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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 notevoli proprietà adesive (proprietà idrauliche).
La pasta cementizia (cemento più acqua) viene impiegata come legante in miscela con materiali inerti (sabbia, ghiaia o pietrisco) a formare quindi la malta, se in unione con la sola sabbia, e per preparare il calcestruzzo, se unita a sabbia e ghiaia. Il calcestruzzo viene utilizzato per la costruzione di edifici e strutture in calcestruzzo armato (comunemente indicato con il nome di "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 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 spegnere. Infatti, ciò che distingue i cementi dalle calci è che questi non abbisognano di spegnimento con acqua.


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 di calcio e alluminati di calcio, ottenuti dalla cottura ad alta temperatura di calcare e argilla oppure di marna . Il materiale ottenuto denominato clinker, finemente macinato cui viene aggiunto gesso è commercializzato come cemento, questo 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 UNI EN 197-1. I cementi comuni conformi alla UNI EN 197-1 sono suddivisi in 5 tipi principali:
" I => cemento Portland con una percentuale di clinker pari ad almeno il 95%
" II => cemento Portland composito con una percentuale di clinker di almeno il 65%, il cemento Portland composito che ha le seguenti denominazioni:
o Cemento Portland alla loppa
o Cemento Portland ai fumi di silice
o Cemento Portland alla pozzolana
o Cemento Portland alle ceneri volanti
o Cemento Portalnd allo scisto calcinato
o Cemento Portalnd al calcare
o Cemento Portland composito
" III => cemento d'altoforno con una percentuale di loppa d' altoforno dal 36 al 95%
" IV => cemento pozzolanico con materiale pozzolanico dall'11 al 55%
" V => cemento composito ottenuto per simultanea aggiunta di clinker di cemento Portland (dal 20 al 64%), di loppa loppa d' altoforno (dal 18 al 50%) e di materiale pozzolanico (dal 18% al 50%).
Nei diversi cementi è ammesso un contenuto di costituenti secondari (fillers o altri materiali) non superiore al 5%.


Il cemento Portland

Il cemento Portland è il tipo di cemento più utilizzato, ed è usato come legante nella preparazione del calcestruzzo.
Il Cemento Portland è il prodotto che si ottiene dalla macinazione del clinker, con l'aggiunta di gesso nella quantità necessaria per regolarizzare il processo di idratazione. L'analisi microscopica eseguita su pezzi di cemento scorificato ha rilevato la presenza di quattro componenti principali e precisamente l' alite (silicato tricalcio), la belite (silicato bicalcico), la celite (alluminato tricalcico) e la brownmillerite (alluminato ferrito tetracalcico).
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 (2 %) e ossido di magnesio MgO (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.

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).

Cementi resistenti ai solfati

Uno dei componenti base del clinker è l'alluminato tricalcico, C3A, che a contatto con acque solfatiche o selentitose, reagisce dando origine ad ettringite.
Pertanto in strutture soggette all'attacco solfatico, quali quelle con classe di esposizione XA2 o XA3, per le norme UNI EN 206-1:2006 e UNI 11104 è essenziale l'utilizzo di cementi ad alta resistenza a solfati.
Sono definiti cementi ad alta resistenza ai solfati (A.R.S.), quei cementi di tipo Portland ferrico, che per la loro composizione presentano un basso tenore di alluminato tricalcico (celite) e l'allumina è presente nella maggior parte sotto forma di ferrito alluminato tetracalcico (fase ferrica).
Secondo la norma UNI 9156 deve essere C3A?3,5%.
Quando l'alluminato tricalcico è praticamente assente i cementi vengono definiti ad altissima resistenza ai solfati (AA.R.S.)

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.

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. Inoltre, 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.

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 vengono introdotti dal 35 fino all'80%. La percentuale di loppa può essere molto elevata in quanto, essendo originata a partire da silicati, è un materiale potenzialmente idraulico. Essa deve però essere attivata in ambiente 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.

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

Cemento alluminoso o cemento fuso

Il cemento alluminoso o cemento fuso è il prodotto ottenuto dalla cottura sino a fusione quasi completa di una miscela di bauxite e calcare ovvero il carbonato di calcio.
la bauxite, costituita prevalentemente da ossidi idrati di alluminio, contengono, talvolta anche in quantità rilevanti, ossidi anidri e idrati di ferro, silice, silicati idrati di alluminio e piccole percentuali di biossido di titanio.
La miscela di calcare e bauxite viene portata durante la cottura ad una temperatura si 1550 - 1600 °C.
per la cottura si fa riferimento a diversi tipi di formi:
" rotativi
" verticali
" a riverbero.
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:
" 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.
la normativa italiana proibisce l'utilizzo del cemento alluminoso per la costruzione delle opere in calcestruzzo armato.

Reazioni di idratazione

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.

Sicurezza e rischi per la salute

Alcalinità
Quando il cemento Portland è unito all'acqua, la miscela formata è molto alcalina (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.

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 (cancerogeno-mutageno) 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.

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 grandi quantità di combustibile, normalmente pet-coke (prodotto derivato dal petrolio), che provoca una emissione di inquinanti, tra cui gas serra, ossidi di azoto (NOx), biossido di zolfo (SO2), monossido di carbonio (CO), biossido di carbonio CO2 , composti organici volatili e polveri fini (PM10 e PM2,5). I cementifici, a differenza degli inceneritori, raggiungono temperature di combustione pari a 1400 °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.
I cementifici, per legge, sono tutti 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.

 
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