Materiali leganti: classificazione

Transcript

1 Leganti idraulici

2 Materiali leganti: classificazione I leganti sono classificabili, in funzione del loro comportamento, in due grandi categorie: 1. Leganti aerei: induriscono soltanto in aria; non possono stare permanentemente a contatto con l acqua(es. calce aerea, gesso). 2. Leganti idraulici: induriscono anche in acqua e induriti resistono al contatto con l acqua (es. calce idraulica, cemento).

3 Materiali leganti: classificazione Si impiegano solo in strutture aeree, materiali con resistenze meccaniche medio-basse Sono impiegati in aria oppure immersi in acqua, materiali con resistenze meccaniche anche molto alte

4 Il cemento Il cemento è una polvere che mescolata con acqua in proporzione circa 3:1 produce una massa (pasta) facilmente modellabile che rapprende in poche ore perdendo la plasticità iniziale(presa). Successivamente assume la rigidità tipica di una pietra naturaleedècapacedi resisteread apprezzabili sollecitazioni meccaniche (indurimento).

5 Il cemento Il cemento è uno dei 3 costituenti principali del calcestruzzo (i.e. acqua, cemento, aggregati lapidei). Il cemento è considerato il cuore del calcestruzzo, tanto che spesso le opere realizzate con calcestruzzo sono impropriamente dette opere di cemento

6 Il cemento I cementi non sono tutti uguali dal punto vista delle prestazioni: La qualità della matrice cementizia e quindi del materiale composito che ne deriva, malta o calcestruzzo, dipende in gran parte dal rapporto acqua/cemento (a/c) a parità di a/c le prestazioni del calcestruzzo nella fase esecutiva ed in servizio variano in modo significativo in funzione del tipo di cemento utilizzato.

7 Il cemento Esigenza di classificare i cementi in base a composizione e prestazioni normativa (UNI EN 197-1)

8 Quantisonoicementinormati? In base a resistenza meccanica e composizione (tipo) esistono: 25 diversi tipi di cementi, ciascun tipo è disponibile in 6 diverse classi di resistenza, per untotaledi 150 cementi diversi!

9 Suddivisione dei cementi in base alla composizione(5tipi) ICementoPortland (1 tipo) II Cementi Portland di miscela (17 sottotipi) III Cemento d altoforno (3 sottotipi) IV Cemento pozzolanico (2 sottotipi) V Cemento composito (2 sottotipi) Totale 25 cementi diversi per composizione

10 Classi di resistenza Ogni tipo di cemento è poi potenzialmente disponibile in sei diverse classi di resistenza. Le classi di resistenza sono contrassegnate da un numero che rappresenta la minima resistenza meccanica a compressione in N/mm 2 misurata dopo 28 giorni e da un simbolo N o R che indica il comportamento meccanico del cemento alle brevi stagionature.

11 Classi di resistenza Per definire il comportamento meccanico del cemento alle brevi stagionature si definiscono due classi di resistenza iniziale (2-7 gg): la prima classe con resistenza iniziale ordinaria contrassegnata con la lettera N; la seconda classe con resistenza iniziale elevata contrassegnata con la lettera R.

12 Classidiresistenza

13 Cemento: datiproduttività Nel 2001 Italia si pone al 2 posto in Europa ed all 8 nel mondo per la produzione di cemento.

14 CementoPortland Cemento fondamentale sul quale si basano tutti i moderni leganti idraulici normato dalla UNI EN In italia la produzione di cemento Portland è iniziata nel 1892 a Palazzolo di Bergamo. laprima normativa èstata emanatanel1908

15 CementoPortland-I Legante idraulico che impastato con acqua indurisce sia all aria che immerso in acqua. E il prodotto della macinazione del clinker di cemento Portland con gesso biidrato Utilizzato per malte e calcestruzzi resistenti all acqua secondo la UNI EN 206-1, UNI elaunien

16 CementodiPortland clinker di Portland: prodotto della cottura di una miscela opportuna di terre naturali e/o artificiali(calcare, argilla, ) Il clinker di Portland viene successivamente co-macinato con un quantitativo determinato di minerali solfatici (gesso o anidrite) nella misura massima del 5 % sul cemento. Gesso o anidrite fungono da regolatori di presa. La miscela co-macinata di clinker + gesso è denominata cemento di Portland.

