CEMENTO

CEMENTO (IX, p. 701)

Composizione chimica. - Negli ultimi anni gli studî sulla costituzione dei clinker sono stati diretti a precisare come il ferro e l'allumina si trovino combinati; in conseguenza, dal sistema ternario Al₂O₃ - SiO₂- CaO, si è passati a studiare il sistema quaternario: Al₂O₃ - SiO₂- CaO - Fe₂O₃.

Questi studî hanno confermato le precedenti deduzioni, che nel clinker esistano due soli silicati: l'alite: silicato tricalcico 3CaO • SiO₂, che è il costituente principale del cemento Portland, e la belite: silicato bicalcico 2CaO • SiO₂.

Hanno poi chiarito che il ferro è combinato con l'alluminio sotto forma di allumino-ferrito di calcio 4CaO • Al₂O₃ • Fe₂O₃ (brownmillerite).

Non è ancora invece completamente definito come si trovi combinata l'allumina, che normalmente eccede la quantità combìnata come brownmillerite. Vi sono due tendenze: una considera l'allumina combinata con l'ossido di calcio sotto forma di due composti: l'allumínato tricalcico 3CaO • Al₂O₃, e il trialluminato pentacalcico 5CaO • 3Al₂O₃; l'altra invece giudica che oltre ai sopraddetti alluminati essa sia contenuta nel magma costituente la parte di ultima solidificazione.

In ogni caso queste, e altre eventuali interpretazioni riferentisi ad altri elementi contenuti in piccole quantità nel clinker, potranno portare in seguito luce sui particolari, ma non modificare sostanzialmente quanto si conosce sui costituenti principali del clinker di cemento Portland.

Fabbricazione. - La tecnica della fabbricazione del cemento non ha subito mutamenti notevoli; si sono invece cercate maggiore semplicità degl'impianti e maggior economia del combustibile.

Una semplificazione si è ottenuta nella macinazione delle materie prime per via secca e nella macinazione del carbone. Col vecchio processo era necessario essiccare le materie prime (calcare e argilla) e il carbone, per renderne possibile la macinazione nei molini a sfere; nei moderni molini ventilati, l'operazione dell'essiccazione si compie nel molino stesso durante la macinazione. La figura rappresenta un molino ventilato costruito dalla Società Breda. Il molino è a sfere e riceve il materiale da macinare attraverso il perno; un ventilatore provoca una forte corrente d'aria nel circuito chiuso, formato dal ventilatore, dal molino, dal separatore e dal ciclone: quando il materiale raggiunge un certo grado di finezza è, dalla corrente d'aria, asportato fuori del molino; il materiale non sufficientemente fino nel separatore abbandona la corrente d'aria e ritorna nel molino, mentre quello fino si separa nel ciclone dalla corrente d'aria ed è scaricato attraverso la valvola di scarico; l'aria aspirata dal ventilatore riprende il ciclo sopra descritto. Nel tubo premente del ventilatore è inserita una presa di aria calda destinata a essiccare il materiale; pure nel tubo premente è inserita la tubazione per lo scarico dell'aria in eccesso che, prima di giungere all'atmosfera, attraversa un filtro per depolverizzarsi e un aspiratore per vincere le resistenze passive del filtro.

L'economia del combustibile che si era conseguita nel forno rotativo "Lépol" (vedi cemento, p. 707, fig. 25) ha spinto i fabbricanti a migliorare anche i forni comuni: in questi si cerca di utilizzare meglio il calore, o allungando i forni in modo da permettere un maggior contatto dei gas col materiale da cuocere, oppure diminuendo le perdite per irradiazione e per convezione, interponendo fra il refrattario e la lamiera del forno un materiale termicamente poco conduttore, costituito da mattoni di pomice, di diatomee o refrattarî porosi.

Sempre nell'intento di realizzare economie sul combustibile, si era già introdotto nella pratica il sistema di fissare alla parete interna del forno elementi metallici, che, durante la rotazione del forno erano esposti alternativamente all'azione di gas combusti caldi, quando si trovavano in alto, e direttamente a contatto col materiale in cottura, quando erano in basso; in questa seconda posizione essi cedevano al materiale il calore precedentemente ricevuto dai gas, facilitando così lo scambio di calore fra gas caldi combusti e il materiale in cottura.

Oggi si sono, a questo scopo, costruiti apparecchi di ricupero del calore speciali meglio adatti, fra i quali è notevole il "Concentrator" della ditta Krupp (v. figura).

