Prof. Alessandra Bianco

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1 a.a Tecnologia dei materiali e chimica applicata (TMCA) Corso di Laurea Ingegneria Edile-Architettura Ingegneria Edilizia 8-10 CFU complessivi Prof. Alessandra Bianco Dipartimento Ingegneria Industriale

2 - Libro di testo Alunno Rossetti, Il calcestruzzo materiali e tecnologia (McGraw-Hill) - Atri testi L. J. Murdock, K. M. Brook, J. D: Dewar, Concrete Materialas and Pactice Mario Collepardi, Il nuovo calcestruzzo (Tintoretto) G. Frigone, N. Mairo, Materiali per l edilizia, (Hoepli) G. Rinaldi, Materiali e chimica applicata (Ed. Siderea) - Slide delle lezioni - Modalità esame - Ricevimento Edifici Sogene-Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche settore 6 livello 1 stanza 9

3 Lezioni monografiche 1.Materiali lapidei: aspetti generali,classificazione, caratterizzazione, degrado e restauro (Ing. C. Del Gaudio) 2.Nanomateriali e nanotecnologie per l edilizia (Dott. E. Ercolani) 3.Materiali lignei: proprietà, tecnologie ed applicazioni (Ing. I. Cacciotti) 4.Materiali compositi per l edilizia (Dott. F. R. Lamastra)

4 Materiali leganti: definizioni I leganti sono materiali da costruzione impiegati allo scopo di legare e cementare tra loro altri materiali (pietre, blocchi, laterizi, etc.). materiali che impastati con acqua ed eventualmente in miscela con sabbia e/o ghiaia o pietrisco forniscono una massa plastica che una volta indurita è in grado di sviluppare resistenze meccaniche anche elevate.

5 oppure

6 Materiali leganti: classificazione induriscono soltanto in aria, non possono stare permanentemente a contatto con l acqua induriscono anche in acqua

7 Materiali leganti: utilizzo princiaple Leganti aerei sono impiegati mescolati con acqua e sabbia per la produzione ad esempio di malta da intonaco Leganti idraulici sono utilizzati nella produzione di calcestruzzo aggiungendo aggregato più grosso (ghiaia e/o pietrisco) agli altri componenti Malte e calcestruzzi sono dal punto vista quantitativo i materiali più importanti nel campo delle costruzioni. Malte e calcestruzzi vengono prodotti miscelando e processando i seguenti componenti principali: acqua, legante e aggregati (o inerti)

8 Malta o calcestruzzo? Se la dimensione massima dell inerte è inferiore a 5 mm, cioè se la sabbia è l ingrediente lapideo, il materiale risultante prende il nome di malta Se la dimensione massima degli inerti supera 5 mm il conglomerato risultante è chiamato calcestruzzo

9 Stagionatura: presa ed indurimento Stagionatura: appena preparati gli impasti sono plastici, in un tempo più o meno lungo (a seconda del tipo di legante) perdono plasticità trasformandosi poi in masse dure e consistenti. Nel complesso, il fenomeno è detto stagionatura. Presa: trasformazione della sospensione fluida in una massa rigida in grado di trattenere la forma iniziale, durata della presa da qualche minuto fino a qualche giorno. La presa termina quando l impasto non è più manipolabile.. Indurimento: fase in cui l impasto rappreso acquisisce progressivamente resistenza meccanica. Tale fase può durare ore, anni ed anche progredire per un tempo indefinito.

10 Riassumendo..

11 I leganti sia aerei sia idraulici hanno in comune la capacità di reagire con l acqua dando prodotti dotati di capacità leganti. La reattività del solido si manifesta all interfaccia solido-liquido ed è perciò funzione dell area superficiale specifica..essa dipende da fenomeni di diffusione che, attraverso la fase liquida a contatto, forniscono i reagenti ed allontanano I prodotti. Di conseguenza, la pasta, cioè la miscela legante più acqua, impiega un certo tempo detto presa per il consolidamento. Successivamente, in un tempo variabile ma molto più lungo avviene l indurimento, che comporta lo sviluppo della resistenza meccanca Sia la presa che l indurimento sono il risultato di un complesso di reazioni tra reagenti (prodotti di partenza) e prodotti intermedi.

