I leganti aerei ed idraulici (escluso i cementi)

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E MECCANICA I leganti aerei ed idraulici (escluso i cementi) Prof. G. Siracusa Ing. S. Russo Ing. R. Milazzo

2 1 Leganti aerei ed idraulici I leganti sono dei materiali da costruzione impiegati allo scopo di legare e cementare altri materiali (pietre, blocchi, laterizi... etc.): impastati con acqua ed eventualmente in miscela con sabbia e/o ghiaia e pietrisco forniscono una massa plastica che una volta indurita è in grado di sviluppare, nel tempo resistenze meccaniche talvolta anche assai elevate. Leganti Leganti aerei, che possono indurire soltanto in aria Leganti idraulici, che induriscono anche in acqua e induriti resistono al contatto con l acqua

3 1 Leganti aerei ed idraulici Legante + Acqua = Pasta Sabbia Legante + acqua + sabbia = Malta Ghiaia Legante + acqua + sabbia + ghiaia = Calcestruzzo

4 1 Leganti aerei ed idraulici Nel processo di irrigidimento è possibile distinguere due fasi: Presa: la sospensione fluida si trasforma in massa rigida in grado di trattenere la forma iniziale, e ha una durata che và da pochi minuti a alle decine di ore. Indurimento: miglioramento progressivo e indefinito nel tempo delle proprietà meccaniche. Sono materiali dinamici le cui proprietà evolvono continuamente nel tempo.

5 2 Gesso Il gesso naturale è il minerale costituito essenzialmente da solfato di calcio biidrato: : CaSO 4 2H 2 O esso cristallizza nel sistema monoclino: comunemente una combinazione di un prisma verticale con un prisma obliquo e con il pinacoide. In natura si trova anche l anidride, minerale costituito essenzialmente da solfato di calcio anidro, composto chimico dalla formula CaSO 4. L anidride, sotto l azione degli agenti atmosferici, si idrata lentamente, con aumento di volume, trasformandosi in gesso naturale. Cristalli Pietra da geminati gesso

6 2 La formazione del gesso I giacimenti di gesso naturale si sono formati soprattutto in seguito a deposito dell acqua dei mari, delle lagune o anche dei laghi; infatti il solfato di calcio è uno dei sali contenuti in maggior quantità nelle acque marine. Ciò spiega perché il gesso naturale o l anidrite accompagnino sempre il salgemma o i minerali a base di solfati solubili in acqua. Talvolta, i giacimenti si sono formati in seguito all ossidazione dello zolfo o dei solfuri metallici e conseguente reazione, dell acido solforico o dei solfati solubili che ne sono derivati, con il calcare; quindi, il gesso naturale, oltre che in terreni di natura sedimentaria, si trova in terreni vulcanici, in giacimenti metalliferi e anche di torba o di carbon fossile.

7 2 Proprietà fisiche minerale MOHS Peso specifico: 22,70 22,83 N/dm 3 (è un minerale piuttosto leggero) talco o grafite 1 Durezza: 1,5 2 della scala gesso o zolfo di Mohs (è uno dei minerali 2 più teneri) calcite 3 Solubilità in acqua: 0,241% a 0 C, che aumenta fino a 36 C con un massimo dello 0,25% e che fluorite diminuisce successivamente 4 con l elevarsi della temperatura. apatite 5 ortoclasio o feldspato 6 quarzo 7 topazio 8 corindone 9 diamante 10

8 2 Il gesso cotto Riscaldando il gesso naturale a 128 C, il suo costituente essenziale, ossia il solfato di calcio biidrato, perde una molecola e mezzo di acqua di cristallizzazione; si ha così la trasformazione in gesso da presa, il cui costituente essenziale è appunto il solfato di calcio semiidrato: CaSO 4 2H 2 O CaSO 4 0,5H 2 O+1,5H 2 O (128 C) La presa avviene con leggero aumento di volume così che il semiidrato serve egregiamente come gesso da forma o gesso da modellatori. Semiidrato α a presa rapida β a presa lenta

9 2 Il gesso cotto Con un ulteriore riscaldamento a 163 C (in pratica si Spingendo raggiungono poi o la si temperatura superano i sui 200 C), il solfato C, non di calcio si ha alcuna semiidrato A 1360 C modificazione il ottenuto prodotto dapprima fonde nella e composizione a a 1375 C 128 C perde ha chimica, praticamente tutta l acqua ma una di trasformazione cristallizzazione dissociazione 1000 C circa, completa in si e diventa solfato ha poi in una solfato di ossido calcio parziale di anidro calcio, dissociazione anidro anidride insolubile, del solubile: solforosa solfato che significa e di ossigeno, calcio che anidro secondo questo insolubile, la prodotto, seguente con liberazione reazione detto gesso sino chimica: a 3% morto, circa di non reagisce ossido di più calcio con o calce l acqua viva CaO e non e formazione fa più di presa. solfato Come di composizione CaSO chimica 4 ½ H 2 e O proprietà CaSO si identifica 4 + ½ H 2 O calcio basico; il prodotto risultante prende il nome di allora gesso con l anidrite idraulico naturale 2 CaSO o gesso già a descritta lunga 4 2 CaO presa e viene + 2 anche SO 2 + chiamato O 2 anidrite insolubile Chiamato o gesso anidriteda β. fabbrica. Si ottiene così l anidrite solubile o anidrite α

