la chimica del muratore Belluno, 25/01/2013

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1 Sommario la del muratore Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti E. Fermi Belluno, 25/01/ / 36

2 Sommario Sommario 1 Definizioni 2 Cenni storici struzzo Perché 28 giorni? Quanta H 2 O? 6 Acciaio dell armatura 7 Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo 8 Bibliografia 2 / 36

3 Definizioni Cenni storici Parte I 3 / 36

4 Definizioni I sistemi leganti in edilizia, in base all indurimento: Definizioni Cenni storici leganti non idraulici solamente in aria Esempi: calce aerea, gessi. Fig.: gesso. leganti idraulici sia in aria che in acqua Esempi: cemento, calce idraulica. Fig.: cemento. 4 / 36

5 Cenni storici Definizioni Cenni storici 9000 a.c., scoperta casuale del gesso in Anatolia 7000 a.c., ritrovamenti di gesso in Israele 2500 a.c., utilizzo di gesso nella torre di Gerico 2000 a.c., utilizzo di gesso nelle piramidi 2000 a.c., ritrovamenti di calce in Mesopotamia I greci sviluppano il primo sistema legante (gypsos). I romani sviluppano la tecnologia di cottura della calce. Opus Caementitum I romani sviluppano una sorta di cemento, diverso da come lo conosciamo noi oggi 5 / 36

6 Cenni storici Definizioni Cenni storici 9000 a.c., scoperta casuale del gesso in Anatolia 7000 a.c., ritrovamenti di gesso in Israele 2500 a.c., utilizzo di gesso nella torre di Gerico 2000 a.c., utilizzo di gesso nelle piramidi 2000 a.c., ritrovamenti di calce in Mesopotamia I greci sviluppano il primo sistema legante (gypsos). I romani sviluppano la tecnologia di cottura della calce. Opus Caementitum I romani sviluppano una sorta di cemento, diverso da come lo conosciamo noi oggi 5 / 36

7 Cenni storici Definizioni Cenni storici 1756/59, J. Smeaton scopre il ruolo dell argilla nel calcare (idraulicità) 1824, J. Aspdin scopre il primo cemento Portland 1 (cottura miscela calce-argilla) ATT.NE: questo cemento Portland non è quello odierno! 1843, W. Aspdin sviluppa il moderno cemento Portland (T > T sinterizzazione ) 1862, E. Langen scopre l idraulicità latente 1 colore bianco come le rocce dell isola di Portland. 6 / 36

8 Parte II & cemento: 7 / 36

9 - : CaO, Ca(OH) 2, MgO, Mg(OH) 2 SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Materie prime: calcare CaCO 3 calcare argilloso CaCO 3 /Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 /SiO 2 dolomia CaMg(CO 3 ) 2 Fig.: cave De Dea. 8 / 36

10 - Calcinazione: cottura del calcare a 900 < T < 1200 C CaCO 3(s) calcare CaO(s) + CO 2(g) calce viva H = +178kJ/mol η = 56% 100g CaCO 3 56g CaO + 44g CO 2 se T > 1200 C sinterizzazione Fig.: forni Mas. 52%v/v sono pori importante per lo spegnimento 9 / 36

11 - Calcinazione: cottura del calcare a 900 < T < 1200 C CaCO 3(s) calcare CaO(s) + CO 2(g) calce viva H = +178kJ/mol η = 56% 100g CaCO 3 56g CaO + 44g CO 2 se T > 1200 C sinterizzazione Fig.: forni Mas. 52%v/v sono pori importante per lo spegnimento 9 / 36

12 - Per fare la malta però serve la calce spenta! Spegnimento: aggiunta di H 2 O a CaO CaO (s) + H 2 O (l) Ca(OH) 2(s) calce viva calce spenta H = 65, 2kJ/mol 1kgCaO + 2,8lH 2 O T : 100 C Fig.: spegnimento Mas. l acqua entra nei pori dei granuli di calce il volume aumenta del doppio (2, 24 < ρ < 3, 34g/cm 3 ) 0, 01 < φ < 10µm = dispersione colloidale (sol) 10 / 36

