I leganti L'uomo fin dai primordi della sua civiltà ha avuto la necessità di realizzare costruzioni e manufatti assemblando insieme parti più piccole esistenti in natura (ad esempio le pietre) oppure artificiali (ad esempio i mattoni) ma per poter realizzare dei manufatti resistenti e durevoli nel tempo, bisognava legare insieme questi elementi. Per fare ciò ha utilizzato prima quello che esisteva in natura e dopo materiali prodotti da lui stesso cioè artificiali. I prodotti che servono a unire insieme diverse parti prendono il nome di leganti. Le prime civiltà usavano mattoni fatti di argilla semplicemente essiccati al sole e usavano come legante l argilla stessa mescolata con acqua in modo da ottenere una miscela molto fluida che spalmavano sui mattoni crudi realizzando delle murature. È chiaro che il legame così ottenuto era molto debole e quindi l intera costruzione era poco resistente agli agenti atmosferici per non parlare delle scosse sismiche, anche quelle lievi, che risultavano rovinose. I Romani volevano costruzioni che durassero di più nel tempo, specialmente i ponti, gli acquedotti, le case signorili. Per cui essi utilizzarono, oltre alla pietra, anche i mattoni cotti col fuoco, molto più resistenti rispetto a quelli crudi. Come leganti usavano la calce che mischiavano spesso con un cemento naturale quale era la Pozzolana (da loro chiamata pulvis puteolana). Nei tempi moderni è stato possibile produrre una specie di pozzolana artificiale quello che è da noi conosciuto col nome di cemento e che ha permesso una vera rivoluzione nei sistemi costruttivi. Figura 1: Interno del Pantheon (Dipinto di Giovanni Paolo Pannini) Il Pantheon è un edificio di straordinaria valenza ingegneristica, l unico nell antichità dotato di una cupola di quelle dimensioni, ha un diametro di 43,44 metri e fu superata solo dalla cupola del Brunelleschi del 1436. Le mura del pantheon furono costruite utilizzando grandi blocchi di marmo, e mattoni pieni, la cupola è stata realizzata con un impasto di pozzolana e calce insieme ad inerti di diverso peso: nella parte più bassa della cupola stessa sono stati utilizzati inerti pesanti, quali frammenti di marmo e di laterizi, sostituiti con pietra pomice nelle parti più alte per rendere la cupola più leggera. Il pantheon è stato interamente ricostruito nella forma in cui lo conosciamo nel 128 D.C. sotto l'impero di Adriano. Vediamo più da vicino i leganti utilizzati nella sua costruzione: la calce e la pozzolana, che sono ancora oggi utilizzati nelle costruzioni nel modo che vedremo.
Parleremo anche del cemento che è molto simile alla pozzolana nella sua composizione, ma è di produzione industriale. La calce La calce è un legante molto antico, il suo utilizzo risale alla preistoria, il primo manufatto realizzato utilizzando la calce come legante è una pavimentazione rinvenuta in Galilea (Israele) risalente all'anno 7000 a.c. La calce, il cui nome deriva dal latino calx, viene ottenuta in modo molto semplice partendo da una roccia abbastanza diffusa in natura che è il calcare. Nel suo trattato "Della Natura" Empedocle descrive così il processo di produzione della calce: Vi è del magico nel cogliere un sasso dalla terra, cuocerlo e demolirlo al fuoco, renderlo plastico con l'acqua, lavorarlo secondo volontà e riottenerlo solido grazie all'influsso dell'aria. Il calcare è una roccia di colore biancastro ed è composta prevalentemente da carbonato di calcio, con formula chimica C a CO 3. Il carbonato di calcio, se riscaldato ad una temperatura di circa 900-1000 gradi, cosa che si può fare in delle semplici Figura 2 - Antico forno per la calce fornaci bruciando legna, si scinde in due composti: ossido di calcio (C a O) e anidride carbonica (CO 2 ) che essendo un gas e si disperde nell atmosfera. L ossido di calce, detta comunemente calce viva, per essere utilizzata, deve essere prima mescolata con acqua con un'operazione che prende il nome di spegnimento della calce, dando origine ad una nuova reazione chimica che genera quella che viene poi utilizzata in edilizia come legante: l idrossido di calcio detta comunemente calce spenta, o semplicemente calce (formula chimica C a (OH) 2 ). Se l acqua aggiunta è superiore alla quantità minima che serve, il risultato sarà un massa pastosa di colore bianco detta grassello di calce, se invece, ma questo si può fare solo oggi, viene aggiunta la quantità di acqua strettamente necessaria per fare avvenire le reazioni chimiche di idratazione, si ottiene una polvere asciutta, simile alla farina, di colore bianco: la calce in polvere. La calce spenta impastata con acqua ed esposta all'aria, dà origine ad una reazione inversa che ne provoca l'indurimento trasformando l'idrossido di calcio nuovamente in carbonato di calcio.
