Rocce Argillose, Cementi Idraulici: Composizione e Utilizzo
Si definisce roccia un'associazione naturale costituita da un aggregato mono o polimineralico che rappresenta il risultato tendenzialmente di equilibrio di un processo genetico che si ripete in modo regolare e/o che si sviluppa a grande scala. Le rocce sono generalmente costituite da un numero limitato di specie minerali. In alcune è presente un solo minerale essenziale: i calcari, ad esempio, sono costituiti quasi interamente da calcite; in altre si trovano diversi minerali: i conglomerati, ad esempio, possono avere una composizione mineralogica molto complessa. La determinazione della composizione mineralogica di una roccia è molto importante per la sua conoscenza e la sua classificazione.
Le rocce costituiscono la parte esterna della Terra denominata crosta. La Terra è costituita da tre parti distinte: nucleo, mantello e crosta. La crosta ha uno spessore variabile da alcuni chilometri (al di sotto dei bacini oceanici) ad alcune decine di chilometri (al di sotto dei continenti). Lo studio della crosta terrestre viene effettuato mediante osservazione diretta, mentre lo studio delle parti interne della Terra si effettua mediante metodi geofisici; la natura del mantello e del nucleo è quindi deducibile solamente in forma indiretta.
Un esempio molto semplice può essere ricondotto alla determinazione della densità globale della terra (effettuata secondo le leggi della gravitazione universale) che risulta essere di 5,517 g/cm3. Poichè la densità media della crosta terrestre (effettuata sulla misura di determinati caratteri fisici delle rocce) è di 2,8 g/cm3, si deduce che la densità media delle parti più interne, sottostanti la crosta e non direttamente osservabili, debba essere superiore. Anche lo studio delle onde sismiche conferma le diverse condizioni dell'interno della terra individuando una serie di discontinuità che separano le singole parti.
Con il termine struttura si indica la forma dei singoli minerali componenti una roccia, le loro dimensioni, il modo di aggregarsi e le reciproche relazioni. Con il termine tessitura si indica la disposizione su larga scala dei componenti nello spazio e si definiscono quegli aspetti determinati dalle orientazioni dei cristalli (insieme delle caratteristiche di una roccia a scala geologica). Dopo aver determinato la composizione mineralogica di una roccia, condizione necessaria, ma non sufficiente, si procede all'osservazione della struttura, effettuata al microscopio. La struttura è caratteristica di ogni tipo di roccia.
Ad esempio, rocce con eguale associazione mineralogica ed eguale composizione chimica possono avere strutture diverse: un caso molto semplice può essere rappresentato da un calcare di Viggiù e da un marmo di Carrara. Entrambe le rocce sono costituite da calcite per la quasi totalità e la loro composizione chimica è quasi esclusivamente rappresentata da carbonato di calcio. La loro struttura risulta tuttavia completamente diversa: nel calcare si nota la struttura oolitica (presenza di ooliti, corpuscoli sferici e subsferici), nel marmo si nota la struttura granoblastica in cui i cristalli di calcite sono disposti a mosaico.
Le rocce possono essere classificate in base alla genesi in tre categorie principali:
- rocce magmatiche o ignee (formatesi per cristallizzazione di un magma);
- rocce sedimentarie (formatesi in seguito al deposito di materiale proveniente dalla degradazione di altre rocce);
- rocce metamorfiche (formatesi in seguito alla trasformazione di altre rocce sotto l'azione di agenti esterni quali pressione e temperatura).
La classificazione basata sulla genesi, cioè in base al modo in cui si sono formate le rocce è quella che eguiremo nel prosieguo.
Secondo Clarke e Washington (1924) nella parte più esterna della crosta (circa 15 km) la distribuzione delle rocce è la seguente: magmatiche 95%, sedimentarie 1%, metamorfiche 4%. Questo risultato è stato ottenuto analizzando oltre 5000 campioni di rocce rappresentative di tutte le aree geografiche. Nell'uso architettonico questa proporzione non è veritiera in quanto le rocce sedimentarie sono più facilmente accessibili, e quindi più usate, rispetto alle altre. Si veda l'esempio della Lombardia dove le rocce sedimentarie affiorano nella fascia prealpina, la più vicina alle principali città, e le rocce magmatiche e metamorfiche nella fascia alpina.
I tre gruppi in cui vengono suddivise le rocce non possono essere visti come entità distinte ed immutabili, essi fanno parte invece di un ciclo di cui costituiscono una fase transitoria. Il ciclo inizia con il raffreddamento ed il consolidamento di un magma (fuso silicatico ad alta temperatura proveniente dal mantello) che porta alla formazione di una roccia magmatica (intrusione plutonica - vulcanismo); movimenti tettonici portano poi in superficie questa roccia che viene sottoposta successivamente ad un'alterazione chimica e ad una disgregazione fisica da parte degli agenti atmosferici, con formazione di prodotti che vengono trasportati e depositati in particolari ambienti costituendo i sedimenti.
