LE AGGIUNTE MINERALI E I MATERIALI POZZOLANICI

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Michelina Mattioli
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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTA DI INGEGNERIA LE AGGIUNTE MINERALI E I MATERIALI POZZOLANICI Prof. Ing. Luigi Coppola

2 CEMENTO PORTLAND CEMENTO PORTLAND PURO clinker di cemento + gesso MODESTA ALIQUOTA DELL INTERA PRODUZIONE DI CEMENTO. Cemento Portland (ITALIA 2003) 8.5% del cemento consumato nel settore delle costruzioni.

3 CEMENTI COMUNI clinker di cemento + gesso + aggiunte minerali (8 95%) in forma di polveri finemente macinate

4 COMPONENTI CEMENTO CLINKER GESSO ADDITIVI DI MACINAZIONE proprietà idrauliche; resistenza. moderazione idratazione C 3 A (ettringite) Coadiuvanti di macinazione AGGIUNTE INERTI; REATTIVE.

5 TIPI DI AGGIUNTE AGGIUNTE INERTI REATTIVE 1.FILLER CALCAREO 1.LOPPE 2.CENERI VOLANTI 3.FUMI DI SILICE 4.POZZOLANE

6 COSTITUZIONE AGGIUNTE AGGIUNTE 1. POLVERI INERTI (SOTTOPRODOTTI DI ALTRE LAVORAZIONI INDUSTRIALI) 2. MATERIALI POZZOLANICI NATURALI 3. MATERIALI POZZOLANICI DERIVANTI DA ALTRE LAVORAZIONI INDUSTRIALI.

7 SOTTOPRODOTTI INDUSTRIALI - PROVENIENZA - Le fonti più importanti di materie seconde impiegabili nel settore del cemento e del calcestruzzo sono: 1. IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DELLA ENERGIA ELETTRICA che usano come combustibile il carbone; 2. STABILIMENTI SIDERURGICI che producono la ghisa; 3. INDUSTRIE CHE PRODUCONO COMPONENTI PER L ELETTRONICA in silicio o in leghe ferro- silicio

8 LE AGGIUNTE E LA LORO ORIGINE AGGIUNTA LOPPA CENERI VOLANTI ORIGINE Altoforni per la produzione della ghisa centrali elettriche a carbone POZZOLANE FUMO DI SILICE ceneri vulcaniche (naturali) produzione del silicio (industria elettronica)

9 IMPATTO AMBIENTALE L utilizzo di questi sottoprodotti per la produzione dei cementi rappresenta un modo intelligente per utilizzare materiali che, altrimenti, sarebbero destinati ad essere allocati in discariche con inevitabili ripercussioni sull ambiente.

10 IMPATTO AMBIENTALE L impiego di questi materiali, grazie alla minore produzione di clinker di cemento Portland, consente sia di ridurre l estrazione dei materiali naturali in cava, che di abbattere drasticamente il consumo di materiale combustibile e, quindi, le emissioni di anidride carbonica nell aria in accordo a quanto stabilito dal protocollo di Kyoto

11 MIGLIORAMENTI TECNOLOGICI L impiego di queste aggiunte minerali può : 1. MIGLIORARE LE PRESTAZIONI REOLOGICHE DEL CALCESTRUZZO; 2. INCREMENTARE LA DURABILITÀ DELLE STRUTTURE IN CONGLOMERATO CEMENTIZIO ARMATO NEGLI AMBIENTI PARTICOLARMENTE AGGRESSIVI

12 PERCHÉ I CEMENTI CON AGGIUNTE? Miglioramento reologia Riduzione sviluppo di calore (getti massivi) Durabilità del calcestruzzo Riciclaggio sottoprodotti Consumi combustibile Emissione di CO 2

13 CLASSIFICAZIONE DELLE AGGIUNTE AGGIUNTE MINERALI INERTI REATTIVE POZZOLANICI POZZOLANICI A COMPORTAMENTO IDRAULICO POLVERI DI CALCARE 1. CENERI VOLANTI 2. FUMI DI SILICE 3. POZZOLANE NATURALI 1. LOPPA D ALTOFORNO

14 POZZOLANE Le pozzolane sono materiali inorganici, di natura silicea o silico-alluminosa che di per sé non posseggono caratteristiche di legante idraulico POZZOLANA ACQUA NON INDURISCE SLURRY La miscela rimane in forma di sospensione di particelle solide in acqua

15 IDRAULICITA LA POZZOLANA DI PER SÉ NON COSTITUISCE UN LEGANTE il mescolamento della stessa con acqua produce una massa di consistenza plastica che non è capace di indurire apprezzabilmente né all aria, né tanto meno sott acqua.