Anid. C. CO2 Calcare Anid. C. CO2 CaCO 3 Acqua H 2O Presa e indurimen to Cottura a 900-1000 Acqua H 2O Ciclo della calce Calce spenta Ca(OH) 2 Acqua H 2O Calce viva CaO Spegnimento Impieghi La calce in edilizia oggi non viene più impiegata per realizzare murature, come avveniva in passato, ma sostanzialmente per opere di finitura e come base per pitture. Impastata insieme a sabbia ed acqua si ottiene quella che si chiama malta di calce che viene utilizzata per intonaci principalmente all interno di edifici. Di solito si usa la malta di calce per realizzare l ultimo strato di intonaco, quello che ha un aspetto liscio e gradevole alla vista. Tuttavia oggi l'intonaco di malta di calce torna ad avere applicazioni anche all'esterno degli edifici, perché, a differenza dell'intonaco realizzato con malta di cemento, permette all'acqua che spesso si trova dentro le murature tradizionali di traspirare all'esterno, evitando fenomeni di condensa, di formazione di sali e di ammaloramento dell'intonaco stesso, all'interno degli ambienti l'intonaco fatto interamente di malta di calce, per la sua traspirabilità crea un ambiente più gradevole e vivibile. Produzione della calce Per molti millenni e fino a qualche decennio fa la calce veniva prodotta in modo molto artigianale utilizzando dei forni in pietra alimentata a legna (a dir il vero in molte regioni arretrate viene ancora prodotta così). Oggi viene prodotta in grandi forni verticali, o rotanti alimentati con olio combustibile, carbone fossile o gas metano. Figura 2 - moderno forno per la calce Essa viene posta in commercio in sacchi di plastica sigillati ermeticamente se nella forma di grassello di calce, oppure in sacchi di carta del peso di 25 Kg se è calce in polvere.
La calce idraulica La calce idraulica viene prodotta partendo da calcare misto ad argilla, il processo di produzione è simile a quello della calce comunemente detta, ma ha una proprietà che la differenzia dalla precedente: il processo di presa e indurimento può avvenire anche se essa è completamente immersa in acqua, questo perché i processi chimici che portano all'indurimento della calce idraulica sono diversi da quelli della calce aerea e richiedono la presenza dell'acqua e non la sua eliminazione. La calce idraulica è anche molto più resistente della calce aerea. La pozzolana La pozzolana, così chiamata perché si trova in abbondanza nella zona di Pozzuoli (NA) è una terra di colore grigio scuro di origine vulcanica. Quindi è il vulcano che produce questo legante naturale attraverso la cottura che avviene all interno del camino vulcanico, di materiali che contengono calcare, silicati, ossidi di ferro di alluminio ed altri composti. Eruttata dal vulcano sottoforma di polvere e pietre di diverse dimensioni, essa, macinata in polvere sottile, con l aggiunta di acqua forma una massa pastosa, gli elementi presenti in questa massa, reagendo Figura 3 - Pozzolana allo stato grezzo con l acqua di impasto danno origine ad un risultato finale che consiste in una roccia di colore grigio scuro. Il processo di indurimento è simile a quello della calce idraulica. Anticamente veniva utilizzata dai Romani mescolata alla calce e ad inerti, spesso rottami di laterizi, dando origine a un calcestruzzo molto resistente per l'epoca. Oggi viene ancora utilizzata, mescolata al cemento artificiali perché conferisce a esso una maggiore resistenza agli agenti atmosferici. Approfondimento: le reazioni chimiche. Formazione della calce dal calcare di partenza: CaCO 3 + Calore = CaO (calce viva) + CO 2 (anidride carbonica) Spegnimento della calce: CaO + H 2O = Ca(OH) 2 (idrossido di calcio detto calce spenta) Processo di indurimento: Ca(OH) 2 + CO 2(atmosferica) = CaCO 3 + H 2O
