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 -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 -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