Il cemento, in edilizia, indica una varietà di materiali da costruzione, in particolare leganti idraulici, che miscelati con acqua sviluppano proprietà adesive (proprietà idrauliche). Tecnicamente in architettura è considerato una pietra artificiale.
La Germania era, nel 2014, il primo produttore in Europa (il secondo era l'Italia). Si stima che nel 2009 si siano prodotte 36 milioni di tonnellate di cemento, pari a circa per abitanteLe conseguenze del cemento, Martinelli 2011, p.76. La produzione mondiale del 2008 è stata di 2,83 miliardi di tonnellate, ossia circa pro capite.
Storia
Età antica L'uso del legante nelle costruzioni può essere fatto risalire al III millennio a.C., quando in Egitto era utilizzata la malta di gesso per la realizzazione di paramenti murari in conci di pietra. I Romani inizialmente impiegavano come legante prevalentemente la calce aerea. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce aerea, l'indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza, poiché il consolidamento di una malta a base di calce è dovuto alla reazione dell'idrossido di calcio con l'anidride carbonica presente nell'aria, con la successiva produzione di carbonato di calcio.
A partire dal I secolo a.C. i romani iniziarono a sostituire la sabbia costituente la malta con la pozzolana (pulvis puteolana) o con il cocciopesto. La scoperta della pozzolana segnò una rivoluzione nella realizzazione di opere murarie. Dice Vitruvio nel II libro del De Architectura che la pozzolana di Baia o di Cuma fa gagliarda non solo ogni specie di costruzione ma in particolare quelle che si fanno in mare sott'acqua. Grazie al comportamento pozzolanico della pozzolana e del cocciopesto la malta, costituita da calce aerea + pozzolana, faceva presa e induriva anche in acqua, senza contatto con l'aria, consentendo la produzione di leganti ad alta resistenza e rapido indurimento.
Medioevo Con la caduta dell'Impero romano d'Occidente iniziò, soprattutto lontano da Roma, Con il risveglio umanistico, soprattutto dopo il XIV secolo, si tradussero e si rilessero i testi latini di Plinio il Vecchio e di Vitruvio. È del 1511 la riedizione del De Architectura curata da un domenicano, Giovanni Monsignori (Fra' Giocondo). A questa seguirono moltissime altre traduzioni, che contribuirono a chiarire il segreto del costruire secondo i Romani. Così, soprattutto nella Francia del Settecento, si riscoprì l'arte del ben costruire opere secondo le conoscenze romane.
Età moderna In epoca rinascimentale si rifanno a Vitruvio, ed al costruire romano, architetti del calibro di Leon Battista Alberti e Andrea Palladio. Quest'ultimo nel 1570 descrive nel Trattato di Architettura, Libri 4, Venezia, l'esistenza di una calce, calce nigra, ottenuta per cottura di una pietra calcarea originaria del padovano, contenente impurità argillose, con caratteristiche idrauliche. In questo continuo avvicinamento all'odierno cemento vi fu la scoperta rivoluzionaria della calce idraulica da parte dell'ingegnere britannico John Smeaton nel 1756.
Questi, nella realizzazione del faro di Eddystone utilizzò, al posto della miscela calce - pozzolana, la prima calce idraulica da lui ottenuta dalla cottura di calcare contenente una discreta quantità (circa 11%) di impurità argillose. La scoperta della calce idraulica segna il passaggio dal calcestruzzo romano a quello moderno, giacché gli sperimentatori, con l'ausilio della scienza chimica appena nata con Lavoisier, sono in grado di governare un nuovo processo di sintesi che porterà prima alla calce idraulica artificiale, poi al moderno cemento Portland. Una volta scoperto che le impurità di silice e allumina presenti nell'argilla che accompagnano alcuni calcari sono responsabili della formazione dei silicati ed alluminati di calcio, capaci di indurire sott'acqua, iniziarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare e argilla a temperatura sempre più elevata fino ad arrivare a una rudimentale scorificazione del prodotto finale.
