(b) Leganti idraulici
Materiali leganti: classificazione induriscono soltanto in aria, non possono stare permanentemente a contatto con l acqua induriscono anche in acqua
Materiali leganti: classificazione induriscono soltanto in aria, si impiegano solo in strutture aeree, materiali con resistenze meccaniche medio-basse induriscono e sono impiegati in aria oppure immersi in acqua, materiali con resistenze meccaniche anche molto alte
Il cemento Il cemento è una polvere che mescolata con acqua in proporzione circa 3:1 produce una massa (pasta) facilmente modellabile che rapprende in poche ore perdendo la plasticità iniziale (presa). Successivamente assume la rigidità tipica di una pietra naturale ed è capace di resistere ad apprezzabili sollecitazioni meccaniche (indurimento).
Il cemento è uno dei 3 costituenti principali del calcestruzzo (i.e. acqua, cemneto, aggregati lapidei). Il cemento è considerato il cuore del calcestruzzo, tanto che spesso le opere realizzate con calcestruzzo sono impropriamente dette opere di cemento
I cementi non sono tutti uguali dal punto vista delle prestazioni. La qualità della matrice cementizia e quindi del materiale composito che ne deriva, malta o calcestruzzo, dipende in gran Tuttavia a parità di a/c le prestazioni del calcestruzzo nella fase esecutiva ed in servizio variano in modo significativo in funzione del tipo di cemento utilizzato.
esigenza di classificarli in base a prestazioni e composizione. normativa (EN 197-1)
Quanti sono i cementi normati? In base a resistenza meccanica e composizione (tipo) esistono: 25 diversi tipi di cementi, ciascun tipo è disponibile in 6 diverse classi di resistenza, per un totale di 150 cementi diversi!
Classi di resistenza ciascun tipo di cemento può essere fornito dal in diverse classi di resistenza. Il numero rappresenta la minima resistenza meccanica a compressione in N/mm 2 misurata dopo 28 giorni. Simbolo N o R indica comportamento meccanico del cemento alle brevi stagionature.
Cemento: dati produttività Nel 2001 in Italia sono stati prodotti 40 milioni di tonnellate di cemento di cui 2,6 milioni sono state esportate principalmente in Europa. Nello stesso anno l imporatzione di cemento è pari a 2,2 milioni di tonnellate Nel 2001 Italia si pone al 2 posto in Europa ed all 8 nel mondo per la produzione di cemento.
Cemento Portland Cemento fondamentale sul quale si basano tutti i moderni leganti idraulici normato dalla UNI-EN 197-1. In italia la produzione di cemento Portland è iniziata nel 1892 a Palazzolo di Bergamo la prima normativa è stata emanata nel 1908
Cemento Portland-1 Legante idrulico che impastato con acqua indurisce sia all aria che immerso in acqua. Si ottiene addizionando il prodotto della macinazione del clinker di cemento Portland con gesso biidrato Utilizzato per malte e calcestruzzi resistenti all acqua secondo la UNI EN 206-1, UNI 11104 e la UNI EN 13670-1
Cemento di Portland prodotto della cottura di una miscela opportuna di terre naturali e/o artificiali (calcare, argilla, ) (clinker di Portland) successivamente co-macinato con un quantitativo determinato di minerali solfatici (gesso o anidrite) nella misura del 4-8 % sul cemento. Gesso o anidrite fungono da regolatori di presa. La miscela co-macinata di clinker + gesso è denominata cemento di Portland.
Suddivisione dei cementi in base alla composizione (5 tipi) I Cemento Portland (1 tipo) II Cementi Portland di miscela (17 sottotipi) III Cemento d altoforno (3 sottotipi) IV Cemento pozzolanico (2 sottotipi) V Cemento composito (2 sottotipi) Totale 25 cementi diversi!
Cemento Portland: materie prime Materiali calcarei: di qualunque tipo ma non dolomitici Materiali argillosi: costituiti in prevalenza da caolinite (Al 2 O 3. 2SiO 2. 2H 2 O), associata ad illiti e montmorilloniti (silicati idrati di alluminio, ferro e magnesio).
