LEGANTI AEREI E IDRAULICI

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1 LEGANTI AEREI E IDRAULICI Leganti o cementanti sono quei materiali che impastati con acqua formano masse plastiche che hanno la funzione di collegare i vari materiali usati nelle costruzioni (lapidei, ceramici). I leganti aderendo ai materiali lapidei ed indurendo formano un materiale monolitico dotato di eccellenti caratteristiche meccaniche. I LEGANTI AEREI sono quelli in cui i fenomeni di indurimento avvengono all aria e non possono stare permanentemente a contatto con l acqua: CALCI AEREE, GESSO, CEMENTO MAGNESIACO. I LEGANTI IDRAULICI sono quelli che induriscono anche se immersi in acqua: VARI TIPI DI CEMENTI, AGGLOMERATI CEMENTIZI, CALCI IDRAULICHE.

2 DEFINIZIONI per MATERIALI LEGANTI: Materiali da costruzione impiegati per legare e cementare tra loro i materiali lapidei (pietre, blocchi, laterizi, etc.). Materiali che impastati con acqua ed eventualmente in miscela con sabbia e/o ghiaia o pietrisco formano una massa plastica che una volta indurita è in grado di sviluppare resistenze meccaniche anche elevate.

3 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 (sabbia, ghiaia e/o pietrisco, sono chiamati anche inerti)

4 MALTA O CALCESTRUZZO? Si differenziano principalmente in base alla dimensione massima dell inerte: Se è inferiore a 5 mm, cioè se la sabbia è l ingrediente lapideo, il materiale risultante prende il nome di malta. Se è superiore a 5 mm il conglomerato risultante è chiamato calcestruzzo. CALCESTRUZZO MALTA

5 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 mantenere la forma iniziale. Questa fase dura da qualche minuto fino a qualche giorno. La presa termina quando l impasto non è più manipolabile.. Indurimento: fase in cui l impasto, consolidato, acquisisce progressivamente anche la resistenza meccanica. Tale fase può durare ore, anni ed anche progredire per un tempo indefinito.

6 CONCLUDENDO. I leganti aerei e idraulici hanno in comune la capacità di reagire con l acqua dando prodotti dotati di capacità leganti. 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 meccanica. Presa e indurimento sono il risultato di un complesso di reazioni chimiche.

7 Gesso 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 sviluppo 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.

8 Gesso Per la fabbricazione del gesso legante si utilizza il gesso naturale solfato di calcio biidrato CaSO 4 2H 2 O (selenite, pietra da gesso) In natura si trova anche l anidrite naturale, minerale costituito essenzialmente da: solfato di calcio anidro CaSO 4 L anidrite, 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

9 Cristalli di anidrite e selenite Se il minerale è puro è bianco o con cristalli incolore trasparenti. Se ci sono impurezze il colore risulterà dal giallo, al rosa al grigio. anidrite naturale selenite

10 Impieghi del gesso in edilizia Legante per preparazione di intonaci Sottofondi per pavimenti Placche o pannelli (cartongesso) La fluidità della sua pasta facilita l ottenimento di impasti con l aggiunta di materiali di natura diversa (segatura di legno, ceneri, fibre di vetro, di cellulosa, etc.). Quindi si ottengono pannelli con elevata leggerezza utilizzabili per l isolamento termico ed acustico e anche per la protezione dalla fiamma.

11 Impieghi del gesso in edilizia Caratteristiche manufatti di gesso per edilizia Resistenza al fuoco (incombustibilità) Capacità di assorbire umidità e restituirla quando l ambiente è secco fonoassorbente termoisolante versatile idoneo a soddisfare nuove proposte di design

12 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 solfati solubili con il calcare. H 2 SO 4 (terreni vulcanici) oppure MeSO 4 (giacimenti metalliferi) + CaCO 3 (calcare) CaSO 4 (calcio solfato)

13 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

14 Disidratazione del gesso (cottura) CaSO 4 2H 2 O (s) CaSO 4 ½ H 2 O (s) + 1,5 H 2 O (v) -19,8 kcal Gesso naturale Solfato di calcio biidrato 128 C Gesso cotto o gesso legante Solfato di calcio emiirdato CaSO 4 ½ H 2 O (s) CaSO 4 + 0,5 H 2 O (v) -7,5 kcal emiirdato 163 C Gesso anidro Questi prodotti se messi a contatto con acqua riprendono le molecole perse e si idratano

