Il cemento è l’ingrediente principale nella pasta di cemento – l’agente legante nel cemento portland (PCC). È un cemento idraulico che, combinato con l’acqua, si indurisce in una massa solida. Intervallato in una matrice aggregata forma PCC. Come materiale, il cemento portland è stato utilizzato per oltre 175 anni e, da una prospettiva empirica, il suo comportamento è ben compreso. Chimicamente, tuttavia, il cemento portland è una sostanza complessa i cui meccanismi e interazioni devono ancora essere completamente definiti. ASTM C 125 e la Portland Cement Association (PCA) forniscono le seguenti definizioni precise:

• Cemento idraulico: un materiale inorganico o una miscela di materiali inorganici che imposta e sviluppa resistenza per reazione chimica con acqua per formazione di idrati ed è in grado di farlo sott’acqua.
• Cemento portland: Un cemento idraulico composto principalmente da silicati di calcio idraulici.

Background

anche se l’uso di cementi (sia idraulici e non idraulico) risale a molte migliaia di anni (antico egitto volte almeno), la prima occorrenza di “cemento portland” è nata nel 19 ° secolo. Nel 1824, Joseph Aspdin, un muratore di Leeds ha rilasciato un brevetto su un cemento idraulico che ha coniato cemento “Portland” (Mindess e Young, 1981). Ha chiamato il cemento perché ha prodotto un calcestruzzo che assomigliava al colore del calcare naturale estratto sull’isola di Portland, una penisola nel Canale della Manica (vedi Figura 1 e 2). Da allora, il nome “cemento portland” si è bloccato ed è scritto in minuscolo perché ora è riconosciuto come un nome commerciale per un tipo di materiale e non un riferimento specifico a Portland, in Inghilterra.

Oggi, il cemento portland è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo con circa 1,56 miliardi di tonnellate (1,72 miliardi di tonnellate) prodotte ogni anno. La produzione globale annuale di cemento portland si aggira intorno ai 3,8 milioni di metri cubi (5 miliardi di metri cubi) all’anno (Cement Association of Canada, 2002). Negli Stati Uniti, i marciapiedi rigidi sono il più grande uso singolo di cemento portland e cemento portland (ACPA, 2002).

Produzione

Sebbene esistano diverse varianti di cemento portland prodotto commercialmente, ciascuna di esse condivide molte delle stesse materie prime di base e componenti chimici. I principali componenti chimici del cemento portland sono calcio, silice, allumina e ferro. Il calcio è derivato da calcare, marna o gesso, mentre silice, allumina e ferro provengono dalle sabbie, argille e fonti di minerale di ferro. Altre materie prime possono includere scisti, conchiglie e sottoprodotti industriali come la scala del mulino (Ash Grove Cement Company, 2000).

Il processo di produzione di base riscalda questi materiali in un forno a circa 1400-1600°C (2600 – 3000°F) – l’intervallo di temperatura in cui i due materiali interagiscono chimicamente per formare silicati di calcio (Mindess e Young, 1981). Questa sostanza riscaldata, chiamata “clinker” è solitamente sotto forma di piccoli pellet grigio-neri circa 12.5 mm (0,5 pollici) di diametro. Il clinker viene quindi raffreddato e polverizzato in una polvere fine che passa quasi completamente attraverso un setaccio da 0,075 mm (n.200) e fortificato con una piccola quantità di gesso. Il risultato è cemento portland. La Portland Cement Association (PCA) ha un’eccellente illustrazione interattiva di questo processo sul loro sito web.

Proprietà chimiche

I cementi Portland possono essere caratterizzati dalla loro composizione chimica anche se raramente sono per applicazioni di pavimentazione. Tuttavia, è proprietà chimiche di un cemento portland che determinano le sue proprietà fisiche e come si cura. Pertanto, una conoscenza di base della chimica del cemento portland può aiutare a capire come e perché si comporta come fa. Questa sezione descrive brevemente la composizione chimica di base di un tipico cemento portland e come idrata.

Composizione di base

La tabella 1 e la Figura 3 mostrano i principali costituenti composti chimici del cemento portland.