Il cemento Il cemento è il principale legante che si usa oggi in edilizia. Il materiale di partenza per la sua produzione è una miscela composta da argilla per il 22 24 % e roccia calcarea per il 68 66%, questi elementi vengono prima macinati molto finemente in mulini di circa due metri di diametro e aventi una lunghezza di 10 metri, la polvere ottenuta viene messa dentro a dei grossi serbatoi, detti silos, dove la miscela viene rimescolata con immissione di aria dal basso in modo da ottenere una composizione omogenea. Questa polvere viene inviata, insieme ad un filo d'acqua, su degli appositi "piatti granulatori" che sono dei dischi di acciaio inclinati di 50 che ruotano rapidamente, formando delle piccole palline di circa 1-1,2 cm di dimetro. Figura 4 -Forno per la produzione del cemento La cottura avviene in un grande forno cilindrico avente un diametro tra i 3 e i 5 metri e una lunghezza tra 70 e 120 metri, rivestito all'interno di materiale refrattario. Il forno ha l'asse inclinato di 3 5 è rivestito all'interno di materiale refrattario e ruota lentamente intorno al proprio asse (un giro al minuto). Il materiale viene immesso dalla parte alta del forno e scende gradualmente fino alla parte più bassa, dove grazie alla combustione i olio combustibile, gas metano o carbon fossile in polvere, si raggiunge una temperatura di circa 1500 gradi che fondono in parte il materiale immesso. Dal forno escono dei granuli di diametro inferiore al centimetro che sono composti essenzialmente da quattro ossidi: ossido di calce (CaO), ossido di silice, (SiO2), allumina, (Al2O3), ossido ferrico (Fe2O3), variamente combinati tra loro. Questo prodotto, che dopo un primo raffreddamento ha ancora una temperatura di 100, prende il nome di clinker. Il clinker viene successivamente immesso dentro a dei mulini rotanti in ferro all interno delle quali sono presenti sfere di diverso diametro sempre di ferro. Insieme al clinker viene aggiunto del gesso (CaSO4.2H2O) in una percentuale dal 2 4% che ha il compito di rallentarne la presa in fase d'impiego. Il mulino ruota velocemente permettendo alle sfere di ferro di macinare il clinker ottenendo una polvere molto sottile. La dimensione finale di questi Figura 5 - granuli di clinker granelli di polvere, una volta estratti dal mulino, vengono verificate e se risultano ancora di diametro superiore a quanto richiesto, vengono rimandate al mulino per una ulteriore macinazione. Questo perché il cemento è tanto migliore quanto è più fine. La polvere
ottenuta è il cemento comune detto anche cemento portland perché ha il colore grigio simile alla roccia che si trova in Inghilterra nell'isola di Portland. Se la composizione del materiale di partenza o se durante la macinazione vengono aggiunti altri elementi, si ottengono i cosiddetti cementi speciali che hanno caratteristiche diverse dopo la loro utilizzazione rispetto al cemento comune. Utilizzo del cemento Il cemento è il legante principe dell era attuale, mescolato insieme alla sabbia e all acqua da origine alla malta di cemento, utilizzata sia per le murature in pietra che in mattoni che per opere di finitura quali gli Figura 6 - Cemento in sacchi intonaci. Può essere utilizzato anche per realizzare industrialmente tegole di cemento, blocchi di cemento per murature, piastrelle e blocchi per pavimentazioni, miscele speciali per incollaggio di piastrelle per rivestimento, miscele colorate per realizzare pavimenti stampati. L uso più massiccio del cemento si ha nella realizzazione di opere civili, fabbricati ponti dighe ecc. In questo caso il cemento viene impastato con acqua, sabbia, pietrisco di diverso diametro, ottenendo il calcestruzzo, quest ultimo è molto più resistente della malta di cemento e di solito viene impiegato inserendo delle barre di ferro di rinforzo. L insieme dei due materiali, calcestruzzo e ferro viene detto Calcestruzzo armato, o semplicemente cemento armato. Presa ed indurimento del cemento Già dopo un ora dall impasto iniziano una serie di reazioni chimiche che conferiscono al calcestruzzo una elevata resistenza, specie a sforzi di compressione. Appena aggiunta l'acqua cominciano una serie di processi di idratazione che danno, nel giro di 10 12 ore, al calcestruzzo una forma solida, ma con ancora una resistenza nulla: è questo quello che si chiama presa del cemento, successivamente le reazioni di idratazione proseguono facendone aumentare via la resistenza, questo processo continua in modo molto lento per anni, ma può ritenersi completato dopo circa 28 giorni, perché l'aumento di resistenza successivo ai primi 28 giorni è poco significativo. Poiché il processo di indurimento ha bisogno solo della presenza dell acqua per avvenire, il cemento è un legante idraulico e non aereo. È opportuno che venga bagnato nei giorni successivi al getto, specie in ambienti caldi, per fornire tutta l'acqua necessaria all'idratazione e per diminuire il fenomeno del ritiro.
