Calce. L uso della calce come legante è antichissimo: antico Egitto civiltà minoica antica Grecia antica Roma

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1 Calce L uso della calce come legante è antichissimo: antico Egitto civiltà minoica antica Grecia antica Roma

2 Calce Col nome di calce si indica correntemente sia l'ossido di calcio CaO (o calce viva), ottenuto dalla cottura dei calcari, sia l'idrossido di calcio Ca(OH) 2 (o calce spenta), ottenuto dalla idratazione dell'ossido di calcio. La calce viva se pura è costituita da solo ossido di calcio; però spesso contiene percentuali più o meno sensibili di ossido di magnesio o di altre impurezze derivanti sia dal calcare che dal combustibile usato per la cottura.

3 Calce: materieprime Calcari: rocce sedimentarie il cui componente principale è rappresentato dal minerale calcite (CaCO 3, trigonale); In natura esiste anche il minerale aragonite (CaCO 3, rombico) La calcite è stabile a bassa temperatura, l aragonite si forma a temperature superiori ai 30 C, ha densità e durezza maggiore della calcite.

4 Roccecalcaree Si distinguono sostanzialmente due gruppi di rocce calcaree: ad elevato tenore di calcite dolomitiche, contenenti fino al 45% di carbonato di magnesio; Le rocce calcaree sono sempre accompagnate da percentuali più o meno piccole di impurezze: ossidi di ferro, fosfati, solfati, sostanze organiche.

5 Cotturadel calcare Per riscaldamento il calcare si dissocia dando calce viva e liberando anidride carbonica: Lacompletadissociazione del calcare a1atm avviene at=895 C. Lacompletadissociazione del calcare a1atm avviene at=895 C. Tale temperatura si abbassa se si opera a pressioni inferiori, cosa che però complica la cottura oppure favorendo l'eliminazione della CO 2 mano a mano che si forma così da mantenere nel forno una sua pressione parziale più bassa; ciò si può ottenere, ad es., bagnando il calcare, facendo in modo che durante la cottura si sviluppi del vapore d'acqua, che oltre a produrre un abbassamento della pressione parziale della CO 2, crea piccole fessure e microporosità nel materiale, le quali ne facilitano la cottura.

6 Cotturadel calcare La velocità della decomposizione del calcare è legata alla struttura del materiale da cuocere; essa raggiunge buoni valori al disopra dei 900 C. I calcari porosi o fessurati contenenti umidità o sostanze organiche cuociono più rapidamente di quelli compatti; Le sostanze organiche col riscaldamento si decompongono creando porosità.

7 Cotturadel calcare

8 Cotturadel calcare La calcinazione dei calcari non è mai completa perchè, specie se i pezzi sono relativamente grossi, le parti centrali si calcinano con maggior difficoltà (dato che il calcare è cattivo conduttore del calore), ed anche per la tendenza alla ricarbonatazione, cioè le parti esterne, superficiali, trovandosi esposte ai gas di combustione, ricchi di CO 2, reagiscono con questa riformando CaCO 3.

9 Cotturadel calcare La calce ottenuta a seconda del tipo di materia prima, delle modalità di cottura, dell'efficienza dei forni, contienesempreunapiccola percentualedicaco 3 che può arrivare anche a qualche unità per cento. La dissociazione procede gradualmente dall'esterno all'interno; perché possa avvenire completamente anche all'interno dei pezzi occorre il raggiungimento al centro di essi di sufficientemente alte temperature per favorire oltre che la decomposizione del calcare la fuoriuscita della CO 2 ; ciò comporta un aumento di alcune centinaia di gradi della temperatura dell'ambiente del forno se i pezzi da cuocere hanno dimensioni piuttosto grandi.

10 Cotturadel calcare Con una T cottura relativamente bassa il prodotto finale è più facilmente idratabile, contiene ancora parti non cotte; Con una T cottura relativamente alta il prodotto risultante è stracotto (calce bruciata), si idrata più lentamente e rappresenta un prodotto di minor pregio. In pratica la cottura di solito si esegue intorno agli C.

