Tipi di cemento Portland

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1 Tipi di cemento Portland Oltre al Portland detto ordinario sono disponibili cementi di diversa composizione per usi specifici. I vari tipi sono classificati secondo la norma ASTM C e C 175 sulla base della composizione.

2 Tipo III-Rapido indurimento: elevati tenori di C 3 S associati a basso tenore di C 2 S. Si ottiene aumentando opportunamente il dosaggio del calcare e controllando la finezza di macinazione. Quanto più è fine il cemento tanto più sono rapide le reazioni di idratazione. Tipo II e V-Resistenza ai solfati la resistenza ai solfati è data dalla riduzione del tenore di C 3 A. Se questa è di media entità si ottiene un Portland modificato (tipo II) con moderata resistenza ai solfati. Se la riduzione è drastica il contenuto di alluminato tricalcico è inferiore al 4% la resistenza ai solfati diventa molto elevata.

3 Tipo IV-A basso calore di idratazione Il calore che si sviluppa nella stagionatura viene ridotto riducendo la percentuale dei componenti che si idratano velocemente, producendo rapido sviluppo di calore e cioè C 3 S e C 3 A

4 Tipo IV-A basso calore di idratazione La riduzione del tenore di C 3 S comporta ovviamente un aumento percentuale di C 2 S e quindi uno sviluppo più lento delle resistenze meccaniche (tipo IV vs tipo I). I cementi a basso calore di idratazione sono impiegati in costruzioni voluminose e massicce (dighe) nelle quali il calore rimane nelle zone più interne della struttura ove si raggiungono anche temperature di C. Lo smaltimento di tale calore richiederebbe tempi molto lunghi, fino ad 1 anno. Il gradiente termico sottoporrebbe la struttura ad elevate tensioni che potrebbero portare ad estese fessurazioni con decadimento della resistenza meccanica.

5 Altri cementi derivati dal Portland Cemento Portland bianco : ottenuto da materie prime a bassissimo contenuto di ossido ferrico (<0,5%) e con aggiunta di fondenti. Usato per scopi estetici nel calcestruzzo a facciavista anche in combinazione con pigmenti e aggregati colorati. Cemento Portland ferrico o cemento Ferrari: messo a punto dall Ing. Ferrari negli anni 40 (Ditta Manufatti in cemento Ferrari srl) è un cemento resistente ai solfati ottenuto impiegando materie prime ad alto contenuto di ossido ferrico in modo da evitare la formazione di C 3 A, sensibile all azione dei solfati, e formare C 4 AF, più resistente a questi agenti. E necessario che il modulo dei fondenti (peso Al 2 O 3 / peso Fe 2 O 3 sia vicino a 0,64).

6 Altri cementi derivati dal Portland L inconveniente principale dei cementi Portland è la scarsa resistenza alle acque aggressive dovuta alla presenza di Ca(OH) 2 liberata dalla idratazione di C 3 S e C 2 S. Per questo motivo sono prodotti cementi derivati dal Portland che presentano minore o nulla sensibilità alle acque aggressive. Si tratta del: cemento pozzolanico cemento d altoforno

7 Cemento pozzolanico secondo la ASTM C si definisce la come segue Pozzolana: ogni materiale siliceo o silico-alluminoso che in forma finemente suddivisa in presenza di acqua reagisce a temperatura ambiente con idrossido di calcio formando composti cementanti

8 La pozzolana La pozzolana o materiale ad attività pozzolanica è la soluzione al problema della deteriorabilità del cemento Portland in presenza di acque aggressive ad elevato contenuto di CO 2. La pozzolana reagisce con la calce di idrolisi impedendone la carbonatazione e la conseguente dissoluzione. La silice che costituisce la pozzolana deve essere reattiva e quindi reagire con il calcio di idrolisi (Ca(OH) 2 ).

