CAPITOLO 1 I LEGANTI

CAPITOLO 1 I LEGANTI

Inquadramento Normativo Italia: Legge 1086 e successivi aggiornamenti quali D.M: 14/9/2005 «Norme tecniche per le costruzioni» Direttiva comunitaria: 89/106/EEC sui Prodotti della Costruzione del 1988. Norme volontarie degli Enti di normazione UNI, ASTM, DIN, BS EN, CEN Vengono citate nelle leggi e capitolati appalti: UNI EN 206-1 Calcestruzzo UNI 11104 istruzioni per applicazione di UNI EN 206-1 in Italia Uni EN 13670-1 Esecuzione di strutture di calcestruzzo- requisiti comini

LEGANTI E MISCELE LEGANTI COSTRUIRE - Conglomerati: malte e calcestruzzi = materiale inerte tenuto insieme da leganti Il legante dà impasto plastico che solidifica facendo presa. E resistente. Mostra buona adesione a pietre e laterizi. Natura del legante: minerale, naturale (Conglomerati bituminosi), di sintesi (calcestruzzi e malte di resina) MISCELE LEGANTI: PASTA cemento + acqua MALTA cemento + acqua + sabbia CALCESTRUZZO cemnto + acqua + sabbia + ghiaia

Stagionatura o maturazione Presa: fino a che l impasto non è più sufficientemente plastico da essere manipolato -da qualche minuto a qualche giorno- Indurimento: l impasto già rappreso acquista resistenza meccanica da qualch eora a qualche mese- Leganti AEREI, meno resistenti, ne fanno parte le calci UNI EN 459-1 (calci vive, calci spente, calci idrate e grasselli) IDRAULICI cementi e cementi speciali, calci idrauliche ed agglomerati cementizi (UNI EN 197-1), cementi da muratura (UNI EN 413-1

CEMENTO PORTLAND (miscela di clinker di Portland e gesso biidrato) Argilla (silicati idrati di Al Fe, Mg)+ quarzo e calcare) 450-750 C ossidi Tabella 1.1 Denominazione, formula e formula nella notazione abbreviata dei composti del clinker Tabella 1.2 Componenti del cemento: formula e formula abbreviata

Tabella 1.3 Analisi chimica elementare di un cemento, percentuali in peso TGA

Da questa composizione, mediante un metodo di calcolo proposto da Bogue, si può risalire al contenuto percentuale dei composti mediante le seguenti equazioni in cui le formule rappresentano le percentuali dei vari ossidi e dei composti sul peso del cemento. C 3 S = 4,07.CaO 7,6.SiO 2 6,72.Al 2 O3 1,43.Fe 2 O3 2,85.SO 3 C 2 S = 2,87.SiO 2 0,754.C 3 S C 3 A = 2.65.Al 2 O3 1,69.Fe 2 O 3 C 4 AF = 3,04.Fe 2 O 3 CaSO 4.2H 2 O (gesso) = 2,15.SO 3 Tabella 1.4 Analisi dei composti di un cemento Portland, percentuali in peso

Tabella 1.5 Limiti di composizione del cemento Portland

Fig.1.1 Schema del processo di fabbricazione del cemento calcare argilla Cenere di pirite Sabbia silicea bauxite Dispositivo preriscaldatore mulino Forno rotativo Fino 1450 gradi mulini Altri additivi: pozzolana, loppa, ceneri, calcare Aggiunta di gesso biidrato raffreddatore

Figura 1.2 Sezione del clinker al microscopio

Silicato Tricalcico C3S Tabella 1.6 Relazione tra le percentuali in peso degli ossidi e quelle dei composti nel clinker del cemento Portland Reagisce rapidamente con acqua conferendo agli impasti induriti elevata resistenza meccanica

Se la cottura avviene a temperatura troppo bassa, nel prodotto ottenuto sarà presente, anziché C 3 S, una miscela di C 2 S e CaO che, oltre ad avere scarse capacità leganti, possiede un elevato tenore di CaO espansivo. Inoltre il C 3 S è stabile solo al di sopra di 1250 C mentre sotto tale temperatura si decompone in silicato bicalcico e calce: Si decompone sotto 700 C: si raffredda bruscamente il clinker per evitarlo!

