2  Il legante

I leganti sono materiali inorganici costituiti da polvere finissima ottenuta per cottura e macinazione di rocce naturali. Essi sono caratterizzati da una notevole proprietà adesiva e mescolati con acqua assumono dopo un certo tempo una consistenza lapidea. Il processo d’indurimento è determinato dalle reazioni chimiche dei materiali costituenti con aria o acqua. Si distinguono, infatti, due tipi di leganti: I cementi che sono utilizzati oggi non erano conosciuti in passato quando si utilizzavano malte preparate con la pozzolana.. Nell’epoca moderna le prime ricerche che portarono alla produzione degli attuali cementi furono svolti dall’ingegnere Smeaton al quale fu conferito l’incarico di costruire un faro. Egli aveva osservato le migliori caratteristiche di resistenza all’acqua dei materiali ottenuti cuocendo il calcare con l’argilla. Successivamente Parker riuscì a brevettare un legante idraulico ottenuto con calcari marnosi e argilla e Vicat dimostrò come la proprietà idraulica del cemento era fornita dalla presenza di silice. Nel 1824 un muratore inglese, Joseph, riuscì a confezionare il primo cemento che prese nome di "cemento Portland" per la notevole somiglianza con le pietre naturali che sono presenti vicino Portland in Gran Bretagna.

E’ trascorso molto tempo da allora e oggi la produzione del cemento Portland è realizzata con particolare attenzione sia per i materiali di costituenti che per l’intero processo produttivo fino allo stoccaggio in appositi contenitori.
 
 

2.1 Composizione del Portland
Il cemento Portland è prodotto per cottura di miscele costituite dal 75-78% di calcare () e dalla restante parte di argilla () con l’aggiunta di piccole percentuali di correttivi quali ossidi di ferro, trachiti e scorie d’altoforno.

Per preparare un buon cemento non è sufficiente determinare con precisione i dosaggi dei materiali costituenti ma è necessario macinarli finemente per essere sicuri che in fase di cottura la silice possa reagire con la calce per dare il silicato.

I costituenti elementari del portland, che qui sono elencati con a fianco la simbologia adottata,

C

S

A

F

durante la cottura reagiscono tra loro dando origine ad alcune strutture mineralogiche che rappresentano i principali elemento chimici del cemento che sono responsabili del processo di presa e indurimento:


La miscela di  prende il nome di celite e costituisce il connettivo per l’alite e la belite in cui sono immerse con distribuzione casuale.
 
 

    2.2 Produzione del cemento
Il processo di fabbricazione consiste in una prima macinazione e miscelazione delle materie prime seguite dalla cottura per ottenere il clinker di Portland. Per ottenere il cemento Portland si aggiunge successivamente una piccola percentuale di gesso () che ha la funzione di regolare l’indurimento

Dopo una grossa frantumazione sul luogo di estrazione calcare e argilla sono inseriti in mulini a palle costituiti da cilindri di lamiera di acciaio. All’interno vi sono corpi macinanti in cromo - nichel di elevata durezza che occupano circa 1/3 del volume disponibile del mulino. Ottenuta la farina, dopo la macinazione in mulino, si procede alla omogeinizzazione finale che è realizzata in grossi sili in cui viene insuflatta aria dal basso determinando un mescolamento della polvere. Dopo questo procedimento la farina è pronta per essere inserita all’interno del forno di cottura.

Di solito sono utilizzati forni rotanti che sono costituiti da un cilindro di acciaio rivestito internamente da uno strato di materiale refrattario. Il forno è mantenuto in continua rotazione (1-2 giri al minuto) ed ha una leggera inclinazione pari a 5° che garantisce l’avanzamento del materiale durante la cottura.

Figura 2.1: Forno per la produzione di clinker di portland

Il bruciatore che alimenta le reazioni chimiche è posto nel lato opposto a quello dove entra la farina.

