Il calcestruzzo (spesso abbreviato cls.) è un materiale da costruzione, conglomerato artificiale costituito da una miscela di legante, acqua e aggregati fini e grossi (sabbia e ghiaia) e con l'aggiunta, secondo le necessità, di additivi e/o aggiunte minerali che influenzano le caratteristiche fisiche o chimiche, nonché le prestazioni, del conglomerato sia frescocalcestruzzo che non ha ancora fatto presa sia indurito.
Nel XXI secolo il legante utilizzato per confezionare calcestruzzi è il cemento, ma in passato sono stati realizzati calcestruzzi che utilizzavano leganti differenti come la calce aerea o idraulica. Raramente è stato utilizzato anche il gesso per realizzare calcestruzzi “poveri”.
Il calcestruzzo fresco viene gettato all'interno dei casseri e costipato con vibratori, ma esistono formulazioni moderne del calcestruzzo dette “autocompattanti” (SCC), fondamentali nell'architettura contemporanea in quanto assicurano un facciavista omogeneo e uniforme, non richiedono vibrazione, e si costipano per forza di gravità. Il cemento, idratandosi con l'acqua, fa presa e indurisce conferendo alla miscela una resistenza meccanica tale da renderla assimilabile a una roccia. È oggi utilizzato per realizzare le parti strutturali di un edificio ed è il materiale da costruzione più impiegato nel mondo.P.Colombo, D. Festa, Materiali per l'Ingegneria Civile, ed. Progetto, Padova, p. 307: "ogni anno nel mondo vengono prodotti 2.000 m3 di questo materiale [calcestruzzo ndr] dei quali 120 solo in Italia"
Etimologia Il termine calcestruzzo deriva dal latino calcis structio ("struttura di calce") e nel 1800 era spesso chiamato anche "calcistrutto". Non si tratta di quello utilizzato da Marco Vitruvio Pollione nel suo trattato De architectura, dove tale tecnica viene definita come opus caementicium. Nella descrizione contenuta nel De architectura, il termine caementum (dal verbo caedo che significa tagliare in pezzi) indicava il rottame di pietra usato per confezionare il calcestruzzo.
Il termine caementum dal latino classico, divenuto cementum nel latino volgare, conservò prima il significato di "rottame di pietra", per poi assumere nel tardo Medioevo, con il termine italiano di cemento, il significato di tutto il conglomerato, cioè l'attuale calcestruzzo. Solo alla fine del XVIII secolo il termine cemento assunse quello attuale di legante idraulico, mentre al conglomerato venne definitivamente assegnato il termine calcestruzzo.
Storia Invenzione e migliorie nel tempo
Il notevole pregio riconosciuto al calcestruzzo dai suoi primi utilizzatori era la possibilità di ottenere rocce artificiali di qualsiasi forma voluta.
È difficile precisare quali siano le origini della tecnica di costruire in conglomerato, poiché pare che già gli Assiri e gli Egizi realizzassero costruzioni impiegando materiale minuto. Anche i Greci conoscevano questa tecnica, avendola utilizzata per la realizzazione del serbatoio di Sparta e altre costruzioni di cui rimane ancora traccia.
Furono però i Romani a darle grande impulso, utilizzandola per la realizzazione di un notevole numero di opere, ancora oggi in buono stato di conservazione. I romani impiegavano il calcestruzzo nelle costruzioni di strade, nelle fondazioni e nelle costruzioni murarie. Le tecniche dellopus incertum, dellopus reticulatum e dellopus caementicium sono descritte da Vitruvio nel suo De Architectura. Lopus caementicium consisteva nell'elevare muri deponendo strati sovrapposti di malta e materiali inerti. I paramenti esterni in mattoni o pietre squadrate, che fungevano da casseri permanenti, venivano rapidamente riempiti di malta, all'interno della quale erano conficcati rottami di pietra o mattone.
Costruzioni come il pantheon di Roma, che vanta la più grande cupola di calcestruzzo non armato al mondo, erano costruite mescolando ad alta temperatura la pozzolana, acqua e calce viva (ossido di calcio), accelerando la presa e il consolidamento del calcestruzzo e permettendo una costruzione più rapida. Ciò conferita ai manufatti straordinarie proprietà di auto-riparazione.
Anche l'invenzione del legante non è di epoca romana, dato che può essere fatta 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. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce, l'indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza, poiché il progressivo 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. Essendo quasi nulla la possibilità di contatto tra la calce idrata interna all'opus caementicium e l'anidride carbonica presente nell'aria, la reazione avveniva molto lentamente con prodotti finali a bassa resistenza. In alcune antiche costruzioni murarie in calcestruzzo confezionato con legante a base di calce sono state trovate, anche a distanza di vari secoli, quantità significative di calce non ancora trasformata in carbonato di calcio e quindi non ancora indurita.
