CEMENTO

CEMENTO (IX, p. 701 e App. I, p. 399)

Costituzione. - Gli studî sulla costituzione dei cementi hanno avuto, negli ultimi dieci anni, notevole incremento grazie all'applicazione di un nuovo metodo di indagine: l'osservazione microscopica per riflessione applicata a tale studio da B. Tavasci (Politecnico di Milano) e che consente osservazioni fino a mille ingrandimenti. Si sono potuti così identificare i varî costituenti del cemento: alite, in cristalli prismatici od esagonali (fig. 1), belite in aggregati rotondeggianti che presentano in parte striature regolari (tracce di geminazione; fig. 2). Il terzo costituente dei clinker, la celite che appare, alle osservazioni per trasparenza, di costituzione incerta, risulta, all'esame per riflessione, formata da un costituente chiaro, a cristalli allungati (4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃), e da un costituente più scuro, in grossi cristalli tabulari (3CaO•Al₂O₃; fig. 3). L'ossido di magnesio, che compare in quasi tutti i clinker industriali in piccole quantità, rimane libero formando in parte una soluzione solida nel 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃ e comparendo, in parte, sotto forma di periclasio, in cristalli minuti, con elevato potere riflettente (fig. 4). Gli ossidi di sodio e di potassio, che possono essere presenti nei cementi in piccole percentuali, tendono a sostituire in parte l'ossido di calcio nei silicati e negli alluminati. Sono stati, infatti, identificati due composti ternarî: K₂O•23CaO•12SiO₂ e Na₂O•8CaO•Al₂O₃, i quali derivano rispettivamente da 2CaO•SiO₂ e da 3CaO•Al₂O₃, nei quali si è avuta una parziale sostituzione della CaO con K₂O e con Na₂O. L'ossido di potassio si combina anche con SO₃ per dare K₂SO₄, stabile alla temperatura di cottura del cemento. Gli ossidi alcalini tendono anche a formare soluzioni solide col silicato bicalcico e con l'alluminato tricalcico. L'analisi coi raggi röntgen, col metodo delle polveri di Debye-Sherrer, ha recato un notevole ausilio, insieme con l'osservazione microscopica, a questi studî (per es., identificazione della alite con il silicato tricalcico).

Idratazione. - Con lo studio dei sistemi in equilibrio CaO-SiO₂-H₂O; CaO-Al₂O₃-H₂O; CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃-H₂O si è potuto assodare che i costituenti del cemento Portland si idratano nel seguente modo:

a) dal silicato tricalcico (alite) si forma per idrolisi, liberando 1 mol. di CaO, il 2CaO•SiO₂•nH₂O, stabile, secondo R. Nacken, in contatto con una soluzione calcica avente pH compreso fra 12.30 (soluzione satura) e 11.74. Al disotto di questo valore del pH è stabile il silicato idrato 3CaO•2SiO₂•nH₂O, il quale, a sua volta, quando si porti la soluzione di contatto a pH 11,55, si idrolizza nel composto CaO•SiO₂•nH₂O. Gli stessi idrati si formano per idratazione del silicato bicalcico. Tutti questi silicati idrati si presentano sotto forma colloidale.

b) l'alluminato tricalcico si idrata a sale idrato 3CaO•Al₂O₃•nH₂O, che, al disotto di 25°, è stabile con 12 mol. di acqua di cristallizzazione nella forma esagonale, mentre al disopra di questa temperatura passa alla forma cubica 3CaO•Al₂O₃•6H₂O. In presenza di soluzioni calciche con pH superiore a 12, l'alluminato tricalcico idrato si trasforma nell'alluminato tetracalcico 4CaO•Al₂O3-12H₂O. Altro alluminato idrato è il 2CaO•Al₂O₃7H₂O, che si forma per idratazione dell'alluminato monocalcico, con messa in libertà di allumina idrata.