13 - Per fare la malta però serve la calce spenta! Spegnimento: aggiunta di H 2 O a CaO CaO (s) + H 2 O (l) Ca(OH) 2(s) calce viva calce spenta H = 65, 2kJ/mol 1kgCaO + 2,8lH 2 O T : 100 C Fig.: spegnimento Mas. l acqua entra nei pori dei granuli di calce il volume aumenta del doppio (2, 24 < ρ < 3, 34g/cm 3 ) 0, 01 < φ < 10µm = dispersione colloidale (sol) 10 / 36

14 - Dispersione colloidale: sistema costituito da una fase dispersa, con dimensioni tra i 10 9 e i 10 6 m, in una fase disperdente, creando un equilibrio eterogeneo. particelle disperse non legate insieme SOL GEL particelle disperse legate insieme Fig.: malta. Il passaggio SOL-GEL si chiama tixotropia. 11 / 36

15 - Fig.: comportamento fluidi. 12 / 36

16 - Carbonatazione Fig.: muro a mattoni. Ca(OH) 2(s) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2 O (l) H = 112kJ/mol H 2 CO 3 { }} { Ca(OH) 2(s) + H 2 O (l) + CO 2(g) CaCO 3(s) + 2H 2 O (l) calce spenta da malta da aria calcite umidità(!!!) 13 / 36

17 - la carbonatazione avviene solo in presenza di CO 2! Quanto dura il processo? 1 anno causa bassa % di CO 2 in aria (0, 04% v/v) fino a 10 anni nel caso di fughe profonde nei muri 4 mesi nel caso di facciate esterne nei mesi caldi La quantità d acqua in ricetta è fondamentale... un fondo o un mattone secco un atmosfera secca un esposizione ad un sole forte... sottraggono acqua dalla malta, si forma poca CaCO 3 e si formano crepe! 14 / 36

18 - la carbonatazione avviene solo in presenza di CO 2! Quanto dura il processo? 1 anno causa bassa % di CO 2 in aria (0, 04% v/v) fino a 10 anni nel caso di fughe profonde nei muri 4 mesi nel caso di facciate esterne nei mesi caldi La quantità d acqua in ricetta è fondamentale... un fondo o un mattone secco un atmosfera secca un esposizione ad un sole forte... sottraggono acqua dalla malta, si forma poca CaCO 3 e si formano crepe! 14 / 36

19 - grande superficie (10-30m 2 /g); eccellente adsorbimento di acqua; interazioni di Van der Waals. Fig.: dipoli. H 2 O assorbita mattoni H 2 O adsorbita granuli fissaggio al muro Perché la malta non è fatta di sola calce o cemento? struttura ma troppo rigido - struttura, + elascità (alta porosità) 15 / 36

20 - grande superficie (10-30m 2 /g); eccellente adsorbimento di acqua; interazioni di Van der Waals. Fig.: dipoli. H 2 O assorbita mattoni H 2 O adsorbita granuli fissaggio al muro Perché la malta non è fatta di sola calce o cemento? struttura ma troppo rigido - struttura, + elascità (alta porosità) 15 / 36

21 - Il castello di sabbia! La sabbia bagnata è più formabile e costruibile... Fig.: castello di sabbia. 16 / 36

22 - Definizione Il cemento è un legante idraulico, ovvero un materiale inorganico finemente macinato che mescolato con l acqua produce un limo di cemento, il quale attraverso l idratazione irrigidisce ed indurisce e che dopo l indurimento rimane rigido e indeformabile anche sotto acqua. [EN 197-1] Componenti principali: cemento Portland loppa di altoforno (CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) pozzolana (SiO 2 [25%], Al 2 O 3 ) scisto calcinato (bitume [10-29%], CaCO 3 [40%], argilla [25 27%], SiO 2 [11 13%]) polvere di silice 17 / 36