15 Esistono due forme di emiidrato Emiidrato β: si ottiene per disidratazione del gesso biidrato in ambiente secco. E poco stabile e tende a riidratarsi durante la conservazione. Ha un aspetto terroso. Emiidrato α: si ottiene per disidratazione del gesso biidrato in atmosfera di vapor d acqua o a contatto con acqua sopra i 97 C. E cristallino, può essere aghiforme o prismatico ed ha un aspetto setaceo. forma α (a presa rapida) e forma β (presa lenta) β ha un maggior sviluppo superficiale, trattiene più acqua (> grado idratazione) dando masse più palstiche. Però si ha un > ritiro durante la presa e indurimento. α ha > grossezza cristalli, richiede meno acqua, fa presa più rapidamente e dà manufatti con caratteristiche meccaniche migliori (perché ad indurimento avvenuto presenta > densità).

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17 I processi industriali di preparazione del gesso semiidrato (gesso cotto), il materiale più utilizzato in edilizia, si suddividono in: cottura 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 β (presa lenta). cottura ad umido a pressione in autoclave oppure a pressione atmosferica in soluzione saline o acidi diluiti, si ottiene prevalentemente solfato di calcio semiidrato α (presa rapida). L'emidrato alfa cristallizza solo da soluzione, è cioè necessaria la presenza di un film di acqua aderente alla superficie dei granuli in cottura.

18 Macinazione La velocità di presa del gesso dipende, a parità di altri fattori, dal grado di finezza del materiale, per cui la macinazione riveste una particolare importanza nelle caratteristiche del prodotto finito. 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

19 Azione legante del Gesso Solfato di calcio biidrato (gesso naturale) 128 C Solfato di calcio semiidrato (gesso da presa)

20 Presa del gesso Impastando con sufficiente quantità d acqua il gesso cotto e macinato si forma una massa plastica e untosa che si rapprende e indurisce rapidamente. L emidrato e l anidrite con l acqua si trasformano esotermicamente in biidrato. L emidrato e l anidrite hanno maggiore solubilità del biidrato, perciò la soluzione diviene soprassatura rispetto al biidrato così che questo precipiterà nella soluzione. Questo processo continuerà e, se l acqua è sufficiente, trasformerà attraverso questo meccanismo tutto l emidrato e l anidrite in biidrato.

21 Presa del gesso Il processo non è istantaneo ed è preceduto da un periodo in cui il prodotto assume consistenza gelatinosa (contiene acqua superiore a quella stechiometrica), poi il biidrato forma germi di cristallizzazione che crescendo diventano cristalli sottili ed allungati. Questi creano un intreccio fibroso, compatto e ad elevata densità che, dopo la completa evaporazione dell acqua raggiunge notevole resistenza meccanica. Esiste anche un altra teoria detta della cristallizzazione diretta secondo la quale l idratazione dei granuli di gesso (emidrato o anidro) a biidrato avverrebbe direttamente senza che questi debbano passare prima in soluzione.

22 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,caso 4 H 2 O, 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 dalla quale precipita il biidrato in masse cristalline aghiformi. Il processo avviene in modo rapido e progressivo fino a che tutto l impasto è costituito da biidrato.

23 Presa del gesso La caratteristica struttura a fibre lunghe del biidrato favorisce la formazione di fitti intrecci a formare una sorta di tessuto. Maggiore è la quantità di acqua maggiore è la fluidità dell impasto. Tuttavia se l acqua è in eccesso lascia delle porosità che indeboliscono il prodotto.

24 Tempo di gemito e tempo di presa Tempo di gemito: tempo che passa da quando la massa è allo stato fluido a quello in cui massa diventa pastosa. Quindi dall inizio dell impasto a quando questo smette di essere una poliglia facilmente lavorabile (plastico). Tempo di presa: tempo che intercorre tra la fine del tempo di gemito ed il completo indurimento del gesso.