16 POZZOLANE in forma di polvere, di finezza simile a quella del cemento Portland, sono in grado, qualora vengano mescolate con acqua e calce, di indurire, alla temperatura ambientale, sia all aria che sott acqua, dando luogo a prodotti di idratazione relativamente poco solubili e, quindi, resistenti all azione dilavante dell acqua POZZOLANA ACQUA INDURISCE CALCE Ca(OH) 2 I prodotti di idratazione sono simili a quelli del cemento sebbene la reazione risulti molto più lenta

17 DA LEGANTE AEREO A IDRAULICO CALCE IDRATA CALCE IDRATA + MATERIALI POZZOLANICI LEGANTE AEREO LEGANTE IDRAULICO utilizzabile per la realizzazione di manufatti esposti all azione dell acqua piovana, per strutture di contenimento delle acque (vasche, canali, acquedotti,etc.) oltre che per opere marittime.

18 CARATTERISTICHE DI UN MATERIALE POZZOLANICO 1. NATURA CHIMICA (silicea o silicoalluminosa); 2. BASSO GRADO DI CRISTALLINITÀ (materiali amorfi o vetrosi); 3. SUPERFICIE SPECIFICA (area superficiale per unità di massa o di volume) RELATIVAMENTE ELEVATA (da qualche m 2 /g nelle pozzolane naturali, a qualche decina di m 2 /g nelle pozzolane industriali

19 CARATTERISTICHE DI UN MATERIALE POZZOLANICO NATURA silicea o silico-alluminosa STRUTTURA amorfa o vetrosa FINEZZA tipica del cemento (< 0.1 mm)

20 Se solo uno dei requisiti sopramenzionati non è soddisfatto il materiale non possiede caratteristiche pozzolaniche.

21 FINEZZA NATURA TERRE NATURALI DI ORIGINE VULCANICA STRUTTURA FINEZZA MACINATE

22 STRUTTURA FINEZZA QUARZO NATURA STRUTTURA AMORFA Il quarzo, infatti, è notoriamente una forma di silice ben cristallizzata

23 POZZOLANE NATURALI (P) ROCCE E MINERALI DI ORIGINE VULCANICA 1. natura prevalentemente allumino-silicatica (TENORE DI SILICE 25%); 1. struttura prevalentemente vetrosa grazie al brusco raffreddamento della lava 1. debbono essere macinate nel mulino assieme al clinker

24 CENERI VOLANTI SILICEE Sottoprodotto della combustione di antracite o del carbone bituminoso nelle centrali termoelettriche

25 ORIGINI Le impurità presenti nel carbone fondono per effetto dell alta temperatura raggiunta durante la combustione ed in forma di goccioline liquide vengono trascinate dai fumi. Successivamente, per effetto del brusco raffreddamento queste solidificano, acquisendo una struttura prevalentemente vetrosa, ed in parte si agglomerano in forma di particelle sferiche di natura silico-alluminosa e di granulometria simile a quella del cemento.