9 Un materiale esibisce attività pozzolanica se. elevato contenuto di silice silice presente deve essere reattiva cioè in forma amorfa. elevata superficie specifica in modo che tutte le particelle vengano a contatto con la fase acquosa della pasta di cemento esistono pozzolane e materiali ad attività pozzolanica sia naturali che artificiali

10 La pozzolana naturale La pozzolana propriamente detta è un materiale naturale, di natura silicatica, prodotto durante le eruzioni vulcaniche di tipo esplosivo-parossistico, che non si è cementato durante i processi diagenetici, rimanendo pertanto incoerente (ad es. nella regione dell Etna non si verificano eruzioni di tipo esplosivo ma solo effusivo quindi non si trovano pozzolane incoerenti). Il brusco raffreddamento subito con l espulsione dal cono vulcanico ha impedito che il magma si solidificasse lentamente e potesse dar luogo a composti cristallini. Infatti, la peculiarità più importante della pozzolana è il suo elevato contenuto in sostanze vetrose, con elevata micro-porosità (nelle pozzolane laziali, ad es. la fase vetrosa è circa l 80% del totale). A queste componenti vetrose si deve la reattività nei riguardi della calce. La composizione chimico-mineralogica delle pozzolane varia con la zona di formazione, ma in generale si può dire che la frazione vetrosa è ricca soprattutto di silicio e alluminio; ferro, magnesio, calcio, potassio e altri elementi sono presenti in quantità secondarie.

11 Zone vulcaniche del Lazio e della Campania (Pozzuoli) La parte reattiva è costituita da silicati di Al idrati (zeoliti), talora in forma vetrosa Provenienti dal dilavamento naturale di rocce silicatiche e da depositi contenenti silice reattiva. Cenere volante, fly- ash per raffreddamento di goccioline di cenere fusa che esce con il fumo dei forni delle centrali termoelettriche alimentate a carbone. Sono costituite per il 60-90% da una fase vetrosa reattiva

12 Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, 2003.

13 Materiali pozzolanici artificiali Sono inoltre impiegati materiali artificiali ad attività pozzolanica ottenuti per calcinazione di argille e materiali che sono il sottoprodotto di attività industriali. Tra i primi si ricorda la polvere di mattone (il tradizionale coccio pesto ) che deve la sua attività ai composti derivati dalla cottura dei minerali argillosi impiegati nella fabbricazione dei mattoni e, più in generale, dei prodotti ceramici. Al secondo tipo appartengono le cosiddette ceneri volanti, che si generano nelle centrali termoelettriche alimentate a carbone. Esse sono costituite da microsfere vetrose, derivate dalla combustione dei minerali silicatici presenti come impurezze nel carbone usato come combustibile. L attività pozzolanica dipende dalle modalità di funzionamento dell impianto e dunque può variare entro limiti piuttosto ampi. Un altro sottoprodotto industriale con attività pozzolanica è il fumo di silice derivante dalla trasformazione del quarzo in silicio.

14 Materiali pozzolanici Prodotti pozzolanici naturali Pozzolane propriamente dette (materiale incoerente) Tufi vulcanici (materiale coerente) Terra di diatomee o farina fossile Gaize, terra di Sacrofano Prodotti pozzolanici artificiali Polvere di mattone (tradizionalmente indicato come coccio pesto ) Argille calcinate Ceneri volanti Fumo di silice Il manuale del restauro architettonico, Sezione C Materiali, Mancosi Editore, 2001 Per i materiali artificiali, l attività pozzolanica dipende dalle modalità di fabbricazione e dunque non è automaticamente garantita. L ottima durabilità delle malte a calce e pozzolana è ben nota e dimostrata dall evidenza delle costruzioni della Roma antica.

15 Il cemento pozzolanico nella storia.. Materiali pozzolanici naturali ed artificiali (polvere di laterizio e argilla calcinata) erano noti nell antichità. I Romani hanno usato le malte idrauliche di calce e di pozzolana in opere sia portuali sia idrauliche che hanno un ottimo stato di conservazione. I crolli nei porti di Le Havre, Calais e altri (opere portuali realizzate in cemento Portland) hanno stimolato l interesse verso i materiali pozzolanici. Quindi nella seconda metà dell 800 furono studiate miscele di cemento Portland con le pozzolane che portarono alla formazione del Cemento Pozzolanico.

16 Cemento pozzolanico miscela omogenea ottenuta con la macinazione di clinker di Portland e di pozzolana o di altro materiale a comportamento pozzolanico, con la quantità di gesso necessaria. al fine avere una miscela omogenea la pozzolana deve essere portata per macinazione allo stesso grado di finezza del cemento. La Ca(OH) 2 che si forma a seguito dell idratazione dei composti del Portland reagisce con la fase reattiva della pozzolana e, dopo alcune settimane, è completamente combinata.