23 Materie prime: CaCO 3 argilla/sostanze argillose Il processo produttivo avvengono reazioni complicate in stato solido il 90% delle polveri deve avere φ < 90µm macinazione farina omogenizzazione della farina cottura della farina in forno a tubo rotante 2 2 dall olandese klinken = suonare. 18 / 36

24 Materie prime: CaCO 3 argilla/sostanze argillose Il processo produttivo avvengono reazioni complicate in stato solido il 90% delle polveri deve avere φ < 90µm macinazione farina omogenizzazione della farina cottura della farina in forno a tubo rotante 2 2 dall olandese klinken = suonare. 18 / 36

25 Fig.: processo produttivo. 19 / 36

26 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

27 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

28 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

29 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

30 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

31 500< T <800 C, de-idratazione minerale argilloso fattori idraulici (Al 2 O 3, SiO 2, Fe 2 O 3 ) 600< T <900 C, CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) 800< T <1000 C, CaO + fatt. idr. nuovi legami 2CaO SiO 2, 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3, etc... T >1280 C, fusione di alluminite e ferrite T <1450 C, sinterizzazione e formazione 2CaO SiO 2 + CaO 3CaO SiO 2 raffreddamento a T amb, cristallizzazione delle fasi 20 / 36

32 Tab.: composizione media Portland. fase formula ossido simbolo % media alite 3CaO SiO 2 C 3 S belite 2CaO SiO 2 C 2 S 0,2-27 alluminite (celite) 3CaO Al 2 O 3 C 3 A 7-16 ferrite 3 4CaO (Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) C 4 AF 4-18 Tab.: effetto delle varie fasi. fase calore liberato [J/g] rigidità alite 500 alta all inizio e alla fine belite 250 bassa all inizio, alta alla fine alluminite 900 bassa all inizio, alta alla fine ferrite 420 bassa all inizio e alla fine 3 brownmillerite, conferisce il colore grigio/verde al cemento. 21 / 36

33 Tab.: composizione media Portland. fase formula ossido simbolo % media alite 3CaO SiO 2 C 3 S belite 2CaO SiO 2 C 2 S 0,2-27 alluminite (celite) 3CaO Al 2 O 3 C 3 A 7-16 ferrite 3 4CaO (Al 2 O 3, Fe 2 O 3 ) C 4 AF 4-18 Tab.: effetto delle varie fasi. fase calore liberato [J/g] rigidità alite 500 alta all inizio e alla fine belite 250 bassa all inizio, alta alla fine alluminite 900 bassa all inizio, alta alla fine ferrite 420 bassa all inizio e alla fine 3 brownmillerite, conferisce il colore grigio/verde al cemento. 21 / 36

34 - alite e belite producono l 80% dell indurimento la velocita d idratazione dipende da alite e alluminite 2(3CaO SiO2 ) + 6H2 O 3CaO 2SiO2 3H2 O + 3Ca(OH)2 alite (fase C3 S) da ricetta fase C-S-H portlandite Fig.: CSH e portlandite. Fig.: cristalli CSH. la fase portlandite cristallizza quando c > Kps quando c = Kps ph=12,5 protezione contro la corrosione del ferro d armatura 22 / 36

35 - alite e belite producono l 80% dell indurimento la velocita d idratazione dipende da alite e alluminite 2(3CaO SiO2 ) + 6H2 O 3CaO 2SiO2 3H2 O + 3Ca(OH)2 alite (fase C3 S) da ricetta fase C-S-H portlandite Fig.: CSH e portlandite. Fig.: cristalli CSH. la fase portlandite cristallizza quando c > Kps quando c = Kps ph=12,5 protezione contro la corrosione del ferro d armatura 22 / 36

