I Leganti, la Chimica per costruire
(breve storia)
Allo scopo di ripararsi dalle intemperie,
l’uomo ha usato i materiali disponibili in
natura, scegliendo quelli, erano più adatti a
proteggerlo dalle condizioni ambientali:
-Dalle semplici capanne iniziali di legno
e paglia si è poi passati a costruzioni più
solide ed efficienti per gli scopi richiesti.
Con il progredire delle conoscenze delle
proprietà dei diversi materiali è stato
possibile sviluppare degli edifici sempre
più complessi e funzionali.
-Dal legno, materiale organico
putrescibile, si passò nell’antichità alle
costruzioni con materiali inorganici
ben più resistenti alle intemperie e al
trascorrere del tempo.
Ci si rese conto che le costruzioni fatte
inizialmente con i materiali inorganici inerti
potevano essere rese più stabili e durature se si
usavano altre sostanze per legare tra loro le
diverse parti della costruzione.
In questo modo l’uomo iniziava ad applicare la
chimica ai materiali da costruzione.
-Gli egiziani (XXVI A.C.) usavano mattoni seccati al sole
realizzati con paglia mescolata all’argilla; quest’ultima
era usata anche come legante nelle murature e nella
costruzione delle piramidi usarono, come leganti, gesso
e calce mescolata a rena.
-L'argilla fu usata in Sardegna come intonaco
impermeabilizzante nei nuraghi neolitici (XX e XVII
A.C.).
-I greci cretesi e di Cipro nell’ottavo secolo A. C.
usavano malte di calce, mentre i Babilonesi ed i Siriani
usavano il bitume per costruire murature in pietre e
mattoni.
-Gli antichi greci usavano anche calcare calcinato,
mentre i romani fecero il primo calcestruzzo mescolando
calce, come collante, con polvere di mattoni o ceneri
vulcaniche.
-E’ documentato, a Roma intorno al 300 A.C.,
l’uso di un conglomerato di calce e pietre per
la costruzione di opere come l'acquedotto
Appio e la via Appia.
Quando il legante della malta era costituito da
sola calce l’indurimento del calcestruzzo avveniva
molto lentamente in seguito alla reazione della
calce, Ca(OH)2, con l’anidride carbonica
presente nell’aria (CO2) e alla conseguente
produzione di carbonato di calcio (CaCO3).
Questo processo d’indurimento, fortemente
legato al grado di penetrazione dell’aria, risultava
tanto più scadente quanto più compatta ed
impenetrabile era la barriera offerta dai paramenti
in pietra o in mattoni.
-Vitruvio nel De Architectura descrive le tecniche
costruttive e le malte usate dai romani. Nelle
costruzioni romane, i paramenti in mattoni o in
pietra, che fungevano da casseri a perdere,
venivano riempiti di malta all’interno della quale
venivano poi conficcati a mano rottami di pietra e
mattoni costipati con una mazza di ferro. La malta
era costituita da calce e pozzolana.
La pozzolana, un particolare tipo di sabbia
vulcanica cavata vicino Pozzuoli, fu usata per
costruire importanti edifici come il Pantheon o il
Colosseo che ancora resistono alle ingiurie del
tempo.
La miscela calce-pozzolana poteva indurire in
assenza di CO2 con una velocità molto maggiore
di quella richiesta dal processo di carbonatazione
della calce. Oggi sappiamo che la pozzolana è
prevalentemente costituito da silice (SiO2) e da
allumina (Al2O3) mal cristallizzate o
completamente amorfe. Essa è in grado di
provocare l’indurimento della calce e di rendere il
conglomerato indurito resistente all’azione
dell’acqua grazie alla formazione, per reazione
della calce con la silice e l’allumina, dalla
pozzolana di silicati di calcio idrati
(CaO∙SiO2∙H2O) e alluminati di calcio idrati
(CaO∙Al2O3∙H2O).
-Sempre in epoca romana ci sono alcune
testimonianze di in cui sono state
rinvenute barre di bronzo annegate nella
massa del calcestruzzo (il betunium, che
faceva uso di pozzolana e calce comune
come leganti). Questi primi tentativi di
realizzazione del cemento armato
testimoniano l’esigenza di creare strutture
cementizie rinforzate. La differente
dilatazione termica dei due materiali, usati
in questi tentativi, produceva pero’ gravi
problemi di scheggiatura.
-Nel medioevo si perse la memoria delle
tecniche di preparazione romane e la qualità dei
materiali cementizi deteriorò: la calce e la
pozzolana non furono più usati, vennero
reintrodotti nel tredicesimo e quattordicesimo
secolo.