17 Cemento con aggiunte di pozzolana (o materiale pozzolanico) La reazione con pozzolane vulcaniche consente la formazione diretta di composti C 3 S 2 H 3 (gelo) del tutto analoghi a quelli ottenuti dalla reazione dei silicati C 3 S e C 2 S con acqua. La pozzolana è in grado di eliminare una quantità di calce pari a 2 volte il suo stesso peso. E evidente che nella miscela cemento Portland/pozzolana è indispensabile rispettare un certo rapporto fra i due ingredienti (almeno 45 % di cemento Portland) affinché si liberi un adeguata quantità di calce per la reazione con la pozzolana.

18 Cemento con aggiunte di pozzolana Poichè le diverse pozzolane hanno diverso tenore di silice reattiva, la quantità ottimale di pozzolana o materiale pozzolanico da aggiungere deve essere determinata volta per volta facendo provini di clinker addizionati di quantità crescenti di pozzolana. La presenza di eccesso di pozzolana provoca il decadimento delle proprietà meccaniche del manufatto cementizio. troppa pozzolana nociva perchè di per sè non è un legante e porterebbe decremento proprietà meccaniche; troppa poca pozzolana lascerebbe troppa calce libera ed il cemento non sarebbe resistente alle acque aggressive.

19 Idratazione cemento pozzolanico La quantità di acqua richiesta è la stessa del Portland eccetto per materiali pozzolanici porosi e finemente suddivisi; Indurimento avviene in due stadi: (1) idratazione del clinker di Portland con formazione di calce di idrolisi; (2) reazione della pozzolana con la calce di idrolisi che porta alla formazione di silicati e silico-alluminati idrati (a seconda del tipo di materiale pozzolanico usato) di composizione e struttura analoghe a quelle del gelo C 3 S 2 H 3 ; Reazione di indurimento del cemento pozzolanico 3CH + 2S C 3 S 2 H 3 Materiale pozzolanico

20 Idratazione cemento pozzolanico Il secondo stadio di idratazione è piuttosto lento quindi inizialmente le resistenze meccaniche sono inferiori rispetto a quelle del Portland ordinario.

21 Proprietà cemento pozzolanico resistenza alle acque aggressive basso calore di idratazione: a causa lenta idratazione della pozzolana il calore si sviluppa gradualmente permettendo la posa in opera anche di getti spessi nei quali l impiego di Portland porterebbe a notevoli stress termici minore porosità : successiva e continua formazione di gelo secondario riempie i pori del gelo primario applicazioni principali: opere destinate a rimanere a contatto con acque aggressive o marine, getti interrati, getti massicci e manufatti impermeabili in pratica utilizzato per strutture portuali e dighe

22 Vantaggi del cemento pozzolanico - Minore porosità alle lunghe stagionature, grazie alla lentezza con cui si completano le reazioni con i materiali pozzolanici. Infatti le reazioni di idratazione procedono quando già la struttura si è consolidato e ha assunto un volume ben preciso. Perciò l aumento di volume dei componenti idrati rispetto a quello dei componenti anidri avviene per riempimento delle porosità interne. Di conseguenza: - migliore resistenza all attacco da parte di acque naturali -migliore protezione offerta alle armature in acciaio grazie ad una minore velocità di accesso da parte dei cloruri, soprattutto nel caso di opere stradali e autostradali (sali disgelanti)

23 Cementi d alto forno (ASTM C 205 e C 358) A differenza del cemento pozzolanico i cementi d altoforno contengono come componente fondamentale le loppe di altoforno e come componente accessorio il clinker di Portland miscela omogenea ottenuta con la macinazione di clinker di Portland e di loppa d altoforno con la quantità di gesso necessaria Esistono diversi cementi d altoforno a seconda del contenuto di loppa: Cementi siderurgici: loppa fino al 35 % Cementi d altoforno: loppa % Cementi di loppa al clinker: oltre 85% loppa

24 Loppa basica d altoforno La loppa granulata d alto forno è un sottoprodotto della produzione della ghisa e per essere utilizzata per questi scopi deve subire un veloce raffreddamento all uscita dall altoforno. Variabilità della concentrazione degli ossidi principali per le loppe basiche utilizzate nella produzione di cementi. Gli ossidi principali sono gli stessi del Portland ma la composizione è diversa. Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, Per il prevalere del componente CaO sono dette basiche, per contrasto alle pozzolane che per il prevalere del contenuto di SiO 2 sono dette acide. Le loppe presentano proprietà leganti solo se finemente macinate ed impastate con acqua in presenza di attivatori della loppa (idrossido di calcio o solfato di calcio).