10 3 Processi di fabbricazione industriale Preparazione mediante procedimenti a secco a temperatura al di sopra di 125 C: a) a cottura diretta in forni rotanti b) a cottura indiretta in piccole o grosse caldaie Preparazione mediante procedimenti a umido a temperature maggiori o eguali a 1000 C: a) sotto pressione in autoclave b) a pressione atmosferica in soluzioni saline o di acidi diluiti c) processo di "aridizzazione"

11 3 Processi di fabbricazione industriale L'intero processo si sviluppa nella seguente successione di operazioni: Estrazione Frantumazione Silos Macinazione ed aggiunta additivi Silos Cottura

12 3 Processi di fabbricazione industriale Per quanto riguarda i forni di cottura è possibile distinguerli in apparecchiature di tipo: Continuo o discontinuo A cottura diretta o indiretta Statici o rotanti

13 3 Processi di fabbricazione industriale La cottura può essere effettuata: A secco, ed avviene a temperatura più elevata e con velocità più alta, causa il forte gradiente di temperatura esistente fra prodotto da cuocere e mezzo riscaldante; la eliminazione dell'acqua porta ad un residuo costituito da particelle molto suddivise: si ottiene prevalentemente gesso emidrato beta. Quella ad umido ad umido porta ad emidrato alfa. Per ottenere questa forma è necessario infatti operare la calcinazione in ambiente di vapore saturo, poiché l'emidrato alfa può solo cristallizzare da una soluzione ed è perciò necessario avere almeno aderente alla superficie dei granuli in cottura un film di acqua. Una elevata pressione parziale di vapore d'acqua consente di evitare la formazione di gesso stracotto. Queste necessarie condizioni si realizzano in autoclavi

14 3 Processi di fabbricazione industriale Forni statici a funzionamento continuo Quelli a fuoco diretto hanno la forma di una torre verticale con una struttura Quelli portante a fuoco di cemento indiretto armato sono rivestita forni a internamente ripiani sovrapposti da una in camicia cui un di sistema mattoni di coclee comuni. fa Al avanzare fondo del il gesso forno si in trova direzioni il focolare opposte nel tra quale uno strato viene bruciato e l'altro. il Il riscaldamento combustibile, generando indiretto in viene tal modo realizzato una corrente con olio ascendente o vapore di gas d'acqua caldi i surriscaldato, quali, passando e si attraverso raggiunge una la massa buona di regolazione materiale della crudo, temperatura. ne provocano la disidratazione.

15 3 Processi di fabbricazione industriale I forni a marmitta forni a marmitta sono costituiti da un recipiente cilindrico in lamiera, al fondo del quale è posto un focolare in muratura. All'interno un agitatore provvede a rimescolare la massa durante la disidratazione. Il gesso viene caricato in polvere fine nella marmitta ed il continuo rimescolamento cui è soggetto consente di realizzare una distribuzione uniforme della temperatura ed il facile allontanamento del vapore d'acqua che si sviluppa. I gas caldi ed il vapor d'acqua si scaricano dalla parte superiore dell'apparecchiatura. Il prodotto cotto viene scaricato inferiormente dopo che è stato raggiunto il grado di cottura desiderato.

16 3 Processi di fabbricazione industriale A fioco diretto A fuoco misto Forni rotanti a funzionamento continuo In quelli a fuoco indiretto il forno è costituito da un cilindro metallico rotante che viene Possono riscaldato esternamente essere: dai gas caldi provenienti da un focolare. I gas caldi vengono fatti passare anche all'interno del forno in un tubo coassiale, in modo da non venire a contatto col materiale in cottura. Il gesso crudo viene alimentato A fuoco in graniglia indiretto ed il prodotto deve essere macinato.

17 3 Processi di fabbricazione industriale Forni rotanti a funzionamento continuo In quelli a fuoco diretto il forno è costituito da un cilindro metallico rotante in cui i gas caldi di combustione vengono a contatto direttamente col gesso. In quelli a fuoco indiretto il forno è costituito da due cilindri concentrici in cui parte del gesso è cotto a fuoco diretto e parte a fuoco indiretto. Forni rotanti a funzionamento discontinuo Sono costituiti da un cilindro metallico rotante disposto orizzontalmente che viene riscaldato a fuoco indiretto. La carica, costituita da gesso macinato, viene introdotta nel forno dove viene rimescolata con opportuni agitatori. Lo scarico del materiale cotto si fa invertendo il senso di rotazione del forno. Generalmente dopo ogni ciclo si scarica una quantità di materiale pari alla metà della carica introdotta.