25 Acqua necessaria per l impasto La quantità di acqua necessaria ad ottenere un impasto con buona lavorabilità è superiore a quella stechiometrica e varia notevolmente con le caratteristiche del legante (presenza o assenza di anidrite solubile, forma e dimensione dei cristalli, presenza di additivi, ecc.). Sono frequenti valori per il rapporto in peso acqua/gesso tra 0,6 e 1. 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. La quantità impiegata per l impasto è il fattore che influisce maggiormente sulle proprietà meccaniche della malta indurita e sulla sua porosità. Una malta da gesso di buona qualità deve avere, una volta indurita, una resistenza a compressione intorno a kg/cm 2. Anche il tempo di mescolamento dell impasto influenza le proprietà meccaniche finali; il mescolamento dell acqua e della polvere di gesso deve essere molto rapido in modo da assicurare un buon contatto tra i cristallini del legante e l acqua, produrre una massa plastica ben lavorabile e, al contempo, non interferire con la formazione dei cristallini di gesso che vanno precipitando dalla soluzione.

26 Effetto del ritiro durante l idratazione In base ai valori del peso specifico e al volume dell acqua che è utilizzata per formare il biidrato, si può calcolare che la trasformazione da emiidrato a biidrato comporta una diminuzione di volume di circa il 7%. Tuttavia, nella pratica, si osserva che le malte a gesso non subiscono fessurazioni da ritiro e, anzi, può essere misurato un lievissimo aumento del volume finale. Ciò viene giustificato considerando che la massa indurita mantiene una discreta microporosità che compensa la riduzione di volume calcolata teoricamente. Grazie a questo comportamento, le malte a gesso non necessitano di aggregato per compensare il ritiro.

27 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. Effetto globale espansione

28 Regolatori di indurimento Può essere accelerato da fattori capaci di modificare la velocità: si può accelerare la fase di idratazione aumentando la velocità con cui le fasi anidre passano in soluzione oppure accrescendo la loro solubilità in confronto a quella del biidrato. L aggiunta di idracidi o sali agisce accrescendo la velocità di formazione dei germi di cristallizzazione. Può essere rallentato da fattori capaci di modificare la velocità: si può rallentare aggiungendo dei sali che aumentare la solubilità del biidrato rispetto a quella delle fasi anidre. L aggiunta di sostanze che si adsorbono e riducono la velocità di accrescimento dei germi di cristallizzazione. (idrati alcalini o alcalino terrosi).

29 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

30 Resistenza meccanica si controlla mediante prove di flessione e compressione.

31 Resistenza a compressione vs. acqua/gesso e stagionatura (gg). Valori ottenuti con provini prismatici di dimensione 4x4x16 cm e tenuti in un atmosfera con 65% UR. Se UR auenta diminuisce la resistenza meccanica. Il tempo necessario per raggiungere la resistenza meccanica può arrivare anche fino a 28 gg.

32 LIMITAZIONI UTILIZZO GESSO Data la solubilità del gesso biidrato in acqua (2.6 g/l), esso non si presta ad essere usato in ambienti esterni, con alto tasso di piovosità e umidità relativa. In climi caldi e asciutti (come ad esempio l Egitto o i paesi della penisola araba) invece, il gesso è il legante di gran lunga più usato, sia per la facile lavorabilità sia, soprattutto, per il basso costo di produzione rispetto alla calce. Tuttavia non è raro incontrare esempi di uso di malte a gesso per elementi architettonici esterni anche in Italia. Infatti si possono proteggere i manufatti incorporando sostanze capaci di formare composti resistenti all acqua (es. cemento e additivi minerali) o difficilmente solubili ( es. ossido o cloruro di bario, fosfato o ossalato di ammonio, acetato di piombo ecc.) o spalmando o incorporando nei manufatti sostanze idrofobe (cere, siliconi, resine sintetiche).

33 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. 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

34 LA CALCE - Cenni storici L uso della calce come legante è antichissimo: Tracce del suo utilizzo sono state rilevate: nell antico Egitto (murale rinvenuto a Tebe) nelle rovine di Troia nella civiltà cretese-minoica nell antica Grecia (i Greci usarono ampiamente leganti a base di calce; la conoscenza della tecnologia di produzione e del loro impiego pervenne loro dalla Civiltà cretese-minoica) nell antica Roma (i Romani conoscevano solo la calce aerea, mentre era sconosciuta la calce idraulica, tuttavia erano in grado di ottenere malte idrauliche aggiungendo all impasto la pozzolana.