36 - Tab.: le varie fasi CSH. fase minerale formula C 2 SH hillebrandite 2CaO SiO 2 H 2 O C 2 S 3 H 2 gyrolite 2CaO 3SiO 2 2H 2 O C 3 S 2 H 3 afwillite 3CaO 2SiO 2 3H 2 O C 4 S 3 H foshagite 4CaO 3SiO 2 H 2 O C 6 S 6 H xonotlite 6CaO 6SiO 2 H 2 O induzione riposo accelerazione ritardo fine Fig.: termodinamica. 23 / 36

37 - C 3 A responsabile della presa C 4 AF chimismo simile a C 3 A instabili { }} { 2(3CaO Al 2 O 3 )+21H 2 O 4CaO Al 2 O 3 13H CaO Al 2 O 3 8H 2 O alluminite (fase C 3 A) da ricetta fase C 4 AH 13 fase C 2 AH 8 4CaO Al 2 O 3 13H CaO Al 2 O 3 8H 2 O 2(3CaO Al 2 O 3 6H 2 O) + 9H 2 0 fase C 4 AH 13 fase C 2 AH 8 caotite (fase C 3 AH 6 ) Fig.: cristalli di caotite. 24 / 36

38 Il bacillo del - Le crepe In presenza di SO42 (aria, acqua)... 3CaO Al2 O3 + 3(CaSO4 2H2 O) + 26H2 O 3CaO Al2 O3 3CaSO4 32H2 O fase C3 A gesso ettringhite (fase AFt) Fig.: cristalli ettringhite. Fig.: rappresentazione schematica. C3 A ρ = 3, 04g/cm3 ettringhite ρ = 1, 75g/cm3 ) X8 volume molare 25 / 36

39 struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Parte III struzzo armato Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli 26 / 36

40 struzzo struzzo Perché 28 giorni? Definizione Il calcestruzzo è una roccia artificiale creata attraverso indurimento di una miscela composta da acqua, sabbia e cemento. Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Fig.: getto in calcestruzzo armato. 27 / 36

41 Perche 28 giorni? struzzo Perche 28 giorni? Perche quando si getta un solaio in calcestruzzo armato bisogna aspettare 28 giorni prima di disarmare? Quanta H2 O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Fig.: getto solaio. Fig.: cinetica indurimento. 28 / 36

42 Quanta H 2 O? struzzo proprietà meccaniche = w/z = kg/m3 H 2 O kg/m 3 cemento pori capillari pori gel = f([h 2 O]) Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo per idratazione 0,25% ideale a 0,25 + 0,15= 0,40% pratica 0,50% Dettagli a per permettere la lavorabilità. OBIETTIVO: pori capillari < 25% discontinuità 29 / 36

43 Quanta H 2 O? struzzo proprietà meccaniche = w/z = kg/m3 H 2 O kg/m 3 cemento pori capillari pori gel = f([h 2 O]) Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo per idratazione 0,25% ideale a 0,25 + 0,15= 0,40% pratica 0,50% Dettagli a per permettere la lavorabilità. OBIETTIVO: pori capillari < 25% discontinuità 29 / 36

44 Acciaio dell armatura-processo produttivo α Fe γ Fe δ Fe fuso struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Fig.: polimorfia Fe. Fig.: altoforno. CO 2 + C 2CO equilibrio di Boundouard 30 / 36

45 struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Acciaio dell armatura-processo produttivo Il resto di fusione (=loppa di altoforno) SiO 2 + CaCO 3 CaSiO 3 + CO 2 CaO(30 50%), SiO 2 (27 40%), Al 2 O 3 (5 15%), MgO, FeO, MnO, CaS NEL PORTLAND! Il Fe così ottenuto ha 2, 5 < C < 4% ghisa Acciaio: materiale ferroso lavorabile a caldo con un contenuto di C 2, 06% ossidazione C CO 2 (processo Bessemer-Birne) Fig.: diagramma Fe-C. 31 / 36