18 3 Processi di fabbricazione industriale Il gesso non va immagazzinato per lunghi periodi, perché possono verificarsi alterazioni. Tuttavia un insilamento non prolungato porta ad un miglioramento delle caratteristiche del gesso cotto: Diminuzione della quantità di acqua necessaria per ottenere una pasta lavorabile Aumento della velocità di indurimento Gli effetti dell'invecchiamento naturale possono essere prodotti anche artificialmente mediante il cosidetto processo di "aridizzazione" che consiste nell' aggiungere alla pietra da gesso prima o subito dopo la calcinazione una piccola quantità (0,01-0,05%) di cloruro di calcio

19 4 La presa I solfati di calcio semiidrato e anidro solubile, posti in presenza di acqua, sono capaci di riidratarsi. Si ottiene così il gesso biidrato, il cui costituente essenziale, ossia il solfato di calcio biidrato è identico a quello del gesso naturale. CaSO 4 1/2H 2 O + 3/2H 2 O CaSO 4 2H 2 O CaSO 4 +2H 2 O CaSO 4 2H 2 O

20 4 La presa A voler essere precisi sul fenomeno della «presa», bisogna distinguere due tempi, e cioè: 1) il tempo di gemito che costituisce il tempo che passa dall'inizio dell'impasto a quello in cui la pasta cessa di essere una poltiglia malleabile da comandarsi o maneggiarsi a volontà; 2) il tempo di presa che costituisce il tempo intercorrente tra la fine del tempo di gemito e l'indurimento completo del gesso. TIPI DI GESSO TEMPO DI GEMITO (min) TEMPO DI PRESA (min) Da Fabbrica 5 10 Da ornati o da stucchi Da forma Da intonachi 40 2 ore Da pavimenti 1 ora 36 ore Ad alta resistenza 1 ora 12 ore

21 La presa Variazione del tempo di presa Affinchè si possa manifestare un ritardo nella presa del gesso è necessario che il rapporto di solubilità tra il solfato di calcio emidrato e biidrato sia il più basso possibile e tendente all unità. Per raggiungere questo risultato è necessario: Diminuire la solubilità dell emidrato Aumentare quella del biidrato In linea generale la solubilità di un sale diminuisce quando viene addizionato di un altro sale a ioni comuni.

22 4 La presa Variazione del tempo di presa Agenti che influiscono sul tempo di presa del gesso: a) Ritardanti Primo gruppo: sostanze che diminuiscono la solubilità del gesso: glicerina, alcool, acetone, etere, zucchero, acido acetico, borico, citrico, fosforico, lattico e loro,sali. Secondo gruppo: composti organici a peso molecolare elevato che agiscono da colloidi protettori: cheratina, caseina, pepsina, albumina, gomma arabica, gelatina, proteine idrolizzate, melassa, prodotti di idrolisi da residui animali, prodotti di reazione di acidi amminici con formaldeide, tannini. Terzo gruppo: sostanze che influiscono sulla struttura cristallografica del gesso: acetato di calcio ed anche carbonato di calcio e di magnesio. b) Acceleranti Tutti i solfati ad eccezione del solfato di ferro, gli acidi solforico, cloridrico e nitrico; i cloruri, bromuri e ioduri alcalini; il solfato di calcio biidrato, il cloruro d'ammonio, il bicromato di potassio, i tartrati e gli ossalati in concentrazione elevata.

23 La presa Variazione della resistenza meccanica Variazione di resistenza a compressione con la quantità di acqua d'impasto R = K(l/A)n dove K ed n sono delle quantità che variano col tipo di gesso e A è il rapporto fra acqua d'impasto e volume dell'impasto.

24 4 La presa La presenza di impurità o di particelle mal cotto nuocciono alla presa del gesso, il quale assorbe meno acqua. Rallentamento anidre solubile Danno alla presa gesso non completamente cotto non tutta l'acqua di idratazione si è cristallizzata nel tempo normale della presa e la parte rimasta inerte inizia a cristallizzarsi per effetto di parti di gesso non completamente cotte, aiutata anche dal calore emesso dalla presa, prima di essere troncata. Le conseguenze di ciò sono intuibili; il secondo tempo di presa con la relativa temperatura riesce a formare una nuova cristallizzazione, la quale va a ingrovigliarsi ed incunearsi in quella avvenuta nel primo tempo, disorganizzandola, rompendola e deformandola. Pertanto ogni volta che si constata la presenza nel gesso di impurità superiori al 3% è opportuno scartarlo dall' uso per manufatti e trasferirlo a quello di concimazione.

25 4 La presa α-emidrato 100,0 g H 2 O 18,7 g biidrato 118,7 g Variazione di volume 100 = 36,36 2,75 Volume dell α-emidrato = cm 3 H 2 O 18,7 cm 3 118,7 Volume del biidrato = = 51,16 cm 2,32 3 Volume iniziale dell impasto: 36, ,7 = 55,06 cm 3 Volume finale = 51,16 cm 3 3,9 cm 3 Diminuzione del volume corrispondente al 7% In pratica si osserva invece un aumento di volume che mediamente è compreso tra il 2 ed il 5%. Ciò è dovuto agli additivi che agiscono sul volume e sulla distribuzione dei micropori che restano tra gli elementi aghiformi della struttura di cristallizzazione.