35 Impieghi della calce in edilizia Preparazione di malte: Nelle costruzioni la calce viene usata per formare le malte di calce e sabbia capaci di indurire e far presa all'aria. Le malte di calce e sabbia servono a formare piani di posa fra i vari elementi costruttivi, collegandoli fra loro saldamente; esse però non presentano caratteristiche meccaniche elevate i valori della resistenza a compressione sono dell'ordine di qualche kg/cm 2. blocchi di calcestruzzo cellulare:un materiale innovativo che è ottenuto, in autoclave, da una miscela di acqua, sabbia silicea, cemento e calce. Ha una struttura porosa che lo rende facilmente lavorabile senza l'ausilio di attrezzi costosi e molto più leggero dei tradizionali laterizi. E relativamente facile da trasportare pur mantenendo ed ha una buona resistenza alla compressione.

36 Con il nome di calce si indica.. l ossido di calcio (CaO, calce viva), ottenuto dalla cottura dei calcari, l idrato di calcio (Ca(OH) 2, calce spenta o calce idrata), ottenuto dall idratazione dell ossido di calcio. Normativa Le calci da costruzione (calci vive, calci spente, calci idrate e grasselli) sono normate dalla UNI EN

37 Caratteristiche della calce viva: Calce pura: costituita solo da CaO ma in generale la calce contiene percentuali più o meno sensibili di impurezze derivanti sia dal calcare che dal combustibile usato per la cottura (es: una delle impurezze presenti è l ossido di magnesio che deriva dal calcare). CaO si presenta sotto forma di polvere amorfa incolore Solubilità nell acqua: 1,27 g/l a 16 C 0,97 g/l a 50 C 0,54 g/l a 100 C Una soluzione satura di calce viva (CaO) a temperatura ambiente ha un ph basico ~ 12,3. Usata per aumentare ph terreni. Il ph diminuisce se la temperatura della soluzione aumenta in quanto diminuisce la solubilità della calce nell acqua.

38 Esposizione all aria.. La calce viva esposta all aria si trasforma in una massa polverulenta che contiene Ca(OH) 2 (calce idrata) e carbonato di calcio, in quanto reagisce con l umidità dell aria e con l anidride carbonica. La calce viene venduta come. Calce viva in zolle Calce idrata che si ottiene per spegnimento della calce viva Grassello si ottiene per aggiunta ulteriore di acqua alla calce idrata Calce viva Grassello Calce idrata

39 Materie prime Calcare Minerale costituito prevalentemente da carbonato di calcio (CaCO 3 ) presente in rocce sedimentarie formatesi per precipitazione di acque salate o dolci o per accumulo di resti fossili più o meno metamorfosati. largamente diffuso in natura in due forme allotropiche calcite (stabile a bassa temperatura, più frequente) ed aragonite (meno frequente, si forma sopra i 30 C, ha maggiore densità e più dura).

40 Rocce calcaree Si distinguono in: Rocce calcaree ad elevato tenore di calcite ( g/cm 3 ) Rocce calcaree dolomitiche ( g/cm 3 ) (fino al 45% peso di carbonato di magnesio, MgCO 3 ) Tutte le rocce calcaree contengono anche impurezze di ossidi di ferro, fosfati, solfati, etc

41 Cottura del calcare - CALCINAZIONE Cottura Per riscaldamento il calcare si dissocia formando calce viva (CaO) e anidride carbonica (CO 2 ): CaCO 3 CaO + CO 2 42 kcal (reazione endotermica) 100 g 56 g 44 g (richiede circa 420 kcal per kg di calcare) A patm la decomposizione è completa a 895 C. La tensione di vapore di equilibrio della CO 2 raggiunge 1 atm a 895 C (è minore a più bassa temperatura). Occorre dunque raggiungere tale temperatura per assicurare la completa dissociazione del calcare a pressione atmosferica. Tale temperatura si abbassa se si opera a pressioni inferiori (ad es. si può cercare di favorire l eliminazione dell anidride carbonica man mano che si forma per mantenere nel forno una sua pressione parziale più bassa). Per la reazione occorre fornire una quantità di calore pari a 420 kcal per kg di calcare oppure 750 kcal per kg di ossido di calcio!!!!