Composizione ottimale? Composizione che consente di ottenere un prodotto dalle caratteristiche ottimali. risultato di compromesso, in grado cioè di soddisfare per quanto possibile le proprietà di un cemento ideale. Proprietà ideali di un cemento?
tempo di presa lungo (1 a qualche ora, per consentire la lavorazione) tempo di indurimento breve ( da 1 a decine di ore, per disarmare quanto prima la struttura) resistenza meccanica elevata basso calore di idratazione (per realizzare anche getti molto spessi) elevata durevolezza (buona resistenza agli agenti chimici es. solfati) stabilità di volume (minimo ritiro ed espansione) bassi costi di produzione
Procedimento generale fabbricazione Portland
dai silos contenenti le materie prime (1-2) e materie prime ausiliarie (3-4-5) escono i prodotti frantumati modo grossolano macinazione del materiale crudo nel mulino a sfere (6) (cilindro acciaio diametro 2-4 m, lunghezza 6-12 m, suddiviso in camere contenti sfere di acciao di dimensione progressivamente decrescente, 30 giri al minuto) miscela cruda macinata entra nel preriscladatore (7)
cottura nel forno rotativo (cilindro acciaio lungo 100-150 m, diametro 3-6 m, rivestito di materiale refrattari, 1-2 giri minuto). Nella parte più calda vicino al bruciatore T circa 1450 C, parte della carica fonde e parte forma il clinker 450-700 C decomposizione materie prime (calcare, caolinite, illiti e montmorilloniti con perdita di H 2 O e CO 2 ) da 700 C reazioni di clinkerizzazione e formazione dei quattro principali costituenti del clinker (reazione degli ossidi di silicio, ferro ed alluminio con la calce)
All uscita dal forno, raffreddamento, rapido in aria (9) per conferire al clinker la componente vetrosa più reattiva con acqua. Aggiunta di gesso biidrato (10) (4-8 % peso sul cemento) Macinazione in mulino a sfere analogo alla precedente (11)
Composti principali del clinker
Composizione chimica dei costituenti mineralogici del clinker di cemento Portland La composizione del clinker è espressa in termine dei quattro costituenti mineralogici, prodotti cristallini formati dalla combinazione di ossidi composizione ossidica in peso del clinker è circa pari a : 67% CaO 22% SiO 2 5 % Al 2 O 3 3% Fe 2 O 3 3% costituenti minori (MgO, Na 2 O, K 2 O, SO 3, ) I quattro costituenti mineralogici sono presenti in misura pari a circa 80% come silicati e 20 % come alluminati
Nelle condizioni di cottura del forno industriale, a causa della presenza dei componenti minori che sempre accompagna gli ossidi principali che si formano per termodecomposizione delle materie prime, i costituenti mineralogi del clinker non sono puri, ed in particolare
alite Silicato tricalcico con piccole percentuali di ioni Na +, K +, Mg +2, Al +3, Fe +3, che sosituiscono Si +4 nelle posizioni reticolari in misura del 3-4 % a formare una soluzione solida. A seconda del tipo e della concentrazione degli ioni esistono diverse modificazioni polimorfe dell alite. belite Analogamente la belite è la fase che si ottiene nella cottura del clinker per sotituzione fino al 4-6 % degli ioni Si +4 e Ca +2 presenti nelle posizioni reticolari del silicato bicalcico con i medesimi ioni a formare una soluzione solida. Anche per la belite esistono diversi polimorfi.
la fase alluminosa che si ottiene per cottura del clinker è una soluzione solida in cui lo ione Na+ sostituisce lo ione Ca +2, mentre gli ioni Si +4 e Fe +3 sostituiscono gli ioni Al +3 nelle posizioni reticolari di C 3 A. la fase ferrica è di per se una soluzione solida di composizione C 4 A x F 2-x (dove 0<x<2). Pertanto, anche in assenza di ioni estranei, il C 4 AF non è un composto chimico con una fissata composizione stechiometrica ma esiste in un determinato range composizionale. In realtà nel processo di cottura industriale la fase ferrica del clinker presenta Mg +2, Mn +3, Si +4, Ti +4, S +6 in sostituzione di Fe +3 e Al +3.