25 Cemento con aggiunta di loppa basica di altoforno La loppa può essere aggiunta al Portland in quantità percentuali superiori alla pozzolana (Portland minimo 5%), perché la loppa ha potenziali proprietà idrauliche e ha bisogno di calce idrata o alcali in generale, principalmente per attivare (catalizzare) la reazione di idratazione. Nella pratica per il cemento d altoforno ad alto contenuto di scoria è impossibile realizzare le tre più alte classi di resistenza (42.5R, 52.5N, 52.5R), per la lentezza dello sviluppo delle proprietà meccaniche con questo tipo di cemento. I vantaggi di questo tipo di cemento sono analoghi a quelli del cemento pozzolanico.

26 Avviene in due stadi : Idratazione (1) idratazione del Portland (2) idratazione della loppa contemporanea alla reazione della loppa con la calce di idrolisi con formazione di silicati idrati ed alluminati di calcio idrati. Stessi prodotti di idratazione del Portland: gelo C 3 S 2 H 3 e trisolfoalluminato (ettringite). 2CS + CH + 2H C 3 S 2 H 3 La calce di idrolisi viene poi gradualmente eliminata dalla reazione con i costituenti della loppa.

27 Idratazione Reazioni della loppa molto lente, basso calore di idratazione, basse resistenze meccaniche iniziali, alle lunghe stagionature la resistenza supera anche di molto quella del Portland ordinario.

28 Proprietà Costruzioni massicce (calore idratazione inferiore al pozzolanico, detto anche cemento freddo) opere idrauliche e per opere in ambienti umidi. Dipendono rapporto loppa/clinker Buona resistenza acque aggressive non vi è calce libera se loppa supera 65% cemento molto compatto che lo rende molto poco permeabile alle acque aggressive. Resistenza all acqua di mare e alle acque aggressive migliore del Portland. Sviluppano resistenza a corrosione per tempi relativamente lunghi.

29 Cementi non Portland: Cemento alluminoso Non è a base di cemento Portland: non contiene C 3 S e C 2 S (se non come componente minoritario). E costoso per l elevata temperatura di fabbricazione. Non è prodotto in Italia. Non è contenuto nella norma UNI 197 relativa ai cementi comuni. Ottenuto dalla cottura di bauxiti rosse e calcare a temperature comprese fra 1500 e 1600 C, alle quali i componenti fondono e quindi reagiscono facilmente. Per questo è anche chiamato cemento fuso. La massa fusa viene raffreddata e poi macinata finemente e usata senza aggiunte. Il rapporto molare fra calce e allumina è circa 1 e il componente principale è CA (alluminato monocalcico) (più del 60% in peso del cemento).

30 Proprietà del cemento alluminoso Gli impasti a base di cemento alluminoso induriscono molto rapidamente: dopo 24h si è sviluppato il 70-80% delle proprietà meccaniche. Ciò consente il disarmo dopo solo 5-6 ore. C.A. resiste bene alle acque aggressive e solfatiche, purchè la temperatura non sia alta. A questo proposito si comporta anche meglio dei cementi pozzolanici e d altoforno, perché: - gli alluminati CAH 10 e C 2 AH 8 non reagiscono con i solfati, per formare ettringite - non c è Ca(OH) 2 dilavabile da acque ricche in CO 2 aggressiva. Alto calore di idratazione + rapida idratazione importante innalzamento di temperatura. non adatto per le costruzioni massicce dove il calore di idratazione viene smaltito con difficoltà.