42 In pratica La calcinazione dei calcari non è mai completa e la calce ottenuta contiene sempre una certa percentuale di CaCO 3 residuo (anche 1-2%). La cottura si effettua in pratica tra C. Problemi. Calcinazione Le parti centrali si calcinano con difficoltà, specie per pezzi grossolani Tendenza alla ricarbonatazione (riformare CaCO 3 ) superficiale, perché le parti esterne reagiscono con CO 2 dei gas di combustione.

43 Calcinazione Per fare in modo che la calcinazione avvenga anche nelle parti centrali si devono raggiungere T piuttosto alte. Se rimangono delle parti non cotte queste faranno fatica ad idratarsi. Se il calcare rimane per troppo nelle zone del forno a T molto alte si può formare della calce bruciata che si idrata molto lentamente. Per questo la cottura si effettua tra C.

44 Calcinazione: perché evitare temperature troppo alte? Se il calcare permane a T troppo alte anche per tempi brevi si formano cristalli di dimensioni elevate in cui l area superficiale (e quindi l area attiva) è inferiore a quella di cristalli di piccole dimensioni. Quindi si ottiene una calce poco reattiva La reattività della calce dipende dalla dimensione dei cristalli e dalla porosità del prodotto. Anche tempi di calcinazione troppo lunghi possono determinare un ingrossamento del prodotto che ne riduce la reattività.

45 Calcinazione Calcare sottoposto a crescenti temperature di cottura 900 C, 1000 C, 1100 C 1500 C 900 C cristalli di ~ 0,1 µm 1000 C saldature fra le diverse particelle che diventano 10 volte più grandi 1100 C i cristalli accrescono ancora di più C ~ T di sinterizzazione, la dimensione cresce di ~ 1000 volte.

46 Calcinazione Area superficiale vs T e tempo Temperatura di calcinazione (T), tempo di permanenza alla temperatura T (t)

47 Calcinazione Velocità di cottura di calcari in pezzi di mm a 1000 C La dimensione dei cristalli che costituiscono i calcari e la presenza di sostanze organiche influenza la velocità di cottura. I calcari porosi o fessurati che contengono umidità cuociono più velocemente di quelli a struttura cristallina. Anche la presenza di sostanze organiche determina un tempo di cottura minore.

48 Calcinazione Gli attuali forni industriali, con elevata capacità di produzione, lavorano a temperature che arrivano anche fino a 1200 C per ottenere una più rapida dissociazione del calcare. La resa teorica del processo (calcolata in base alla reazione di dissociazione e ai pesi molecolari del carbonato e dell ossido) è del 56% (100 kg di carbonato danno 56 kg di ossido). Nella pratica la resa è più bassa, soprattutto a causa delle impurezze che possono essere presenti nel calcare di partenza. La pietra da cuocere viene frantumata in pezzi piuttosto grossolani in modo che, durante la cottura restino molti spazi vuoti tra i frammenti e sia facilitata la circolazione dei gas di combustione. I calcari macrocristallini come i marmi non vengono in genere usati come materia prima per la produzione della calce in quanto, sottoposti al forte riscaldamento richiesto dal processo, si disintegrano polverizzandosi, per la forte anisotropia termica della calcite e per le caratteristiche strutturali del materiale. La polverizzazione provoca la riduzione degli spazi tra i frammenti, riducendo l efficienza del processo.

49 Calcinazione Forni continui verticali o rotanti: Il calcare, sottoforma di pezzi del diametro di cm ed il coke, in pezzi da l0 cm circa, vengono caricati dall'alto o frammisti o a strati alternati. La calce viva scaricata risulta frammista alle ceneri del combustibile, ciò non costituisce un inconveniente per molte applicazioni della calce prodotta; per evitare tale inquinamento si può disporre di uno o più focolari laterali che vengono alimentati con combustibili a lunga fiamma ed inviano nel forno i prodotti di combustione caldi. Altezza di m, diametro di 3 5 m, produzione fino a t di calce/24 ore.