12 (a) Leganti aerei

13 1. Gesso Materiale da costruzione usato fin dall antichità. Le prime applicazioni risalgono a circa 7000 anni fa. Infatti era molto diffuso fra Babilonesi ed Egizi,questi ultimi si servivano della malta di gesso nella costruzione delle piramidi. Il maggiore svuluppo lo raggiunge nell epoca dell antica Grecia e della Roma imperiale per la decorazione di edifici. che prosegue poi nei secoli successivi nel medioevo europeo.

14 Gesso:materie prime Per la fabbricazione del gesso legante si utilizza il gesso naturale solfato di calcio biidrato CaSO 4. 2H 2 O monoclino In natura si trova anche l anidrite, minerale costituito essenzialmente da: solfato di calcio anidro CaSO4, romboedrico Per effetto dell azione degli agenti atmosferici si idrata lentamente con aumento di volume trasformandosi in gesso naturale. Rocce gessose: comprendono sia le rocce costituite prevalentemente da gesso naturale che quelle costituite prevalentemente da anidrite

15 Se il minerale è puro o quasi il colore è bianco con cristalli incolori e trasparenti. Se vi sono impurezze il colore varia dal giallo, al rosa al grigio.

16 Sistemi cristallini

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18 7 sistemi cristallini 14 Reticoli di Bravais tetragonale monoclino romboedrico cubico esagonale ortorombico triclino

19 Formazione del gesso naturale I giacimenti di gesso naturale si trovano in terreni di natura sedimentaria formati in seguito di deposito di acqua di mare, laguna o lago. Il solfato di calcio è uno dei sali contenuti in maggiore quantità nelle acque marine, il gesso naturale e l anidrite sono sempre presenti nel salgemma. Il gesso naturale si trova anche in terreni vulcanici e giacimenti metalliferi. In questi casi i giacimenti si.sono formati in seguito all ossidazione dello zolfo o solfuri metallici e successiva reazione dell acido solforico o dei sofati solubili con il calcare. S (zolfo) MeS (solfuri metalici) H2SO4 (acido solforico) terreni vulcanici MeSO4 (solfati) giacimenti metalliferi H2SO4 oppure MeSO4 + CaCO3 (calcare) CaSO4 (calcio solfato)

20 Fabbricazione del gesso cotto Frantumazione gesso naturale proveniente da cave o miniere Macinazione (gesso crudo) Immagazzinamento nei silos di raccolta Cottura (gesso cotto) Immagazzinamento nei silos di raccolta Macinazione Aggiunta additivi (eventuale) Insaccamento

21 Gesso crudo e gesso cotto CaSO 4. 2H 2 O (s) CaSO 4. ½ H 2 O (s) + 1,5 H 2 O (v) + D H Gesso naturale Solfato di calcio biidrato Gesso cotto o gesso legante Solfato di calcio emiirdato e semidrato

22 I processi industriali di preparazione del gesso semiidrato (gesso cotto), il materiale più utilizzato in edilizia, si suddividono in: procedimenti a secco cottura diretta in forni rotanti oppure cottura indiretta in caldaia. In quest ultimo caso, la cottura avviene a temperatura più elevata e con velocità maggiore a causa dell elevato gradiente di temperatura tra prodotto da cuocere e mezzo riscaldante. Al termine del processo si ottengono particelle molto fini a causa della rapida eliminazione di acqua, prevalentemente costituite da solfato di calcio semiidrato b (presa lenta). Esempio: La cottura a secco del biidrato a C a Patm produce prevalentemente semiidrato beta con piccole quantità di biidrato residuo e di anidrite solubile. procedimenti ad umido a pressione in autoclave oppure a pressione atmosferica in soluzione saline o acidi diluiti, si ottiene prevalentemente solfato di calcio semiidrato a (presa rapida)

23 Per ottenere il solfato di calcio semiidrato alfa è necessario operare la calcinazione in ambiente di vapore saturo, il processo deve quindi essere eseguito in autoclave. Infatti, l'emidrato alfa cristallizza solo da soluzione, è cioè necessaria la presenza di un film di acqua aderente alla superficie dei granuli in cottura.