11 Cotturadel calcare Altre caratteristiche del prodotto ottenuto dalla cottura, importanti per i riflessi che hanno sul suo impiego (reattività, ecc.) sono: densità, porosità, grandezza e distribuzione dei pori. Nelle figure che seguono è riportata l'influenza esercitata sullo sviluppo dell'area superficiale dalla temperatura (fig. a) e dalla permanenza del prodotto alle varie temperature (fig. b);si vede che una permanenza anche prolungata a bassa temperatura esercita una azione modesta sulla riduzione dell'area superficiale

12 Area superficiale vs velocità di riscaldamento riscaldamento

13 Dimensioni dei granuli di calce viva in funzione dellat di cottura del calcare 900 C 1000 C 1100 C 1500 C La seguente figura schematizza quanto avviene in un calcare sottoposto a cottura a temperature crescenti; i piccoli granuli di ossido presenti in a ingrossano gradualmente raggruppandosi in agglomerati sempre più grossi. A T elevate i granuli agglomerati sinterizzano.

14 Area superficiale vs Tempo di permanenza a diverse T Una permanenza anche prolungata a bassa T esercita una azione modesta sulla riduzione dell'area superficiale la quale invece decresce rapidamente, anche per permanenze brevi, alle temperature più elevate.

15 Calci Grasse e Calci Magre Le calci grasse derivano dai calcari più puri, sono più plastiche e si mescolano meglio con i granuli di sabbia per dare malte omogenee, che si mettono in opera più facilmente; Lecalcimagre derivano dacalcariimpuri (il contenuto di ossido di calcio può essere minore del 94%) o da calcari mal cotti (presenza di parti non cotte o di parti troppo cotte). L'ossido di magnesio è una delle impurezze più frequenti delle calci e la sua presenza contribuisce a rendere magra la calce; inoltre MgO si forma prima CaO (è più bassa la temperatura di decomposizione del carbonato di magnesio rispetto a quello di calcio) alla fine della cottura della calce esso risulterà stracotto per cui si idraterà più lentamente dell'ossido di calcio.

16 Forni continui verticali Il calcare, sottoforma di pezzi del diametro di cm ed il coke, in pezzi da 10 cm circa, vengono caricati dall'alto o frammisti o a strati alternati. In un forno si possono distinguere diverse zone e precisamente, partendo dal basso: di raffreddamento, nella quale aria fredda e calce calda si muovono in contro corrente, così che la calce si raffredda mentre si preriscalda l'aria, che poi si utilizza come comburente; di calcinazione, dove si effettua la decomposizione del calcare; di preriscaldamento, dove il calcare appena caricato viene riscaldato a spese dei gas di combustione che salgono e vanno allo scarico.

17 Forni continui verticali La calce viva scaricata risulta frammista alle ceneri del combustibile, ciò può non costituire 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. Questi forni dell'altezza di m, del diametro di 3 5 m, possono dare produzioni anche di t di calce/24 ore.

18 Allo scarico dai forni la calce viene passata attraverso vagli in modo da separare le pezzature più minute da quelle più grosse; il prodotto può anche essere sottoposto ad una cernita che consente di eliminare i pezzi stracotti o poco cotti, che si differenziano per il diverso colore da quelli a giusta cottura. La calce viva può essere venduta tal quale (calce viva in zolle) o trasformata in idrossido o in grassello. Queste ultime due forme si ottengono per spegnimento della calce viva, cioè per trattamento con acqua.

19 Spegnimento della calce viva 56 g 18 g 74 g Processo esotermico L'idrossido di calcio che si ottiene si presenta sotto forma di una polvere soffice che riscaldata a circa 580 C perde acqua dando nuovamente CaO; in acqua l'idrossido di calcio è poco più solubile dell'ossido: 1,6 g/l a 20 C, 0,7-0,8 g/l a 100 C; all'aria assorbe la CO 2 trasformandosi in carbonato.