50 Calcinazione allo scarico dai forni si esegue il passaggio al vaglio per separare le pezzature grandi da quelle minute. segue eventuale cernita per eliminazione pezzi stracotti o poco cotti (riconoscibili per diverso colore).

51 Calcinazione riassumendo. Quando il processo di cottura è effettuato correttamente, l ossido di calcio che si ottiene è un solido poroso e molto reattivo. Se si cuoce il calcare a temperature notevolmente superiori a quella di dissociazione, cresce la dimensione media dei cristalli di CaO e il materiale diviene più compatto e meno reattivo. A 1600 C si ottiene un ossido cotto a morte. Quando si usano calcari dolomitici la decomposizione avviene in due fasi: a temperatura tra 700 e 750 C si forma l ossido di magnesio e a 900 C l ossido di calcio. Il prodotto finale, in questo caso, è costituito dalla miscela dei due ossidi.

52 Il prodotto viene venduto sotto forma di calce viva tal quale (in zolle) trasformata in calce idrata grassello (si ottengono per spegnimento della calce viva con acqua) Se la quantità di acqua aggiunta alla calce è ancor più elevata di quella necessaria per formare il grassello si ottiene il latte di calce (sospensione acquosa più o meno diluita di idrato di calcio)

53 Spegnimento della calce viva Calce idrata Mescolando calce ad acqua nel rapporto stechiometrico (56 parti di CaO per 18 di acqua) si ottiene l idrossido di calcio (idrato di calcio), reazione esotermica con aumento di volume (fino al 10 %): CaO + H 2 O Ca(OH) kcal 56 g 18 g 74 g L idrato di calcio (polvere soffice) trattato a 580 C perde acqua e riforma ossido di calcio. In acqua è poco più solubile del CaO: 1,6 g/l a 20 C. Durante l'idratazione le particelle di ossido di calcio, causa l'aumento di volume (circa del 10%) che accompagna la reazione, specie se rapida, si rompono; i granuli si polverizzano dando luogo alla formazione di una massa soffice ad elevata superficie specifica.

54 Quanta acqua occorre per lo spegnimento della calce viva? La quantità di acqua necessaria allo spegnimento è pari al 32% per l'ossido di calcio puro. In pratica per avere uno spegnimento completo occorre usarne un quantitativo superiore, fino al 50% poiché: in parte evapora a causa l'innalzamento di temperatura prodotto nel corso della reazione di idratazione in parte rimane come acqua libera presente sotto forma di film attorno alle particelle di idrato. Per far disperdere parte del calore lo spegnimento deve essere lento.

55 Da cosa dipende la velocità di spegnimento? Dalla Temperatura con cui è stato cotto il calcare e di conseguenza dalla struttura fisica della calce viva: Se T è C la velocità di spegnimento è piuttosto rapida, perché CaO è costituita da granelli piccoli e non compatti. Se T superiore 950 C, il prodotto sinterizza, risultando compatto, poco poroso e a grana grossa (bassa superficie specifica). Di conseguenza la velocità di spegnimento è molto minore, l acqua riesce a penetrare più lentamente e faticherà ad idratare la massa interna (superficie attiva minore). diminuisce se si usa troppa acqua perché riduce la temperatura della massa.

56 Reattività della calce Si può valutare con: determinazione del peso specifico apparente misurazione della velocità di dissoluzione determinazione del tempo necessario per arrivare alla massima temperatura per cui si ottiene uno spegnimento completo della calce (t max ) oppure uno spegnimento dell 80 % (t u ).

57 Valutazione della reattività della calce mediante curva temperatura tempo di spegnimento t max tempo in minuti necessario per arrivare alla massima temperatura a spegnimento completo tu tempo in minuti necessario per avere 80 % di trasformazione

58 Il ruolo delle impurezze L'ossido di magnesio (MgO) è una delle impurezze più frequenti delle calci e la sua presenza contribuisce a rendere magra la calce. Per la più bassa temperatura di decomposizione del carbonato di magnesio rispetto al carbonato di calcio, alla fine della cottura esso risulterà stracotto per cui si idraterà più lentamente dell'ossido di calcio.