26 Altri additivi del gesso Agenti modificanti l indurimento Impermealizzazione del gesso sostanze che reagiscono con il solfato di calcio o sostanze capaci di riempire i vuoti dell impasto. (Resine sintetiche) a) aggiungere al gesso sostanze con esso reagenti e formanti composti resistenti all'acqua; b) aggiungere al gesso sostanze con esso reagenti e formanti composti difficilmente solubili; c) impiegare sostanze idrofobe reagenti con CaO; d) impiegare sostanze idrofobe non reagenti con CaO. Fluidificanti Sostanze ioniniche e non ioniche

27 Additivo del cemento Il gesso può essere: Aggiunto al clinker Ritardo della presa Aggiunto alla miscela cruda mineralizzazione Gesso + alluminato tricalcico Trisolfallumato di calcio Monosolfallumato di calcio I solfati avvolgono i granuli di cemeto ritardandone l idratazione. Effetti su: Tempo di presa, resistenza a compressione, ritiro durante l essiccamento, espansione ritardata del calcestruzzo.

28 Intonaco L intonaco è uno strato di rivestimento delle murature. Legante + sabbia + additivi Intonaco La finezza del gesso usato influisce su resistenza e compattezza Rinzaffo: 1 p di gesso granuloso + 1 p di sabbia fine quarzosa Stabilitura: solo gesso da intonachi miscelato con 50 60% di acqua Per un intonaco di maggiore durezza e resistenza: 1p di gesso da intonachi + 2 3p Di calce bianca (grassello) L intonaco per esterni, che necessita di resistenza all acqua, è come il precedente con l aggiunta di piccole quantità di cemento Portland.

29 Pavimentazioni in gesso Poco usato a causa della poca resistenza a compressione. Viene adoperato nei leganti, mastici e cementi per pavimentazioni di fabbricati rurali ed industriali. Vantaggi: Attenuazione dei rumori negli edifici industriali. Ottimo sottofondo per coperture in gomma e laminati plastici in genere.

30 Condotte per impianti di condizionamento Per la realizzazioni di queste condotte viene utilizzato gesso finissimo e resine sintetiche per migliorare le caratteristiche meccaniche ed ottenere superfici più omogenee e compatte. La resistenza è assicurata da un materassino di fibre vegetali e di un armatura in ferro zincato per aumentare la rigidezza e garantire l agganciamento alla struttura muraria. Caratteristiche: Condotte esteticamente perfette Eliminazione della trasmissione del rumore (fattore di assorbimento 0,7)

31 Blocchi per tramezze Malta per la realizzazione bancale dei acustico blocchi: in db Misure standard in cm Peso e m2 in ogni 40 kg/m2 abbattimento 1 p. 50x66,6x6 di sabbia fine 13,33 lavata m2 e depurata per bancale 6 10 p. di gesso comune 10-20% di calce grassa spenta Materiali di rinforzo Resistenti al fuoco Resistenza da 90 a 180 minuti (REI ) certificata; reazione al fuoco: classe 0 (non combustibile) certificata con relativa omologazione ministeriale; resiste alla fiamma ossidrica diretta; non produce fumi; non si deforma con l'esposizione al fuoco 33 a 500 Hz 36 a 1000 Hz Termoisolanti Resistenza e reazione al fuoco R.E.I. 120 CLASSE 0 L'ottimo coefficiente K isola sia dal caldo che dal freddo ed aiuta a risparmiare energia in modo rapido ed economico Coefficiente isolamento termico Trasmittenza unitaria K parete finita 0,36 kcal/h c 2,79 kcal/h c Fonoassorbenti L'alto valore di abbattimento acustico contribuisce a rendere più confortevoli le abitazioni Stabilizzatori di umidità Idrorepellenti per ambienti umidi Monoliticità Le ottimali caratteristiche igrometriche del gesso assorbono l'umidità in eccesso negli ambienti, restituendola in situazioni di aria secca I blocchi sono tutti disponibili in versione idrorepellente, particolarmente indicati per ambienti umidi sotterranei, locali da bagno o da cucina e come prima fila di contatto per pavimenti umidi L'incastro maschio/femmina sui quattro lati garantisce la massima monoliticità e robustezza della parete finita Rapidi nel montaggio Scanalature facili Pronti per rasatura e tocco finale Il sistema ad incastro, l'assenza di tempi morti e la superficie planare garantiscono rapidità e risparmio nella messa in opera Le tracce per impianti elettrici e termoidraulici sono di facile esecuzione e si realizzano mediante apposita fesa, sfruttando anche le cavità del manufatto Operazione particolarmente rapida è la rasatura a velo. A rasatura ultimata la parete è pronta a ricevere i rivestimenti (tinteggiatura o altro tipo di finitura)

