ossido di magnesio (1,6%). L'estrazione avviene in cave poste in prossimità della fabbrica, che in genere hanno già la composizione desiderata, mentre in alcuni casi è necessario aggiungere argilla o calcare, oppure minerale di ferro, bauxite o altri materiali residui di fonderia.
Kiln_ciment.png
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 (C2Si e C3Si). Si forma anche una piccola quantità di Alluminato di tricalcio (C3Al) e Alluminoferrite di tricalcio (C3AlFe). Il materiale risultante è complessivamente denominato clinker. Il clinker può essere conservato per anni prima di produrre il cemento, a condizione di evitare il contatto con l'acqua.
L'energia teorica necessaria per produrre il clinker è di circa 1700 Joule per grammo, ma a causa delle dispersioni il valore è molto più alto. Questo comporta una grande richiesta di energia per la produzione del cemento, e quindi un notevole rilascio di biossido di carbonio in atmosfera, gas ad effetto serra.
Per migliorare le caratteristiche del prodotto finito al clinker viene aggiunto circa il 2% di gesso e la miscela è finemente macinata. La polvere ottenuta è il cemento pronto per l'uso.
Il cemento ottenuto ha una composizione del tipo:
- 64% ossido di calcio
- 21% ossido di silicio
- 5,5% ossido di alluminio
- 4,5% ossido di ferro
- 2,4% ossido di magnesio
- 1,6% solfati
- 1% altri materiali, tra cui soprattutto acqua
Quando il cemento Portland viene miscelato con l'acqua, il prodotto solidifica in alcune ore e indurisce progressivamente nell'arco di diverse settimane. L'indurimento iniziale è provocato dalla reazione tra acqua, gesso e l'alluminato di tricalcio, a formare una struttura cristallina di calcio-alluminio-idrato (CAH), ettringite (Aft) e monosolfato (Afm). Il successivo indurimento e lo sviluppo di forze interne di tensione deriva dalla più lenta reazione dell'acqua con il silicato di tricalcio a formate una struttura amorfa chiamata calcio-silicato-idrato (CSH gel). In entrambi i casi le strutture avvolgono e legano i singoli granuli di materiale presenti. Un'ultima reazione produce il gel di silice (SiO2). Tutte le tre reazioni sviluppano calore.
Con l'aggiunta di particolari materiali al cemento (calcare e calce) si ottiene il cemento plastico, di più rapida presa e maggiore lavorabilità. La malta preparata usando una miscela di cemento Portland e calce è nota come malta bastarda.
Questo materiale è usato in particolare per rivestire le superfici esterne degli edifici (intonaco). Il cemento normale non si presta infatti ad essere spalmato.
Nel 2004 i principali produttori mondiali di cemento Portland erano la Lafarge in Francia, la Holcim in Svizzera e la Cemex in Messico. I produttori di cemento sono stati più volte multati per violazione alle norme antinquinamento e per comportamento contrario al libero mercato, specialmente negli Stati Uniti, in Canada ed in Europa. In altre parti del mondo il settore è semplicemente meno regolamentato.
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.
Il cemento pozzolanico è tuttora prodotto, anche se la cenere vulcanica è stata in molti casi rimpiazzata da cenere di carbone proveniente dalle centrali termoelettriche, scorie di fonderia o residui ottenuti scaldando il quarzo. In commercio si trovano più comunemente miscele di cementi pozzolanici e Portland. Questa miscela è più resistente del Portland da solo in quanto è meno porosa, cosa che la rende adatta anche per la realizzazione di vasche per contenere acqua.
Un'altra caratteristica di questo materiale è la sua elevata acidità naturale, che lo rende particolarmente resistente alla corrosione atmosferica operata dai solfati.
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.
Sicurezza e rischi per la salute
Alcalinità
Quando il cemento Portland è unito all'acqua, la miscela formata è molto alcalica (circa pH 13) a causa della liberazione di idrossidi di calcio, sodio e potassio. Sulla pelle ha un effetto caustico e per questo motivo, in caso di contatto, lavare immediatamente con abbondante acqua.
È opportuno utilizzare guanti ed occhiali per proteggere gli occhi dagli spruzzi.
Una volta indurito il cemento può essere toccato senza problemi.
Presenza di cromo
Nel cemento può essere contenuta una certa quantità di cromo esavalente, che è irritante per contatto con la pelle. In alcuni paesi il contenuto in cromo esavalente è regolamentato. Per esempio in Scandinavia non deve superare le 2 parti per milione (mg/Kg). Il cromo metallico può essere contenuto in quantità superiori.
Inquinamento
Un impianto di produzione di cemento può 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).
In particolare la cottura del clinker richiede gradi quantità di combustibile, spesso carbone, che assieme alle impurità presenti nella calce provoca una significativa emissione di inquinanti, tra cui gas a serra, ossidi di azoto (NOx), biossido di zolfo (SO2), monossido di carbonio (CO), composti organici volatili e polveri fini (PM10 e PM2,5). Si può avere anche una emissione significativa di arsenico, piombo e mercurio.
L'industria del cemento è ritenuta causa di problemi polmonari e circolatori, tra cui asma, bronchite, attacchi cardiaci nonché tumori.