Il cemento è un materiale essenziale nella costruzione, poiché agisce come legante per unire pietre, mattoni e tegole attraverso il processo di presa e indurimento. Questo materiale è classificato come legante idraulico, poiché indurisce e si lega alle materie inerti reagendo con l’acqua.
A differenza dei leganti aerei, che assorbono acqua e CO2 dall’atmosfera durante il processo di carbonatazione, i leganti idraulici possono essere utilizzati in opere sommerse, a condizione che non siano esposti ad acque aggressive che possono causare corrosione.
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La composizione del cemento comprende principalmente calcare, sabbia, argilla, bauxite, minerali di ferro e possibilmente gesso, marna, scisto, scorie d’altoforno e ardesia. Queste materie prime vengono lavorate in impianti di produzione, riscaldate e trasformate in una polvere fine che, mescolata con acqua, innesca una reazione chimica seguita dalla presa e indurimento.
Produzione del cemento
Il cemento è composto da ossido di calcio (CaO) che aumenta la resistenza, biossido di silicio (SiO2) che contribuisce alla forza, ossido di alluminio (Al2O3) responsabile della presa rapida e ossido di ferro (III) (Fe2O3) che determina il colore. Tra gli altri componenti presenti in piccole quantità vi sono ossido di magnesio, ossido di sodio, ossido di potassio, anidride fosforica e anidride solforica, che contribuiscono ad aumentare il pH fino a 13,5 per proteggere l’acciaio dall’armatura dalla corrosione.
Il calcare sotto forma di calcite, aragonite o marmo insieme alle marne viene frantumato e portato in un forno rotante a circa 1450°C, dove avviene la decomposizione termica del carbonato di calcio e la reazione con gli altri componenti.
Chimica del cemento
Le reazioni tra i componenti del cemento generano i composti di Bogue, denominati così in onore del fisico statunitense Robert Herman Bogue. I principali composti di Bogue sono il silicato tricalcico (C3S), il silicato bicalcico (C2S) e l’alluminato tricalcico (C3A). Questi composti sono cruciali per le proprietà del cemento e ne determinano le caratteristiche di resistenza e indurimento.
Processo di idratazione dei composti del cemento
Il processo di idratazione dei composti del cemento è un processo fondamentale per la resistenza meccanica e le proprietà del cemento stesso. I principali composti coinvolti sono l’alite, la belite, la celite e la ferrite.
Alite
L’alite si idrata rapidamente, generando una reazione esotermica che rilascia 125 kcal/kg. Questo composto forma il silicato di calcio idrato, che gioca un ruolo cruciale nella resistenza meccanica iniziale del cemento. Belite
La belite, al contrario, si idrata più lentamente rispetto all’alite. La sua reazione esotermica rilascia 63 kcal/kg e produce il silicato di calcio idrato, responsabile della resistenza meccanica a lungo termine del cemento. Celite
La celite è il primo composto a idratarsi durante il processo, generando il maggior calore di idratazione pari a 215 kcal/kg. Questo composto è il principale responsabile della presa del cemento. Ferrite
Infine, la ferrite si idrata tramite una reazione esotermica che rilascia 95 kcal/kg. Durante questo processo si formano alluminati di calcio idrati, che insieme alla celite contribuiscono alla presa del cemento. Il corretto equilibrio tra questi processi di idratazione è essenziale per ottenere un cemento con le proprietà meccaniche desiderate. Ciò dimostra quanto sia importante comprendere i diversi composti presenti nel cemento e il loro ruolo nell’indurimento del materiale.