32 Lastre Si differenziano dai blocchi per le maggiori dimensioni e il minore spessore. L armatura interna delle lastre è costituita da intrecci di fibre vegetali lunghe e resistenti miste eventualmente a granuli ed a fibre più corte per diminuire il peso del manufatto. Per accrescere la resistenza agli urti (resistenza trasversale) ed alle vibrazioni si impiegano carte speciali, tele collate e reti metalliche. L applicazione più interessante delle lastre è costituita dalla costruzione delle doppie pareti, nelle quali si può elevare sensibilmente il potere isolante e fono-assorbente riempiendo l intercapedine con materassini di lana di vetro o minerale oppure di vermiculite o perlite espansa (racchiuse in involucri di plastica in modo da formare una specie di cuscinetto).

33 Progettazione acustica di una sala Pareti pesanti con superfici lisce si comportano come specchi acustici. Riverbero Il suono riverberato può arrivare all ascoltatore alcuni secondi dopo quello diretto impedendo la distinguibilità del parlato o della musica. Tempo di riverberazione Rappresenta il tempo che in cui un suono permane nell ambiente prima di ridurre la sua intensità di 60dB.

34 Progettazione acustica di una sala Il tempo di riverberazione dipende da: Assorbimento acustico delle superfici Area e volume della sala Ottimizzare acusticamente una sala significa garantire un tempo di riverberazione ottimale per la sua destinazione d uso.

35 Progettazione acustica di una sala Il tempo di riverberazione di una sala si calcola come: T riv =0,16*V/A dove V è il volume della sala e A=Σ(αi*Si) è un indice di assorbimento sonoro complessivo della sala.

36 Stampi in gesso Si usano per pezzi di alta precisione dimensionale come valvole, ingranaggi e pezzi molto piccoli come ornamenti fino ad 1 gr. Si usano anime in Al, Zn, ottone o resine termoindurenti (no legno), ricoperte con gesso e acqua (più aggiunte di stabilizzanti come silice). Una volta che il gesso ha solidificato, si rimuove l anima e si disidrata. I pezzi dello stampo vengono assemblati e scaldati a 120 C per 16 ore. Questi stampi hanno bassa permeabilità ai gas e si usano con colate in pressione o sotto vuoto. Si aumenta la permeabilità con processi in autoclave o gesso con schiume. Gli stampi in gesso si usano fino a 1200 C, cioè leghe basso fondenti.

37 Gesso nell odontotecnica Viene utilizzato per la realizzazione di impronte e modelli Composizione di gesso per modelli: Come gesso per impronta si utilizza l alabastro gessoso o gesso precipitato in polvere finissima. Gesso da dentisti: p 95 Caratteristiche Borace: richieste: p 0,05 Basso Solfato costo di potassio: p 0,5 Facilità Marmo di in impiego polvere finissima: p 1,5 Rapidità Quarzo in di polvere presa finissima: aggiunta p 3di catalizzatori (solfato di potassio, cloruro di potassio, l allume, ecc.) Caratteristiche Sapore gradevole richieste: sostanze aromatiche Tenero sabbia arenaria, pietra pomice in polvere finissima, perlite, ecc. molto duro in modo da resistere alle varie sollecitazioni a cui va soggetto durante le fasi di preparazione della protesi.

38 Cemento magnesiaco o Sorel 3MgO MgCl 2 xh 2 MgO si può ottenere calcinando il carbonato di magnesio e le caratteristiche del prodotto sono legate alla temperatura raggiunta nella calcinazione, alla grossezza delle particelle, alle impurezze presenti La presenza di calce abbassa le caratteristiche meccaniche del legante L impasto si mette in opera in maniera analoga a quello degli altri leganti

39 La massa fa presa ed indurisce in poche ore Resistenze dell ordine di kg/cm 2 L umidità non danneggia sensibilmente le caratteristiche del materiale. Le soluzioni cloridriche presenti possono provocare corrosione alle parti ferrose che vanno protette con guaine o vernici. Può legare tra loro materiali differenti. IMPIEGHI Pannelli Marmi artificiali Pannelli per soffittature Isolanti termici

40 La calce Col nome di calce si indica correntemente sia l'ossido di calcio (o calce viva), ottenuto dalla cottura dei calcari, sia l'idrato di calcio (o calce spenta), ottenuto dalla idratazione dell'ossido di calcio. Per la preparazione della calce si parte dai calcari costituiti essenzialmente da carbonato di calcio, CaCO 3. Calcari Calcite Aragonite Il carbonato di calcio è un costituente fondamentale delle rocce sedimentarie formatesi per precipitazione da acque, salate o dolci, o per accumulo di resti fossili più o meno metamorfosati. Si distinguono sostanzialmente due gruppi di rocce calcaree, quelle ad elevato tenore di calcite e quelle dolomitiche, contenenti fino al 45% di carbonato di magnesio; queste rocce sono sempre accompagnate da percentuali più o meno piccole di impurezze: ossidi di ferro, fosfati, solfati, sostanze organiche

