MECCANISMI DI IDRATAZIONE E MICROSTRUTTURA DELLA PASTA CEMENTIZIA

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Luca Perini
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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTA DI INGEGNERIA MECCANISMI DI IDRATAZIONE E MICROSTRUTTURA DELLA PASTA CEMENTIZIA Prof. Ing. Luigi Coppola

2 IL MECCANISMO DI IDRATAZIONE DEL CEMENTO: PRESA E INDURIMENTO Il processo di reazione del cemento con l acqua risulta estremamente complesso ANALISI DEI MECCANISMI DI IDRATAZIONE DEI COSTITUENTI MINERALOGICI PRINCIPALI DEL CLINKER DI CEMENTO PORTLAND E DEI MATERIALI POZZOLANICI

3 FASE PLASTICA una pasta di cemento (ma anche un calcestruzzo) subito dopo il mescolamento si presenta, a seconda del quantitativo di acqua impiegato, come una MASSA DI CONSISTENZA PLASTICO-FLUIDA dotata di scorrevolezza ed eccellente deformabilità.

4 TEMPO FASE PLASTICA In questo stato, la pasta permane (per qualche minuto) per qualche ora Il tempo dipende da: quantitativo di acqua impiegato; tipo e dalla classe del cemento utilizzato; temperatura; eventuali additivi aggiunti all impasto.

5 FASE PLASTICA La pasta di cemento (come il calcestruzzo) durante la fase plastica può essere: 1. RIMESCOLATA; 2. TRASPORTATA; 3. INTRODOTTA ALL INTERNO DI UNO STAMPO assumendone la forma; 4. COMPATTATA.

6 INIZIO PRESA Poi la pasta inizia la presa perdendo le iniziali caratteristiche di scorrevolezza e diviene sempre meno deformabile

7 TEMPO DI PRESA un rimescolamento della pasta durante la presa risulterebbe di difficile attuazione, ma soprattutto disturberebbe il processo di idratazione determinando una irrimediabile drastica penalizzazione delle prestazioni meccaniche dell impasto ore

8 FINE PRESA E INDURIMENTO Successivamente avviene la FASE DELL INDURIMENTO vero e proprio che coincide con la trasformazione dell impasto in una massa, dell aspetto tipico dei materiali lapidei, dotata di apprezzabile resistenza meccanica a compressione. PRESA INDURIMENTO

9 REAZIONI CHIMICHE REAZIONI CHIMICHE MOLTO VELOCI nelle prime ore dall impasto MINORE VELOCITÀ nei giorni/mesi successivi

10 REAZIONI CHIMICHE REAZIONI CHIMICHE CHE CONSUMANO ACQUA RIDUCONO LA MOBILITA CHE AVVENGONO CON UN AUMENTO DI VOLUME

11 AUMENTO DI VOLUME REAZIONI CHIMICHE FORMAZIONE DI COMPOSTI IDRATATI DI VOLUME MAGGIORE (CIRCA 2.1 VOLTE) DEI COSTITUENTI ANIDRI, riempiono parte dello spazio inizialmente occupato dall acqua riducendo la mobilità delle particelle di cemento e conseguentemente la plasticità dell impasto.

12 REAZIONE ESOTERMICA REAZIONI CHIMICHE SVILUPPO DI CALORE

13 ANALISI DELLE FASI Per una migliore comprensione della reazione di idratazione è opportuno ANALIZZARE LA VELOCITÀ DI SVILUPPO DEL CALORE IN FUNZIONE DEL TEMPO

14 VELOCITÀ DI SVILUPPO DEL CALORE IN FUNZIONE DEL TEMPO PER UNA PASTA DI CEMENTO PORTLAND

15 PREINDUZIONE Forte sviluppo di calore determinato dalla idratazione del C 3 A, con la produzione degli alluminati idrati esagonali, cui segue, quando la soluzione si satura di solfato di calcio, la formazione dell ettringite

16 ETTRINGITE ETTRINGITE C 3 A ETTRINGITE si deposita sul ancora anidro impedendo che il processo continui, come testimoniato dal brusco abbassamento della velocità di sviluppo del calore.