Esso è costituito da un tamburo di calcinazione a griglia A riempito di anelli metallici di costruzione speciale B. Nel procedimento a umido i gas di scarico del forno rotativo C, aspirati da un ventilatore, entrano dal basso attraverso i vani della griglia nell'interno del tamburo, mentre la miscela viene introdotta dall'alto attraverso numerosi ugelli di distribuzione D uniformemente ripartiti su tutta la lunghezza del tamburo. Mediante la lenta rotazione di questo, gli anelli metallici sono tenuti continuamente in movimento. Ne risulta quindi uno scambio di calore molto attivo fra la miscela cruda, distesa sulla grande superficie degli anelli metallici, e i gas di scarico del forno. La temperatura dei gas di scarico viene ridotta in tal modo da circa 800° a circa 100°. La trasmissione di calore nello spazio relativamente piccolo dell'apparecchio è molto intensa, poiché i gas di scarico devono passare sulla superficie della miscela e sono obbligati a cambiare continuamente la loro direzione. D'altro lato, il tenore d'acqua della miscela diminuisce dal 39 ÷ 42% circa, fino al 9 ÷ 14% circa. La miscela che essicca sugli anelli metallici, se ne distacca per lo spostamento continuo di questi ultimi e, attraverso i vani della griglia, arriva nel forno in pezzi di forma granulare.

L'apparecchio si utilizza anche nel procedimento a secco; il materiale, inumidito ed in forma granulare, ví viene immesso per mezzo di uno speciale dispositivo di carica e ne esce completamente essiccato e ad una temperatura di circa 500°. Nel procedimento a secco gli anelli hanno una particolare costruzione che permette di trattenere la più grande quantità di materiale possibile. Con la miglior utilizzazione del calore, tanto nel procedimento a secco quanto in quello a umido, il "Concentrator" fa realizzare un'economia di calore nella cottura del cemento, e contemporaneamente la produzione risulta notevolmente aumentata.

Degno di menzione è pure l'"essiccatore di melma" della ditta G. Polysius di Dessau; nel quale la melma viene lasciata cadere su un sistema di catene sospese, animate di moto di rotazione e investite dai gas combusti provenienti dal forno rotativo sottostante. Anche questo apparecchio consente un notevole aumento di produzione ed economia di combustibile.

Cemento bianco. - A scopo decorativo si è fabbricato, prima in America presso la Società "Atlas", un cemento portland bianco, denominato "La Medusa"; la fabbricazione si estese in seguito altrove.

Questo prodotto per la sua composizione entra nella categoria del cemento portland, e dal portland normale differisce solamente per la quasi assenza del ferro e del manganese. Infatti, essendo i composti di ferro e di manganese che colorano intensamente i clinker normali, eliminandoli, si ottengono prodotti incolori.

Nella fabbricazione del cemento bianco, oltre che scegliere materie prime poverissime di ferro e prive di manganese, occorre anche adoperare combustibili le cui ceneri presentino in quantità minima i suddetti elementi.

Alle volte queste precauzioni non sono sufficienti; occorre ridurre il clinker. A questo scopo si mescolano al clinker incandescente alla sua uscita dal forno, materiali riducenti. Altre volte un ulteriore imbianchimento è ottenuto temperando il clinker, cioè facendolo cadere in acqua mentre è ancora incandescente.

Legislazione. - L'introduzione di nuovi tipi di cemento a rapido indurimento e ad alte resistenze ha avuto come conseguenza la non corrispondenza della legislazione alle nuove condizioni dei prodotti. Tutti gli stati hanno perciò provveduto a rivedere le loro norme per l'accettazione dei cementi.

Questa revisione non ha modificato sostanzialmente le modalità di esecuzione delle prove; ma ha modificato i dati di resistenza ed ha dovuto considerare i nuovi prodotti, stabilendo i corrispondenti valori di presa e di resistenza sia alla tensione, sia alla compressione.

La tabella annessa, tolta da una pubblicazione di D. De Simone al congresso di Casale del 1937, rispecchia l'evoluzione delle resistenze richieste secondo la legislazione italiana dal primo regolamento del 1907, all'ultimo del 1933.

Questi requisiti, però, variano notevolmente nelle legislazioni dei diversi stati; e ciò è dovuto in parte al diverso modo di preparazione dei provini (impasto plastico con formazione dei provini a mano, e impasto a secco con preparazione meccanica), in parte al fatto che la tecnica dei cementi ha progredito molto rapidamente, e non tutte le legislazioni l'hanno seguita con eguale rapidità.

Per quanto riguarda l'Italia, è di prossima pubblicazione un nuovo regolamento che sostituirà quello del 1933; ma fra i tecnici sono già vive le discussioni che certamente preludono a sviluppi futuri, provocati dalla specializzazione che i prodotti cementizî tendono ad assumere per meglio adattarsi alle varie esigenze della tecnica.

Futuri indirizzi dell'industria. - L'industria dei cementi si trova a una svolta importante, cioè a quella della specializzazione, poiché si incomincia a riconoscere che il tipo unico normale di cemento non si presta ugualmente bene per tutti gl'impieghi.