Esso si forma durante l'idrataziorie del cemento alluminoso (fuso).

c) l'allumino-ferrito tetracalcico 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃ (brownmillerite) si idrata, con formazione di alluminato idrato e ferrito idrato, secondo la reazione: 4CaO•Al₂O₃•Fe₂O₃ + nH₂O = 3CaO•Al₂O₃•6H₂O + CaO•Fe₂O₃nH₂O. Con concentrazioni in calce della soluzione di contatto superiori a 1.05 gr/l. (pH = 12.25) si forma il ferrito tetracalcico 4CaO•Fe₂O₃•12H₂O.

Chiariti i processi di idratazione dei singoli costituenti principali del cemento, si può tracciare lo schema di idratazione del cemento stesso, nel quale va tenuto conto dell'influenza che la calce di idrolisi del silicato tricalcico esercita, portando rapidamente a saturazione la soluzione di contatto, sugli altri costituenti idrati:

È di recentissima data l'applicazione del microscopio elettronico agli studî sulla idratazione del cemento che, con i suoi altissimi ingrandimenti, ha portato notevole ausilio al riconoscimento delle fasi solide. Con questo mezzo di indagine si è potuto mettere in evidenza che i silicati idrati, la cui struttura apparentemente colloidale non è risolvibile con i microscopî ottici, appaiono, a fortissimi ingrandimenti, formati da minutissimi cristalli, ciò che è in accordo con le analisi radiografiche.

I cementi speciali. - La tendenza, rilevata già da varî anni, di produrre cementi particolarmente adatti per speciali applicazioni, si è ancora accentuata, anche attraverso una vera e propria legislazione dei cementi speciali. Gli Stati Uniti d'America, con le specificazioni ASTM C. 150-46 del 1941, hanno appunto regolamentato i seguenti cementi speciali: cememo Portland tipo III (da usarsi quando siano richieste elevate resistenze iniziali); cemento Portland tipo IV (da impiegarsi quando si richieda un basso calore di idratazione); cemento Portland tipo V (da usarsi quando sia richiesta una elevata resistenza ai solfati). I limiti di composizione chimica caratteristici per questi tre tipi di cemento sono riportati nella seguente tabella:

Da questi valori si vede quale criterio abbiano adottato i tecnici americani per la fabbricazione dei cementi a basso calore di idratazione e di quelli ad alta resistenza chimica. Per i primi si fissa un limite per le percentuali di silicato tricalcico e di alluminato tricalcico, mentre nei secondi si abbassa ancora il limite di quest'ultimo costituente e si fissano due valori limite del modulo dei fondenti

Per il cemento tipo III, a rapido indurimento, si eleva notevolmente il limite dell'alluminato tricalcico, costituente di rapida idratazione, e si prescrive un minimo di resistenze a un giorno.

In Italia la legislazione per i cementi speciali si limita alle Norme sui cementi pozzolanici (1939). Queste norme, fissando che il rapporto:

deve essere uguale o superiore all'unità, impongono che i cementi stessi contengano pozzolana in quantità superiore al valore di 30÷35%; stabilendo inoltre che i cementi stessi debbano lasciare all'attacco acido-basico un residuo non superiore al 16%, assicurano che i cementi siano preparati con buona pozzolana e non con materiale siliceo inerte.

Di recente regolamentazione (ASTM C 175-1942) da parte degli Stati Uniti sono i cosiddetti "Air entrained cements": si tratta di cementi Portland, miscelati con piccolissime quantità di speciali prodotti organici, che, all'atto dell'impasto, fanno inglobare nella malta piccole quantità di aria (5-6% sul volume del calcestruzzo) che rimane nel getto sotto forma di minute bollicine. Una vasta sperimentazione effettuata negli S. U. negli ultimi dieci anni su questi cementi ha potuto assodare che il loro impiego è particolarmente adatto per la costruzione di pavimentazioni in climi molto freddi. Infatti il calcestruzzo preparato con questi cementi appare meno facilmente deteriorabile da parte del gelo.