Il cemento
Il cemento portland è prodotto per macinazione di un clinker (ottenuto per cottura di rocce calcaree e argillose) con piccole quantità di gesso bidrato e mediante la successiva cottura del clinker.
Differenze rispetto alla calce
Rispetto al processo per ottenere la calce idraulica, la cottura avviene a temperature più elevate per consentire la completa combinazione dell'ossido di calcio con gli altri ossidi (SiO2, Al2O3, ecc.) per arrivare alla completa formazione di alluminati e silicati di calcio. Sono soprattutto questi ultimi, quando finemente macinati, sono capaci di reagire con acqua formando una pasta capace di indurire rapidamente.
Cemento ha sostituito la calce
A seguito di queste variazioni nel processo produttivo, la polvere di cemento portland mescolata con acqua indurisce molto più rapidamente raggiungendo valori di resistenza meccanica finale molto più elevati rispetto a quelli conseguibili con la calce idraulica, che, per queste ragioni, è stata in pratica abbandonata come legante idraulico per le costruzioni in calcestruzzo.
Fabbricazione del cemento
Poiché 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.
Materie prime
I calcari e le marne sono le comuni fonti industriali di calcio, mentre l'argilla e gli scisti assicurano il rifornimento di silice. Le argille contengono anche allumina (Al2O3), ossido di ferro (Fe2O3), ossido di magnesio (MgO) e alcali (sali di sodio e potassio).
Funzioni dei vari elementi
La presenza di questi ossidi ha un effetto mineralizzante sulla formazione dei silicati di calcio, poiché essi favoriscono la formazione dei silicati di calcio a temperature più basse di quanto altrimenti sarebbe ne-cessario. Infatti, durante la cottura (1300-1450 °C), la presenza della fase liquida del clinker, costituita principalmente da alluminati e ferroalluminati di calcio, permette l'adesione delle particelle solide tra loro, rendendo possibile la diffusione delle specie ioniche più rapidamente di quanto sia possibile nello stato solido: nel clinker, pertanto, grazie alla presenza della fase liquida, si formano i silicati di calcio a temperature più basse e in tempi relativamente brevi. Il prodotto finale contiene, quindi, oltre ai silicati di calcio (principalmente responsabili delle proprietà leganti del cemento) anche alluminati e ferro-alluminati di calcio.
Importanza della macinazione
I componenti della miscela cruda devono essere finemente macinati e intimamente miscelati, affinché nel forno durante la cottura avvengano le reazioni desiderate.
Reazioni chimiche
Le reazioni chimiche che si verificano nel forno da cemento portano alla formazione di quattro composti principali:
- Argilla -> 500°C -> SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O
- Calcare -> 900°C -> CaO + CO2
Gli elementi chimici del cemento
L'acqua e la CO2 vengono disperse con i fumi della combustione, mentre i quattro ossidi solidi possono combinarsi tra di loro dando luogo ad una serie di costituenti mineralogici dai nomi che sembrano complicati:
- alluminato tricalcico (C3A)
- ferro-alluminato tetracalcico (C4AF)
- silicato bicalcico (C2S)
- silicato tricalcico (C3S)
Ognuno di questi componenti, come vedremo, ha una precisa funzione e importanza nel cemento.
Percentuali dei componenti
Gli ultimi due componenti (C2S e C3S) costituiscono il 75-85% della massa del clinker e sono quelli che, in pratica, conferiscono le caratteristiche di resistenza meccanica al cemento indurito. Gli altri due composti (C3A e C4AF) danno un modestissimo contributo allo sviluppo delle resistenze meccaniche ma la loro presenza è essenziale per la formazione della fase liquida che assicura, durante la cottura nel forno, la produzione dei silicati di calcio a temperature non molto elevate. A questi componenti viene aggiunta una piccola quantità (5-6%) di gesso biidrato, con un ruolo, anche questo, fondamentale, che vedremo in seguito.
Inoltre vengono aggiunti altri costituenti: loppa d'altoforno, cenere volante, pozzolana naturale ecc le cui quantità debbono essere comprese entro determinati limiti stabiliti dalle normative dei vari Paesi.