24 La finezza di macinazione o granulometria è misurata mediante setacciatura. Secondo le norme UNI si determinano le frazioni in peso trattenute dal setaccio a maglie più strette e poi da quello a maglie più larghe. Per differenza si ottengono i corrispondenti passanti.. Il passante minimo richiesto al setaccio 0.09 UNI è 70 % e al setaccio 0,2 UNI è % a seconda dell utilizzo

25 Riassumendo.

26 Il gesso utilizzato come legante aereo è un prodotto artificiale ottenuto dalla cottura di una roccia sedimentaria di composizione CaSO 4.2H 2 O e successiva macinazione. In natura il solfato di calcio si trova sotto forma di CaSO 4.2H 2 O le cui diverse varietà cristalline sono contraddistinte dalle denominazioni (saccaroide, selenite e albatro) oppure di CaSO 4 detta anidrite. Come materia prima si usa la pietra di gesso, costituita da % di CaSO 4.2H 2 O, 2-4 % di CaCO 3 ed infine SiO 2, MgO, Fe 2 O 3, Al 2 O 3. Tale miscela sottoposta a cottura subisce una serie di trasformazioni che dipendono dalla presenza di impurezze, dalla finezza di macinazione e dalla tensione di vapore dell acqua.

27 Gesso: azione legante Solfato di calcio biidrato (gesso naturale) 128 C Solfato di calcio semiidrato (gesso da presa)

28 Presa del gesso Concetto base: il semiidrato e l anidro solubile in presenza di acqua si reidratano, riprendono cioè l acqua di cristallizzazione peduta durante la cottura. Si ottiene così il gesso biidrato il cui costituente essenziale è il solfato di calcio biidrato, CaSO4.H2O, è identico a quello del gesso naturale CaSO 4. 1/2H 2 O + 3/2 H 2 O CaSO 4 + 2H 2 O CaSO 4.2H 2 O CaSO 4. 2H 2 O Punto chiave: il gesso cotto (emidrato) è più solubile in acqua del gesso biidrato in cui si trasforma per idratazione Meccanismo: Quando si fa l impasto con acqua il gesso cotto (emidrato) passa in soluzione, si reidrata formando una soluzione soprassatura di biidrato dalla quale precipita in masse cristalline aghiformi. Il processo avviene in modo rapido e progressvo fino a che tutto l impasto è costituito da biidrato.

29 Presa la caratteristica struttura a fibre lunghe del biidrato favorisce la formazione di fitti intrecci a formare una sorta di tessuto. Le proprietà meccaniche della massa indurita dipendono dalla densità della feltratura dei cristalli che dipende a sua volta dalla quantità di acqua impiegata per l impasto. L acqua in eccesso lascia delle porosità che indeboliscono il prodotto.

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31 Tempo di gemito e tempo di presa tempo di gemito: tempo che passa dall inizio dell impasto a quello in cui la pasta cessa di essere plastica tempo di presa tempo che intercorre tra la fine del tempo di gemito ed il completo indurimento del gesso.

32 Quanta acqua occorre per l impasto? La quantità di acqua necessaria per trasformare il semiidrato in biidrato è circa pari al 25 % peso. Per un impasto lavorabile è necessario utilizzare il 65 % peso, nel caso di gessi grossolani. Per polveri fini il quantitativo di acqua richiesto è il 75 % fino a % peso Tale quantitativo è il massimo consigliable poichè il gesso impastato eccesso di acqua è poroso e permabile, igroscopico e meno resistente. L acqua in parte è consumata per la reazione di idratazione, in parte serve per rendere l impasto lavorabile ed una piccola parte viene perduta per evaporazione durante stagionatura. Per idratare 100 g di emidrato o di anidrite sono necessari rispettivamente 18.7 cm 3 e 25.4 cm 3 di acqua. Il resto dell acqua aggiunta è da considerarsi acqua in eccesso.