59 Sistemi di spegnimento Ad esempio: trasportatori ad elica che spostano la calce da un estremità all altra rimescolandola mentre viene spruzzata la quantità di acqua necessaria. L agitazione serve ad evitare che la polvere formi degli agglomerati. Lo spegnimento delle calci fortemente magnesiache (in cui l MgO dopo la cottura del calcare risulterà stracotto) può avvenire con applicazione di una pressione e a temperatura elevata ( C) in modo da accelerare la reazione con acqua. Durante lo spegnimento l aumento di volume fa si che la calce idrata diventi una massa di polvere soffice con elevata superficie specifica.

60 Grassello Se alla calce idrata si aggiunge altra acqua o se lo spegnimento della calce viva viene fatto con una quantità di acqua superiore a quella necessaria per ottenere l'idrato si forma una massa pastosa, untuosa al tatto, che prende il nome di grassello. è costituito in parte da cristalli di idrossido e in parte da gel di idrossido (massa gelatinosa). Il prodotto trattiene dal 35 al 45% di acqua libera, oltre quella entrata a formare l'idrato di calcio. La preparazione del grassello è operazione che di solito si compie direttamente nei cantieri irrorando con un forte eccesso d'acqua la calce viva entro recipienti di legno a forma di trapezio (metodo innaffiamento).

61 Grassello Il sistema tradizionale di spegnimento è quello in fossa, che consiste nell immettere le zolle di calce viva in una vasca interrata a fondo poroso, contenente acqua (calcinaie). Una volta avvenuto lo spegnimento, la sospensione di idrossido viene lasciata stagionare per tempi che variano da alcune settimane a molti mesi. Il fondo poroso consente l eliminazione dell eccesso di acqua. Durante la stagionatura la quantità di acqua trattenuta dal grassello aumenta e, parallelamente aumentano il suo volume e la sua plasticità. Ciò è dovuto alla capacità dei cristallini di idrossido di calcio di trattenere strati plurimolecolari di acqua, sulla loro superficie. Gli strati più lontani dalla superficie sono trattenuti da una forza di attrazione minore, sono più mobili e deformabili e possono agire da lubrificanti tra i cristalli, dando l effetto di plasticità tipico del grassello.

62 Rendimento in grassello Per capire quanto buona sia la calcina si deve osservare la sua resa in grassello. Il rendimento in grassello di una calce è dato dal rapporto tra il volume del grassello ad incipiente fessurazione (cioè quando l acqua non trattenuta è evaporata) e il peso della calce viva impiegata; esso è espresso in m 3 /ton. I calcari ad elevata purezza (CaO > 95%) danno calci grasse, con rendimenti in grassello tra 2,5 e 1,8 m 3 /ton (qualche volta si ottengono anche valori fino a 3,5), si idratano rapidamente. I calcari dolomitici o magnesiaci ( 82%< CaO > 95%) danno calci magre con rendimenti in grassello tra 1,8 e 1,5 m 3 /ton, si idratano più lentamente. Un grassello ad elevata plasticità ha la capacità di trattenere molta acqua.

63 Calci grasse e calci magre Calci grasse derivano da calcari più puri, malte più omogenee, migliore posa in opera, idratazione rapida Calci magre da calcari ricchi di impurezze (CaO minore del 94 %) o mal cotti (parti troppo cotte e parti poco cotte), idratazione lenta.

64 Malte di calce Nelle costruzioni la calce viene usata per formare malte di calce capaci di indurire e far presa all aria. Calce idrata o Grassello + sabbia + acqua malte di calce 1 volume 2-3 volumi 1/2 volume La calce idrata o il grassello vengono impastati con sabbia e acqua per formare le malte di calce (normalmente poste in opera in strati abbastanza sottili) essi inizialmente subiscono una contrazione, a causa dell evaporazione di una parte dell acqua di impasto, assumendo una certa consistenza.

65 Carbonatazione della calce Dopo la posa la calce reagisce con la CO 2 dell aria secondo la reazione esotermica: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O La reazione avviene perché la solubilità del carbonato è minore di quella dell idrossido. I cristallini di carbonato si interpongono fra quelli della sabbia, aderendo ad essi e legandoli sotto forma di una massa che via via assume consistenza e resistenza sempre maggiori. Il passaggio da idrossido a carbonato di calcio, e l evaporazione dell acqua provoca un notevole ritiro della massa, che può cominciare a fratturarsi. La presenza dell aggregato contrasta questo fenomeno in quanto costituisce una frazione che non partecipa al ritiro.