Il processo di cottura dei materiali di partenza del cemento di propone i seguenti obiettivi:

Temperatura

°C

Reazioni
Commento
100
 
Perdita acqua impasto
500
Decomposizione dell’argilla 
600-950

Decomposizione dei carbonati
600-1000

Reazioni tra prodotti di decomposizione
1000-1200

Formazione di  e di 
1200-1250
Fusione parziale e formazione di 
Raffred-damento
Formazione di 

Le reazioni chimiche sono fortemente endotermiche ed avvengono in fase solida o in liquido magmiforme. Questo determina una cinetica molta bassa che crea molti problemi durante la produzione; risulta molto efficiente realizzare impianti che permettono di superare i 1500 °C per un tempo adeguatamente lungo per completare le reazioni chimiche.

Il materiale che esce dal forno rotativo è il clinker di Portland. Esso si presenta in forma sferica, di dimensione variabile dai 3 ai 25 mm di diametro e costituita per il 75-85% da , per il 20-25% da . In realtà i composti non sono puri ma contengono disciolte alcuni impurezze di ossidi per cui è più corretto indicarli con le fasi corrispondenti: alite, belite e celite. L’alluminato-ferrito tetracalcico è una soluzione solida di composizione variabile contenete calce, allumina e ossido di ferro e viene chiamata fase ferrica.

Oltre a questi componenti principali il clinker di Portland è costituito da piccole percentuali di impurezze tra le quali risultano più frequenti ossidi di magnesio, titanio, manganese, potassio e sodio. Questi ultimi due sono particolarmente importanti perché regolano il valore del pH della pasta cementizia.

Una volta prodotto il clinker esso viene macinato in batterie di mulini a sfere. Questa lavorazione è la più importante di tutto il processo di fabbricazione del cemento in quanto le caratteristiche del prodotto finale dipendono principalmente dal grado di macinazione del clinker. Infatti, la presa e velocità di idratazione dipendono dalle caratteristiche superficiali che il materiale presenta.

Durante la macinazione viene aggiunta una piccola percentuale di gesso che ha la funzione di normalizzare la presa e l’indurimento. Si ottiene in tal modo il cemento Portland.
 
 

    2.3 Idratazione del cemento portland
Mescolando acqua e cemento in opportune proporzioni si ottiene un impasto che nel tempo subisce varie trasformazione chimico-fisiche. La pasta nel primo stadio risulta plastica e lavorabile ma dopo un certo periodo alla messa in opera diventa meno lavorabile (inizio presa) fino ad assumere una consistenza rigida (termine presa).

Avvenuta la presa il processo di idratazione continua (indurimento) anche se con una velocità sempre minore che può durare mesi ed anni. Convenzionalmente questa fase che viene chiamata indurimento si conclude dopo 28 giorni di stagionatura dalla posa in opera. A questa scadenza, però, corrisponde approssimativamente ai 2/3 della resistenza meccanica teoricamente sviluppabile a tempo infinito.

Il meccanismo di idratazione della pasta cementizia è molto complesso e quindi si descriveranno solo le fasi più importanti.

Le reazioni chimiche che si sviluppano grazie all’azione chimica dell’acqua nei confronti dei granuli della polvere di cemento avvengono in successione temporale:

dove con n si indica un numero imprecisato di molecole d’acqua.



e del  proveniente dalla decalcificazione idrolitica di  e della belite originaria:

La prima reazione provoca una forte richiesta di calce idrata (portlandite) che non riesce ad essere soddisfatta, per l’elevata velocità cui procede, dalla sola decalcificazione dell’alite. Questo provoca una decalcificazione anche della belite che, però, determina una produzione di altri composti poveri di  e quindi peggiorerebbe le caratteristiche meccaniche. Per risolvere tale problema si aggiunge una piccola percentuale di gesso che reagisce preferenzialmente con l’alluminato tricalcico riducendo la richiesta di calce idrata rallentando la presa e l’indurimento.

ettringite o sale di Candlot


In ogni caso, pero, la quantità di gesso non deve superare i limiti prescritti in quanto l’ettringite presenta una densità minore del materiale nel suo insieme e una sua presenza massiccia pregiudicherebbe un buon comportamento meccanico del materiale finale.