33 Effetto di acqua in eccesso In generale al crescere della percentuale di acqua d impasto utilizzata la resistenza meccanica diminuisce, a causa della presenza di acqua imbibita. Poichè i cristalli di biidrato sono solubili in acqua, la resistenza dell intreccio è influenzata dall umidità presente. Esempio: Un gesso di buona qualità impastato con 68% di acqua, dà a 28 giorni una resistenza a compressione di 1000 N/cm 2 e a trazione di 200 N/cm 2 allo stato secco. Se saturato d acqua si riducono a 300 N/cm 2 e 60 N/cm 2

34 10 kg/cm 2 =1 MPa = 1 N/mm 2 =100 N/cm 2

35 La normativa Le Norme Ufficiali Italiane (UNI 8377) prevedono per il gesso da costruzione l accertamento del: peso specifico ( g/cm3), tenore di CaSO 4 (80-95 %) tenore di acqua (5-7.5 %) L impasto normale é determinato dalla quantità in peso di gesso capace di contenere 100 cc di acqua. Le norme prescrivono di aggiungere gesso gradatamente in 3 minuti a 100 cc di acqua, fino alla scomparsa del velo d acqua superficiale.

36 Prova di trazione/ compressione provini di dimensione standard deformazione a velocità costante sforzo crescente.

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38 Proprietà meccaniche materiali ceramici

39 Proprietà del solfato di calcio semiidrato(caso 4.1/2 H 2 O) Il solfato di calcio semiidrato esiste in due forme distinte: forma a (a presa rapida) e forma b (presa lenta) Il solfato di calcio semiidrato presenta maggiore solubilità in acqua (10 g/l, RT) rispetto al biidrato (2.4 g/l, RT) A T superiori a 200 C il solfato di calcio semiidrato, si trasforma in solfato di calcio anidro, solubile in acqua (anidrite a). Tale prodotto è anche denominato gesso da fabbrica

40 A C l anidrite a (forma metastabile) si trasforma in anidrite b, (forma stabile) solfato di calcio anidro insolubile gesso morto non reagisce con acqua e non fa presa. A 1000 C anidrite b subisce parziale dissociazione con rilascio di ossido di calcio (CaO) A 1360 C fonde e a 1375 C dissociazione completa in ossido di calcio, anidride solforosa (SO 2 ) e ossigeno (O 2 )

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42 Quadro sinottico Il solfato di calcio esiste in 5 modificazioni di cui: 3 stabili (anidrite I, anidrite II e biidrato) 2 metastabili (anidrite III, emiiidrato) di ciascuna di esse sono note due forme alfa e beta che non costituiscono fasi distinte, differiscono solo per il grado di accrescimento dei cristalli stabile metastabili metastabili stabili

43 Riassumendo

44 Gesso da presa

45 L dratazione del gesso è un processo esotermico! La formazione di CaSO 4.2H 2 O comporta sviluppo di calore. Per l emiidrato il calore di idratazione è 25 cal/g, (a questo va aggiunto il calore di dissoluzione.)

46 Espansione o contrazione? La presa del gesso avviene nel complesso con aumento di volume del 2-5 %, che è vantaggioso per molte applicazioni (es. stampi). In effetti si hanno due fasi successive: (a) fase di contrazione volumica durante l impasto la reazione tra acqua e gesso emidrato avviene con riduzione di volume pari a circa il 7 %. (b) Fase espansione durante l indurimento a seguito della crescita disordinata dell ammasso di cristalli.