Lo sprofondamento delle aree di deposito (subsidenza) consente l'accumulo dei sedimenti ed il carico dei sedimenti deposti porta alla litificazione (diagenesi) con la conseguente formazione della roccia sedimentaria. Questa può venire in superficie attraverso i fenomeni della regressione marina ed i movimenti tettonici. Quando la pressione e la temperatura superano un certo limite e sono associate a movimenti della crosta terrestre, hanno luogo trasformazioni strutturali e composizionali che portano alla formazione della roccia metamorfica. Infine nelle parti più profonde della crosta terrestre possono avvenire fenomeni di fusione parziale delle rocce (anatessi) con la formazione di nuovi magmi.
Si individuano così tre processi intimamente collegati fra loro: il processo magmatico da cui si originano le rocce magmatiche; il processo sedimentario, da cui si originano le rocce sedimentarie; il processo metamorfico, da cui si originano le rocce metamorfiche.
Prendiamo in considerazione i minerali essenziali (costituenti veri e propri della roccia), trascurando i minerali accessori (diffusi con regolarità nelle rocce, ma in quantità ridotte). La presenza dei minerali accessori può essere utile quando si vuole definire una varietà particolare di roccia.
Le rocce magmatiche sono costituite da: quarzo, ortose, plagioclasio, miche, anfiboli, pirosseni, olivina, eldspatoidi. Si noti che i feldspati (ortose e plagioclasio) costituiscono da soli oltre il 50% dei minerali di queste rocce. Le rocce sedimentarie sono costituite da quasi tutti i precedenti minerali con aggiunta di calcite, dolomite e gesso. Le rocce metamorfiche sono costituite da tutti i precedenti minerali con aggiunta di altri minerali caratteristici (granato, serpentino, ecc.).
Sulla base di un gran numero di analisi chimiche effettuate su campioni di rocce raccolti seguendo un criterio statistico di rappresentatività nella crosta terrestre (rocce dei fondi oceanici, rocce degli scudi continentali, rocce delle catene orogeniche, rocce delle scarpate continentali), è stata compilata una graduatoria degli elementi più diffusi nelle rocce, indipendentemente dalla genesi di queste:
- ossigeno: 46,6%;
- silicio: 27,7%;
- alluminio: 8,1%;
- ferro: 5,0%;
- calcio: 3,6%;
- sodio: 2,8%;
- potassio: 2,6%;
- magnesio: 2,1% (i valori sono espressi come percentuali in peso).
Questi otto elementi, che hanno ciascuno una percentuale superiore all'1%, costituiscono quasi il 99% e sono detti elementi maggiori. Fosforo, titanio, e manganese hanno una percentuale compresa fra 1% e 0,1% sono detti elementi minori. Gli altri elementi (inferiori allo 0,1%) sono detti elementi in traccia.
Sono rocce formatesi in seguito alla cristallizzazione di un magma. Il magma è una massa a temperatura elevata formata da un miscuglio di liquido, gas, cristalli; è più o meno viscoso e suscettibile di movimento; si tratta cioè di un sistema chimico-fisico a molti componenti consistente di una fase liquida (fuso) e di un certo numero di fasi solide (cristalli) in sospensione; può anche essere presente una fase gassosa. Diverse sono le ipotesi sull'origine del magma: da materiale terrestre primordiale allo stato fuso; da fusione, totale o parziale, di rocce preesistenti; da modificazioni di un magma originario per contaminazione.
I principali componenti sono: silice (40-75%, valori espressi come percentuali in peso), allumina (10 -20%), ossidi di ferro (2-12%), calcio (1-12%), magnesio (tracce-12%), sodio (1-8%) e potassio (tracce-7%). Nella fase gassosa è presente principalmente acqua; anidride carbonica, acido cloridrico, anidride solforosa, ecc. sono presenti in quantità minori. In funzione della quantità di silice presente, un magma viene definito acido (persilicico, percentuale di silice superiore al 65%) o basico (iposilicico, percentuale di silice inferiore al 52%). Un magma con una percentuale di silice compresa fra 52% e 60% è detto neutro, intermedio o mesosilicico.