Età contemporanea Soprattutto in Inghilterra ed in Francia, tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo fiorirono invenzioni, brevetti ed iniziative industriali che portarono alla produzione dei primi leganti idraulici industriali, chiamati cementi. In particolare nel 1796 James Parker fabbrica il primo cemento a presa rapida (cemento Parker o cemento romano), cuocendo nei suoi forni da calce le concrezioni marnose contenute nelle argille del Tamigi, mentre nel 1800 Lesage ottiene un materiale idraulico di alta resistenza calcinando i ciottoli calcarei di Boulogne sur Mer. Generalmente lo spartiacque tra la calce idraulica di Smeaton e il cemento Portland realizzato viene fissato al 1818, allorché l'ingegnere francese Louis J. Vicat definisce la formula della calce idraulica artificiale.
Infatti Vicat fu il primo a capire che per ottenere un materiale a comportamento idraulico non v'era necessità di cuocere i calcari argillosi naturali ma si poteva raggiungere lo stesso risultato unendo in cottura dei calcari puri e una qualsivoglia porzione d'argilla. Il primo industriale ad aver fabbricato cemento idraulico a lenta presa pare sia stato, nel 1824, un fornaciaro di York, Joseph Aspdin, il quale diede al prodotto il nome di cemento Portland, grazie alla somiglianza tra la malta e il conglomerato formati con quel cemento con un calcare compatto (pietra di Portland) dell'isola di Portland in Inghilterra. Nel 1844 J.C. Johnson mise in evidenza l'importanza dei processi di cottura ad alte temperature che portavano alla formazione del clinker, prodotto finale del procedimento.
Infatti, mentre per la cottura della calce aerea erano necessari tra i 600 e 900 °C, per la idraulica servono 1000 °C, per ottenere il cemento portland, ed in particolare i suoi composti caratteristici Alite, Celite e Brownmillerite, si devono raggiungere i 1450 °C per fondere parzialmente la massa dei reagenti e ricavare, tramite un brusco raffreddamento un principio di vetrificazione. Nel 1860 M. Chatelier stabilì la composizione chimica del cemento consentendo la produzione industrializzata del calcestruzzo.
Composizione La pasta cementizia o boiacca, cemento più acqua, viene impiegata come legante in miscela con materiali inerti come sabbia, ghiaia o pietrisco. A seconda dei componenti possiamo avere: nel caso in cui la pasta di cemento si misceli con un aggregato fine (sabbia) si ha la malta di cemento; nel caso in cui alla pasta di cemento si uniscano aggregati di diverse dimensioni (sabbia, ghiaietto e ghiaia), secondo una determinata curva granulometrica, si ottiene il calcestruzzo; nel caso in cui il calcestruzzo venga accoppiato con un'armatura costituita da tondini detti anche "rebar" (barre rigate) di acciaio, opportunamente posizionati, si ha il calcestruzzo armato (indicato erroneamente con il nome di cemento armato).
Tipologie Esistono diversi tipi di cemento, differenti per la composizione, per le proprietà di resistenza e durevolezza e quindi per la destinazione d'uso.
Il cemento Portland è alla base di quasi tutti i tipi di cemento attualmente utilizzabili in edilizia. Dal punto di vista chimico si tratta in generale di una miscela di silicati di calcio e alluminati di calcio, ottenuti dalla cottura ad alta temperatura di calcare e argilla oppure di marna (in questo caso si parla di cementi naturali). Il materiale ottenuto, denominato clinker, viene finemente macinato e addizionato con gesso nella misura del 4-6% con la funzione di ritardante di presa (ettringite primaria). Tale miscela è commercializzata col nome di cemento Portland; questo, una volta miscelato con acqua, si idrata e solidifica progressivamente. Dal cemento Portland, miscelato con le aggiunte disponibili sul mercato in proporzioni fissate dalla normativa UNI EN 197-1, si ottengono tutti gli altri tipi e sottotipi di cemento.
L'unico che fa eccezione è il cemento alluminoso, che però non è preso in considerazione dalla suddetta norma.