17 PREINDUZIONE minuti

18 FASE DORMIENTE 1. Ispessimento della pellicola di ettringite che avvolge il C 3 A; REAZIONE DI IDRATAZIONE BLOCCATA (assenza di calore)

19 FASE DORMIENTE QUALCHE ORA l impasto rimane plastico senza apprezzabili diminuzioni della scorrevolezza.

20 RIPRESA IDRATAZIONE Elevata velocità di sviluppo del calore conseguente alla rottura della pellicola di ettringite, alla ripresa dell idratazione degli ALLUMINATI e DEI SILICATI

21 INIZIO/FINE PRESA inizio presa dell impasto e la conseguente perdita di plasticità. Il processo prosegue per qualche ora e prima che esso raggiunga il massimo valore della velocità di sviluppo del calore l impasto termina la presa ( fine presa )

22 QUARTO STADIO La reazione continua con una velocità più bassa, come testimoniato dalla diminuzione della velocità di sviluppo del calore, in quanto i prodotti di idratazione fungono da barriera al contatto tra i prodotti anidri e la soluzione acquosa.

23 QUARTO STADIO Il processo, in questa fase, è governato dalla VELOCITÀ CON CUI LA SOLUZIONE ACQUOSA PUÒ DIFFONDERE ATTRAVERSO I PRODOTTI IDRATATI Velocità diminuisce nel tempo perché: 1. gli idrati diventano sempre più spessi; 2. i composti idratati subiscono un processo di invecchiamento che consiste in una diminuzione della porosità

24 MONOSOLFOALLUMINATO Prima che la velocità di sviluppo del calore diminuisca definitivamente si registra un terzo picco corrispondente alla reazione del C 3 A con l ettringite con conseguente formazione del monosolfoalluminato

25 IV V STADIO IL QUARTO E QUINTO STADIO COINCIDONO CON IL PERIODO IN CUI L IMPASTO ACQUISTA LA CAPACITÀ DI RESISTERE AGLI SFORZI DI COMPRESSIONE.

26 Sviluppo dei prodotti di idratazione in funzione del tempo

27 RIASSUMENDO STADIO PRODOTTI DI IDRATAZIONE CONFIGURAZIONE SCHEMATICA Tempo trascorso dal mescolamento con H 2 O 0 NESSUNO 0 minuti Cemento anidro I Pre-induzione fasi ettringitiche (AFt) C-S-H con rapporto C/S 3 Fasi ettringitiche (AFt) C-S-H Cemento anidro minuti II dormiente III inizio/fine presa IV/V indurimento fasi ettringitiche (AFt) C-S-H CH C-S-H con rapp. C/S 0,8-1,5 Ca(OH) 2 ettringite idrati del C 4 AF C-S-H Ca(OH) 2 monosolfoalluminato idrati del C 4 AF C-S-H CH C-H CH Fasi ettringitiche C-S-H AFt - AFm CH Cemento anidro 2-3 ore ore > 12 ore

LOGISTICA PREINDUZIONE - DORMIENTE Mescolamento degli ingredienti del calcestruzzo in betoniera; Trasporto dalla centrale di betonaggio al cantiere; Posa in opera e compattazione del conglomerato all

28 LOGISTICA PREINDUZIONE - DORMIENTE Mescolamento degli ingredienti del calcestruzzo in betoniera; Trasporto dalla centrale di betonaggio al cantiere; Posa in opera e compattazione del conglomerato all interno della cassaforma. La durata di questi periodi deve essere tale da non ostacolare queste operazioni che sono legate evidentemente alla logistica del cantiere e al tipo di opera che si deve realizzare.