Tabella 1. Main Constituents in a Typical Portland Cement (Mindess and Young, 1981)

Idratazione

Quando il cemento portland viene miscelato con acqua i suoi costituenti composti chimici subiscono una serie di reazioni chimiche che lo inducono a indurirsi (o a fissarsi). Tutte queste reazioni chimiche comportano l’aggiunta di acqua ai composti chimici di base elencati nella Tabella 1. Questa reazione chimica con l’acqua è chiamata “idratazione”. Ognuna di queste reazioni si verifica in un momento e una velocità diversi. Insieme, i risultati di queste reazioni determinano come il cemento portland si indurisce e guadagna forza.

• Silicato tricalcico (C3S). Idrata e indurisce rapidamente ed è in gran parte responsabile del set iniziale e della forza iniziale. I cementi Portland con percentuali più elevate di C3 mostreranno una maggiore resistenza iniziale.
• Silicato dicalcico (C2S). Idrata e indurisce lentamente ed è in gran parte responsabile per gli aumenti di forza oltre una settimana.
• Alluminato tricalcico (C3A). Idrata e indurisce il più velocemente. Libera una grande quantità di calore quasi immediatamente e contribuisce in qualche modo alla forza precoce. Il gesso viene aggiunto al cemento portland per ritardare l’idratazione C3A. Senza gesso, C3A idratazione causerebbe cemento portland per impostare quasi immediatamente dopo l’aggiunta di acqua.
• Tetracalcio aluminoferrite (C4AF). Idrata rapidamente ma contribuisce molto poco alla forza. Il suo utilizzo consente temperature del forno più basse nella produzione di cemento portland. La maggior parte degli effetti di colore del cemento portland sono dovuti a C4AF.

La figura 4 mostra i tassi di evoluzione del calore, che danno un’idea approssimativa dei tempi di idratazione e quando un tipico cemento portland inizialmente si fissa.

Figura 2. Tasso di evoluzione del calore durante l’idratazione di un tipico cemento portland.Il risultato delle due idrazioni di silicato è la formazione di un idrato di silicato di calcio (spesso scritto C-S-H a causa della stechiometria variabile). C-S-H costituisce circa 1/2 – 2/3 del volume della pasta idratata (acqua + cemento) e quindi domina il suo comportamento (Mindess e Young, 1981).

Tipi di Cemento Portland

Conoscendo le caratteristiche di base dei composti chimici costitutivi del cemento portland, è possibile modificarne le proprietà regolando le quantità di ciascun composto. Negli Stati Uniti., AASHTO M 85 e ASTM C 150, specifica standard per cemento Portland, riconoscono otto tipi di base di cemento portland (Tabella 2). Ci sono anche molti altri tipi di cementi miscelati e proprietari che non sono menzionati qui.

Tabella 2. ASTM Tipi di Cemento Portland

Proprietà fisiche

I cementi Portland sono comunemente caratterizzati dalle loro proprietà fisiche per scopi di controllo qualità. Le loro proprietà fisiche possono essere utilizzate per classificare e confrontare i cementi portland. La sfida nella caratterizzazione delle proprietà fisiche consiste nello sviluppare test fisici che possano caratterizzare in modo soddisfacente i parametri chiave. Questa sezione, presa in gran parte dal PCA (1988), elenca le proprietà fisiche del cemento portland statunitense più comuni che vengono testate. I valori di specificazione, dove dati, sono presi da ASTM C 150, specificazione standard per cemento Portland.

Tieni presente che queste proprietà , in generale, si applicano alle paste cementizie “pulite”, cioè includono solo cemento portland e acqua. Le paste cementizie pulite sono in genere difficili da maneggiare e testare e quindi introducono una maggiore variabilità nei risultati. I cementi possono anche funzionare diversamente se utilizzati in una “malta” (cemento + acqua + sabbia). Nel corso del tempo, i test di malta sono stati trovati per fornire una migliore indicazione della qualità del cemento e quindi, i test su paste cementizie pulite sono in genere utilizzati solo a scopo di ricerca (Mindess e Young, 1981). Tuttavia, se la sabbia non è accuratamente specificata in un test di malta, i risultati potrebbero non essere trasferibili.

• Finezza
• la Solidità
• Impostazione del Tempo
• Forza
• peso Specifico
• Calore di Idratazione
• Perdita su Accensione