41 La calce Per riscaldamento il calcare si dissocia dando calce viva e liberando anidride carbonica: CaCO 3 CaO + CO 2 ΔH= kcal Il valore della tensione di dissociazione alle varie temperature è: Tensione di dissociazione [mmhg] 0,41 1,34 22, Temperatura [ C] Poichè la tensione di dissociazione raggiunge il valore di l atm a 895 C occorrerà raggiungere tale temperatura per poter assicurare la completa dissociazione del calcare a pressione atmosferica. Si può anche cercare di favorire l'eliminazione dell'anidride carbonica mano a mano che si forma così da mantenere nel forno una sua pressione parziale più bassa; ciò si può ottenere, ad es., bagnando la calce, 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.

42 La calce 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. Le caratteristiche del prodotto sono: Densità Porosità Grandezza e distribuzione dei pori A parità di altre condizioni aumentando la temperatura di calcinazione e prolungandola nel tempo si verifica un graduale progressivo aumento della densità apparente del prodotto, un ingrossamento dei cristalli, una diminuzione della porosità e tutto ciò porta ad una diminuzione della reattività del materiale.

43 La calce Una permanenza anche prolungata a bassa temperatura esercita una azione modesta sulla riduzione dell'area superficiale la quale invece decresce rapidamente, anche per permanenze brevi, alle temperature più elevate. L'aumento della densità, quindi i maggiori ritiri prodotti dalle alte temperature e dalla maggiore permanenza a temperature relativamente elevate, è dovuto ad un graduale aumento dei cristalliti

44 La calce Metodi proposti per la valutazione della reattività Il metodo basato sull andamento della Determinazione curva temperatura-tempo peso consiste nel misurare, in funzione del tempo, l'aumento specifico di temperatura dovuto alla esotermicità della reazione: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 ΔH=15,3 Kcal operando Reattività lo spegnimento in condizioni Misura standard della (tipo velocità di apparecchio, finezza di macinazione del prodotto, rapporto di dissoluzione CaO/H20, ecc.). Si ottengono delle curve dalle quali si ricava il tempo in minuti necessario per arrivare alla massima temperatura (tmax) raggiungibile a spegnimento completo e quello per avere una trasformazione dell'80% (tu). Curva temperatura-tempo di spegnimento

45 La calce 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 causa l'innalzamento di temperatura prodotto dalla esotermicità dell'idratazione e perchè parte rimane come acqua libera presente sotto forma di film attorno alle particelle di idrato. Anche se gran parte del calcare non raggiunge una alta temperatura durante la cottura, ci possono essere alcuni pezzi che per surriscaldamenti locali, ecc., vengono portati ad una temperatura molto più elevata. Durante lo spegnimento queste particelle sinterizzate non riescono a reagire con l'acqua, rimangono così nella massa della calce idrata dei granuli di CaO; una volta che questa calce verrà utilizzata, tali granuli sinterizzati reagiranno molto lentamente con l'acqua d'impasto, così che la loro idratazione si effettuerà quando la restante parte è già indurita e poichè essa avviene con sensibile aumento di volume si potranno verificare fessurazioni nei manufatti

46 Lo spegnimento Parametri che influenzano le caratteristiche della calce prodotta: Temperatura Granulometria Rapporto acqua/calce Industrialmente per lo spegnimento si usano dispositivi a marcia continua costituiti da una camera cilindrica, verticale od orizzontale, munita di agitatori o, nel caso di quelli orizzontali, di trasportatori ad elica che spostano la calce da un'estremità all'altra rimescolandola mentre viene spruzzata la necessaria quantità di acqua;

47 Durante la fase dell idratazione le particelle di ossido di calcio, a causa dell aumento di volume si rompono, polverizzandosi dando luogo ad una massa soffice, questo dipende sia dalla calce che dalle modalità di spegnimento; l azione di entrambi questi fattori contrasta con la tendenza di delle particelle di idrato di raccogliersi in agglomerati. IL GRASSELLO (massa pastosa untuosa al tatto) si forma se alla calce idrata viene aggiunta altra acqua o se lo spegnimento viene fatto con una quantità di acqua superiore a quella necessaria per ottenere l idrato. A seconda della quantità di acqua libera esso apparirà più o meno molle. La preparazione del grassello si fa nei cantieri dove deve essere impiegato, irrorandolo con acqua viva entro recipienti di legno a forma di trapezio aventi il lato minore mobile e munito di rete filtrante che lascia passare solo la poltiglia diluita ma non i pezzi o i granuli non ancora spenti;

48 Il rapporto tra volume del grassello e peso della calce viva prende il nome di resa in grassello (mc/t) In base a questo rapporto si distinguono: Calci grasse Resa in grassello > a 2,5 Si idratano rapidamente Derivano da calcari più puri Sono più plastiche Calci Magre Resa non < a 1,5 Derivano da calcari impuri (CaO < 94%) Si idratano più lentamente MgO una delle impurezze più diffuse e contribuisce a rendere magre le calci

49 Quando la calce viene a contatto con l'acqua si forma inizialmente una soluzione soprassatura di idrato di calcio che dà origine alla formazione di più o meno grandi quantità di nuclei di cristallizzazione. Un grassello di elevata plasticità presenta la capacità di trattenere una forte quantità di acqua; la formazione di un maggior volume di grassello, a parità di calce di partenza, riveste importanza dal punto di vista pratico poichè nelle malte il grassello impiegato viene misurato a volume. Latte di calce Si ottiene quanto la quantità di acqua aggiunta alla calce è ancor più elevata di quella necessaria per formare il grassello.

