Cemento Portland

Il cemento Portland è calcare e argilla cotti insieme a circa 1450 °C fino a formare noduli duri, il clinker, poi macinati con un po' di gesso. Con l'acqua indurisce per reazione chimica, anche immerso, e legato a sabbia e ghiaia dà il calcestruzzo, il materiale da costruzione più usato al mondo.

Che cos’è

Il cemento Portland è una polvere grigia: calcare e argilla cotti finché fondono in parte in grumi duri, il clinker, che poi si macina con un po’ di gesso. Con l’acqua forma una pasta che si irrigidisce in poche ore e continua a indurire per settimane.

È un legante idraulico: indurisce reagendo con l’acqua, in uno scavo umido come sotto il mare. La malta di calce aerea, invece, indurisce lentamente per carbonatazione, a contatto con l’aria. Il calcestruzzo romano resisteva all’acqua grazie alla pozzolana, una cenere vulcanica la cui silice reagisce con la calce spenta. Nel cemento Portland la calce e la silice dell’argilla sono già combinate nel forno: la polvere ha bisogno solo d’acqua, e diventa molto più resistente.

Mescolato con sabbia e ghiaia dà il calcestruzzo: questi inerti occupano la maggior parte del volume e il cemento li incolla tra loro.

Come funziona

Il clinker all’uscita dal forno; macinato con un po’ di gesso, diventa cemento.

La cottura. La farina cruda è di solito per circa quattro quinti calcare, con argilla o scisto che portano silice, allumina e ossido di ferro. Nel forno il calcare perde l’anidride carbonica e diventa calce viva, che poi si combina con i minerali dell’argilla. Verso i 1450 °C una parte della carica fonde e il resto sinterizza in noduli scuri. Un clinker tipico contiene circa il 55% di alite e il 20% di belite, due silicati di calcio; l’alite si forma solo con una cottura spinta, oltre i 1300 °C circa. Il clinker viene poi raffreddato in fretta.

La macinazione. Il clinker si macina finissimo con circa il 5% di gesso, che impedisce al suo alluminato di irrigidire la pasta pochi minuti dopo l’impasto.

La presa. Nell’acqua, alite e belite formano silicati di calcio idrati, un gel poco cristallino che si sviluppa da ogni granulo e li lega l’uno all’altro, liberando idrossido di calcio e calore. L’alite dà la resistenza dei primi giorni, la belite quella che arriva dopo la prima settimana.

Acqua e resistenza. L’acqua in eccesso lascia pori, e i pori indeboliscono il calcestruzzo. Nel 1918 Duff Abrams, al Lewis Institute di Chicago, dimostrò che la resistenza dipende soprattutto dal rapporto tra acqua e cemento; la maggior parte degli impasti sta tra 0,4 e 0,6 in massa. Un calcestruzzo che si secca troppo presto smette di reagire; in alcune prove ha raggiunto solo circa metà della resistenza di uno tenuto umido.

Come si costruisce

Il clinker richiede un forno industriale, ma il cemento in sacchi, entro la data di scadenza, si impasta a mano su una tavola per il plinto di un palo o una piccola soletta da giardino. Tutto ciò che sostiene un edificio o un veicolo richiede il progetto di un ingegnere.

La cassaforma. Per una soletta, scavate fino al terreno compatto, costipate uno strato di ghiaione e piantate tutt’intorno tavole di costa, tenute da picchetti all’esterno, con il bordo superiore in bolla e la faccia interna oliata. Per un plinto, la buca stessa fa da stampo.

L’acqua va in un cratere aperto nell’impasto secco, che si ripiega dai bordi.

Mescolare a secco, poi poca acqua. Una regola comune è un secchio di cemento per due di sabbia per calcestruzzo e tre di ghiaia lavata fino a 20 mm. Rimestate il mucchio secco finché è di un grigio uniforme, versate l’acqua in un cratere e spingetevi dentro con la pala l’impasto secco dei bordi, poco alla volta. Un rapporto di 0,5 equivale a circa 12,5 litri per un sacco da 25 kg, contando l’acqua già presente nella sabbia umida. Fermatevi quando l’impasto è bagnato in modo uniforme e abbastanza morbido da riempire la cassaforma ed essere compattato, ma tiene ancora la forma sulla pala: l’acqua in più lo rende più facile da gettare, ma il calcestruzzo indurito più debole.