-Nel 1230 il frate francescano Bartolomeo de
Glanville, detto Angelico descrive
nuovamente, nell’enciclopedia "De
proprietatibus rerum", la modalità di produzione
della calce e del suo uso, mescolata con sabbia,
come legante per l’edilizia
-Dal quindicesimo secolo, i costruttori
veneziani usarono la calce nera
dell’Abetone che è simile alla pozzolana.
-Nel 1499 Fra Giocondo usò la pozzolana
e sabbia nella malta per il molo di Pont de
Notre Dame a Parigi.
-Nel 1779 B. Higging ottenne un brevetto
per cemento idraulico da usare per
intonaci esterni.
-Nel 1793 J. Smeaton scoprì che la cottura del
calcare contenente impurezze di argille
produceva un tipo di calce (calce idraulica) con
caratteristiche analoghe a quelle della miscela
calce-pozzolana, con il vantaggio di non dover
usare la pozzolana, non disponibile ovunque.
Smeaton usò la calce idraulica per l’Eddystone
Lighthouse in Cornovaglia.
Una volta capito che il meccanismo di reazione
della calce idraulica era legato alla presenza di
impurità argillose, cominciarono le
sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali
di calcare ed argilla.
-Nel 1796 James Parker brevettò uno speciale
tipo di cemento naturale idraulico, detto cemento
romano, ottenuto per calcinazione di noduli di
calcare contaminati da argilla. Lo stesso
processo fu usato in Francia nel 1802.
-Nel 1812 L. Vicat preparò una calce idraulica
artificiale calcinando miscele artificiali di calcare e
creta (caolina).
Il composto responsabile della presa sia nella
calce idraulica che nei cementi “artificiali” e
“naturali” era la Belite che solo lentamente
sviluppa la presa. Poiché questi erano prodotti
con riscaldamenti inferiori ai 1250° C non
contenevano Alite, il composto responsabile della
presa nei moderni cementi.
-Nel 1824 John. Aspdin sviluppò il Cemento
Portland, così chiamato per la colorazione simile
a quella delle pietre estratte a Portland, in
Inghilterra. Il Cemento Portland era ottenuto
calcinando insieme una miscela di calcare con il
40% di argilla finché non si sviluppava anidride
carbonica.
-Nel 1840 William Aspdin, figlio di John sviluppò
il primo cemento contenente Alite. L’innovazione
di William Aspdin consisteva nell’aumentare il
contenuto di calce nella miscela e nell’aumentare
la temperatura del forno. La temperatura elevata
consente la completa combinazione della calce
proveniente dal calcare con la silice e l’allumina
contenute nell’argilla.
Dal punto di vista chimico, la reazione del
cemento Portland con l’acqua porta alla
produzione di CaO∙SiO2∙H2O, CaO∙Al2O3∙H2O e
Ca(OH)2 con una velocità molto maggiore di
quella della reazione pozzolanica.
-Il primo impiego del cemento armato fu
nell'industria navale. L'avvocato francese J. L.
Lambot costruì, nel 1848, una piccola
imbarcazione con una struttura metallica
ricoperta di calcestruzzo, che impressionò
all'Esposizione universale di Parigi del 1855.
-Nel 1867 giardiniere parigino di nome Joseph
Monier scopri fortuitamente che il cemento
armato nel tentativo di produrre vasi da fiori,
avendo notato che la gabbia di metallo usata per
trattenere e modellare il cemento non si staccava
facilmente dal calcestruzzo e ottenne il brevetto
per la realizzazione di vasi da fiori.
-Negli anni successivi seguirono brevetti per tubi,
serbatoi, solette piane e curve, scale ecc. In tali
brevetti si riscontrano già tutti i concetti principali
per l'armatura del cemento.
-Nel 1887 H. Le Chatelier, chimico e
metallurgista francese, stabilì i rapporti tra ossidi
necessari per preparare una corretta mistura
per la produzione del cemento Portland, i
costituenti principali del quale sono il silicato
tricalcico, allumina e ferrite (inizialmente si
pensò che questi rapporti fossero fissi).
-Nel 1936 inizio in Germania la pubblicazione di
testi sistematici sulle proprietà di resistenza alla
tensione e alla compressione di questo
cemento.
-Attualmente il cemento (o i cementi, poiche’
esistono 5 tipi di cemento), sono ottenuti a
partire da minerali ricchi di ossidi
principalmente: Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO,
K2O, Na2O, silice SiO2 e gesso CaSO4.
Alcune materie prime che possono fornire
questi ossidi sono le argille, le pozzolane
naturali o artificiali (scarti industriali come:
loppa dagli altiforni, cenere volante, fumo di
silice), materiali sia macinati insieme con il
clinker sia aggiunti successivamente al
cemento.
Grazie per l’attenzione