Corso di Laurea in Ingegneria Edile

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1 Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) Cenni sulla calce idraulica

2 Cementi di miscela Sono leganti idraulici composti da una miscela di cemento Portland ed una o più aggiunte minerali che prendono parte alle reazioni di idratazione Rispetto ad un cemento Portland tradizionale, l utilizzo di un cemento di miscela comporta vantaggi da diversi punti di vista: - Economico: una parte di cemento viene sostituita con materiali già disponibili in natura o con sottoprodotti di scarto; - Ambientale: la produzione di una ton. di cemento comporta l emissione in atmosfera di un analoga quantità di «gas serra» CO 2 ; - Prestazionale: le aggiunte in miscela comportano una drastica riduzione di portlandite nel manufatto indurito, con grandi benefici sulle Rc e sulla durabilità, e riducono lo sviluppo del calore di idratazione.

3 Eliminazione della Portlandite Ca(OH) 2 Se il Ca(OH) 2 non venisse eliminato mediante reazione con materiali pozzolanici, potrebbe essere causa di problemi C-S-H Ca(OH) 2

4 Eliminazione della Portlandite Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 è infatti solubile in H 2 O e quindi, col tempo, potrebbe passare in soluzione e lasciare al suo posto una porosità che farebbe diminuire sia la resistenza meccanica che l impermeabilità del cemento. H 2 O Struttura più porosa

5 Cementi di miscela 1. Cementi Pozzolanici Cemento Portland + materiale pozzolanico (max 35-40%) Materiali ad attività pozzolanica Naturali (pozzolana, tufi zeolitici) Artificiali (ceneri di carbone, fumo di silice) 2. Cementi d Altoforno Cemento Portland + loppa granulata d altoforno (fino all 85%)

6 Cementi pozzolanici Cemento Portland + materiale pozzolanico (<40%) I materiali pozzolanici hanno le seguenti caratteristiche: alto tenore di silice alta reattività (dovuta a struttura amorfa e/o elevata sup. specifica) I materiali pozzolanici quando miscelati con calce acquistano proprietà leganti attraverso la seguente reazione pozzolanica : Pozzolana + Ca(OH) 2 + H 2 O CSH Reazione più lenta rispetto all idratazione dei silicati Nei cementi pozzolanici la calce necessaria per reagire con la pozzolana deriva dall idratazione del cemento. Le pozzolane si dividono in pozzolane naturali e pozzolane artificiali (ceneri volanti e fumo di silice).

7 Pozzolana Roccia sedimentaria, essenzialmente vetrosa, originatasi dal rapido raffreddamento della lava proiettata in aria durante una eruzione vulcanica (materiale piroclastico), a base prevalentemente di SiO 2 e in quantità minori di Al 2 O 3. Pozzolana di Bacoli (Ingrandimento 1000X) Struttura vaculare vetrosa

8 Tufi zeolitici - Sono silico-alluminati idrati, fortemente porosi, che pur essendo cristallini presentano un attività pozzolanica confrontabile o addirittura superiore rispetto alle pozzolane di pari composizione chimica. - Tale reattività dipende dalla loro elevata area superficiale specifica ( m 2 /g), che accoppiata all elevata metastabilità in ambiente alcalino ne favorisce la dissoluzione in tale ambiente. N.B. Il loro uso come aggiunta nei cementi di miscela costituisce una pratica sempre più diffusa, soprattutto in paesi (tipo Cina o Turchia) nei quali ad una limitata disponibilità di pozzolane naturali si contrappone un abbondanza di depositi di tufi zeolitici. Tufo giallo napoletano

9 Ceneri di carbone (Fly Ash) Sono un materiale di scarto recuperato, mediante filtri, dai fumi di combustione delle centrali termiche a carbone. Sono formate da microsfere (5 90 μm) che assumono natura vetrosa (fino all 80-90%) in quanto si formano allo stato fuso ad elevate T, e poi subiscono un brusco raffreddamento. La loro composizione è dipendente da quella del carbone e dalle condizioni di combustione. Normalmente sono presenti elevate concentrazioni in SiO 2 e Al 2 O 3, inoltre vi sono ossidi di ferro e tracce di molti altri elementi.

10 Ceneri di carbone (Fly Ash) Composizione chimica di una tipica Fly ash povera in CaO Na 2 O 1.5 CaO 2.4 MgO 1.6 TiO Al 2 O Mn 2 O tr. SiO Fe 2 O P 2 O C 1.5 SO H 2 O 0.3 K 2 O 4.2 Totale 99.9

11 Fumo di silice E un sottoprodotto del processo produttivo del silicio metallico e delle leghe Fe-Si, composto quasi esclusivamente da SiO 2. E composto al 95-99% da microsfere vetrose di dimensioni medie molto piccole (~ 0.1 μm) capaci di riempire gli interstizi lasciati dal cemento, caratterizzato invece da dimensioni medie molto maggiori, ~ 10 μm.