La viscosità di un magma è legata alla temperatura ed alla pressione cui è sottoposto ed alla sua composizione chimica. In particolare, se un magma è povero di silice, esso è meno viscoso (o più fluido) di una magma ricco di silice. Aumentando la viscosità aumenta anche la percentuale di sostanza vetrosa (corpi amorfi). La temperatura di un magma è compresa fra 1350°C e 750°C. La cristallizzazione di un magma procede con l'abbassarsi della temperatura nella massa magmatica. Man mano che si creano le condizioni per la cristallizzazione dei diversi minerali il magma diviene via via più ricco di componenti che non si sono ancora solidificati.
I minerali che si sono formati per primi possono ridisciogliersi parzialmente o reagire con il liquido residuo in modo da mutare la loro composizione. Esiste un ordine di cristallizzazione dei minerali in seguito al raffreddamento del magma. Questo ordine, detto "serie di Bowen". La cristallizzazione ha influenza sulla forma dei minerali. I minerali che cristallizzano per primi (olivine, plagioclasio di calcio) si trovano immersi in un liquido che permette di sviluppare cristalli con una forma regolare e ben definita (minerali idiomorfi). I minerali che cristallizzano per ultimi (quarzo) si devono adattare agli spazi residui e non hanno forma ben definita (minerali allotriomorfi). Per questo motivo, nelle rocce magmatiche, il quarzo non ha mai la sua tipica forma di prisma esagonale.
Si definisce paragenesi l'associazione di minerali formatisi insieme o successivamente, ma sempre nello stesso processo genetico di una roccia magmatica. Ogni roccia avrà quindi una sua paragenesi caratteristica.
A seconda del luogo in cui un magma è cristallizzato si ottiene una prima suddivisione delle rocce magmatiche. Si distinguono le rocce plutoniche (o intrusive) e le rocce vulcaniche (o effusive).
- Plutoniche: rocce formatesi all'interno della crosta terrestre ; esse possono venire alla superficie per cause tettoniche e geomorfologiche. Per la tranquillità con cui procede la cristallizzazione, sono caratterizzate da strutture granulari.
- Vulcaniche: rocce formatesi sulla superficie terrestre; il magma è portato in superficie attraverso il fenomeno del vulcanismo (fuoriuscita di lava). La rapidità del raffreddamento del magma impedisce le reazioni di cristallizzazione prima descritte con la conseguente formazione di una struttura porfirica, caratterizzata da una massa di fondo composta da minutissimi cristalli in cui sono inclusi pochi grandi cristalli ben formati (fenocristalli).
Le rocce ipoabissali o filoniane non sono qui prese in considerazione perché non interessanti dal punto di vista dei materiali da costruzione. Le classificazioni proposte sono numerose e si basano sulla struttura, sulla giacitura, sulla mineralogia, sulla chimica. La classificazione più utile è quella basata sulla composizione mineralogica (percentuali in volume). In essa si individua un doppio diagramma triangolare con Q=quarzo; A=feldspati alcalini (ortoclasio); P=plagioclasi (labradorite, anortite); F=feldspatoidi. Non vengono presi in considerazione i minerali femici=M (biotite, anfiboli, pirosseni, olivina).Q, A, P, F sono minerali sialici, cioè in prevalenza silico-alluminiferi, per lo più di colore chiaro. M contraddistingue i minerali femici, cioè in prevalenza ferro-magnesiaci, per lo più di colore scuro.
Il diagramma viene suddiviso, in base alle percentuali relative dei componenti, in quindici campi, ciascuno dei quali corrisponde ad una roccia plutonica e ad una roccia vulcanica. Vi sono naturalmente termini di passaggio fra un campo e l'altro. Il sedicesimo campo, comprendente le rocce composte da minerali femici, compare all'esterno del diagramma.
Si descrivono ora i diversi tipi di rocce compresi in questa classificazione, trascurando quelli che rivestono scarsa importanza dal punto di vista dell'impiego come materiali da costruzione.
Esempi di Rocce Plutoniche e Vulcaniche
- Granito: Roccia plutonica acida costituita da ortoclasio, plagioclasio (albite - oligoclasio), quarzo, biotite e minerali accessori. Struttura granulare idiomorfa con grana da media a grossa. Il colore dipende generalmente da quello dell'ortoclasio presente ed è variabile da bianco a rosa a rosso. La punteggiatura nera è dovuta alla biotite. Aree di affioramento: Val d'Ossola (Baveno), Isola d'Elba, Sardegna.
- Riolite: Roccia vulcanica acida. Struttura porfirica con fenocristalli di quarzo, ortoclasio, plagioclasio (oligoclasio) e biotite; massa di fondo di ortoclasio e quarzo. Il colore è per lo più rosso. Area di affioramento: Alto Adige, Val Camonica (Bs).