20 Spegnimento della calce viva La quantità di acqua necessaria allo spegnimento, che dalla reazione precedente risulta essere del 32% per l'ossido di calcio puro, in pratica cresce sensibilmente e per avere uno spegnimento completo occorre usarne un quantitativo superiore, fino anche al 50%, perchè una parte di essa evapora a causa l'innalzamento di temperatura prodotto dalla esotermicità dell'idratazione e perchè parte rimane comeacqualibera presente sotto forma di film attorno alle particelle di idrossido.

21 Spegnimento della calce viva la reazione di idratazione inoltre avviene con forte aumento di volume, circa 10% che causa la polverizzazione dei granuli che si formano dando luogo alla formazione di una massa soffice, ad elevata superficie specifica(idrossido di calcio); Lo spegnimento è di solito rapido; la velocità della reazione dipende però da diversi fattori, specialmente dalla temperatura alla quale è stato cotto il calcare, dal grado di finezza e dalla struttura fisica della calce. Se la calce è stata ottenuta a temperatura dell'ordine di C e specie se il calcare di partenza era costituito da granuli piuttosto minuti e non troppo compatti, la velocità di spegnimento è elevata;

22 Spegnimento della calce viva se la temperatura è salita sensibilmente invece al di sopra di tali limiti la calce presenta una certa lentezza a reagire con l'acqua perchè una elevata temperatura di cottura provoca la sinterizzazione del prodotto, cioè questo tende a divenire compatto, ad addensarsi. Si ha un restringimento dei pori che può anche risultare così spinto che l'acqua riesce a penetrare con difficoltà per idratare tutta la massa; inoltre a seguito dell'ingrossamento dei granuli diminuisce la superficie attiva esposta all'acqua.

23 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; t u tempo in minuti necessario per avere 80 % di trasformazione.

24 Grassello e Latte di Calce Se all idrossido di calcio 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'idrossido si forma una massa pastosa, untuosa al tatto, che prende il nome di grassello). Il prodotto trattiene dal 35 al 45% di acqua libera, oltre quella entrata a formare l'idrossido di calcio; a seconda del maggiore o minore contenuto di acqua libera il grassello apparirà più o meno molle. 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.

25 Preparazione del Grassello La preparazione del grassello è un operazione che di solito si compie direttamente nei cantieri dove deve essere impiegato; essa si compie irrorando con un forte eccesso d'acqua la calce viva entro recipienti di legno a forma di trapezio.

26 Malte di calce Nelle costruzioni la calce viene usata per formare le malte dicalceesabbiacapacidiindurireefarpresaall'aria. Se la calce viva o quella idrata (idrossido di calcio) o il grassello vengono lasciate all'aria, reagiscono con l'anidride carbonica, sempre presente in essa formando carbonato di calcio, più o meno rapidamente a seconda del grado di umidità dell'ambiente, ma sempre formando un prodotto polverulento.

27 Malte di calce Quando la calce idrata od il grassello vengono impastati con sabbia ed acqua per formare le malte, che sono messe in opera in strati più o meno sottili, esse inizialmente subiscono una contrazione, causa l'evaporazione di una parte dell'acqua d'impasto, assumendo una certa consistenza; contemporaneamente l'anidride carbonica dell'aria reagisce con la calce disciolta nell'acqua usata per l'impasto secondo la reazione esotermica: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O

28 Malte di calce Siccome la solubilità del carbonato di calcio che si forma è minore di quella dell'idrato mano a mano che si realizza la carbonatazione della calce si avrà precipitazione del carbonato, sotto forma di piccoli cristalli che si interpongono fra gli elementi della sabbia aderendo ad essi e legandoli in una matrice che via via assume consistenza e durezza sempre maggiore. Il prodotto indurito è costituito da uno scheletro di granelli di sabbia saldati tra loro dal legante indurito.

29 Malte di calce La carbonatazione degli strati superficiali avverrà abbastanza rapidamente, ma procederà poi verso l'interno sempre più lentamente. Il velo di carbonato di calcio che si forma in superficie fa diminuire la porosità e rende più difficile l ingresso dell aria necessaria alla carbonatazione degli strati più interni della malta e quindi riduce il progredire della carbonatazione. Per accelerare il fenomeno di presa si può aumentare il tenore di anidride carbonica nell'ambiente.