17 Suddivisione dei cementi in base alla composizione(5tipi) ICementoPortland (1 tipo) II Cementi Portland di miscela (17 sottotipi) III Cemento d altoforno (3 sottotipi) IV Cemento pozzolanico (2 sottotipi) V Cemento composito (2 sottotipi) Totale 25 cementi diversi per composizione

18

19 CementoPortland: materieprime Materiali calcarei: di qualunque tipo ma non dolomitici Materiali argillosi: costituiti in prevalenza da caolinite (Al 2 O 3. 2SiO 2. 2H 2 O), associata ad illiti e montmorilloniti (silicati idrati di alluminio, ferro e magnesio).

20 Proprietà ideali di un cemento tempo di presa lungo (da 1 a qualche ora, per consentire la lavorazione) tempo di indurimento breve (da 1 a decine di ore, per disarmare quanto prima la struttura) resistenza meccanica elevata basso calore di idratazione (per realizzare anche getti molto spessi) elevata durevolezza (buona resistenza agli agenti chimici es. solfati) stabilità di volume (minimo ritiro ed espansione) bassi costi di produzione

21 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland

22 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland dai silos contenenti le materie prime (1-2) argilla e calcare e materie prime ausiliarie (3-4-5) es. bauxite (per Al 2 O 3 ), ceneri di pirite (per Fe 2 O 3 ), sabbia silicea (per SiO 2 )escono iprodotti frantumati modo grossolano macinazione del materiale crudo nel mulino a sfere (6) (cilindro in acciaio di diametro 2-4 m, lunghezza 6-12 m, suddiviso in camere contenti sfere di acciaio di dimensione progressivamente decrescente, 30 giri al minuto) miscela cruda macinata entra nel preriscladatore (7)

23 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland cottura nel forno rotativo (8) (cilindro acciaio lungo m, diametro 3-6 m, rivestito di materiale refrattario, 1-2 giri minuto). Nella parte più calda vicino al bruciatore T circa 1450 C, parte della carica fonde e parte forma il clinker C decomposizione materie prime (calcare, caolinite, illiti e montmorilloniti con perdita di H 2 O eco 2 ) da 700 C reazioni di clinkerizzazione e formazione dei quattro principali costituenti del clinker (reazione degli ossidi di silicio, ferro ed alluminio con la calce)

24 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland Tra C avviene la decomposizione delle materie prime: calcare e argille (caolinite, illiti e montmorilloniti) con perdita di H 2 OeCO 2

25 Notazione convenzionale CaO SiO 2 Fe 2O 3 Al 2 O 3 C S F A

26 Notazione convenzionale

27 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland da 700 C reazioni di clinkerizzazione e formazione dei quattro principali costituenti del clinker (reazione degli ossidi di silicio, ferro ed alluminio con la calce) a T>1250 C formazione di una fase liquida (costituita dalla fusione dei componenti C 3 A e C 4 AF) e inizio della formazione del silicato tricalcico (C 3 S) ; T>1450 C è completa la reazione di formazione del silicato tricalcico

28 Reazionichimicheprincipali nellaformazionedel clinker

29

30 ProcedimentogeneralefabbricazionePortland All uscita dal forno, raffreddamento, rapido in aria (9) per conferire al clinker la componente vetrosa più reattiva con acqua. Aggiunta di gesso biidrato (10) (max5%peso sul cemento) Macinazione in mulino a sfere analogo alla precedente (11)

31

32 Composizione chimicadeicostituenti mineralogicidel clinker dicementoportland La composizione del clinker è espressa in termine dei quattro costituenti mineralogici, prodotti formati dalla combinazione di ossidi composizione ossidica in peso del clinker è circa pari a : 67% CaO 22% SiO 2 5 % Al 2 O 3 3% Fe 2 O 3 3% costituenti minori (MgO, Na 2 O, K 2 O, SO 3, )

33 Limitidicomposizioneossidicain peso del clinker CaO % SiO % Al 2 O % Fe 2 O % Se le materie prime a disposizione (calcare e argilla) non constono di ottenere un clinker con composizione prescelta i componenti in difetto vengono integrati aggiungendo materie prime ausiliarie: bauxite (per Al 2 O 3 ), ceneri di pirite (per Fe 2 O 3 ), sabbia silicea (per SiO 2 )

34 Compostiminoridel clinker Ossido di magnesio (MgO) Il contenuto nel clinker non deve superare il 4 %. Infatti durante la cottura forma grossi grani che si idratano molto lentamente con aumento di volume. Un eccesso di questo composto provoca disgregazione del manufatto ancora più tardi rispetto ad eccesso di calce libera. Ossidi alcalini (K 2 O, Na 2 O), fosfati, fluoruri Influenzano la composizione del clinker per effetto dell abbassamento temperatura di clinkerizzazione Altri TiO 2, Mn 2 O 3