46 struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Corrosione dell acciaio - Carbonatazione del calcestruzzo 2(3CaO SiO 2 )+6H 2 O 3CaO 2SiO 2 3H 2 O +3Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 13, 0 < ph H2 O nei pori < 13, 8 50nm Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 passivazione (11, 5 < ph < 13, 8) Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Carbonatazione, l effetto ambiguo della CO 2 H 2 CO 3 { }} { Ca(OH) 2(s) + H 2 O (l) + CO 2(g) CaCO 3(s) + 2H 2 O (l) CaCO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) Ca 2+ (l) + 2HCO 3(l) reazione acido-base ph < 9, 5 O 2 /H 2 O FeO(OH) depassivazione (ph < 11, 0) 2xV! scrostamento 32 / 36

47 struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Corrosione dell acciaio - Carbonatazione del calcestruzzo 2(3CaO SiO 2 )+6H 2 O 3CaO 2SiO 2 3H 2 O +3Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 13, 0 < ph H2 O nei pori < 13, 8 50nm Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 passivazione (11, 5 < ph < 13, 8) Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Carbonatazione, l effetto ambiguo della CO 2 H 2 CO 3 { }} { Ca(OH) 2(s) + H 2 O (l) + CO 2(g) CaCO 3(s) + 2H 2 O (l) CaCO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) Ca 2+ (l) + 2HCO 3(l) reazione acido-base ph < 9, 5 O 2 /H 2 O FeO(OH) depassivazione (ph < 11, 0) 2xV! scrostamento 32 / 36

48 Processo corrosivo- struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Definizione La corrosione è una reazione di un materiale metallico con il proprio ambiente circostante che ha un effetto misurabile sul cambiamento del materiale e che può interferire sulla funzione di un componente da costruzione metallico o sull intero sistema. [DIN 50900] Anodo: Fe Fe e Tab.: reazioni al catodo. ph corrosione tipo reazione < 4 idrogeno 2H 3 O + + 2e H 2 + 2H 2 O 4 7 misto O 2 + 4H 3 O + + 4e 6H 2 O > 7 ossigeno O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH 33 / 36

49 Processo corrosivo- struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Definizione La corrosione è una reazione di un materiale metallico con il proprio ambiente circostante che ha un effetto misurabile sul cambiamento del materiale e che può interferire sulla funzione di un componente da costruzione metallico o sull intero sistema. [DIN 50900] Anodo: Fe Fe e Tab.: reazioni al catodo. ph corrosione tipo reazione < 4 idrogeno 2H 3 O + + 2e H 2 + 2H 2 O 4 7 misto O 2 + 4H 3 O + + 4e 6H 2 O > 7 ossigeno O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH 33 / 36

50 Processo corrosivo-dettagli Passivazione 2Fe O 2 + 4OH 2FeO(OH) + H 2 O 2Fe O 2 + 7H 2 O Fe 2 O 3 H 2 O + 4H 3 O + (Fe 3 O 4 ) struzzo Perché 28 giorni? Quanta H2O? Acciaio dell armatura Corrosione dell acciaio Carbonatazione del calcestruzzo Processo corrosivo Dettagli Fig.: passivazione. Depassivazione ph cambia E Fe 2+ /Fe 3+ Fe 2 O 3, FeO(OH) Fig.: corrosione. Fig.: diagramma di Pourbaix. 34 / 36

51 Bibliografia Bibliografia Bauchemie. R. Benedix. Vieweg + Teubner, Bauchemie. T, Mallon. Vogel Buchverlag, Chimica Fisica. P. W. Atkins. Zanichelli,1997. Chimica Generale. P. Atkins, L. Jones. Zanichelli, Chimica Analitica Qualitativa, equilibri in soluzione. G. Charlot. Piccin, / 36

52 A mio padre Giacomo Rino, artista prima ancora di mastro muratore Bibliografia Documento scritto in L A T E X. 36 / 36