E’ molto interessante confrontare le diverse velocità di reazione dei vari composti del cemento portland. Nel grafico successivo sono riportate le percentuali di idratazione in funzione del tempo di stagionatura dei singoli composti sottoposti ad una separata azione dell’acqua.

Figura 2.2: Idratazione dei composti del cemento nel tempo

Nel prossimo grafico, invece, sono riportate le resistenze meccaniche dei composti in funzione del tempo di stagionatura.

Figura 2.3: Resistenze meccaniche in funzione del tempo di stagionatura
 
 
    2.4 Caratteristiche chimico fisiche
La composizione dei cementi è molto variabile e dipende da vari parametri ma presentano alcune caratteristiche fondamentali comuni che determinano le prestazioni e la qualità del prodotto.
La macinazione del cemento è una fase molto importante della sua produzione. Il grado di finezza della polvere determina, in prima approssimazione, la velocità di idratazione della pasta cementizia. Un cemento ad elevata resistenza iniziale è caratterizzato da una finezza maggiore di quella di un cemento normale; questo permette una maggiore superficie specifica che determina un maggior contatto granulo – acqua e quindi una notevole accelerazione delle reazioni chimiche. In molti casi le difficoltà di una spinta macinazione negli impianti di produzione giustificano una differente composizione del prodotto, anche se limitata, per ottenere cementi ad alta resistenza iniziale.
 
La distribuzione granulometrica della polvere di cemento è molto importante perché consente di verificare la qualità del prodotto. Se tutti i granuli del cemento fossero della stessa dimensione il suo comportamento sarebbe omogeneo e tutto il materiale idratato indurirà dopo lo stesso periodo di tempo. In realtà una macinazione che permette di ottenere una polvere monogranulare è poco conveniente in termini economici e, in ogni caso, molto complicato da ottenere. Di solito la distribuzione viene fornita in curve di distribuzione granulometriche che consentono di determinare le percentuali parziali e cumulate delle particelle passanti o trattenuti ad un dato vaglio di riferimento.
 
Le reazioni di idratazione del cemento producono sui granuli dello stesso un gel in forma di aghi o fogliette ortogonale rispetto la superficie di reazione. Questi aghi con il procedere delle reazioni si allungano fino ad entrare in collisione con le altre dei granuli adiacenti determinando una sempre meno deformabilità della pasta cementizia (presa) fino all’indurimento completo e allo sviluppo di caratteristiche meccaniche (indurimento).

Figura 2.4: Idratazione schematica del cemento: A) subito dopo il mescolamento; B) durante la presa; C) durante l'indurimento
Convenzionalmente sono assunti con i termini "inizio presa" e "termine presa" due istanti, successivi all’inizio dell’idratazione, definiti dalla UNI EN 196-3.

La prova di presa si effettua facendo affondare nella pasta contenuta in un anello a forma di tronco di cono l’ago di Vicat cioè un ago d’acciaio di sezione normalizzata pesante complessivamente 300 g. L’entità dell’affondamento viene letto su una scala graduata. Si definisce inizio della presa il momento in cui l’ago si arresta alla distanza di 4 (± 1) mm dal fondo e termine presa il momento in cui l’ago penetra nella pasta non più di 0.5 mm.

Come conseguenza dell’idratazione i costituenti del cemento si trasformano in altri composti chimici che conferiscono proprietà meccaniche alla pasta indurita. La velocità con cui il cemento sviluppa le resistenze meccaniche dipende essenzialmente dal grado di macinazione condotto e dalla percentuale di  essendo quest’ultimo il composto che conferisce per primo la resistenza.
La reazione tra cemento e acqua produce una grande quantità di calore chiamato calore di idratazione. La sua entità dipende dai componenti del cemento e dalla sua finezza. In generale se la velocità di reazione è alta allora anche il calore sviluppato sarà notevole. Questa caratteristica è molto importante specie per i getti massivi in cui si realizzano enormi quantità di calcestruzzo che può sviluppare un notevole calore per lunghi periodi di stagionatura.
    2.5 Normativa sui cementi
La normativa dei cementi ha il duplice scopo di classificare questi materiali da costruzione e di stabilire i requisiti di accettazione. La prima legge italiana risale al 1908 e da allora numerosi sono stati i suoi aggiornamenti.