C2S: forma polimorfa di tipo beta. Si idrata lentamente e quindi contribuisce alla resistenza solo in tempi lunghi C 3 A: si idrata rapidamente ma non contribuisce alla resistenza meccanica. Allumina ed ossido di ferro sono necessarie per abbassare la T e formare fase liquida nella quale la calce si scioglie dando C 3 S. C 4 AF: si idrata rapidamente dando modesto contributo alla resistenza. Ha come sopra funzione di fondente COMPOSTI MINORI: CaO libero: se è >1% espansione e fessuratura MgO (non deve superare 2-2,5%) periclasio (no calcari dolomitici!) Fosfati e fluoruri Alcali (Na 2 O, K 2 O)

IDRATAZIONE Fig.1.3 Idratazione di un granulo di cemento e formazione di uno strato continuo di prodotti di idratazione

Più finemente è macinato il clinker, maggiore è la velocità di idratazione. Ponendo uguale a 1 la velocità di idratazione del cemento a 20 C, la velocità relativa V i a temperatura T da - 10 a 95 C può essere calcolata con l equazione seguente in cui R è la costante dei gas (R = 8,314 J/mole) ed E (T) è un valore empirico dell energia di attivazione, pari a 33.500 per valori di T > 20 C e pari a 34.970 (20 T) per valori di T < 20 C. Con questa equazione si ricava, ad esempio, che la velocità di idratazione a 60 C è circa 5 volte quella a 20, mentre a 10 C tale velocità risulta pari a circa il 2% di quella a 20

Fig. 1.4 a) Andamento dell idratazione nel tempo del C 3 S; b) sviluppo di calore nelle varie fasi; c) formazione di una pellicola continua di idrato; d) rottura della pellicola, proiezione di soluzione e formazione di tubuli (fibre) di silicato idrato Fase dormiente Periodo di accelerazione Periodo di rallentamento inizio

La stechiometria dell idratazione del silicato tricalcico può essere rappresentata nel modo di seguito indicato, in cui x + z = 3 e x, y e z non sono generalmente numeri interi

La formula C 3 S 2 H3 indica una composizione media del prodotto di idratazione e sono riportati anche i pesi dei prodotti reagenti e formati; infine, dato che il rapporto fra i vari componenti non è costante, per il silicato idrato si può utilizzare più semplicemente la formula CSH

Fig. 1.5 Valori analitici di concentrazione di Ca e Si sul raggio di un granulo sferico di C 3 S sezionato dopo un idratazione parziale; la curva che dà il rapporto molare CaO/SiO 2 che ne deriva evidenzia un valore dello strato esterno dei prodotti di idratazione di circa 1,6

Fig. 1.6 Granuli di C 3 S idratati a vapore, a 2 ore, a 7500 ingrandimenti; si riconoscono il gel in forma di fibre ad accrescimento radiale, tra di esse la porosità del gelo ed inoltre una porosità di maggiore dimensione, la porosità capillare. Le fibre di granuli adiacenti stanno formando punti di contatto e saldatura 0,1 micron 1 micron

Il prodotto di idratazione è ancora un gelo del tipo formato per idratazione del C 3 S, frammisto a cristalli di idrossido di calcio Rapporto CH/CSH favorevole per ottenere maggiore resistenza rispetto a C3S a lungo termine

Fig. 1.7 Andamento dell idratazione del silicato bicalcico nel tempo

Se il C 3 A reagisce con solo acqua forma degli alluminati idrati cristallini che si possono rappresentare mediante la formula C 3 AH 6. Se la reazione ha luogo in presenza di idrossido di calcio, allora si forma, con velocità elevata, un alluminato dalla formula C 4 AH 13 ; questa reazione ha luogo con notevole sviluppo di calore e rapido rapprendimento dell impasto

Quando tutto il solfato di calcio scompare dalla fase acquosa, in conseguenza della reazione di formazione dell ettringite, quest ultima, a contatto con H 2 O non più satura di CaSO 4, diventa instabile e si trasforma in monosolfalluminato di calcio idrato, designato anche monosolfato, secondo la reazione:

Fig. 1.8 Idratazione dei composti del cemento nel tempo

Fig. 1.9 Sviluppo della resistenza dei composti del cemento nel tempo, secondo Bogue Falsa presa: dovuta a lavorazione sbagliata in produzione del gesso che non è biidrato e quindi assorbe acqua.