I cementi comuni conformi alla UNI EN 197-1 sono suddivisi in cinque tipi principali: cemento Portland con una percentuale di clinker pari ad almeno il 95%: sigla sottotipo: nessuna; cemento Portland composito con una percentuale di clinker di almeno il 65%; ne esistono 19 sottotipi aventi le seguenti denominazioni in funzione della tipologia delle aggiunte: Cemento Portland alla loppa (S): sigla sottotipi: II A/S, II B/S; Cemento Portland ai fumi di silice (D): sigla sottotipi: II A/D; Cemento Portland alla pozzolana: sigla sottotipi (P=naturale Q=calcinata): II A/P, II B/P, II A/Q, II B/Q; Cemento Portland alle ceneri volanti (V=silicee; W=calcaree): sigla sottotipi: II A/V, II B/V, II A/W, II B/W; Cemento Portland allo scisto calcinato (T): sigla sottotipi: II A/T, II B/T; Cemento Portland al calcare (L e LL): sigla sottotipi: II A/L, II B/L, II A/LL, II B/LL; Cemento Portland composito: sigla sottotipi: II A/M, II B/M; cemento d'altoforno con una percentuale di loppa d'altoforno (S) dal 36 al 95% (previsti 3 sottotipi): sigla sottotipi: III A, III B, III C; cemento pozzolanico con materiale pozzolanico (P e Q) dall'11 al 55% (previsti 2 sottotipi): sigla sottotipi: IV A, IV B; cemento composito ottenuto per simultanea aggiunta di clinker di cemento Portland (dal 20 al 64%), di loppa d'altoforno (dal 18 al 50%) e di materiale pozzolanico (dal 18% al 50%) (previsti 2 sottotipi): sigla sottotipi: V A, V B. Nei diversi cementi è ammesso un contenuto di costituenti secondari (fillers o altri materiali) non superiore al 5%.
Classi di resistenza La classe di resistenza del cemento dipende dalla finezza di macinazione dello stesso e dalla percentuale di silicato tricalcico rispetto a quello bicalcico; maggiore è la finezza di macinazione del cemento, maggiore è il tenore di silicato tricalcico rispetto a quello bicalcico e più rapido lo sviluppo della resistenza meccanica.
Ogni tipo di cemento è potenzialmente disponibile in sei diverse classi di resistenza normalizzata (a 28 gg).
Per ogni classe di resistenza normalizzata si definiscono due classi di resistenza iniziale (2-7 gg): la prima con resistenza iniziale ordinaria, contrassegnata con la lettera "N"; la seconda con resistenza iniziale elevata, contrassegnata con la lettera "R". Pertanto secondo le UNI EN 197/1 esistono le seguenti classi di resistenza del cemento: Classe 32,5N: resistenza a compressione iniziale a 7 giorni ≥ 16; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 32,5 ≤ 52,5 Classe 32,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 10; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 32,5 ≤ 52,5 Classe 42,5N: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 10; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 42,5 ≤ 62,5 Classe 42,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 20; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 42,5 ≤ 62,5 Classe 52,5N: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 20; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 52,5 Classe 52,5R: resistenza a compressione iniziale a 2 giorni ≥ 30; resistenza a compressione standard a 28 giorni ≥ 52,5.
I numeri rappresentano la resistenza a compressione, espressa in MPa, che devono avere provini cubici preparati in modo standardizzato con rapporto a/c pari a 0,5 e rapporto sabbia/cemento pari a 3. È importante sottolineare che tale resistenza è da intendersi a rottura.
I tempi di inizio presa per ogni classe di resistenza normalizzata sono i seguenti: Classe ≥ 75 min; Classe ≥ 60 min; Classe ≥ 45 min;
Il cemento Portland
Il cemento Portland è il tipo di cemento più utilizzato, ed è usato come legante nella preparazione del calcestruzzo. Fu inventato nel 1824 in Inghilterra dal muratore Joseph Aspdin e deve il nome alla somiglianza nell'aspetto con la roccia di Portland, un'isola nella contea di Dorset (Inghilterra).