50 LA COTTURA In passato si realizzava in forni in muratura Piccola potenzialità Lungo periodo di cottura ore Forte spesa di manodopera Calce non di buona qualità a causa della non perfetta distribuzione della temperatura Oggi si adoperano forni continui Verticali Rotanti

51 Forno continuo verticale Calcare e coke vengono caricati dall alto a strati alternati Si distinguono diverse zone: 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.

52 La calce scaricata risulta frammista alle ceneri ciò può essere controproducente Per ridurre questo fenomeno: Si possono disporre uno o più focolari laterali alimentati con combustibili Griglia ruotante che consente uno scarico più regolare del materiale ed una migliore separazione della calce Forni con gas di gassogeno, metano o gas naturali - h m; diametro 3 5 m, - produzioni t/giorno - consumo combustibile 10-20kg/100kg di calce - I gas uscenti hanno una percentuale del 30% di CO 2

53 Si possono usare anche : FORNI ROTATIVI da cemento Lunghezza da 20 a 120 m Diametro da 2 a 3,5 m Capacità produttiva 300 ton/giorno Bassa richiesta di manodopera Costo di istallazione elevato Efficienza termica più bassa rispetto ai forni ad asse verticale Rapporto lunghezza diametro 1:(20 30) Inclinazione 3% 5% Velocità di rotazione 1 2 giri/minuto Ad esempio un forno L=55 m ø =2,5 m; Produce 250 t/giorno di calce

54 Il cilindro metallico interno è rivestito da un refrattario Per migliorare il rendimento Preriscaldatori del calcare E scambiatori del calore (o raffreddatori a contatto, a griglia, ruotanti) I gas di scarico trasportano CaO e CaCO 3 per trattenerle si usa far passare i gas in camere a polvere, o in precipitatori elettrostatici o se ne opera un lavaggio con acqua.

55 La quantità di calore teoricamente necessaria è di 420 kcal/kg Bisogna aggiungere le perdite: -Nella combustione -Nel solido scaricato -Per irraggiamento, etc. L efficienza varia tra 40 e 80%. Naturalmente i valori più bassi si avranno nei forni senza recupero di calore. In tabella sono riportati i bilanci termici di due forni ruotanti. Uno con sistema di recupero calore(a) e l altro no (b).

56 Malte di calce Nelle costruzioni la calce viene usata per formare le malte di calce e sabbia capaci di indurire e far presa all'aria. 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 cristallini che si interpongono fra gli elementi della sabbia aderendo ad essi e legandoli sotto forma di una massa che via via assume consistenza e durezza sempre maggiore. Per ottenere una buona malta di calce e sabbia oltre alle caratteristiche della calce occorre tener conto di quelle della sabbia e dell'acqua d'impasto. naturale o artificiale, deve risultare costituita da granuli resistenti, non provenienti da rocce decomposte o gessose La sabbia Le acque devono essere limpide e dolci. La quantità di calce da usare nella preparazione della malta affinchè possa richiudere tutti i vuoti presenti fra i granuli della sabbia usata, di solito 30-40%, è dell'ordine di 1volume di grassello per 2 3 volumi di sabbia, nel caso delle calci in polvere,di 15 kg per 100 kg di sabbia.

57 NORME In Italia l impiego dei leganti, sia aerei che idraulici, è regolato da norme di legge Per le calci aeree tali Norme prevedono i seguenti tipi: a) Calce grassa in zolle; b) Calce magra in zolle; 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.

58 Per i vari tipi di calce sono fissati i requisiti riportati in tabella: 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.

59 Altri impieghi della calce La calce usata nelle costruzioni rappresenta solo una frazione di quella prodotta La calce viva è usata: per trattare le acque per ridurre l acidità nella depurazione per rimuovere i fosfati ed altre impurità (flocculante) e per desolforizzare i gas di scarico nella fabbricazione della carta per dissolvere le fibre di legno come candeggiante e sbiancante per disinfettare ambienti in agricoltura per correggere i terreni acidi in chimica è usato per purificare l'acido citrico ed il glucosio, come essiccante e assorbitore di anidride carbonica

60 La calce spenta è usata : come materiale da costruzione unita alla sabbia (stabilitura) mescolato al cemento per produrre una malta plastica adatta per gli intonaci nella concia delle pelli nell'industria petrolchimica per produrre additivi per lubrificanti per la produzione dello stereato di calcio per la neutralizzazione e l'assorbimento di inquinanti per il trattamento dell'acqua usata nell'industria alimentare per correggere l'acidità dei terreni in agricoltura, unita al solfato di rame è usato come anticrittogamico (miscela bordolese) nell'industria farmaceutica per preparare sali di calcio e magnesio in odontoiatria come medicamento nei sottofondi e nell'endodonzia La produzione mondiale di calce è di poco inferiore ai 100 milioni di tonnellate/anno; i maggiori produttori sono URSS, USA, Francia, Giappone; la produzione italiana si aggira sulle t/anno.