30 Malte di calce La sabbia svolge le funzioni di: Contrastare il ritiro derivante dall indurimento del legante; Contribuire alla resistenza meccanica del prodotto indurito; Garantire alla malta una porosità sufficiente per consentire l ingresso dell aria necessaria alla carbonatazione degli strati più interni della malta.

31 Malte di calce Risulta inoltre necessario, perchè la carbonatazione possa continuare ad avvenire, che l'impasto conservi un certo gradodiumidità; se si ha una essiccazione troppo rapida la malta stenta a carbonatarsi e dà una massa incoerente; per questo i materiali che devono essere legati dalla malta (mattoni, tufi, ecc.) si bagnano prima di metterli in opera in modo che essi non sottraggano acqua all'impasto. Ad una troppo rapida essiccazione delle malte si deve la «bruciatura» degli intonaci messi in opera ad es. in periodi troppo caldi o in zone troppo ventilate.

32 Malte di calce:composizione ottimale La quantità di calce da usare nella preparazione della malta affinchè possa colmare tutti i vuoti presenti fra i granuli di sabbia (30-40% volume) è dell'ordine di: 1 volume di grassello per 2 3 volumi di sabbia 5 kg di calce in polvere per 100 kg di sabbia

33 Malte di calce La resistenza meccanica che una malta aerea va acquistando col tempo dipende sostanzialmente dalla coesione della massa dei cristalli di carbonato di calcio che crescono intrecciandosi e inviluppando i granuli di sabbia e dalla adesione che questi cristalli presentanooltrechefradiloroancheconlasabbia. 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 che di solito si possono ottenere sono dell'ordine di qualche kg/cm 2

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35 Normativa In Italia l'impiego dei leganti, sia aerei che idraulici, è regolato da norme di legge. Le norme fissano i requisiti che i materiali considerati debbono avere per potere essere impiegati nelle costruzioni, i controlli che si devono fare su di essi e le modalità della loro esecuzione; esse costituiscono quindi una guida per il costruttore, per il direttore dei lavori, per il collaudatore che devono accertarsi della rispondenza dei materiali usati e delle modalità d'impiego alle prescrizioni di legge

36 Normativa Per le calci aeree tali Norme prevendono i seguenti tipi: a) calce grassa in zolle; b)calcemagrainzolle; c) calce idrata in polvere che comprende i due tipi: fiore di calce e calce idrata da costruzione. Queste ultime vengono messe in commercio in sacchi di carta, per lo più da 33 kg, che recano impresso il nome della Ditta fabbricante ed il tipo di prodotto contenutovi.

37 Normativa Per i vari tipi di calce sono fissati i requisiti riportati in tabella:

38 Normativa Inoltre tutti questi tipi devono corrispondere alla prova di stabilità di volume, che consiste nel formare con la calce in esame una malta di buona plasticità che distesa su di una lastra di vetro viene lasciata far presa in ambiente bene areato e poi esposta per 6 ore in ambiente circondata di vapore vivo. Non devono comparire fessurazioni, distorsioni, ecc. che sarebbero l'indice della presenza nella calce di ossido di calcio stracotto non idratato e che si idrata nella prova accelerata.

39 Altri impieghi della Calce La calce oltre che per confezionare malte in alcuni Paesi si usa nella preparazione di blocchi o di mattoni cellulari ottenuti addizionando alla miscela di calce e sabbia (o di altri aggregati) piccole quantità di cemento e di polvere di alluminio che reagendo con la calce sviluppa idrogeno che fa «lievitare» la massa; variando i rapporti fra i costituenti si possono produrre materiali a diverso grado di porosità e di leggerezza.

40 Calce: Dati di Produzione produzionemondiale di calce è di poco inferiore ai 100 milioni di tonnellate/anno (maggiori produttori :Russia, USA, Francia, Giappone) produzioneitaliana circa t/anno.