INIZIO PRESA L INIZIO DELLA PRESA RAPPRESENTA IL MOMENTO IN CUI L IMPASTO NON È PIÙ MANIPOLABILE NON gettarlo all interno del cassero; NON effettuare alcuna compattazione (anche se la posa è stata

29 INIZIO PRESA L INIZIO DELLA PRESA RAPPRESENTA IL MOMENTO IN CUI L IMPASTO NON È PIÙ MANIPOLABILE NON gettarlo all interno del cassero; NON effettuare alcuna compattazione (anche se la posa è stata ultimata). Una eventuale vibrazione porterebbe ad una irrimediabile distruzione dei legami stabiliti dai prodotti di idratazione dei silicati e degli alluminati con conseguente drastica riduzione delle proprietà meccaniche del calcestruzzo

STAGIONATURA UMIDA IL TEMPO DI INIZIO PRESA COINCIDE CON IL MOMENTO IN CUI È POSSIBILE INIZIARE LA STAGIONATURA UMIDA DELL IMPASTO bagnatura con acqua delle superfici del getto non casserate

30 STAGIONATURA UMIDA IL TEMPO DI INIZIO PRESA COINCIDE CON IL MOMENTO IN CUI È POSSIBILE INIZIARE LA STAGIONATURA UMIDA DELL IMPASTO bagnatura con acqua delle superfici del getto non casserate operazione necessaria ad evitare la precoce evaporazione dell acqua che determinerebbe sia un rallentamento della velocità di idratazione negli strati più corticali del getto che la comparsa delle fessurazioni da ritiro plastico.

31 AUMENTO A/C IRRORARE LE SUPERFICI DEL GETTO PRIMA CHE L IMPASTO FACCIA PRESA L impasto, ancora in fase plastica, finirebbe per assorbire l acqua con un aumento del rapporto a/c e un conseguente scadimento delle prestazione meccaniche e di durabilità del manufatto realizzato.

32 SCASSERO IMPORTANTE È IL TEMPO DI FINE PRESA, SOPRATTUTTO IN RELAZIONE È AI TEMPI DI SCASSERO DI UN DETERMINATO ELEMENTO STRUTTURALE. É sconsigliabile procedere alla rimozione dello sponde di un cassero di un muro di sostegno (che in fase di costruzione non è generalmente assoggettato ad alcun carico) prima che il calcestruzzo termini la presa in quanto il solo peso proprio del conglomerato potrebbe determinare uno spanciamento della struttura al piede del muro.

33 PERIODO INVERNALE La conoscenza dei tempi di fine presa può rivelarsi fondamentale per una struttura gettata nel periodo invernale (T notte < 0 C) un impasto con un tempo di presa troppo lungo potrebbe non avere una resistenza a compressione/trazione sufficiente (oltre ad essere caratterizzato da contenuto di acqua ancora rilevante proprio per la lentezza con cui procede la reazione di idratazione) per poter resistere senza fessurarsi alle tensioni indotte dalla formazione del ghiaccio

34 RISULTATI PROVA TEMPO DI PRESA LABORATORIO dipende da: CANTIERE temperatura; rapporto acqua-cemento; tipo e il dosaggio di additivi utilizzati per il confezionamento del conglomerato

35 Fasi ettringitiche (dopo 5 min) in presenza di un additivo riduttore d acqua a bassa perdita di lavorabilità

36 Fasi ettringitiche (dopo 5 min) in presenza di un additivo riduttore d acqua a rapido sviluppo resistenze meccaniche

37 Morfologia dei prodotti di idratazione nel III stadio

38 I PRODOTTI DI IDRATAZIONE 1. i prodotti di idratazione sono costituiti da una struttura stratificata a distanza (tra i diversi strati) di circa 18 angstrom; 2. I composti idratati contengono delle porosità, i cosiddetti pori del gel, che rappresentano il 28% del volume totale dei prodotti di idratazione e sono accessibili solo alle molecole di acqua in quanto il loro diametro è inferiore mediamente ai 4 angstrom 3. particelle dei composti idratati sono legate dalle forze di Wan der Waals.

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