35 Composizione chimicadeicostituenti mineralogicidel clinker dicementoportland I quattro costituenti mineralogici sono presenti in misura pari a circa 80% come silicati e 20 % come alluminati

36 Composizionedel clinker

37 Composizione del clinker di Portland

38

39 Costituenti mineralogici del clinker di cemento Portland alite Silicato tricalcico impuro: piccole percentuali di ioni Na +, K +, Mg +2, Al +3, Fe +3 sosituiscono Si +4 nelle posizioni reticolari del silicato tricalcico in misura del 3-4 % a formare una soluzione solida. A seconda del tipo e della concentrazione degli ioni esistono diverse modificazioni polimorfe dell alite. belite silicato bicalcico impuro: piccole percentuali di ioni Na +, K +, Mg +2, Al +3, Fe +3 sostituiscono fino al 4-6 % degli ioni Si +4 e Ca +2 presenti nelle posizioni reticolari del silicato bicalcico a formare una soluzione solida. Anche per la belite esistono diversi polimorfi.

40 Costituenti mineralogici del clinker di cemento Portland fase alluminosa(alluminato tricalcico impuro) soluzione solida in cui lo ione Na + sostituisce lo ione Ca +2, mentre gli ioni Si +4 e Fe +3 sostituiscono gli ioni Al +3 nelle posizioni reticolari dell alluminato tricalcico. la fase ferrica (ferro-alluminato tetracalcico) è di per se una soluzione solida di composizione C 4 A x F 2-x (dove 0<x<2). Pertanto, anche in assenza di ioni estranei, il C 4 AF non è un composto chimico con una fissata composizione stechiometrica ma esiste in un determinato range composizionale. In realtà nel processo di cottura industriale la fase ferrica del clinker presenta Mg +2, Mn +3, Si +4, Ti +4, S +6 in sostituzione di Fe +3 e Al +3.

41 Silicato tricalcico 3CaO. SiO 2 (C 3 S) Costituente fondamentale del clinker Reagisce rapidamente con acqua Conferisce resistenza meccanica agli impasti induriti Contenuto nel clinker dipende da:

42 (I) Accurato dosaggio del calcare nella miscela cruda al fine di avere elevato contenuto di C 3 S ma non di calce libera. Un eccesso di calcare della miscela di partenza comporta nel clinker presenza di calce libera non combinata sinterizzata. Tale composto è soggetto a lenta idratazione a carattere espansivo che porterebbe alla disgregazione del manufatto cementizio.

43 (II) Temperatura di cottura miscela cruda Solo per T> C si ha formazione della fase liquida costituita dallafusione dei componenti C 3 A e C 4 AF Solola presenza della suddetta fase liquida permettela seguentereazioneche porta allaformazionedi C 3 S, solubilizzando idue reagenti: C 2 S + C C 3 S Se la temperatura è inferiore a 1300 C si ha un prodotto con basso tenoredi C 3 S ed elevatocontenuto di calce libera.

44 (III) velocità di raffreddamento clinker Al fine di evitare la decomposizione del C 3 S in C 2 S e CaO è necessario eseguire il raffreddamento del clinker a velocità elevata. A partire da 700 C la velocità di decomposizione diventa trascurabile C 3 S C 2 S + C

45 Silicato bicalcico 2CaO. SiO 2 (C 2 S) Esistein tre forme allotropiche alfa,betae gamma al variare della temperatura La forma gamma è stabile a T ambiente, raffreddando rapidamente il clinker si ottiene la forma beta. C 2 S è uno stadio intermedio dellaformazionedi C 3 S idratazione lenta, sviluppa resistenze meccaniche analogheal C 3 S il cui contributo si avverteper lunghe stagionature

46 Alluminato tricalcico 3CaO. Al 2 O 3 (C 3 A) costituente con elevata velocità di idratazione non contribuisce allo sviluppo di resistenza meccaniche dell impasto indurito contribuisce a ridurre la durevolezza degli impasti induriti, scarsa resistenza alle acque contente ioni solfato la sua presenza consente di abbassare la T di formazione del C 3 S a 1300 C per effetto della presenza della fase liquida

47 Ferro-alluminatotetracalcicoC 4 AF Soluzione solida ternaria dei tre ossidi (CaO, Fe 2 O 3 ed Al 2 O 3 ) Proprietà del tutto analoghe a C 3 A

48 Microstruttura del clinker di Portland

49 Microstruttura del clinker di Portland

50 Granuli di 3-25 mm Alite (C 3 S) poligonale Belite (C 2 S) tondeggiante 500x

51 CementoPortland carbonato di calcio silice allumina ossido di ferro