Cementi pozzolanici: caratteristiche e usi in edilizia

Un ruolo importante nel settore delle costruzioni 

Tuttavia, di fronte alla crescente domanda di cemento, specialmente in alcune regioni, è diventato imperativo muoversi verso l'uso di diversi materiali come scorie di altoforno, cenere volatile e pozzolana, in sostituzione del cemento classico. Questo sfruttamento è molto importante perché i loro usi forniscono un miglioramento delle proprietà meccaniche dei materiali cementizi (malta). D'altro canto, il loro uso mira a ridurre il consumo di clinker, contribuendo in modo semplice ed economico a risolvere i problemi relativi all'ambiente con la riduzione dell'effetto serra. E proprio i cementi pozzolanici andremo a conoscere meglio.

Il cemento in edilizia

Il cemento è un legante idraulico a base di clinker, un materiale laterizio, ottenuto dalla combinazione chimica ad altissima temperatura (1450°-1550°) in proporzioni molto precise di calcare e di fine polvere di argilla, che poi viene raffreddata. Rappresenta uno dei leganti più versatili e più usati in edilizia grazie alle sue caratteristiche di resistenza meccanica e di stabilità nel tempo. Proprio come la calce, mescolato con acqua si indurisce e si consolida.

I leganti inorganici come cemento, calce e gesso hanno svolto un ruolo importante nel settore delle costruzioni. Questi leganti, usati a volte come tali, vengono spesso mescolati per ottenere un prodotto che soddisfi le caratteristiche tecniche richieste dall'utente. Nel secondo secolo, i romani aggiungevano la calce alla pozzolana per migliorare le sue proprietà idrauliche, quindi miscelata con aggregati per ottenere il "bitume". Al giorno d'oggi, i diversi tipi di leganti sono ben noti, in particolare cementi e diventano prodotti sempre più sofisticati, adattati alle esigenze tecniche. 

Il cemento si sviluppò principalmente a partire dagli anni '50 a causa delle necessità in termini di costruzione e divenne un materiale di punta nel settore edile. Basti pensare che quando si vogliono indicare abitazioni costruite in luoghi poco adatti per motivi idrogeologici o paesaggistici si parla di “cementificazione”. 

Come è composto il cemento

La classica composizione del cemento è data per l'80% da calcare e per il 20% da argilla. Entrambi gli elementi vengono triturati, cotti a temperature molto elevate, e il risultato, il clinker, viene nuovamente rielaborato. Quando si macina il clinker, si possono apportare aggiunte per ottimizzare le caratteristiche di presa e le caratteristiche meccaniche del cemento (e quindi le caratteristiche del calcestruzzo quando il cemento viene utilizzato nella fabbricazione).

Il cemento è diviso in due categorie: cementi comuni e cementi speciali.

I cementi comuni fatti di clinker e componenti secondari sono classificati in base alla loro composizione, in cinque tipi principali, secondo le norma europea UNI ENV 197-1 e alla marcatura CE.

Essi sono:

• I cementi Portland CEM I che contengono almeno il 95% di clinker e non più del 5% di componenti secondari, sono consigliati per la produzione di calcestruzzi precompressi e calcestruzzi rinforzati.
• I cementi Portland compositi CEM II/A o B che contengono elementi diversi dal clinker: fumi di silice, scorie, pozzolana, scisto calcinato, ceneri volanti da centrali termoelettriche. Questi altri costituenti rappresentano al massimo il 35% della miscela e partecipano all'implementazione di un'ecologia industriale nei territori creando sinergie tra le industrie. Sono raccomandati per i calcestruzzi che richiedono una resistenza significativa: pavimenti, fondamenta, calcestruzzi di strutture comuni in muratura.
• I cementi di altoforno CEM III/A, B, C che contengono almeno l'81% di scorie provenienti da impianti di ferro e acciaio e dal 5% al 19% di clinker, sono adatti per lavori idraulici sotterranei, fondazioni e lavori in ambienti difficili.
• i cementi pozzolanici CEM IV/A o B sono prodotti aggiungendo al clinker puro una percentuale di pozzolana o piroclastite, un minerale vulcanico, usati per la produzione di getti ad alta resistenza.
• i cementi compositi CEM V/A o B che contengono dal 20% al 64% di clinker, dal 18% al 50% di ceneri volanti e dal 18% al 50% di scorie d'altoforno.

Gli standard di riferimento descrivono con precisione la composizione di ciascun tipo di cemento. I cementi comuni sono conformi alla norma europea NF EN-197 e alla marcatura CE e la loro produzione è strettamente regolamentata.

I cementi speciali includono le seguenti categorie:

• naturale a presa rapida di cemento, consigliato per lavori che devono essere eseguiti rapidamente ma con elevata resistenza come guarnizioni, riparazioni, modanature;
• il cemento di allumina con un calore di idratazione elevata e buona resistenza all'acqua aggressiva, viene utilizzato per calcestruzzo refrattario o in climi freddi e in ambienti aggressivi (ambiente industriale, opere di bonifica, fognature, attività in mare);
• il cemento bianco ottenuto da materiali molto puri, viene utilizzato per i calcestruzzi decorativi;
• il cemento da muratura, adatto per lavori in muratura convenzionale.