Gettare, compattare, tenere umido. Riempite la cassaforma a strati, pestando ciascuno con un’asta e battendo le tavole per far uscire l’aria; staggiate la superficie con un regolo. Riparate il calcestruzzo fresco da sole e vento mentre lavorate. Quando la superficie non si segna più, tenetela umida sotto un telo di plastica o una tela di juta bagnata per almeno 7 giorni, di più se fa fresco, e proteggetela dal gelo.

Provare un cubetto. Riempite con lo stesso impasto una o due casseforme oliate di 10 cm di lato interno, in due strati pestati con un’asta, e lasciatele maturare sotto la stessa tela bagnata della soletta. Un laboratorio prove materiali schiaccia questi cubetti in una pressa a 7 e a 28 giorni e ne indica la resistenza: così si controlla il calcestruzzo in cantiere. Rompere un cubetto con una mazzetta dice poco e proietta schegge e polvere.

Sicurezza. Il cemento fresco è fortemente alcalino. Intrappolato contro la pelle in un guanto o in uno stivale, può causare gravi ustioni chimiche. Indossate guanti impermeabili, maniche lunghe, i pantaloni sopra gli stivali e occhiali protettivi. Lavate subito la pelle sporca; se il cemento entra negli occhi, sciacquate con abbondante acqua pulita per almeno 15 minuti e rivolgetevi a un medico. La polvere irrita i polmoni: svuotate i sacchi all’aperto, con il vento alle spalle e una mascherina FFP3. Tagliare il calcestruzzo indurito solleva polvere di silice: usate una sega con getto d’acqua e una mascherina FFP3 di cui sia stata verificata la tenuta. Un sacco pesa 25 kg: sollevatelo piegando le ginocchia, o in due.

Storia ed evoluzione

La torre di Smeaton a Eddystone, 1759: pietre a coda di rondine in una malta che fa presa in acqua di mare.

Nel 1756 l’ingegnere inglese John Smeaton, incaricato di ricostruire il faro di Eddystone al largo di Plymouth, provò diverse calci per trovare una malta che facesse presa tra due maree. Le migliori venivano da un calcare argilloso; murò la torre con calce idraulica e pozzolana. In Francia, nel 1817-1818, Louis Vicat mostrò come l’argilla permetta alla calce di far presa sott’acqua e ottenne una calce idraulica artificiale da creta e argilla, per un ponte a Souillac.

Il 21 ottobre 1824 Joseph Aspdin, muratore di Leeds, brevettò una pietra artificiale «che chiamo cemento Portland», dalla pietra chiara di Portland, nel Dorset. Il suo prodotto era probabilmente troppo poco cotto per dirsi oggi cemento Portland. Negli anni 1840 il figlio William e Isaac Charles Johnson, entrambi vicino a Londra, cossero l’impasto fino al clinker, che i produttori precedenti scartavano come stracotto; ciascuno rivendicò la scoperta. La data indicata qui, 1824, è quella del brevetto e del nome.

Frederick Ransome brevettò un forno rotante nel 1885. Le sue prove in Inghilterra fallirono, ma nel 1890 un forno di questo tipo, alimentato a petrolio, funzionava in Pennsylvania, e questi forni sostituirono presto quelli fissi.

Nel 2018, secondo Chatham House, il mondo produceva oltre 4 miliardi di tonnellate di cemento l’anno, e questa produzione emetteva circa l’8% della CO₂ mondiale. Più della metà veniva dal calcare stesso, che libera la sua anidride carbonica nel forno. I produttori sostituiscono parte del clinker con loppa d’altoforno, ceneri volanti, argilla calcinata o calcare per ridurre questa quota.