La norma di riferimento è entrata in vigore il 22/9/1993 con apposito decreto che abroga le leggi precedenti sostituendole con la norma europea sperimentale ENV 197 la cui versione italiana è nota con la seguente sigla ENV UNI 197.

La normativa si proponeva di classificare tutti i cementi utilizzati all’interno della Comunità Europea. E’ inevitabile, quindi, che definisse un numero molto elevato di cementi e dei loro costituenti:

I cementi sono identificati dal tipo (CEM I, CEM II, ….…..) e dalla classe di resistenza della malta plastica corrispondente espressa in . Viene, inoltre, inserita una lettera R se il cemento è ad alta resistenza iniziale. Ad esempio il cemento portland di classe 42.5 ad alta resistenza iniziale è identificato con la seguente sigla:

CEM I 42.5 R


      2.5.1 Tipi di cemento
I cementi conformi alla ENV 197 sono suddivisi in 5 tipi principali:
 
I
cemento Portland
II
cemento Portland composito
III
cemento d’altoforno
IV
cemento pozzolanico
V
cemento composito

 
Tipo
Denominazione
Sigla
Clinker
Loppa
Microsilice
Pozzolana
Cenere volante
Scisto calcinato
Calcare
Altri comp.
P
Q
V
W
I
Cemento portland
I
95-100
-
-
-
-
-
-
-
-
0-5
Cemento alla loppa
II/A-S
80-94
6-20
-
-
-
-
-
-
-
0-5
II/B-S
65-79
21-35
-
-
-
-
-
-
-
0-5
Cemento portland alla microsilice
II/A-S
90-94
-
6-10
-
-
-
-
-
-
0-5
II
Cemento Portland alla pozzolana
II/A-P
80-94
-
-
6-20
-
-
-
-
-
0-5
II/B-P
55-79
-
-
21-35
-
-
-
-
-
0-5
II/A-Q
80-94
-
-
-
6-20
-
-
-
-
0-5
II/B-Q
55-79
-
-
-
21-35
-
-
-
-
0-5
Cemento Portland alle ceneri volanti
II/A-V
80-94
-
-
-
-
6-20
-
-
-
0-5
II/B-V
55-79
-
-
-
-
21-35
-
-
-
0-5
II/A-W
80-94
-
-
-
-
-
6-20
-
-
0-5
II/B-W
55-79
-
-
-
-
-
21-35
-
-
0-5
Cemento Portland allo scisto calcinato
II/A-T
80-94
-
-
-
-
-
-
6-20
-
0-5
II/B-T
55-79
-
-
-
-
-
-
21-35
-
0-5
Cemento portland al calcare
II/A-L
80-94
-
-
-
-
-
-
-
6-20
0-5
II/B-L
55-79
-
-
-
-
-
-
-
21-35
0-5
Cemento Portland composito
II/A-M
80-94
------------------------------------------ 6-20 -----------------------------------------
0-5
II/B-M
55-79
----------------------------------------- 21-35 -----------------------------------------
0-5
III
Cemento d’altoforno
III/A
35-64
36-65
-
-
-
-
-
-
-
III/B
20-34
65-80
-
-
-
-
-
-
-
0-5
III/C
5-19
81-95
-
-
-
-
-
-
-
0-5
IV
Cemento pozzolanico
IV/A
55-89
-
-------------- 11-35 --------------
-
-
-
0-5
IV/B
45-64
-
---------------- 36-55 --------------
-
-
-
0-5
V
Cemento composito
V/A
40-64
18-30
-
--------- 18-30 ---------
-
-
-
0-5
V/B
20-39
31-50
-
--------- 31-50 ---------
-
-
-
0-5

CEM I: cemento Portland

E’ costituito per il 95% da clinker e per il 5% da composti secondari. L’alta percentuale di clinker conferisce una buona lavorabilità e un rapito indurimento e permette di scasserare più rapidamente ma necessità di particolare attenzione per evitare rapidi essiccamenti. L’alto calore di idratazione non permette un suo utilizzo per getti massivi.