L'opus caementicium fu portato al massimo grado di perfezione a partire dal I secolo a.C. quando la sabbia costituente la malta venne sostituita in parte o in tutto da pozzolana (pulvis puteolana) o da cocciopesto. La scoperta della pozzolana segnò una rivoluzione nella realizzazione di opere murarie. Infatti Vitruvio nel II libro del De Architectura scrive 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 il calcestruzzo faceva presa e induriva, anche in acqua, senza la necessità del contatto con l'aria, consentendo così la produzione di malte ad alta resistenza e rapido indurimento.
Con la caduta dell'Impero romano d'Occidente cominciò, soprattutto lontano da Roma, un inesorabile declino nella qualità delle costruzioni e la maniera di realizzare calcestruzzo come facevano i Romani venne dimenticata perché fu abbandonato l'impiego della pozzolana. Tale declino proseguì per tutto il medioevo. Durante il medioevo venne progressivamente dimenticata la tecnologia del calcestruzzo in favore di più semplici metodologie costruttive, sostituendo il legante cemento con grassello di calce.
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 numerosissime altre traduzioni, che contribuirono a chiarire sempre più il segreto di fare il calcestruzzo secondo i Romani. Così, soprattutto nella Francia del Settecento, si riscoprì l'arte del ben costruire opere in calcestruzzo.
In questo continuo avvicinamento all'odierno calcestruzzo di cemento, vi fu la scoperta rivoluzionaria della calce idraulica da parte dell'ingegnere britannico John Smeaton. 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 impurezze argillose.
La scoperta della calce idraulica segna la transizione dal calcestruzzo romano a quello moderno, giacché gli sperimentatori, soprattutto con l'ausilio della nuova scienza chimica appena nata con Lavoisier sono in grado di governare un nuovo processo di sintesi che porterà prima alla calce idraulica artificiale e più tardi al moderno cemento Portland. Infatti, una volta scoperto che le impurità di silice e allumina, presenti nell'argilla che accompagnano naturalmente alcuni calcari, sono responsabili della formazione dei silicati e alluminati di calcio capaci di indurire sott'acqua, s'iniziarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare e argilla a temperatura sempre più elevata fino ad arrivare a una rudimentale scarificazione del prodotto finale.
Soprattutto in Inghilterra e in Francia, tra la fine del Settecento e l'inizio dell'Ottocento, fiorirono invenzioni, brevetti e iniziative industriali che portarono alla produzione dei primi leganti idraulici industriali, chiamati cementi. In particolare nel 1796 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 che segna la transizione tra la calce idraulica di Smeaton e il cemento Portland realizzato viene fissato al 1818, data nella quale l'ingegnere Vicat definisce la formula della calce idraulica artificiale.
Il primo industriale ad aver fabbricato cemento idraulico a lenta presa pare sia stato, nel 1824, un fornaciaro di York, Joseph Aspidin, il quale diede al prodotto il nome di cemento Portland, a causa della somiglianza tra la malta e il conglomerato formati con quel cemento con un calcare compatto 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 idraulica si richiedono 600 - 700 °C, si devono raggiungere i 1.600 °C e più per ottenere i cementi a lenta presa, poiché deve prodursi un principio di vetrificazione.
Nel 1860 M. Chatelier stabilì la composizione chimica del cemento consentendo così la produzione industrializzata del calcestruzzo.
Invenzione del calcestruzzo armato
La notevole diffusione del calcestruzzo si è però avuta con l'avvento del calcestruzzo armato. Il composto infatti ha ottima resistenza a compressione ma scadente resistenza a trazione e questo ne ha limitato l'uso per decenni.
La data di nascita del calcestruzzo armato è difficilmente individuabile, ma certamente è nel XIX secolo, grazie alla rivoluzione industriale che portò a un'eccezionale produzione dei due materiali costituenti: acciaio e cemento, che si è avuto la sua diffusione su vasta scala.
Da un punto di vista strettamente tecnico, l'idea di utilizzare il ferro come materiale resistente a trazione in abbinamento con altri materiali resistenti a compressione, come la pietra, si può trovare già nei secoli XVII e XVIII in Francia. Esempi di tale abbinamento sono il Colonnato Est del Louvre realizzato da Perrault e il pronao della chiesa Sainte-Geneviève a Parigi realizzato da Rondelet. Le evidenti difficoltà insite nell'unione dell'acciaio con la pietra hanno limitato l'uso di tale tecnologia a poche opere di particolare interesse e impegno. L'idea statica però ha successivamente trovato pratica realizzazione quando si è abbinato l'acciaio a un materiale plastico come è il conglomerato cementizio. Già a partire dalla fine del XVIII secolo, il principio viene descritto e sperimentato da numerosi costruttori come Loriot, Fleuret, e Raucourt de Charleville. Comunque, solo dal 1845, con l'inizio della produzione industriale del cemento artificiale, i tentativi acquistano maggiore importanza.
Nel 1847 Coignet progetta la prima copertura in cemento gettato in casseforme e armato con ferri profilati. Sempre nel 1847, J.L. Lambot progetta un'imbarcazione il cui scafo è ottenuto attraverso il getto di un sottile involucro di calcestruzzo su una maglia di ferri piatti. Lo scafo viene esposto all'Esposizione Universale di Parigi del 1855.