- Diorite: Roccia plutonica intermedia costituita da plagioclasio (oligoclasio - andesina), ortoclasio, quarzo, biotite e anfibolo (orneblenda). Struttura granulare da idiomorfa ad allotriomorfa con grana da media a grossa. Colore più scuro che nei graniti (da grigio a nero). Aree di affioramento: Adamello, Presanella.
- Sienite: Roccia plutonica intermedia costituita da ortoclasio, plagioclasio (oligoclasio), biotite, anfibolo (orneblenda) e quarzo (poco). Struttura granulare idiomorfa con grana media. Colore chiaro (violaceo) con punteggiatura nera. Aree di affioramento: Valle del Cervo (Biella).
- Trachite: Roccia vulcanica. Struttura porfirica con fenocristalli di sanidino, plagioclasio (andesina - labradorite) e biotite; massa di fondo di sanidino (feldspato potassico), spesso vetrosa. Colore grigio chiaro. Area di affioramento: Colli Euganei (Pd), Isola d'Ischia.
- Gabbro: Roccia plutonica costituita da plagioclasio (oligoclasio - andesina), anfibolo (orneblenda) e biotite. Struttura granulare idiomorfa con grana da media a fine. Colore grigio scuro. Aree di affioramento: Val Sesia (No), massiccio dell'Ortles.
- Andesite: Roccia vulcanica. Struttura porfirica con fenocristalli di plagioclasio (andesina, labradorite) spesso alterato e anfibolo (orneblenda), biotite e pirosseno (augite); massa di fondo di plagioclasio. Colore scuro: verde, grigio, nero. Area di affioramento: Val Trompia (Bs), biellese.
Cementi Idraulici
“…qualunque legante idraulico che venga messo in opera senza spegnimento deve essere chiamato cemento.” [L. Vicat, 1828]
Nel corso dei secoli si è assistito ad una progressiva trasformazione delle caratteristiche chimico-fisiche dei leganti utilizzati nelle costruzioni, con inevitabili mutamenti nel comportamento degli impasti in opera. L’uso dei leganti ottenuti dalla cottura della pietra era già pratica diffusissima in Siria, Fenicia, Cipro e Grecia fin dal VI secolo a. C. I Romani inizialmente utilizzavano come legante prevalentemente la calce. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce, l’indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza.
A partire dal I secolo a. C. i Romani iniziarono a sostituire la sabbia costituente la malta con la pozzolana o con il cocciopesto. Ciò segnò una rivoluzione nella realizzazione delle opere murarie, infatti il comportamento della pozzolana e del cocciopesto faceva sì che la malta facesse presa ed indurisse anche in acqua, senza contatto con l’aria, consentendo quindi la produzione di leganti di alta resistenza e rapido indurimento.
Durante tutto il Medioevo venne abbandonata la tecnologia della pozzolana in favore di leganti come il grassello di calce. Si dovrà attendere il XIV secolo, quando si cominceranno a tradurre i testi latini di Plinio il Vecchio e di Vitruvio, che contribuiranno a chiarire il segreto del costruire secondo i Romani.
Prima di giungere alla composizione de cemento attuale, l’ ingegnere britannico Jhon Smeaton, per realizzare il faro di Eddystone, utilizzò al posto della classica miscela calce-pozzolana, la prima calce idraulica ottenuta dalla cottura di calcare contenente una quantità di impurezze argillose. E’ la scoperta della calce idraulica che segnerà il passaggio dal calcestruzzo romano a quello moderno. Da questo momento hanno inizio sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare ed argilla a temperature sempre più elevate che porteranno alla scoperta del moderno cemento Portland e ad altri tipi di cemento.
A cavallo tra il Settecento e l’Ottocento, in particolare in Inghilterra e in Francia, si svilupperanno nuove invenzioni che porteranno alla produzione di primi leganti idraulici industriali, i cementi. La distinzione tra calce idraulica e cemento rimase a lungo incerta e controversa. Ad essere oggi condivisa è l’opinione di Vicat (1828): “qualunque che venga messo in opera previo spegnimento deve essere chiamato calce idraulica; qualunque legante idraulico che venga messo in opera senza spegnimento deve essere chiamato cemento”.
Esempio di utilizzo moderno: il MAXXI di Roma
Un esempio di utilizzo moderno del cemento è il MAXXI - Museo di arte contemporanea di Roma. Splendido esempio di progettazione dell’architetto Zaha Hadid, vincitore nel 2010 del premio “World building of the year”. Sono in calcestruzzo le pareti che caratterizzano la forma e la struttura, come pure le superfici orizzontali, le lame di copertura, interamente rivestite in cemento fibrorinforzato, e gran parte delle finiture (superfici a vista, pavimenti, arredi).
La differenza principale che caratterizza il calcestruzzo antico da quello moderno consiste nel diverso tipo di legante impiegato: nel calcestruzzo antico, il legante era costituito da calce e pozzolana o da calce idraulica avente proprietà peculiari simili a quelle del cemento grazie ad alcune impurità (silice e allumina); nel calcestruzzo moderno, invece, il legante è costituito dal cemento Portland o da miscele di questo con scorie d’altoforno e pozzolana.
Un’altra importantissima differenza risiede nell’attenzione, nel calcestruzzo moderno, ad una distribuzione granulometrica degli inerti impiegati, particolarmente assortita nelle dimensioni. In queste condizioni si minimizza il volume dei vuoti interstiziali riducendo pertanto il volume di cemento necessario al loro riempimento.
Il cemento, nel corso dei secoli, ha avuto un incremento delle resistenze meccaniche a breve e lungo termine rispetto alle malte cementizie del passato, da cui si giustifica l’impiego quasi esclusivamente a scopo strutturale. L’esaltazione di tali caratteristiche meccaniche in tutti i leganti, anche non strutturali, ha fatto sì che si perdessero le peculiartà tipiche degli impasti del passato, interessanti soprattutto per le loro potenzialità microclimatiche.
Per poter effettuare un’inversione di tendenza e quindi riscoprire le virtù dei leganti al fine di migliorare le condizioni di salubrità e vivibilità degli ambienti, è necessario che le nuove sperimentazioni e quindi la messa in produzione dei nuovi materiali, avvengano rispettando parametri e caratteristiche tali da rispondere alle tecniche costruttive attuali in un’ottica di biocompatibilità in tutti i momenti di produzione, utilizzazione e smaltimento dei materiali.
Rocce Argillose (Peliti)
Sono chiamate anche peliti (dal gr. πηλός "fango") o rocce pelitiche. Derivano dalla sedimentazione e successiva cementazione di materiali detritici finissimi, trasportati dai corsi d'acqua e depositati in seno a bacini lacustri o marini o lungo il corso stesso dei fiumi, là dove la corrente sia lentissima. A questi detriti che possono essere di natura molto varia, come quella di una sabbia finissima, sono mescolate quantità più o meno grandi di sostanza argillosa ordinariamente colloide.
Le rocce argillose di origine recente, e che non hanno subito pressioni o deformazioni troppo energiche, conservano molte delle proprietà caratteristiche dei colloidi argillosi che esse contengono. Così, ad es., possono assorbire notevoli quantità di acqua rigonfiandosi e trasformandosi in una sostanza plastica modellabile. Le argille, disseccandosi all'aria, si contraggono e induriscono. Le paste argillose, pure o mescolate con una certa quantità di sabbia, cotte, ad alta temperatura, si contraggono fortemente e induriscono trasformandosi in una massa porosa di resistenza lapidea.
Il colore delle argille è di solito grigio o grigiastro, ma di frequente anche azzurrognolo, dovuto alla diffusione nella roccia di un finissimo pigmento di solfuro di ferro. Alla presenza quasi costante di questo componente è dovuta la modificazione del colore che le argille subiscono con l'esposizione prolungata all'aria, che dà loro una tinta più o meno ocracea o rossiccia. Alla stessa causa è dovuto pure l'arrossamento che i laterizî assumono con la cottura all'aria, accompagnata da una forte ossidazione e da una completa disidratazione. Il colore nerastro che le rocce argillose hanno qualche volta si deve ordinariamente a un pigmento carbonioso di origine organica. Non di rado si formano nelle argille noduli e concrezioni di pirite, di gesso, o di altri minerali.
La composizione chimica delle argille è molto varia e non rappresentabile con uno schema determinato. Caratteristica l'ordinaria abbondanza di silice, di allumina e la discreta percentuale di potassa, probabilmente trattenuta dalle argille colloidi come composto di assorbimento; mentre sono di solito scarsissime la calce e la magnesia. Col variare della composizione, variano le proprietà tecniche delle argille.
Le rocce argillose geologicamente antiche hanno tutte, in grado più o meno spiccato, una tessitura scistosa, ossia una tendenza a dividersi in sottili lastre, accompagnata da una cristallizzazione o da una ricristallizzazione di tutti i loro componenti. Di guisa che con la scomparsa delle parti colloidali esse perdono la loro originaria plasticità e la proprietà di spappolarsi nell'acqua.
Le rocce argillose sono spesso ricche di avanzi fossili che vengono perfettamente conservati per la fine grana della roccia stessa.
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