Calcestruzzo e malte cementizie
Le malte ed i calcestruzzi rappresentano da un punto di vista quantitativo il materiale nel campo delle costruzioni più importante del mondo. Ogni anno sono prodotti oltre 2.000 milioni di metri cubi di calcestruzzo dei quali 120 milioni circa solo in Italia.
Tanto le malte che i calcestruzzi vengono prodotti miscelando e processando i seguenti ingredienti principali:
- acqua
- cemento
- elementi lapidei (inerti o, meglio, aggregati)
Malta
Se la dimensione massima dell'aggregato non supera i 5 mm., se si impiega, cioè la sabbia come ingrediente lapideo, allora il materiale risultante prende il nome di malta.
Calcestruzzo
Se invece la dimensione massima dell'aggregato supera i 5 mm. il conglomerato risultante è chiamato calcestruzzo. Il calcestruzzo, pertanto, può essere considerato come una malta alla quale venga aggiunto un certo quantitativo di aggregato grosso (ghiaia o pietrisco).
Il calcestruzzo armato
In moltissime applicazioni strutturali (travi, pilastri etc) il calcestruzzo viene rinforzato con armature in acciaio e prende la denominazione di "calcestruzzo armato".
In alcuni casi i ferri di armatura sono pre-tesi in modo che per l'effetto dell'aderenza che si sviluppa tra il sistema cementizio e l'acciaio si stabilisca uno stato di coazione, di sollecitazione a trazione nelle armature metalliche e di compressione nel conglomerato cementizio. In quieste condizioni il materiale risultante è in grado di sopportare in esercizio maggiori carichi statici o dinamici.
Applicazioni del calcestruzzo
Le applicazioni del calcestruzzo normale, armato o precompresso sono innumerevoli, soprattutto nel campo delle costruzioni civili. Può essere usato per costruire pilastri, pavimenti, dighe... sia come elemento primario sia per applicazioni secondarie (supporto, finitura, giunzione, riempimento etc).
Quali sono i motivi della versatilità di applicazione del calcestruzzo?
Alcune caratteristiche hanno reso il calcestruzzo uno dei materiali per l'edilizia più utilizzati e sono:
- larga disponibilità delle materie prime in ogni luogo
- economia del processo produttivo se confrontato ad altri materiali di costruzione
- facilità di esecuzione anche nella realizzazione di geometrie complesse per la "plasmabilità" del cls
- buona resistenza alle aggressioni ambientali naturali
Quest'ultima proprietà è, forse, sopravvalutata però dagli ingegneri civili come vedremo più avanti nell'articolo.
Il cemento portland
Il cemento, la componente principale del calcestruzzo, fa parte della famiglia dei "leganti" a cui appartengono anche gesso, calce, calce idraulica.
Il cemento portland viene ottenuto per macinazione di un clinker (ottenuto per cottura di rocce calcaree e argillose) con piccole quantità di gesso biidrato.
La cottura del clinker, rispetto a quella per produrre in passato la calce idraulica, avviene a temperature più elevate per consentire la completa combinazione dell'ossido di calcio con gli altri ossidi per arrivare alla completa formazione di alluminati e silicati di calcio.
Sono soprattutto questi ultimi che , se finemente macinati, sono capaci di reagire con acqua formando una pasta capace di indurire rapidamente.
Il cemento portland va mescolato con acqua ed indurisce rapidamente raggiungendo valori di resistenza meccanica elevati, maggiori rispetto alla calce idraulica, motivo per cui il cemento viene preferito per la realizzazione del calcestruzzo.
Produzione del cemento
Poichè i silicati di calcio sono i principali costituenti del cemento portland, le materie prime per la produzione del cemento devono fornire calcio e silice in opportune proporzioni.
Durante la cottura, che avviene ad un temperatura di 1300/1500°C vi è una presenza di fase liquida del clinker e, grazie a questa, si formano i silicati di calcio.
Dalla cottura si ottiene il clinker che viene poi sottoposto a macinazione in un mulino a sfere per la produzione di una polvere fine le cui particelle sono più piccole di 75 nanometri. Assieme al clinker viene macinato del gesso biidrato (che avrà la funzione di rallentare l'idratazione e quindi l'indurimento del cemento) ed altre costituenti che non devono superare certe percentuali. Il clinker, per un cemento portland, deve rappresentare, infatti il 95% del sistema.
Mentre per il cemento portland di tipo II è ammessa la presenza di altri costituenti fino al 35% della polvere.
Idratazione del cemento
La presa e l'indurimento del cemento sono la conseguenza di una reazione chimica che avviene tra cemento ed acqua. Per una idratazione completa il cemento avrebbe bisogno di acqua per almeno il 25% del suo peso. Tuttavia, per ottenere una pasta sufficientemente lavorabile, la perentuale di acqua deve essere aumnetata sensibilmente (fino al 30-35%).
Se alla pasta di cemento viene aggiunta sabbia o ghiaia il fabbisogno in acqua per ottenere impasti sufficientemente lavorabili aumenta ancora cosicchè il rapporto in peso acqua/cemento raggiunge valori di 0,40-0,50 per le malte e fino a 0,80 per i calcestruzzi.
L'idratazione un fenomeno graduale che inizia sulla superficie di contatto cemento-acqua e si propaga gradualmente verso l'interno di ogni granulo di cemento. Non tutti i composti del cemento si idratano alla stessa velocità: gli alluminati reagiscono velocemente rispetto ai silicati, per esempio. Inoltre più fine è il cemento e più rapidamente reagirà con l'acqua.