L'indurimento del cemento
La presa (prima fase) e l'indurimento (seconda fase) del cemento sono la conseguenza della reazione chimica del cemento con l'acqua. Per un'idratazione completa, da un punto di vista puramente stechiometrico (cioè per convertire chimicamente i costituenti mineralogici del clinker nei corrispondenti composti idratati), il cemento avrebbe bisogno di un quantitativo di acqua pari al 25% circa del suo peso. Tuttavia, per ottenere una pasta sufficientemente lavorabile in cantiere, la percentuale di acqua deve essere aumentata sensibilmente (30-35%). Se alla pasta di cemento viene aggiunta sabbia (malta) o sabbia e aggregato grosso (calcestruzzo), il fabbisogno in acqua per ottenere impasti sufficientemente lavorabili aumenta ancora, cosicché il rapporto in peso acqua/cemento raggiunge valori di 0,40-0,50 per le malte e fino a 0,80 per i calcestruzzi,
Il fenomeno dell'idratazione del cemento
L'idratazione è un fenomeno graduale che inizia sulla superficie di contatto cemento-acqua e si propaga gradualmente verso l'interno di ogni granulo di cemento.
Nei primi stadi dell'idratazione del cemento la reazione avverrebbe attraverso la dissoluzione dei composti anidri con formazione dei loro costituenti ionici nella fase acquosa e con successiva precipitazione di prodotti idratati solidi dalla soluzione acquosa soprassatura.
A stagionature più lunghe, quando la mobilita degli ioni in soluzione diminuisce, l'idratazione del cemento anidro residuo avverrebbe attraverso un meccanismo di reazione topochimico: l'acqua, dopo aver penetrato lo strato di prodotti idratati già precipitati intorno ai granuli di cemento, reagisce con il nucleo ancora anidro dei granuli stessi depositando in situ i nuovi prodotti idratati.
L'idratazione diminuisce con il tempo
Indipendentemente dal processo di formazione dei prodotti idratati, la velocità di idratazione diminuisce continuamente nel tempo, cosicché, anche dopo periodi molto lunghi, una parte non trascurabile del cemento rimane ancora allo stato anidro.
Poiché il cemento portland è costituito da una miscela eterogenea di diversi composti, il processo di idratazione consiste nelle reazioni dei costituenti anidri con l'acqua che avvengono alcune simultaneamente, altre in successione. Tutti i composti, tuttavia, non si idratano con la stessa velocità. Gli alluminati reagiscono molto più velocemente con l'acqua rispetto ai silicati. Tuttavia, sulla velocità di raggiungimento delle resistenze meccaniche giocano un ruolo determinante solo i silicati, mentre l'idratazione degli alluminati influenza prevalentemente le proprietà reologiche degli impasti freschi (perdita di lavorabilità e presa).
Finezza del cemento
Oltre alla composizione dei composti, la finezza del cemento influenza la sua reattività con l'acqua. Più fine è il cemento, più rapidamente reagirà con l'acqua e, pertanto, l'influenza della finezza sulla resistenza meccanica è più evidente durante i primi giorni di stagionatura.
Serve un tempo di lavorazione
La reazione del C3A con l'acqua è immediata; pertanto, se non la si rallenta in un qualche modo, il cemento portland non è idoneo ad essere utilizzato a causa della rapida produzione di alluminati idratati (CAH3) i quali, ancorché incapaci di contribuire significativamente allo sviluppo della resistenza meccanica, fanno perdere troppo velocemente l'iniziale plasticità all'impasto e ne provocano un rapido aumento di rigidità (presa rapida). Il rallentamento dell'idratazione del C3A avviene, generalmente, tramite il gesso che, proprio come regolatore della presa, viene introdotto all'atto della macinazione del clinker per produrre il cemento
portland.
L'idratazione del C4AF presenta problemi di presa rapida simili a quelli che coinvolgono la reazione del C3A con l'acqua e anche per l'idratazione del CAF il gesso gioca un ruolo di moderatore della presa.
L'indurimento
Dopo circa un giorno, quando tutto il gesso e stato consumato, l'ettringite, in stabile in assenza di solfato di calcio, comincia a trasformarsi in un altro composto, monosolfoalluminato idrato. Pertanto, in un calcestruzzo indurito la presenza di ettringite è soltanto transitoria e difficilmente può essere riscontrata gia dopo qualche giorno, a meno che non intervengano fenomeni particolari legati all'interazione con l'ambiente.
Gli ioni solfato, provenienti dalla dissoluzione del gesso, hanno un effetto ritardante sugli alluminati ma un effetto accelerante sull'idratazione dei silicati.
Tutto ciò comporta un progressivo consolidamento del sistema acqua-cemento attraverso il fenomeno della presa (nel giro di qualche ora) e quindi dell'indurimento in meno di un giorno.
