-107-Appendice A
Cemento Portland
A.1 Generalità
Si definiscono “leganti” quelle sostanze, di natura inorganica, capaci di indurire se mescolate con una opportuna quantità di acqua e di legare materiali quali mattoni, pietrisco e simili; per questi motivi essi trovano largo impiego nel settore delle costruzioni edili. Se, dopo il consolidamento, il legante può essere posto a contatto con acqua senza che perda caratteristiche meccaniche, esso è definito idraulico. Se invece le sue caratteristiche meccaniche si deteriorano per contatto con acqua il legante è classificato come aereo.
Il più importante dei leganti idraulici è il cemento Portland (definito cosí,in quanto chi lo sviluppò, lo descrisse simile alla pietra di Portland).
Si usa esprimere la composizione dei cementi in termini di ossidi i quali devono essere presenti in quantità approssimativamente pari a:
2 2 3 2 3
CaO 63-67% - SiO 20-24% - Al O 3-8% - Fe O 0,5-5%
2 2 3
MgO 0,1-3% - Na O+K O 0,2-1,3% - SO 1,3%
Dopo cottura, il prodotto (clinker) è sostanzialmente costituito da quattro composti:
2
1. Silicato tricalcico 3CaOASiO
2
2. $-silicato bicalcico 2CaOASiO
2 3
3. Alluminato tricalcico 3CaOAAl O
2 3 2 3
Cemento Portland
-108-I silicati costituiscono circa l’80% del cemento. Se la composizione delle materie prime non è adeguata, o le condizioni di cottura non sono corrette, si può avere anche calce libera, CaO oppure ossido di magnesio (periclasio) il cui contenuto deve essere mantenuto basso (<4%).
Nella chimica del cemento, per brevità, si usa scrivere C, A, F ed S rispettivamente al posto di
2 3 2 3 2 2
CaO, Al O , Fe O , SiO . In tal modo i composti mineralogici del clinker, e cioè 3CaOASiO ,
2 2 3 2 3 2 3
$-2CaOASiO , 3CaOAAl O , 4CaOAAl O AFe O , possono essere indicati rispettivamente con i
3 2 3 4
simboli C S, $-C S, C A, C AF.
In realtà ciascuno dei costituenti mineralogici del clinker non si presenta come un composto puro, ma piuttosto sotto forma di una soluzione solida derivante dall’ingresso di elementi estranei nella
3
struttura cristallina di base. Così, per esempio, nel C S possono entrare piccole quantità di
3
alluminio, di magnesio e di ferro, mentre nel C A possono essere ospitati sodio e potassio.
2
A causa della formazione di soluzioni solide, talvolta in letteratura i composti 3CaOASiO ,
$-2 2 3 2 3 2 3
2CaOASiO , 3CaOAAl O , 4CaOAAl O AFe O sono più propriamente indicati rispettivamente con i nomi di alite, belite, celite e fase ferrica.
Di questi quattro composti, solo i silicati sono in grado di produrre, per reazione con l’acqua, impasti dotati di apprezzabile resistenza meccanica.
3
Il C S si forma al di sopra di 1250/C ed è stabile fino a 2070/C.Una volta formato, se è raffreddato velocemente fino a circa 700/C, risulta stabile anche a temperatura ambiente perchè
2
la sua velocità di decomposizione è molto bassa . Il C S è stabile fino a 2130/C ed è noto in2
diverse forme cristalline; di queste solo la forma $ ha importanza per le sue buone caratteristiche idrauliche. La forma $ è stabilizzata a temperatura ambiente dagli ossidi dei metalli alcalini sempre presenti nel clinker.
Cemento Portland
-109-3
Con il C S in particolare, a causa di una più alta velocità di idratazione, è possibile raggiungere
2
resistenze meccaniche elevate più rapidamente che con il $-C S.
3
Da ciò si potrebbe concludere che un cemento Portland ideale dovrebbe contenere solo C S, o una
3 2
miscela di C S e $-C S. In realtà, esistono almeno due ragioni, di carattere sia tecnico che
3 4
economico, che giustificano la presenza del C A e del C AF nel clinker del cemento Portland: la
2 3
prima è legata alla difficoltà di reperire grandi quantitativi di calcare e sabbia privi di Al O e
2 3
Fe O ; la seconda ragione è che in presenza degli ossidi di ferro o di alluminio la formazione di una fase liquida, indispensabile ad una rapida produzione industriale dei silicati di calcio, avviene a temperature più basse e quindi in condizioni più economiche.
Alla fine del ciclo di produzione, il cemento si presenta come una polvere molto fine costituita da granelli di forma irregolare di dimensioni variabili approssimativamente tra 1 e 100 :m, con dimensioni medie di 10-20 :m e con massa volumica reale di circa 3150 kg/m . Poiché le velocità3
di presa ed indurimento del cemento dipendono anche dalle dimensioni dei granuli, questo parametro è mantenuto sotto stretto controllo; ad un aumento della finezza di macinazione corrisponde un aumento della velocità di indurimento . La superficie specifica è di circa 250/300 m /kg, attribuibile in massima parte alle particelle con dimensioni inferiori al valor medio. Nella2
polvere secca le particelle più fini sono agglomerate a causa delle forze di attrazione che si originano sulla loro superficie. Posta in acqua, la polvere di cemento si comporta come una sospensione coagulata. Anche se le particelle assumono una carica elettrica superficiale questa non è infatti sufficiente a creare forze repulsive capaci di allontanare le particelle stesse.