CEM II: cemento Portland composito

Questo tipo può contenere dal 65 al 94% di clinker a seconda dei sottotipi che prevedono, in alternativa al cemento, loppe granulate, microsilice, pozzolane o ceneri volanti. A questi componenti principali si associano altri di minore importanza fino ad un massimo del 5%.

CEM III: cemento d’altoforno

Contiene clinker in quantità variabile da 20 a 64%, loppe d’altoforno fino ad un massimo del 80% e altri componenti meno pregiati entro il 5%.Le loppe sono sottoprodotti della lavorazione della ghisa in altiforni. Esse hanno una notevole attività idraulica ma solo allo stato vetroso per cui occorre raffreddare violentemente le scorie allo stato liquido per ottenere granuli di loppe altamente reattivi.

CEM IV: cemento pozzolanico

Si ottiene inserendo durante la macinazione oltre al clinker e al gesso la pozzolana naturale o artificiale. Ha una percentuale di clinker dal 45 al 89% e da 11 a55% di pozzolana, microsilice e da componenti secondari entro il 5%. La pozzolana è una pietra naturale caratterizzata dalle seguenti proprietà:

Queste due funzioni note sotto il termine di " attività pozzolanica" determinano un lento ma progressivo indurimento delle loppe che solo dopo lunghi periodi di stagionatura raggiungono le stesse resistenze di un cemento portland.

CEM V: composito

Questo cemento è costituito da 20-64% di clinker e dalla restante parte dagli altri componenti base riportati nella normativa e qui riportati nella seguente tabella.
 
 
Manca tabella

      2.5.2 Requisiti di accettazione
La normativa ENV UNI 197/1 definisce distingue tre tipologie di requisiti: La resistenza normalizzata di un cemento è la resistenza a compressione a 28 giorni determinata secondo EN 196-1. Le classi di resistenza normalizzata considerate sono tre: La classificazione di un cemento in base alla resistenza normalizzata deve essere indicata con i numeri 32,5, 42,5 e 52,5 secondo la denominazione normalizzata del tipo di cemento.

La resistenza iniziale di un cemento è la resistenza meccanica a compressione determinata a 2 o a 7 giorni secondo EN 196-I.

Per ogni classe di resistenza normalizzata si definiscono due classi di resistenza iniziale, una con resistenza iniziale ordinaria e l'altra con elevata resistenza iniziale contrassegnata dalla lettera R .
 

        2.5.2.2 Requisiti fisici
           
Per tutti i tipi di cemento e le classi di resistenza, il tempo di inizio presa, determinato secondo EN 196-3, deve soddisfare i requisiti riportati nel prospetto seguente.

Manca!

I cementi devono possedere una stabilità volumetrica. La prova di espansione proposta dalla norma è indispensabile per verificare la presenza o meno dei composti responsabili della variazione di volume durante l’idratazione del cemento e che determinano una riduzione della durabilità del manufatto. Per tutti i tipi di cementi l’espansione secondo la UNI EN 196-3 deve soddisfare i requisiti fissati dal seguente prospetto.
 

Classe
Resistenza alla compressione 
Tempo di inizio presa

[min]

Espansione

[mm]

Resistenza iniziale
Resistenza normalizzata
2 giorni
7 giorni
28 giorni
32.5
-
³ 16
³ 32.5
£ 52.5
³ 60
³ 10
32.5 R
³ 10
-
42.5
³ 10
-
³ 42.5
£ 62.5
42.5 R
³ 20
-
52.5
³ 20
-
³ 52.5
-
³ 45
52.5 R
³ 30
-
2.5.2.3 Requisiti chimici
Le prove chimiche che la normativa stabilisce sono: