Leganti idraulici

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione -- UniversitUniversitàà Federico II di NapoliFederico II di Napoli

Leganti idraulici

Corso di Laurea Specialisticain

Ingegneria Edile-Architettura

Corso di

“Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata”

(Prof. Domenico Caputo)


Contenuti della Lezione

Calce idraulica

Cemento Portland

Pantheon, RomaPantheon, Roma

Colosseo, RomaColosseo, Roma

Pont Du Gard

(Francia)

Pont Du Gard

(Francia)


Quale legante utilizzavano i romani?


Pozzolana: materiale incoerente, essenzialmente vetroso, originatosi dal rapido raffreddamento della lava proiettata in aria durante una eruzione vulcanica (materiale vulcanoclastico), a base prevalentemente di SiO2 e in quantità minori di Al2 O3

“Pulvis Puteolana”da Puteoli (nome Romano di Pozzuoli)

Calce idraulica

Pozzolana + calce aerea Malta idraulica(resistente all’acqua)


La pozzolana

Pozzolana di Bacoli (1000X)Tipica struttura vaculare vetrosa


Silice (SiO2 )

OSi

Ossigeno OSilicio Si


Silice (SiO2 ) Ossigeno OSilicio Si

Amorfa

(es. silice della pozzolana)

Cristallina (Quarzo)

(es. silice di alcune sabbie)


Ca(OH)2 + SiO2 (amorfa) + H2 O

C-S-H

a T ambiente

(pozzolana)

Reazione pozzolanica

Ca(OH)2 + Al2 O3 (amorfa) + H2 O

C-A-H

(calce) COMPOSTI IDRAULICI

FORTEMENTE INSOLUBILI IN

ACQUA


Calce idraulica

Calce aerea + polvere di mattone Malta idraulica(resistente all’acqua)

Villa di Asinio Pollio Felice (Sorrento)


Calce idraulica

Calce aerea + polvere di mattone Malta idraulica(resistente all’acqua)

Perchè la polvere di mattone rende idraulica la malta?


Materia prima: argilla

I mattoni

Produzione:

1. Impasto dell’argilla con acqua2. Formatura3. Essiccazione4. Cottura a 600-700 °C


Costituzione chimica dell’argilla

L’argilla è una roccia sedimentaria costutuita da silicati idrati di alluminio con struttura reticolare stratificata la cui

formula generale è:

xAl2 O3 · ySiO2 · zH2 O

I minerali argillosi più importanti sono:

1. CAOLINITE Al2 O3 · 2SiO2 · 2H2 O

2. MONTMORILLONITE Al2 O3 · 4SiO2 · H2 O


Struttura delle argille


Trattamento termico delle argille

durante la cottura del mattone

xAl2 O3 · ySiO2 · zH2 O xAl2 O3 + ySiO2 + zH2 O600-700 °C

vapore

Solidi amorfi

Stessi componenti della pozzolana

Reattività con la calce

Attività pozzolanica


Calce idraulica

Calce aerea + tufo Malta idraulica(resistente all’acqua)

Perchè il tufo rende idraulica la malta?


Costituzione mineralogica e chimica del tufo zeolitizzato

I tufi zeolitizzati sono materiali di origine vulcanica costutuiti da fasi vetrose e fasi cristalline essenzialmente zeolitiche

Mx/z [Alx • Si1-x• O2 ] • y H2 O

I minerali zeolitici sono da un punto di vista chimico dei silico-alluminati di metalli alcalini e/o alcalino terrosi di formula empirica generale:

dove M è il catione, z la valenza e y il numero di molecole di acqua


La struttura è generalmente molto aperta e contiene canali e cavità (struttura microporosa) nei quali sno

contenute i cationi e le molecole d’acqua.

= molecole d’acqua= cationi

Struttura di una zeolite

Struttura microporosa

Elevata area superficiale specifica

Elevata reattività chimica

http://www.iza-structure.org/databases/activated_page.htm


Ca(OH)2 + Tufo + H2 O

C-S-H + C-A-H + altri prodotti

a T ambiente

Reazione pozzolanica del tufo

(calce)

COMPOSTI IDRAULICI

FORTEMENTE INSOLUBILI IN ACQUA


Evoluzione dei leganti idraulici1756In Inghilterra Smeaton confrontando calci prodotte con calcari di diversa provenienza individua l’importanza della presenza dell’argilla nella materia prima per ottenere una calce di qualità migliore.

1812-1818In Francia il Vicat conferma i risultati di Smeaton dimostra che nella cottura avviene la reazione tra il carbonato di calcio con la silice e l’allumina dell’argilladimostra che è possibile produrre calce idraulica cuocendo calcare e argilla.

1844Johnson (Inghilterra) produce il primo cemento moderno, cuocendo miscele di calcare e argilla a temperature notevolmente superiori a quelle usuali per la calce idraulica;Dimostra l’importanza che la cottura avvenga a temperatute tali da assicurare la presenza di un’abbondante fase fusa detta scoria (clinkerizzazione).


Calce idraulica “industriale”

Per calce idraulica “industriale” si intende il prodotto di cottura a temperature intorno a 1000-1200°C di marne (calcari argillosi e argille calcaree) o, in senso moderno, di miscele di calcare e argilla.

Vengono impropriamente chiamate calci idrauliche anche le miscele di cemento, filler (inerti calcarei finemente macinati) e aeranti, che hanno, in fase di messa in opera e indurimento, proprietà simili a quelle delle calci sopraindicate.

NOTA


Clinker di Portland

Si definisce Clinker di Portland il prodotto che si ottiene dalla cottura a temperatura di 1450°C di miscele di calcare (75%) e argilla (25%).

Si definisce Cemento Portland il prodotto che si ottiene aggiungendo al Clinker di Portland il 3-5% di gesso.

Cemento Portland


CALCARECALCARE ARGILLAARGILLA CLINKERPORTLANDCLINKER

PORTLAND

MACINAZIONE MACINAZIONE

CEMENTO PORTLANDCEMENTO PORTLAND

+

Cottura a1450°C

Materie Prime

Ciclo di produzione del Cemento Portland

GessoGesso


Ciclo di produzione del Cemento Portland


Forno rotativo di cottura

lunghezza ~ 80÷100 mt

inclinazione ~ 3 ÷ 5%

diametro ~ 3÷6 mt

Combustibile impiegati• olio combustibile• gas naturale• carbone in polvere


Fornirotativi



Nomenclatura della chimica del cemento

C = CaO S = SiO2 A = Al2 O3 F = Fe2 O3 H = H2 O

N = Na2 O K = K2 O C = CO2 S = SO3 M = MgO

Legenda



Composizione mineralogica del Clinker di Portland

(% in peso)

C3S 50-70*

C2S 20-30

C3A 5-12

C4AF 5-12


Minerali del Clinker

C3 A

celite

C4 AF

fase ferrica

C3 S

alite

C2 S

belite





Alite (poligonale)

Belite (tondeggiante e striata)

Massa interstiziale costituita da:

fase ferrica (chiaro)

alluminato tricalcico (più scuro)

Micrografia (500 ×)


Macinazione del Cemento Portland

CLINKER PORTLAND MACINAZIONE+GESSO

CEMENTO PORTLAND


Il cemento risulta costituito da:• Clinker• Gesso (in misura del 3-5% in peso)

La reattività del cemento nei confronti dell’acqua dipende dalla finezza:• 90% in peso ha dimensioni tra 2 e 90 m• 7-9% ha dimensioni inferiori a 2 m• 0-4% ha dimensioni superiori a 90 m

Si preferisce non scendere sotto i 2 mm perché aumentano notevolmente i costi di macinazione e le reazioni di idratazione divengono troppo veloci con notevole sviluppo di calore di idratazione


Macinazione del Cemento Portland


Idratazione del Cemento Portland

1. C3 A + H2 O

C-A-H

2. C4 AF + H2 O

C-A-H + C-A-F-H

3. C3 S + H2 O

C-S-H + CH

4. C2 S + H2 O

C-S-H + CH

molto veloce

veloce

lenta

molto lenta

Presa

Indurimento


H2 O

C3 A e C4 AF

Idrati cristallini

C-A-H

Idratazione degli alluminati

Presa: perdita di lavorabilità

I prodotti idrati cristallini C-A-H si interpongono tra le particelle di cemento e ne ostacolano lo scorrimento, riducendo la plasticità, e quindi la lavorabilita, dell’impasto.


Idratazione degli alluminatiPresa: perdita di lavorabilità

L’idratazione degli alluminati è così veloce che deve essere rallentata per evitare la perdita di plasticità dell’impasto in un tempo insufficiente perché lo stesso possa essere posto in opera.

Il gesso fornisce in soluzione ioni calcio e ioni solfato che reagiscono rapidamente con gli alluminati per formare ettringite.

C3 A + Ca++ + SO4-- + H2 O

C3 A · 3 CaSO4 · 32 H2 O

·


Idratazione degli alluminati

Gesso: ritardante di presa

L’ettringite ricopre i grani di cemento che stanno reagendo e ne rallenta la velocità di idratazione.

Ettringite


Gelo CSH

C3 Sportlandite

Idratazione dei silicati e formazione del gelo CSH

La sovrapposizione e la saldatura delle fibre/lamelle del gelo CSH permettono l’indurimento del cemento e la sua trasformazione in un corpo monolitico.




Struttura del gelo CSH

Un gelo è un sistema colloidale in cui il mezzo disperdente è un solido e quello disperso è un liquido.



Il gelo CSH è un sistema colloidale in cui il mezzo disperdente è costituito dall’intreccio dei fibre/lamelle C-S-H e quello disperso è l’acqua dei pori del gelo.

Le lamelle C-S-H hanno superficie estesa di 10-100 nm e spessore di 1nm.

Il gelo C-S-H ha una superficie specifica di 300.000 m2/kg








L’idratazione dei silicati C3 S e C2 S produce silicati di calcio idrati CSH di composizione diversa sia per il rapporto Ca/Si che per il contenuto di acqua legata.

Il CSH che costituisce circa l’80% del volume della massa indurita è il costituente principale della resistenza meccanica finale.

C3 S e C2 S H2 OCa(OH)2

CSH

Cemento non ancora idratato



La resistenza meccanica della pasta indurita è dovuta essenzialmente all’attrazione di Van der Waals tra i vari prodotti lamellari dell’idratazione dei silicati di calcio e degli alluminati.

La velocità con cui un cemento sviluppa la resistenza a compressione può essere modificata agendo sul rapporto fra C3 S e C2 S

La velocità con cui un cemento sviluppa la resistenza dipende:•composizione•finezza•temperatura•additivi acceleranti

Durante l’idratazione viene sviluppato del calore:

C3 A>C3 S>C2 S

Idratazione del cemento: resistenze meccaniche


La pasta di cemento idratata presenta una struttura porosa con tre tipi di pori:

• porosità del gel dovuta a spazi interstiziali tra gli strati di CSH

• pori capillari

• pori dovuti all’inglobamento di aria (questi vuoti possono essere aggiunti intenzionalmente con l’ausilio di agenti areanti in modo da conferire resistenza all’azione del gelo/disgelo)

La porosità del gel non influenza le resistenze meccaniche del conglomerato in quanto rientra nel raggio di azione delle forze di Van der Waals

Porosità della pasta di cemento indurita


Per valutare il volume dei pori capillari si può assumere che durante l’idratazione del cemento non cambi il volume dell’impasto.

Durante l’idratazione i prodotti di idratazione, che hanno un volume circa doppio rispetto al cemento non idratato, sostituiscono lo spazio occupato dal cemento e dall’acqua.

Il volume dei pori dipende pertanto:

• grado di idratazione

• rapporto acqua/cemento

Porosità capillare

Formula di Powers


MASTER CITTAM - Modulo C: Scienza e Tecnologia dei Materiali - Lezione D2

Pori capillari

Porosità capillare


Porosità capillare

Pori con dimensioni maggiori di 50 nm sono detti macropori

Pori con dimensioni inferiori a 50 nm sono detti micropori

• diminuisce il volume dei pori

• diminuisce la loro dimensione

Al diminuire del rapporto

acqua/cemento o al crescere del grado

di idratazione:


MASTER CITTAM - Modulo C: Scienza e Tecnologia dei Materiali - Lezione D2



Porosità capillare

• La porosità capillare influisce negativamente sulle proprietà meccaniche del cemento indurito.

Formula di Powers Rc =K [1-Vpc /(Vci -Vpc )]3

con K= 250 MPa

• La porosità capillare aperta influisce negativamente sulla durabilità del cemento in quanto consente l’accesso agli agenti esterni di degrado, in particolare all’acqua.


Porosità capillare

A / C

Compatibilmente con le esigenze legate alla lavorabilità del cemento, il rapporto A/C va contenuto il più possibile.

Tale obiettivo può essere raggiunto anche attraverso l’uso di opportuni additivi fluidificanti.


Cementi di miscela

1. Cementi Pozzolanici

clinker del Portland + materiale pozzolanico (<40%)

2. Cementi d’Altorofrno

clinker del Portland + loppa granulata d’altoforno (fino all’80%)


Cementi Pozzolanici

I materiali pozzolanici hanno le seguenti caratteristiche:

• alto tenore di silice amorfa • alta superficie specifica

I materiali pozzolanici quando miscelati con calce acquistano proprietà leganti attraverso la seguente reazione:

pozzolana + Ca(OH)2 + H2 O = CSH

Nei cementi pozzolanici la calce necessaria per reagire con la pozzolana deriva dall’idratazione del clinker.

Le pozzolane si dividono in pozzolane naturali e pozzolane artificiali (ceneri volanti e fumo di silice)

clinker del Portland + materiale pozzolanico (<40%)


Cementi d’Altoforno

La loppa granulata d’altoforno ha proprietà idrauliche LATENTI in quanto contiene:

• ossido di silicio• ossidi di calcio

Loppa + H2O = nessuna reazione

Loppa + Ca(OH)2 (attivatore) + H2 O = CSH

la calce necessaria per attivare la loppa deriva dall’idratazione del clinker.

clinker del Portland + loppa granulata d’altoforno (fino all’80%)

L’idratazione dei cementi di miscela risulta notevolmente più lenta di quella del cemento Portland e ciò ritarda lo sviluppo della resistenza meccaniche del calore di idratazione.

Nei cementi di miscela si ha una notevole riduzione della dimensione dei pori capillari con conseguente miglioramento delle proprietà di durabilità.

Leganti idraulici

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