Cemento e calcestruzzo

Se pensi ai mattoni come a rocce artificiali, il cemento potrebbe essere considerato lava artificiale, una pietra liquida che viene versata nel punto in cui si indurisce nella solidità.

Cemento e calcestruzzo

Molte persone parlano di cemento quando significano cemento.

• Cemento è un composto a grana fine che si trasforma in solido quando miscelato con acqua. Il cemento viene utilizzato per legare miscele di materiali in un solido composito.
• Calcestruzzo è una miscela di cemento, sabbia e ghiaia. Cioè, il cemento è la colla del calcestruzzo.

Ora che è chiaro, parliamo di cemento. Il cemento inizia con la calce.

Lime, il primo cemento

La calce è una sostanza utilizzata fin dall'antichità per produrre oggetti utili come intonaco e malta. La calce viene prodotta bruciando o calcinando il calcare, ed è così che il calcare prende il nome. Chimicamente, la calce è ossido di calcio (CaO) ed è prodotta dalla tostatura della calcite (CaCO₃) per scacciare l'anidride carbonica (CO₂). Quel CO₂, un gas serra, viene prodotto in grandi quantità dall'industria del cemento.

La calce è anche chiamata calce viva o calx (dal latino, dove si ottiene anche la parola calcio). Nei vecchi misteri di omicidio, la calce viva viene spruzzata sulle vittime per dissolvere i loro corpi perché è molto caustico.

Miscelato con acqua, la calce si trasforma lentamente nella portlandite minerale nella reazione CaO + H₂O = Ca (OH)₂. La calce è generalmente schiacciata, cioè miscelata con un eccesso di acqua in modo da rimanere fluida. La calce schiacciata continua a indurirsi per un periodo di settimane. Miscelato con sabbia e altri ingredienti, il cemento a calce spaccato può essere impaccato tra pietre o mattoni in un muro (come malta) o distribuito sulla superficie di un muro (come intonaco o gesso). Lì, nelle prossime settimane o più, reagisce con le emissioni di CO₂ nell'aria per formare di nuovo calcare-calcare artificiale!

Il calcestruzzo fatto con cemento di calce è noto dai siti archeologici del Nuovo e del Vecchio Mondo, alcuni risalenti a più di 5000 anni fa. Funziona molto bene in condizioni asciutte. Ha due inconvenienti:

• Il cemento a base di calce richiede molto tempo per curare, e mentre il mondo antico aveva molto tempo, oggi il tempo è denaro.
• Il cemento a calce non si indurisce in acqua ma rimane morbido, cioè non è un cemento idraulico. Quindi ci sono situazioni in cui non può essere utilizzato.

Cemento idraulico antico

Si dice che le Piramidi d'Egitto contengano un cemento idraulico a base di silice disciolta. Se quella formula di 4500 anni potesse essere confermata e rianimata, sarebbe una grande cosa. Ma il cemento di oggi ha un diverso pedigree che è ancora piuttosto antico.

Intorno al 1000 a.C., gli antichi greci furono i primi ad avere un incidente fortunato, mescolando calce con cenere vulcanica fine. La cenere può essere considerata come una roccia calcinata naturalmente, lasciando il silicio in uno stato chimicamente attivo come il calcio nel calcare calcinato. Quando questa miscela di calce e cenere viene schiacciata, si forma una sostanza completamente nuova: silicato di calcio idrato o ciò che i chimici del cemento chiamano C-S-H (circa SiCa₂O₄· XH₂O). Nel 2009, i ricercatori che utilizzano la modellazione numerica hanno escogitato la formula esatta: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

C-S-H è ancora oggi una sostanza misteriosa, ma sappiamo che è un gel amorfo senza alcuna struttura cristallina definita. Si indurisce velocemente, anche in acqua. Ed è più resistente del cemento a calce.

Gli antichi greci usavano questo nuovo cemento per usarlo in modi nuovi e preziosi, costruendo cisterne di cemento che sopravvivono fino ad oggi. Ma gli ingegneri romani padroneggiarono la tecnologia e costruirono porti marittimi, acquedotti e templi di cemento. Alcune di queste strutture sono buone come mai oggi, duemila anni dopo. Ma la formula del cemento romano andò persa con la caduta dell'impero romano. La ricerca moderna continua a svelare utili segreti degli antichi, come l'insolita composizione del calcestruzzo romano in un frangiflutti costruito nel 37 a.C., che promette di aiutarci a risparmiare energia, usare meno calce e produrre meno CO₂.

Cemento idraulico moderno

Mentre il cemento a calce continuò ad essere utilizzato durante il Medioevo e il Medioevo, il vero cemento idraulico non fu riscoperto fino alla fine del 1700. Sperimentatori inglesi e francesi hanno appreso che una miscela calcarea di calcare e argilla potrebbe essere trasformata in cemento idraulico. Una versione inglese fu soprannominata "cemento Portland" per la sua somiglianza con il calcare bianco dell'Isola di Portland, e il nome si estese presto a tutto il cemento prodotto da questo processo.

Poco dopo, i produttori americani hanno scoperto calcari contenenti argilla che producevano cemento idraulico eccellente con poca o nessuna lavorazione. Questo cemento naturale economico costituiva la maggior parte del calcestruzzo americano per la maggior parte del 1800 e la maggior parte proveniva dalla città di Rosendale, nel sud di New York. Rosendale era praticamente un nome generico per cemento naturale, sebbene altri produttori fossero in Pennsylvania, Indiana e Kentucky. Il cemento Rosendale si trova nel Ponte di Brooklyn, nel Campidoglio degli Stati Uniti, nella maggior parte degli edifici militari del XIX secolo, nella base della Statua della Libertà e in molti altri luoghi. Con la crescente necessità di mantenere strutture storiche utilizzando materiali storicamente appropriati, il cemento naturale Rosendale viene ripristinato.

Il vero cemento Portland ha lentamente guadagnato popolarità in America con l'avanzare degli standard e il ritmo della costruzione accelerato. Il cemento Portland è più costoso, ma può essere prodotto ovunque gli ingredienti possano essere assemblati invece di fare affidamento su una fortunata formazione rocciosa. Cura anche più velocemente, un vantaggio quando si costruiscono grattacieli un piano alla volta. Il cemento predefinito di oggi è una versione del cemento Portland.

Cemento Portland moderno

Oggi le rocce contenenti calcare e argilla sono sinterizzate e tostate insieme a una temperatura quasi di fusione tra 1400 ° e 1500 ° C. Il prodotto è una miscela grumosa di composti stabili chiamata clinker. Il clinker contiene ferro (Fe) e alluminio (Al), nonché silicio e calcio, in quattro composti principali:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), noto ai geologi come larnite
• Alluminato (Ca₃Al₂O₆)
• Ferrite (Ca₂Alfeo₅)

Il clinker viene macinato in polvere e miscelato con una piccola quantità di gesso, che rallenta il processo di indurimento. Questo è il cemento Portland.

Fare cemento

Il cemento viene miscelato con acqua, sabbia e ghiaia per produrre cemento. Il cemento puro è inutile perché si restringe e si incrina; è anche molto più costoso della sabbia e della ghiaia. Mentre la miscela indurisce, vengono prodotte quattro sostanze principali:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringite (Ca₆Al₂(COSÌ₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; include alcuni Fe)
• Monosolfato ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (COSÌ₄,OH, ecc) · XH₂O)

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