Calore di idratazione Il calore di idratazione C idr del cemento si ricava per differenza applicando la legge di Hess:

Tabella 1.7 Calore di idratazione (calorie per grammo)

Assumendo che in media la pressione parziale della CO 2 sia pari a: p CO2 = 4,10-4 atm alla temperatura di 25 C, nell acqua a contatto con l aria si scioglie una quantità di CO 2 ricavabile dall espressione (legge di Henry)

La presenza di acido carbonico nell acqua fa sì che essa reagisca con la pasta di cemento; la reazione che avviene in due tempi: nel primo la calce idrolisi si trasforma in carbonato di calcio insolubile:

La reazione precedente non è pericolosa e rende il calcestruzzo meno permeabile; in secondo tempo il CaCO 3 è trasformato in bicarbonato di calcio solubile. In definitiva, per azione dell acqua aggressiva l idrossido di calcio delle paste di cemento è disciolto e asportato come bicarbonato solubile; la porosità aumenta e il ph della pasta stessa, inizialmente di circa 13, scende a valori più bassi, cosicché anche il silicato di calcio idrato viene aggredito.

In presenza di CaCO 3 si può stabilire nell acqua il seguente equilibrio che ad ogni temperatura possiede un ben determinata costante di equilibrio e un rapporto di equilibrio fra la concentrazione di CO 2 e quella di Ca(HCO 3 ) 2

CO 2 dell aria carbonatazione Solfati Ettringite espansione (ROTTURA) VOLUME MOLARE DELL ETINGITE Più DEL DOPPIO DEL VOLUME MOLARE DEL MONOSOLFATO

Pressione di cristallizzazione esercitata sui pori P = RT Vs log C C s R = costante gas T = temperatura assoluta Vs= volume molare del sale C= concentrazione sovrasatura Cs= concentrazione di saturazione Per gesso biidrato se rapporto è 2 p= 30 MPa

R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta, V s il volume molare del sale; per la cristallizzazione del gesso biidrato, con un rapporto C/C s, pari a 2, la pressione così calcolata è di circa 30 MPa; se il suddetto rapporto sale a 10, la pressione sale a circa 100 MPa

I solfati alcalini possono formare con l idrossido di calcio, qualora la loro concentrazione sia così elevata da superare il prodotto di solubilità del solfato di calcio, quest ultimo sale. Ad esempio si avrà:

che produce effetti espansivi (Lea). In modo analogo si comporta il solfato di magnesio PH si alza disgregazione ettringite Azione aggressiva delle acque di mare in cui il solfato di Mg è di 3 g/l circa.

A temperature inferiori a 6 C, in presenza di carbonato di calcio, l interazione dei solfati con la pasta di cemento può portare alla formazione di un altro sale complesso, la thaumasite. Il carbonato di calcio può essere presente come aggregato o nel terreno a contatto. Cloruri Attacco del calcestruzzo con meccanismo non ben definito

Pori del gelo Porosità capillare porosità Fig.1.10 Ritiro della pasta di cemento al variare dell umidità e della temperatura e relativa perdita d acqua

Tabella 1.8 Caratteristiche di vari tipi di porosità della pasta di cemento

Se si fanno reagire 100 g di cemento con 42 g d acqua, la somma dei volumi di cemento (V c ) e dell acqua (V a ) mescolati, pari al volume apparente della pasta (V p ) che non cambia durante l idratazione a meno di evaporazione verso l esterno, è maggiore del volume gelo di cemento (V g ) che è comprensivo sia dei prodotti solidi di reazione e del cemento non ancora idratato (V s ) sia della porosità del gelo (P g ) Questa disuguaglianza è spiegabile considernado Pc Pc =Porosità capillare