12 Cementi Pozzolanici I cementi pozzolanici presentano una serie di caratteristiche che sono comuni agli altri cementi di miscela descritti in seguito: Eliminazione di Ca(OH) 2 per reazione con la silice reattiva Maggiori resistenze meccaniche per produzione di ulteriore C-S-H Riduzione porosità minore permeabilità maggior durabilità Minor calore di idratazione

13 Cementi Pozzolanici L idratazione dei cementi pozzolanici risulta notevolmente più lenta di quella del cemento Portland, in quanto la reazione tra pozzolana, calce ed acqua per dare C-S-H è più lenta di quella che produce C-S-H a partire da C 2 S e C 3 S. Pertanto lo sviluppo delle resistenze meccaniche e del calore di idratazione risulta più lento!! A parità di lavorabilità, i cementi pozzolanici richiedono sempre un quantitativo di acqua maggiore rispetto ad un analogo cemento Portland.

14 Cementi con Flyash Vantaggi Eliminazione di CH e sviluppo di prodotti d idratazione simili a quelli del cem. Portland Maggiore lavorabilità e minore richiesta d acqua grazie alla microstruttura sferica delle particelle vetrose. Svantaggi Presenza di carbone incombusto che scolorisce il cemento e interferisce con gli additivi. L idratazione della cenere è più lenta di quella del cemento. Ciò comporta basse resistenze meccaniche ai brevi tempi.

15 Cementi con Fumo di silice Vantaggi Eliminazione di CH e sviluppo di prodotti d idratazione simili a quelli del cem. Portland Microstruttura più compatta, con bassa permeabilità e alte resistenze meccaniche. Svantaggi Maggiore richiesta d acqua (dovuta all elevata finezza delle particelle) compensabile con l aggiunta di additivi superfluidificanti. Non può essere utilizzato in percentuali superiori al 10-15% per non abbassare troppo la lavorabilità.

16 Cementi d altoforno Cemento Portland + loppa granulata d altoforno (fino all 85%) - La loppa (o scoria) è un prodotto di scarto dei processi di siderurgia, che si forma dalla reazione del CaO presente nel calcare con le impurezze (silice ed allumina) presenti nei minerali di ferro e nelle ceneri del carbon coke. - Tramite raffreddamento rapido della loppa si ottiene un materiale granulato che contiene dal 50% al 95% di scoria vetrosa, molto reattiva.

17 Cementi d altoforno La loppa d altoforno dovrebbe avere proprietà idrauliche in quanto, proprio come un cemento Portland, è principalmente costituita da silicati di calcio (CaO SiO 2 ) e alluminati di calcio (CaO Al 2 O 3 )! loppa + H 2 O = nessuna reazione prop. idrauliche latenti! Le proprietà idrauliche, dunque, si manifestano soltanto in presenza di un attivatore della loppa: loppa + H 2 O + Ca(OH) 2 CSH N.B. Si capisce, dunque, perché sia possibile confezionare cementi di miscela con aggiunta di loppa fino all 80-85%: in tali casi la rimanente parte di cemento serve solo a produrre, durante l idratazione, la portlandite necessaria per attivare la loppa.

18 Cementi d altoforno Con aggiunte di loppa fino al 40-45% si ottengono cementi con caratteristiche analoghe a quelle viste per gli altri cementi pozzolanici. Aumentando ulteriormente le % di loppa, si riducono ulteriormente le velocità iniziali di sviluppo delle resistenze meccaniche, e dunque: - R C a tempi brevi ancor più basse rispetto agli altri cem. pozzolanici; - Calore di idratazione più basso rispetto agli altri cem. Pozzolanici; - R C molto alte dopo lunghi tempi di stagionatura. N.B. I cementi d altoforno si utilizzano per impieghi generali ma sono particolarmente indicati quando è necessario avere dei bassi calori di idratazione, come nel caso di costruzioni massicce (tipo dighe, grossi serbatoi, ecc )

19 Cenni sulla calce idraulica La calce idraulica viene attualmente prodotta in quantità piuttosto modeste, e solo in alcuni paesi. Ha un importanza «storica» in quanto è da considerarsi il legante precursore del moderno cemento Portland. Si possono distinguere 3 tipologie di calci idrauliche: - Calce idraulica naturale (NHL Natural Hydraulic Lime) - Calce idraulica artificiale (HL Hydraulic Lime) - Calce pozzolanica

20 Cenni sulla calce idraulica La calce idraulica naturale (NHL) si ottiene per cottura di miscele di calcare ed argilla a T C - All uscita del forno si ottiene un prodotto formato da C 2 S (silicato bicalcico), CA (alluminato monocalcico) e C (ossido di calcio). - La presenza di un aliquota di C (calce viva) fa si che dopo la cottura debba essere effettuato un modesto spegnimento, per trasformare il CaO in Ca(OH) 2 - Tra i prodotti di idratazione di una calce idraulica naturale ci saranno dunque gli alluminati ed i silicati di calcio idrati (CAH e CSH) ma anche il carbonato di calcio (CaCO 3 )

21 Cenni sulla calce idraulica La calce idraulica artificiale (HL) viene prodotta mediante opportuna diluizione del cemento Portland con inerti (filler) macinati finemente oppure con calce aerea. La presenza di cemento conferisce l idraulicità, mentre la diluizione garantisce alla malta le caratteristiche di lavorabilità adatte per la realizzazione di intonaci. La calce pozzolanica, infine, si ottiene mescolando la calce aerea (spenta) con materiale pozzolanico. E stata la prima calce idraulica prodotta dall uomo, descritta molto bene già da Vitruvio nel suo trattato «De Architectura». Nel Pantheon, ad esempio, è stato fatto largo uso di miscele di calce, acqua e pozzolana.