L'uso di pozzolana nel cemento

La pozzolana è una roccia naturale costituita da scorie vulcaniche o rocce sedimentarie aventi composizione chimica e mineralogica appropriata, essenzialmente composta da silice, allumina e ferro in grado di sviluppare naturalmente le sue proprietà. Ha una struttura a nido d'ape ed è spesso di colore rosso o nero, con tutte le tonalità intermedie, eccezionalmente grigia. In costruzione la pozzolana è alla base della produzione di determinati cementi. Si trova in qualsiasi area vulcanica, ma viene estratta tradizionalmente a Pozzuoli, vicino Napoli, sulle falde del Vesuvio, località ricca di questo materiale utilizzato fin dall’antichità per produrre malte, da cui deriva il termine.

Le pozzolane sono silici o materiali allumina-silicato, che di per sé non posseggono proprietà leganti, ma che, in forma finemente suddivisa e in presenza di umidità, reagiscono chimicamente con l'idrossido di calcio (calce viva) a temperatura normale per formare composti aventi proprietà idrauliche e cementanti. Un materiale è quindi pozzolanico se, in presenza di acqua, ha la proprietà di combinarsi con la calce per formare un legante.

Pozzolone naturali e artificiali

Vengono classificati sotto questo nome anche materiali che non hanno alcuna relazione geologica l'uno con l'altro, tanto che possono essere sia di origine naturale che artificiale. Pozzolane naturali e artificiali sono state utilizzate per ottenere leganti idraulici per oltre mille anni.

Le pozzolane naturali contengono dal 60% all'85% di silice e allumina. In presenza di acqua e calce, a temperature normali, come dice lo standard, si formeranno silicati di calcio idrati, simili a quelli prodotti dall'idratazione del silicato tricalcico, il composto principale del cemento Portland.

Le pozzolane artificiali sono prodotti composti essenzialmente da silice, allumina e ossidi di ferro che, attivata termicamente, sviluppano le proprietà pozzolaniche (le argille, per esempio).

Perché i cementi pozzolanici sono da preferire

Il cemento pozzolanico è ottenuto dalla miscela di clinker di pozzolana o altro materiale con lo stesso comportamento, che vengono uniti, per regolarizzare il processo di presa e idratazione, con gesso e anidrite carbonica. L'attuale contenuto di pozzolana è di circa un terzo in peso di cemento, i cementi con apprezzabili contenuti di pozzolana hanno un rendimento migliore a lungo termine.

Solitamente i cementi pozzolanici vengono usati come sostituti del cemento piuttosto che come aggiunte di cemento. L'aggiunta di pozzolana ad una miscela di calcestruzzo esistente, senza rimuovere una quantità equivalente di cemento, aumenta il contenuto di pasta e diminuisce il rapporto acqua/cemento. In altre parole, aggiungere più pozzolane a un mix cambia le sue proporzioni. Sostituire parte del cemento con pozzolane conserva le proporzioni del mix. I cementi pozzolanici non si induriscono in presenza di acqua, ma reagiscono a temperatura ambiente in presenza di acqua, con l'idrossido di calcio rilasciato durante l'idratazione del clinker.

La quantità di aggiunta di pozzolana e la composizione chimica del cemento prodotto sono i principali parametri che influenzano la variazione delle resistenze meccaniche (flessione e compressione) delle malte. A seconda delle dimensioni delle particelle, della composizione chimica e del dosaggio, le diverse pozzolane influiscono sulla resistenza del calcestruzzo in modo diverso e in momenti diversi durante la polimerizzazione.

Ne deriva che: 

• la forza del calcestruzzo è aumentata;
• la sua densità è aumentata;
• l'efflorescenza è diminuita;
• la propensione alla reazione alcali-silice (reazione con il vetro) è diminuita o addirittura virtualmente eliminata.

Uso dei cementi pozzolanici

La maggior parte delle pozzolane vengono utilizzate singolarmente, ma si possono utilizzare miscele di due o più pozzolane diverse per sfruttare le caratteristiche offerte da ogni pozzolana. Esempi tipici sono le miscele di cenere volante e silice, in cui le ceneri volanti aumentano la lavorabilità e l'imballaggio delle particelle e il fumo di silice aiuta a sviluppare precocemente la forza e la resistenza totali.

Le proprietà chimiche e fisiche dei cementi pozzolanici influenzano infine quelle ingegneristiche. La resistenza precoce delle paste e dei calcestruzzi diminuisce mentre la resistenza finale si trova spesso a superare quella del cemento Portland di riferimento. Questa miscela è più resistente del Portland da solo in quanto è meno porosa, quindi più adatta anche per la realizzazione di vasche per contenere acqua. Un'altra caratteristica di questo materiale è la sua alta basicità naturale, che lo rende particolarmente resistente alla corrosione atmosferica operata dai solfati.

Nella maggior parte dei casi, tuttavia, le differenze tra i due tipi di cementi non sono così marcate e, di conseguenza, entrambi i cementi sono intercambiabili soprattutto per i tipi di edifici più comuni.