Fig. 1.11 Modello di sviluppo di porosità della pasta di cemento

Fig.1.12 Variazione dei volumi in gioco durante l idratazione del cemento. a) a/c = 0,42; b) a/c = 0,36 POWERS Vpc =(a/c - 0,36h) h= grado di idratazione Vpc è espresso in litri/kg di cemento

Fig. 1.13 Porosità in funzione del grado di idratazione e del rapporto a/c

Fig. 1.14 Influenza della porosità sulla resistenza meccanica della posta di cemento. POWERS R = Kx3 =k(1-ppc)3 R = k(1-(vpc/(vs+vpc))) 3

Fig. 1.15 Permeabilità della pasta di cemento in funzione della porosità capillare

TIPI DI CEMENTO PORTLAND E DERIVATI Tabella 1.9 Limiti di composizione dei cementi Portland ASTM

Cemento Portland bianco Ossido ferrico < 0,5% Aggiunta di fondenti (CaF2 o NaAlF4) Cemento portland ferrico o cemento Ferrari Cemento resistente ai solfati, con tebnori più elevati di ossido ferrico e quindi con poco C3A e molyop C4AF. Il rapporto tra Al2O3 e Fe2O3 deve esere prossimo a 0,64. Cemento Portland al calcare Al clinker viene aggiunta polvere di calcarae (CaCO3). Formazione di carboalluminati migliore chiusura degli impasti cementizi (effetto tipico dei filler)

Cemento pozzolanico Si può definire pozzolana ogni sostanza silicea o silico-aluminosa che, in forma finemente suddivisa e in presenza d acqua, sia capace di reagire a temperatura ambiente con Ca(OH)2 per formare dei composti cementanti. alato contenuto di Silice Silice reattiva (non cristallina) Alta superficie per reagire con acqua e Ca(OH)2. Pozzolane naturali Materiali vulcanici incoerenti, la cui parte attiva è una fase vetrosa, costituita in prevalenza (dal 50 al 100%) da silice e da allumina, contenent un gran numero di canalicoli e bolle microscopiche. Da reazioni vulcaniche esplosive no etna- Zone vulcaniche Lazio e Campania. Anche i tufi pozzolanici ci sono in Italia, Grecia, Germania, usa urss Terra di diatomee (scheletri di alghe microscopiche) (california, Canada, Algeria, Danimarca e Germania)

Pozzolane artificiali Cenere volante (fly ash) centrali a carbone (separatori elettrostatici) 60-90% di silice e allumina Tabella 1.10 Analisi chimiche dei materiali pozzolanici naturali e artificiali

Cemento pozzolanico : Clinker + materiale pozzolanico + gesso biidrato Il Ca(OH)2 ( circa 20% del Portland) reagisce con pozzolana e forma nuovo CSH. Le ceneri danno anche C4AH13 Fig.1.16 Effetto della sostituzione del cemento con pozzolana sullo sviluppo di resistenza del calcestruzzo Calore di idratazione inferiore a Portland ed evoluzione più lenta. Resistenza all attacco acido, resistenza ad acqua di mare (formazione ettringite grossolana, meno espansiva)

CEMENTO D ALTOFORNO Loppa da altoforno getti d acqua fredda materiale granulare simile alla sabbia Clinker + loppa + gesso Il campo di variabilità delle concentrazioni degli ossidi principali, che costituiscono le loppe basiche utilizzate per la produzione del cemento, è riportato nella tabella seguente. La loppa acquista proprietà leganti quando è mescolata con soluzioni di idrossido o solfato di calcio (attivatori). Fungono dunque da attivatori il CH del Portland. Forma CSH e CH. Notevole sviluppo delle resistenza nel tempo ( più di portland e pozzolanico) Bassi calori di idratazione (costruzioni massicce). Resistenza chimica migliorata rispetto al Portland

CEMENTI NON PORTLAND Cemento alluminoso Privo di C3S e C2S. Bauxite rossa e calcare, 1500-1600 C. Costutuente principale CA ( > 60% in peso) Indurimento rapido, conversione soprà 30 c da alluminati idrati esagonali a cubici con diminuzione di volume e sviluppo di porosità Vantaggi: refrattario,, resistente ad acque solfatiche e aggressive Fig. 1.17 Tempo di presa di miscela di cemento Portland e alluminoso Riparazioni rapide