Le costruzioni degli ultimi decennî hanno messo in evidenza alcuni inconvenienti derivanti dall'impiego dei cementi portland; qui accenniamo ai principali:

a) La costruzione delle grandi dighe di ritenuta, dove si hanno gettate di calcestruzzo di parecchie diecine di metri di spessore, ha dimostrato che il calore di idratazione può fare assumere alla gettata di calcestruzzo una temperatura troppo elevata; e poiché il raffreddamento di queste masse suole avvenire dopo la presa del cemento, si possono produrre in esse sforzi interni notevoli che provocano fessurazioni.

b) L'impiego dei cementi a rapido indurimento in strutture di cemento armato ha dato luogo spesso a un ritiro elevato, non sempre tollerabile con la stabilità della costruzione.

c) Nei lavori stradali, il ritiro del cemento durante la presa provoca fessurazioni che possono causare rapidi deterioramenti (v. autostrada, App.).

d) Infine l'impiego del calcestruzzo di cemento nei lavori a mare non sempre ha dato buoni risultati, per la formazione del solfoalluminato di calcio, che cristallizzando con aumento notevole di volume, disgrega la massa.

Gli studî sui costituenti del clinker e sul loro calore di idratazione, hanno condotto a precisare le cause dei difetti sopraindicati e a provvedervi. Oggi i tecnici tendono a proporre quattro tipi di cemento:1. portland per costruzioni normali; 2. portland ad alta resistenza; 3. portland a basso calore di idratazione ed a piccolo ritiro; 4. portland resistente ai solfati ed alle acque saline.

L'industria produce già correntemente i tipi 1. e 2.: il primo è il normale cemento portland; il secondo è un cemento di alto valore che ha sostanzialmente la stessa composizione del portland; solo si cerca di ottenere nel clinker il massimo contenuto di alite (silicato tricalcico). Esso è indicato per lavori con carattere di urgenza; ricordiamo che alcune costruzioni importanti, come ponti, furono aperti al traffico dopo solo 48 ore dal termine della gettata.

Nel tipo 3., a piccolo ritiro e a basso calore di idratazione, dovrà prevalere la belite (silicato bicalcico) sull'alite; l'indurimento è più lento, il ritiro risulta ridotto e la quantità di calore messa in libertà dall'idratazione è minore. Questo tipo di cemento è stato prodotto in America e adoperato per la costruzione della grande diga di Boulder nel Colorado, che richiese 2.500.000 metri cubi di calcestruzzo.

Il tipo 4 può essere prodotto seguendo tre processi diversi: il primo si fonda sul fatto che la decomposizione dei cementi portland in presenza di acque marine o solfato di calcio è dovuta alla presenza nel clinker dell'alluminato tricalcico; sarà sufficiente quindi produrre clinker senza alluminato tricalcico per ottenere un prodotto stabile alle acque selenitose; in pratica si ottiene questo clinker introducendo nella miscela cruda tanto ferro quanto occorre a combinare tutta l'allumina sotto forma di birownmillerite. Questi clinker daranno cemento indecomponibile.

Il secondo parte dall'osservazione che altra causa della decomposizione del cemento è la presenza dell'idrato di calcio che si forma nell'idratazione del cemento; si cerca perciò di introdurre nel cemento, durante la macinazione del clinker, materiali atti ad assorbire l'idrato di calcio. Questi materiali possono essere: silice dispersa, argilla cotta, materiali pozzolanici.

Infine il terzo processo consiste nell'adozione simultanea dei due precedenti: combinare tutta l'allumina col ferro in modo che non possa dare origine al solfoalluminato di calcio e incorporare al cemento altre sostanze atte ad assorbire l'idrato di calcio.

Questi procedimenti comportano aggiunte al cemento durante la macinazione, aggiunte che finora tutte le legislazioni escludono (ad eccezione di un piccolo quantitativo di gesso per regolare la presa) ritenendole frodi; la tecnica però incomincia a considerare le aggiunte di sostanze inerti o poco attive come atte a correggere gli eccessivi ritiri del cemento puro, e a diminuire il calore d'idratazione (il cemento così smagrito venne adottato in America e in Svizzera nella costruzione delle dighe).

La tecnica considera inoltre le sostanze attive, come le pozzolane o le loppe di alto forno, o le argille cotte ed altre che potranno essere studiate, come vere sostanze adatte a fare acquisire al cemento portland particolari proprietà, come, ad esempio, l'indecomponibilità e l'impermeabilità. Prima però di concludere su questo punto, sono ancora necessarî studî ed esperienze.

L'industria in Italia. - In Italia, l'industria del cemento si è resa ormai quasi del tutto indipendente. Essa è ancora tributaria dell'estero per i brevetti di alcune nuove macchine; per alcuni refrattarî più pregiati (di cromite e di magnesite); per una parte del combustibile che le occorre.

L'industria del cemento è peraltro una di quelle che hanno meglio studiato l'utilizzazione dei carboni nazionali dell'Arsa. Se anche la sostituzione del combustibile nazionale a quello estero non è ancora totale, i risultati ormai raggiunti dànno affidamento che il 70-80% del consumo sarà presto di combustibile nazionale.