Notazione convenzionale CaO SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 SO 3 H 2 O C S F A S H
Reazioni chimiche principali nella formazione del clinker
Silicato tricalcico 3CaO. SiO 2 (C 3 S) Costituente fondamentale del clinker Reagisce rapidamente con acqua Conferisce resistenza meccanica agli impasti induriti Contenuto nel clinker dipende da:
(1) Accurato dosaggio del calcare nella miscela cruda al fine di avere elevato contenuto di C 3 S ma non di calce libera Un eccesso di calcare della miscela di partenza comporta nel clinker presenza di calce libera non combinata sinterizzatata. Tale composto è soggetto a lenta idratazione a carattere espansivo che porterebbe alla disgregazione del manufatto cementizio.
Composizione del clinker in termini di contenuto degli ossidi e dei composti (% peso)
(2) Temperatura di cottura miscela cruda Solo per T maggiori di 1300 C si ha formazione della fase liquida costituita dalla fusione dei componenti C 3 A e C 4 AF Solo la presenza della suddetta fase liquida permette la seguente reazione che porta alla formazione di C3S, soubilizzando i due reagenti : C 2 S + C C 3 S Se la temperatura è inferiore a 1300 C si ha un prodotto con basso tenore di C 3 S ed elevato contenuto di calce libera.
(3) velocità di raffreddamento clinker Al fine di evitare la decomposizione del C 3 S in C 2 S e CaO è necessario eseguire il raffreddamento del clinker a velocità elevata. A partire da 700 C la velocità di decomposizione diventa trascurabile. C 3 S C 2 S + C
Silicato bicalcico 2CaO. SiO 2 (C 2 S) Esiste in tre forme allotropiche alfa,beta e gamma al variare della temperatura La forma gamma è stabile a T ambiente, raffreddando rapidamente il clinker si ottiene la forma beta. C 2 S è uno stadio intermedio della formazione di C 3 S idratazione lenta, sviluppa resistenza meccaniche analoghe al C 3 S il cui contributo si avverte per lunghe stagionature
CaO 58-68 %
Alluminato tricalcico 3CaO. Al 2 O 3 (C 3 A) costituente con elevata velocità di idratazione non contribuisce allo sviluppo di resistenza meccaniche dell impasto indurito contribuisce a ridurre la durevolezza degli impasti induriti, scarsa resistenza alle acque contente ioni solfato la sua presenza consente di abbassare la T di formazione del C 3 S a 1300 C per effetto della presenza della fase liquida
Alluminoferrito tetracalcico C 4 AF Soluzione solida ternaria dei tre ossidi (CaO, Fe 2 O 3 ed Al 2 O 3 ) Proprietà del tutto analoghe a C 3 A
Microstruttura del clinker di Portland
Granuli di 3-25 mm Alite (C 3 S) poligonale Belite (C 2 S) tondeggiante 500x Noduli tondeggianti di calce libera 400x
Composti minori del clinker Ossido di magnesio (MgO) Il contenuto nel clinker non deve superare il 2.5 %. Infatti durante la cottura forma grossi grani che si idratano molto lentamente con aumento di volume. Un eccesso di questo composto provoca disgregazione del manufatto ancora più tardi rispetto ad eccesso di calce libera. Ossidi alcalini, fosfati, fluoruri Influenzano la composizione del clinker per effetto dell abbassamento temperatura di clinkerizzazione Altri TiO 2, Mn 2 O 3, K 2 O, Na 2 O
Limiti di composizione cemento Portland CaO 60-67 % SiO 2 17-25 % Al 2 O 3 3-8 % Fe 2 O 3 0.5-6 % Se le materie prime a disposizione non constono di ottenere un cemento della composizione prescelta I componenti indifetto vengono integrati aggiungendo materie prime ausiliarie : bauxite (per Al 2 O 3 ), ceneri di pirite (per Fe 2 O 3 ), sabbia silicea (per SiO 2 )
Riassumendo.
Processo industriale per la fabbricazione del Portland preparazione e miscelazione della materie prime macinazione cottura raffreddamento del clinker macinazione del clinker aggiunta di gesso biidrato insaccatura
Clinker
le materie prime macinate e mescolate in adatte proporzioni vengono cotte in forni rotativi a 1300-1500 C. la miscela fonde parzialmente, sinterizza formano dei ciottoli di 0.5-4 cm (clinker) il clinker viene raffraddato, macinato finemente ed addizionato di gesso biidrato prodotto risultante è il cemento Porland
Composizione del clinker di Portland
Cemento Portland carbonato di calcio carbonato di magnesio silice allumina ossido di ferro