47 Per idratare 100 g di gesso emiidrato (alfa o beta) occorrono 18.7 cm 3 di acqua. Nel caso dell emidrato alfa la variazione di volume risulta:

48 Quadro sinottico Il solfato di calcio esiste in 5 modificazioni di cui: 3 stabili (anidrite I, anidrite II e biidrato) 2 metastabili (anidrite III, emiiidrato) di ciascuna di esse sono note due forme alfa e beta che non costituiscono fasi distinte, differiscono solo per il grado di accrescimento dei cristalli stabile metastabili metastabili stabili

49 Limitazioni Il gesso indurito resiste molto bene negli interni e negli ambienti asciutti è inadatto ad essere impiegato in ambienti umidi poichè biidrato è solubile e incorre in rapida disgregazione. I manufatti non sono stabili in aria per T superiori a C, poichè, tendono a perdere acqua di cristallizzazione perdendo compattezza.tale effetto è dovuto all aumento della tensione di vapore del gesso biidrato con la T. Il gesso non è idoneo ad essere usato in ambienti ove siano presenti esalazione ammoniacali (stalle, ) a causa della formazione di solfato di ammonio. Tale composto a carattere fortemente igroscopico fa perdere consistenza ai manufatti. CaSO 4 + 2NH 3 + H 2 O + CO 2 (NH 4 ) 2 SO 4 + CaCO 3

50 Additivi Sostanze (una o più) aggiunte all impasto allo scopo di modificare una o più proprietà del gesso fresco e/o indurito. Ogni additivo ha azione plurivalente, i prodotti commericali sono miscele di più ingredienti. Dosaggio controllato per prevenire effetti indesiderati

51 In base alla loro azione si distingue tra additivi : acceleranti e ritardanti la presa impermeabilizzanti fluidificanti plasticizzanti idrofughi inibitori della dilatazione fungicidi/germicidi/insetticidi aeranti / disareanti

52 Ritardanti di presa del gesso Per realizzare un ritardo nella presa del gesso è necessario: diminuire la solubilità dell emidrato aumetare la solublità del biidrato: Esempio: gesso per intonaci % ritardante, rasature % ritardante

53 Sostanze ritardanti la presa del gesso Esempio: Sostanze che diminuiscono la solubilità dell emidrato Es. gicerina, alcool, acetone, etere, zucchero, acidi deboli e loro sali (acetico, citrico, fosforico, lattico) Composti organici ad elevato peso molecolare che agiscono da colloidi protettori, agiscono sull accrescimento cristalli Es.cheratina, caseina, albumina, gomma arabica, gelatina,

54 Sostanze acceleranti la presa del gesso Per accelerare la presa del gesso è necessario: aumentare la solubilità dell emidrato diminuire la solublità del biidrato Esempio: Tutti i solfati (MeSO 4 ) sono acceleranti poichè diminuiscono la solubilità del biidrato facilitandone la precipitazione per effetto dello ione a comune

55 Impieghi del gesso in edilizia additivo nel cemento intonaco per interni (pareti e soffitti) blocchi per tramezze interne non portanti Compositi di malta di gesso rinforzata con materiali di derivazione naturale.segatura, fibre di cocco, canna da zucchero, granuli di sughero lastre piane o forate per doppie pareti isolanti e fonoassorbenti Maggiore dimension, minore spessore rispetto ai blocchi Compositi di malta di gesso con reti metalliche, intrecci di fibre vegetali, tele collate, pavimentazioni limitato per scarsa resistenza meccanica gesso espanso (leggero, ottmo isol termico, acustico)) (diffuso USA, Europa, limitatissimo in Italia)

56 Intonaco Rivestimento protettivo ed estetico delle murature Tradizionalmente è composto da una malta costituta da una parte legante (indurente) che ingloba sabbia di granulometria selezionata non superiore a 2 mm. Negli intnaci moderni sono presenti additivi (es. cellulosa, amido, fumo di silice) per modificarne le caratteristiche. Gli intonaci più applicato sono costituiti da due strati: rinzaffo (intonaco rustico per compensare le diseguaglianze) stabilitura (intonaco civile per regolarizzare la superficie dell intonaco rustico)

57 Rinzaffo (sottofondo): gesso corrente granuloso e sabbia fine in pari quantità ed eventuali pigmenti colorati Intonaco civile gesso di granulometria più fine possibile senza aggiunta di sabbia, acqua non superiore al %

58 Caratteristiche manufatti di gesso per edilizia Resistenza al fuoco (incombustibilità) Capacità di assorbire umidità e restituirla quando l ambiente è secco materiale che respira! fonoassorbente termoisolante versatile idoneo a soddisfare nuove proposte di design