NORMA UNI EN 197 sui cementi comuni NORME sui cementi Tabella 1.11 Prospetto 1 Tipi di cemento e composizione. Percentuali in massa 1)

Tabella 1.12 Prospetto II requisiti chimici

Tabella 1.13 Prospetto III requisiti meccanici e fisici

Fig. 1.18 Ago di Vicat per la misura dei tempi di presa Tempo di inizio presa Tempo di fine presa

Fig. 1.19 Permeametro di Blaine (per la misura delle superfici) Superficie specifica del cemento m 2 /Kg S = c (t) 1/2

Fig. 1.20 Pinza di Le Chatelier stabilità

Fig.1.21 Prove di flessione 40x40x160 mm Carico che produce rottura Resistenza a flessione Rc = Pr/1600 N/mm 2

Fig.1.22 Prova di compressione Carico che produce rottura Resistenza a compressione Rc = Pr/1600 N/mm 2

Dal carico che produce la rottura, Pr, si ricava la resistenza a compressione Rc con l equazione seguente, in cui 16 è la superficie delle piastre, in cm2. 16 è la superficie delle piastre, in cm 2. Prove chimiche Perdita al fuoco (950 C) Residuo insolubile (HCl poi Na2CO3) Contenuto di SO3 Contenuto di MgO Cloruri Pozzolanicità

Fig. 1.23 Grafico del saggio di Pozzolanicità 40 gradi. 8 giorni (saggio Fratini) 1. Determinazione alcalinità 2. Da grafico solubilità CaO 3. Dosare Ca(OH) 2 in soluzione Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2 OH -

FORMALISMO reazioni Trasporre le seguenti reazioni in notazione abbreviata: Trasporre la notazione abbreviata in notazione estesa

Velocità di idratazione Calcolare il rapporto tra la velocità di idratazione a 60 C rispetto a quella a 20 C di un cemento (R = 8,314 J/mole). Ponendo uguale a 1 la velocità di idratazione del cemento a 20 C, la velocità relativa V i a temperatura T da - 10 a 95 C può essere calcolata con l equazione seguente in cui R è la costante dei gas (R = 8,314 J/mole) ed E (T) è un valore empirico dell energia di attivazione, pari a 33.500 per valori di T > 20 C e pari a 34.970 (20 T) per valori di T < 20 C. Con questa equazione si ricava, ad esempio, che la velocità di idratazione a 60 C è circa 5 volte quella a 20, mentre a 10 C tale velocità risulta pari a circa il 2% di quella a 20 V20 = 1 V60 = 5,2 Rapporto 5,2

Capitolo 2 Altri ingredienti del calcestruzzo

Fig. 2.1 Effetto della sostituzione del cemento con fumo di silice sulla resistenza a compressione del calcestruzzo

Tabella 2.1 Caratteristiche e limiti di accettazione per le ceneri volanti impiegate come aggiunta nel calcestruzzo secondo EN 450 Omogeneità e pozzolanicità

Fig. 2.2 Cenere volante al microscopio elettronico

Fig. 2.3 Influenza di aggiunte diverse e di diversa finezza di cenere volante sulla richiesta d acqua in calcestruzzo. Si può ridurre dosaggio acqua

Tabella 2.2 Resistenza a compressione (Rc) a 2 giorni di calcestruzzi a slump = 80 mm, cemento Cem I 32,5

Una possibilità migliore di tenere conto dell aggiunta di cenere al calcestruzzo è quella di applicare il coefficiente di equivalenza nel calcolo del rapporto a/c, per verificarne la rispondenza al requisito del massimo valore richiesto ai fini della durabilità. A tale fine il rapporto a/c si può valutare in base all espressione seguente in cui f è il dosaggio di cenere volante nel calcestruzzo

I limiti di composizione, oltre le quali le resistenze meccaniche possono essere influenzate (considerando solo calcestruzzo non armato)

Tabella 2.3 Limiti di composizione per acque di origine industriale