26 CENERE VOLANTE SILICEA AL MICROSCOPIO ELETTRONICO

27 CENERI E NORMATIVA COMBUSTIBILI TENORE CaO UNI EN CENERE VOLANTE CARBONI BASSO V CARBONI LIGNITICI O SUB- BITUMINOSI ALTO W

28 FUMO DI SILICE sottoprodotto della lavorazione all arco elettrico del silicio e delle leghe ferro-silicio Questi materiali si presentano in forma di polvere con una finezza molto più spinta sia del cemento Portland che della cenere volante. 1. dimensione media dei granuli µm 2. superficie specifica di m 2 /g

29 REATTIVITA Il fumo di silice (D in accordo alla EN 197-1): 1. costituito quasi esclusivamente da ossido di silicio (> 85%); 2. elevata superficie specifica REATTIVITÀ DI GRAN LUNGA SUPERIORE A QUELLA DELLE POZZOLANE NATURALI E DELLA CENERE VOLANTE

30 DIMINUZIONE DELLA CALCE IDRATA (CH) IN MISCELA CON POZZOLANA O SABBIA

31 PROPRIETA POZZOLANE TIPO PROVENIENZA ZONA GEOGRAFICA NATURA (contenuto in silice) Dimensione granuli Sup. specifica NATURALE Terreni vulcanici Campania Basso Lazio Silico-Alluminosa (20-40%) Grossolana (macinazione) ARTIFICIALI: CENERE VOLANTE SILICICA Centrali termoelettriche Brindisi Marghera Bastardo Silico-Alluminosa (30-40%) Finezza di Cemento S.spec: 4-10 m 2 /g m υ : 2.15 kg/l CENERE VOLANTE CALCICA Centrali termoelettriche Nord America Silico-Alluminosa Finezza di Cemento S.spec: 4-10 m 2 /g m υ : 2.15 kg/l FUMO DI SILICE Industrie produzione silicio e delle leghe ferro-silicio Nord Europa Prevalentemente silicea (90-95%) Finezza molto inferiore a quella del cemento S spec: m 2 /g m υ : 2.2 kg/l

32 I MATERIALI POZZOLANICI SILICE - Si FUMI DI SILICE POZZOLANE C.V. silicea CALCIO Ca PORTLAND ALLUMINIO Al

33 REAZIONE POZZOLANICA Indipendentemente dal tipo di pozzolana impiegata l indurimento della miscela acqua/calce/materiale pozzolanico è da ascrivere ad una reazione chimica che coinvolge il CH del legante aereo con i silicati e gli alluminati presenti nella pozzolana con formazione degli stessi prodotti dell idratazione dei costituenti del cemento Portland: Pozzolana + CH + H => C-S-H + C-A-H

34 VELOCITA REAZIONE La principale differenza esistente tra i due processi consiste: LA VELOCITÀ DELLA REAZIONE POZZOLANICA È MINORE DI QUELLA CON CUI IL CEMENTO PORTLAND REAGISCE CON L ACQUA. PRODOTTI IDRATAZIONE REAZIONE DENOMINAZIONE SILICATI POZZOLANICA SECONDARI IDRATI ALLUMINATI CEMENTO PRIMARI

35 RESISTENZA MECCANICA A COMPRESSIONE

36 PRODUZIONE DEL CEMENTO La capacità di un materiale pozzolanico di combinarsi con la calce per produrre composti insolubili in acqua viene vantaggiosamente sfruttata nella produzione dei moderni cementi costituiti da miscele di cemento Portland e materiali pozzolanici di diversa natura

37 PROCESSI DISTINTI In questi cementi il processo di idratazione può essere schematizzato in due processi distinti: 1. idratazione del cemento Portland con formazione degli alluminati e silicati primari e dell IDROSSIDO DI CALCIO; 2. L IDROSSIDO DI CALCIO reagisce con il materiale pozzolanico dando luogo al C-A-H e al C-S-H secondari

38 Processo di idratazione PORTLAND/Pozzolana Cemento Portland C3A C4AF C 2 S H 2 O C-A-H C-S-H PRIMARI C 3 S Ca(OH) 2 V 1 C-A-H Pozzolana C-S-H SECONDARI V 2 < V 1 H 2 O V 2

39 REAZIONE POZZOLANICA H 2 O + C 3 S CSH CH + MP

40 VANTAGGI E SVANTAGGI MAGGIORE RESISTENZA AGLI ATTACCHI CHIMICI MINOR VELOCITA NELLO SVILUPPO DEL CALORE DI IDRATAZIONE; ALLUNGAMENTO TEMPI DI PRESA; MINORI RESISTENZE INIZIALI; MAGGIOR SENSIBILITÁ ALLA STAGIONATURA

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