66 Importanza dell aggregato (sabbia) L aggregato consente l aumento della porosità della massa e quindi contribuisce al processo di presa della calce, facilitando la penetrazione della CO 2 e la reazione di carbonatazione. Esso inoltre contribuisce al miglioramento delle proprietà meccaniche della malta, in quanto costituisce uno scheletro sul quale aderiscono i minuti cristalli di calcite che si vanno formando. Per svolgere al meglio il suo ruolo, l aggregato deve avere una granulometria compresa entro un intervallo non troppo ristretto, in modo che le particelle più piccole possano riempire insieme al legante gli spazi che si creano tra i frammenti più grandi. La granulometria è anche legata allo specifico impiego della malta: nel caso degli intonaci, ad esempio, essa in genere diminuisce passando dallo strato più interno, a contatto con la muratura (arriccio), a quello più esterno (intonachino): ciò permette una buon aderenza al substrato murario ed una superficie esterna più liscia e adatta a ricevere un eventuale strato pittorico o una coloritura.

67 Importanza dell aggregato (sabbia) Infine, non va trascurato che l aggregato svolge anche una funzione estetica, in quanto sia per la sua granulometria, sia per il suo colore, influisce notevolmente sulle proprietà ottiche della malta indurita. Caratteristiche acqua e sabbia Per ottenere una buona malta di calce è importante tener conto oltre che delle caratteristiche della calce anche di quelle dell acqua e della sabbia, che dovranno avere caratteristiche analoghe a quelle richieste per malte e calcestruzzi di cemento. In particolare le sabbie che si impiegano per la preparazione di malte a calce sono silicee o calcaree o miste. Vanno evitate le sabbie argillose o che contengano terriccio e sabbie che contengano sali solubili in acqua per gli effetti nocivi che questi materiali provocano sulla durabilità della malta.

68 Carbonatazione Affinchè la reazione di carbonatazione proceda a completezza, è necessario che l impasto conservi un certo grado di umidità: se si ha un essiccazione troppo rapida (temperatura ambientale troppo alta, zone troppo ventilate) la malta stenta a carbonatarsi e dà una massa incoerente (bruciature dell intonaco a causa della rapida essicazione). Per questo i materiali che devono essere legati alla malta (mattoni, tufi ecc) si bagnano prima di metterli in opera, in modo che essi non sottraggano acqua all impasto. La presenza di MgO determina un indurimento meno favorevole delle malte aeree. Infatti essendo stracotto e quindi difficile da idratare succede che gran parte dell acqua è evaporata prima che la magnesia inizi a reagire: essa dunque funziona come un inerte.

69 Carbonatazione Anche la presenza di calce stracotta produce idratazione ritardata, quando il resto del manufatto è già indurito e poiché essa avviene con sensibile aumento di volume si potranno verificare fessurazioni, sollevamenti e distacchi di pezzetti nei manufatti, in corrispondenza dei granuli sinterizzati, chiamati bottaccioli.

70 Resistenza a compressione La resistenza a compressione dipende dalla composizione della malta (qualità dell aggregato e rapporto legante/aggregato); un altro fattore importante è rappresentato dalla efficienza e completezza della carbonatazione. Anche nel caso di malte ben confezionate e ben carbonatate, si tratta comunque di valori piuttosto modesti, soprattutto se confrontati con quelli relativi alle malte idrauliche, dell ordine di grandezza di Kg/cm 2.

71 Blocchi o mattoni cellulari Addizionando la miscela di calce e sabbia (e altri aggregati) con piccole quantità di cemento e polvere di alluminio, che reagendo con la calce sviluppano idrogeno che fa lievitare la massa. Quindi si ottiene un materiale poroso e leggero. Altri impieghi della calce Metallurgia: si usa come fondente o scorificante, affinazione della ghisa Industria chimica Trattamento delle acque sia di alimentazione che di scarico Stabilizzazione dei terreni