31 Idratazione del CA I prodotti dell idratazione del CA cambiano in relazione alle condizioni di temparatura. Fino a 20 C CA + 10 H CAH 10 (alluminato di calcio idrato esagonale, ottima resistenza meccanica ) Oltre 25 C 3 CA + 12H C 3 AH 6 + 2AH 3 (alluminato cubico, che dà scarsa resistenza meccanica al manufatto )

32 Svantaggio: razione di conversione degli alluminati Oltre C Gli alluminati idrati esagonali CAH 10 iniziano a convertirsi nella forma cubica C 3 AH 6 Es. 3 CAH 10 C 3 AH 6 + 2AH H (si ha una riduzione del volume dei solidi a circa la metà maggiore porosità (degrado delle proprietà meccaniche e maggior rischio di attacco chimico) Negli anni 80 diversi crolli in Inghilterra e quindi escluso l utilizzo per il cemento armato La reazione di conversione è rallentata da bassa umidità ambientale, basso rapporto a / c. Il cemento alluminoso non può essere usato nel cemento armato. Sconsigliato in climi caldi /tropicali. Sconsigliato per costruzioni massicce.

33 Applicazioni del C.A. Al contrario del Portland, il cemento alluminoso indurito resiste alle temperature fino a 800 C, mantenendo una frazione accettabile di resistenza meccanica (circa il 20%). Il cemento alluminoso con inerti a base di allumina può resistere fino a temperature anche molto più alte. C.A. trova applicazione come cemento refrattario nella produzione di elementi non strutturali, aventi funzioni di isolamento: es. rivestimenti interni di forni e suole.

34 C.A. viene utilizzato mescolato con Portland per produrre agglomeranti cementizi. Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, Il Ca(OH) 2 prodotto dall idratazione del C 3 S presente nel Portland funziona da accelerante per la presa del C.A., con produzione di C 4 AH 13. Gli agglomeranti sono utili per riparazioni urgenti come bloccare falle in condotte e serbatoi, per eseguire getti impermeabilizzanti in presenza di venute d acqua (gallerie ). però si raggiungono scarse proprietà meccaniche.

35 LEGANTI IDRAULICI - CEMENTO LA NORMATIVA EUROPEA UNI-EN 197/1 Con l'avvento delle regole comunitarie nell'unione Europea in Italia è entrata in vigore la UNI EN (1993), che raccoglie in un'unica classificazione tutte le tipologie di cemento prodotte fino ad allora nei vari Paesi membri. La normativa europea sui cementi è incentrata su due requisiti: la classe di resistenza il tipo di cemento.

36 LEGANTI IDRAULICI - CEMENTO LA NORMATIVA EUROPEA UNI-EN 197/1 Classi di resistenza del cemento Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, 2003.

37 Misura della resistenza meccanica di un cemento La prova di resistenza meccanica (UNI EN 196) si effettua preparando almeno 3 provini di malta di cemento (dimensioni 4x4x16 cm), utilizzando sabbia di granulometria standardizzata (definita dalla norma) e rapporti in peso sabbia : cemento : acqua = 3 : 1 : 0,5. Fino al momento della sformatura (24h) i provini vengono mantenuti a 20 C e UR 90%; In seguito fino all esecuzione delle prove meccaniche vengono mantenuti in acqua a 20 C.

38 1 - Prova di resistenza a flessione Il carico viene fatto crescere di N/s fino a rottura (Pr carico di rottura) Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, rulli

39 2 - Prova di resistenza a compressione Si ottiene Pr carico che produce rottura Risultante dalla prova di flessione (4cm x 4cm) Resistenza a compressione = Rc = Pr/1600 [N/mm 2 ] 1600 è la superficie delle piastre in mm 2

40 Misura dei tempi di inizio presa: ago di Vicat Secondo UNI EN 196 : - Uso di pasta normale di cemento preparata per tentativi variando il rapporto a/c, fino ad ottenere una consistenza tale che una sonda cilindrica (Dia. 1 cm, peso 300g) montata al posto dell ago venga fatta penetrare e si arresti 6 mm dal fondo della formella tronco-conica. Poi su questa pasta si esegue prova con ago Vicat con seguenti condizioni: - Φ ago: 1.13 mm. - Carico 300 g -20 C; UR = 75% - tempo di inizio presa = intervallo fra pasta preparata e ago che si ferma a 4 mm. -- tempo di fine presa = intervallo fra inizio presa e ago che si ferma a 0,5 mm dalla superficie inferiore del provino. Formella tronco-conica: Φ sup = 8 cm Φ inf = 9 cm h = 4 cm Vito Alunno Rossetti, Il calcestruzzo Materiali e tecnologia, Mc Graw-Hill, Milano, 2003.