61 La calce idraulica Un calcare contenente sostanze argillose, da per cottura una calce magra Se la temperatura è più alta di quella che regna in un normale forno a calce, si ottiene: LA CALCE IDRAULICA Oltre l ossido di calcio contiene: -Silicati -Alluminati -Ferriti (di calcio) L idraulicità è legata alla presenza di questi costituenti Indice di Idraulicità I = arg illa CaO oppure I SiO2 + Al2O3 + Fe CaO + MgO O 2 3 =

62 In base al valore di I si distinguono: Per calci aeree I < 0,1 Come materia prima per la produzione di una calce idraulica si usa generalmente un calcare argilloso nel quale l'argilla risulta disseminata in maniera possibilmente omogenea.

63 Le Norme italiane distinguono i seguenti tipi: calce idraulica naturale in zolle,che rappresenta il prodotto di cottura di calcari argillosi di natura tale da risultare di facile spegnimento; calce idraulica naturale e artificiale in polvere, che risulta dalla cottura di marne naturali o di mescolanze intime ed omogenee di calcare e di materiale argilloso seguita da estinzione, stagionatura e macinazione; calce eminentemente idraulica, naturale o artificiale in polvere, come la precedente, ma con valore più elevato dell'indice di idraulicità (0,4 0,5). A differenza di quanto si fa per i cementi per la preparazione di calci idrauliche di solito non risulta tecnologicamente ed economicamente conveniente partire da miscele di calcare e argilla. calce idraulica artificiale pozzolanica, in polvere, costituita da una miscela omogenea ottenuta dalla macinazione di pozzolana e calce aerea idrata. calce idraulica siderurgica, risulta da una miscela omogenea ottenuta per macinazione di loppa basica di alto forno granulata e di calce aerea idrata.

64 Temperatura di cottura C Se la temperatura è troppo bassa, i componenti dell'argilla non hanno modo di reagire con la calce, vengono a formare un inerte ed il prodotto risultante è una calce magra; se la temperatura è troppo alta l'ossido di calcio in eccesso rispetto ai costituenti dell'argilla si spegne difficilmente e impastato con acqua fa presa tanto più lentamente quanto più alta è stata la temperatura raggiunta

65 I Forni Verticali (come quelli delle calci aeree) Fenomeni che avvengono durante la cottura: Eliminazione dell acqua Decomposizione dei materiali argillosi e del carbonato di silicio Reazione dell ossido (o del carbonato) di calcio con la silice e con l allumina A differenza del cemento non può essere presente i silicato tricalcico che si forma a temperature più alte.

66 La formazione dei composti idraulici impegna solo una parte della calce totale. Il resto è presente come CaO. Una volta scaricato dal Forno: Il materiale deve essere trattato con acqua (per convertire tale ossido di calcio in idrato) Stagionare Spegnimento Strati cm innaffiandola L elevata temperatura raggiunta dalla calce durante la cottura fa si che lo spegnimento sia lento Esempio: La Calce eminentemente idraulica richiede gg

67 La calce si sbriciola e successivamente si setaccia per separarla dai grappier Grappier Elevate temperatura durante la cottura Maggiore densità Grado di idraulicità più alto Possono essere macinati a parte e messi in commercio come cementi O addizionati alle calci PESANTI LEGGERE (SENZA)

68 costituite da miscele intime, ottenute per Calce idraulica artificiale macinazione, di calce aerea e di pozzolana o di loppa basica di alto forno granulata. presentano la proprietà di fissare la calce con formazione di composti idraulici L'indurimento delle calci idrauliche messe in opera sott'acqua è dovuta all'idratazione dei silicati e degli alluminati presenti. Se induriscono in aria si verifica anche la carbonatazione della calce idrata presente, analogamente a quanto si ha per le calci aeree. Resistenza a compressione Su provini di malta normale plastica dopo 28gg di stagionatura Devono soddisfare i requisiti di Stabilità del volume

69 Agglomeranti cementizi PRESA LENTA RAPIDA In pratica si producono solo quelli a presa lenta Fanno parte di questa categoria tutti quei leganti idraulici che non rientrano nelle norme stabilite per i cementi. 100 Resistenza a compressione 160 kg/cm 2 Dal punto di vista chimico -SO 3 3,5% -MgO 4 % a 7 e 28gg