Approfondimento: I cementi speciali I cementi speciali si ottengono in due modi: variando la composizione della miscela di partenza, oppure aggiungendo al clinker altri materiali in fase di macinazione. Sono ottenuti cambiando la composizione della miscela di partenza: Cemento alluminoso Per la produzione del cemento alluminoso si parte da una miscela diversa rispetto al cemento normale, infatti si usa una miscela di calcare e bauxite ricca di ossidi idrati di alluminio. La cottura viene spinta fino a 1600. Si ottiene un cemento molto più resistente di qualsiasi altro cemento, resiste bene anche alle acque solfatiche e alla corrosione delle acque normali. Il processo di presa è più lento del cemento comune, ma l'indurimento è invece molto più rapido. Il suo impiego è limitato a causa del suo alto costo di produzione dipendente dal maggiore impiego di energia necessaria e dall'impiego della bauxite, materiale più costoso dell'argilla. Cemento ferrico È un cemento portland in cui gli ossidi di ferro sono presenti in maggiore quantità. Ciò conferisce al cemento una maggiore resistenza alle acque solfatiche. La minore presenza di ossidi di alluminio ne diminuisce la velocità di indurimento, perciò la resistenza meccanica viene raggiunta in un tempo maggiore. Viene usato nel caso di grandi getti di calcestruzzo come nelle costruzioni delle dighe, perché la minore velocità di indurimento permette al calore che si sviluppa nel processo di disperdersi senza danneggiare il calcestruzzo stesso. Cemento bianco Il cemento bianco è sempre un cemento Portland, in cui gli ossidi di ferro sono assenti e poiché sono proprio questi ossidi che conferiscono al cemento comune il colore grigio, il cemento acquista un colore bianco utile nel caso di cemento ornamentale o a faccia vista. Aggiungendo altri materiali al clinker, si ottengono i seguenti cementi: Cemento pozzolanico Il cemento pozzolanico si ottiene aggiungendo al clinker in fase di macinazione una percentuale intorno al 30 45% di pozzolana. Questo conferisce al cemento ottenuto una minore velocità di indurimento, ma comunque la resistenza finale raggiunge e qualche volta supera, quella del cemento comune. È un cemento più economico perché parte del materiale impiegato, la pozzolana, non ha bisogno di essere cotto ed è anche più resistente alle acque correnti ed alle acque solfatiche che invece attaccano e disgregano il cemento Portland. Cemento d'alto forno o siderurgico Questo cemento si ottiene aggiungendo al clinker, anziché pozzolana, una percentuale variabile tra il 30 e il 70% di scorie d'altoforno (loppa), derivanti dalla produzione di ghisa. Ha caratteristiche analoghe al cemento pozzolanico.
Esercitazioni - Quesiti a risposta sintetica. 1) Descrivere la composizione e l'utilizzo del "calcestruzzo romano". 2) Riassumere il ciclo di presa ed indurimento della calce. 3) Descrivere la differenza tra leganti aerei e leganti idraulici e citare qualche tipo di legante. 4) Descrivere sinteticamente il ciclo di produzione del cemento.