Cementi di miscele, calcestruzzo e porosità

Porosità, resistenza meccanica e permeabilità

Acqua nei pori

I pori possono contenere dell’acqua che in realtà è una soluzione alcalina con pH=13 poiché contenente NaOH e KOH.

Si può classificare l’acqua contenuta nei pori e le sue funzioni in esso determinando le dimensioni del poro stesso.

L’evaporazione dell’acqua determina un problema per la struttura perché porta al collasso del poro che è proprio sostenuto dall’acqua chimicamente legata. Se l’acqua evapora e il poro collassa, allora l’acqua non può più entrare nel poro.

L’evaporazione determina il ritiro del materiale calcestruzzo, causa problemi di fessurazione e quindi genera macromolecole porose. Se il ritiro è contrastato da dei vincoli si ha che la trave si cricca, frattura disomogeneamente perché nascono sforzi interni.

La porosità si ripercuote sulla resistenza meccanica e sui processi di penetrazione degli agenti aggressivi nella pasta di cemento e quindi sui conseguenti fenomeni di degrado.

Mentre però la resistenza meccanica dipende da tutta la porosità, la permeabilità dipende solo dai macropori. Se dunque si riuscisse a ottenere un calcestruzzo con solo micropori, non avrei degrado. Altrimenti posso fare in modo tale che i macropori non siano comunicanti tra loro ma siano collegati da micropori e quindi impediscano il passaggio di agenti aggressivi, cioè diminuisco la permeabilità.

Per ridurre la permeabilità si possono modificare due fattori che determinano la porosità: la stagionatura e il rapporto acqua cemento, che ha maggiore influenza.

Problemi per la durabilità del calcestruzzo

La permeabilità degli agenti aggressivi porta al degrado.

• Macropori: rallentano i processi di degrado.
• Micropori.
• Segmentazione dei pori: macropori non comunicanti.

Cementi di miscela

Si ottengono per macinazione del clinker di cemento Portland a cui si aggiungono degli aggregati che spesso sono sottoprodotti di altri processi produttivi che andrebbero eliminati e quindi riduco il consumo energetico che sarebbe maggiore per produrre cemento Portland puro.

Possibili aggiunte sono:

• Materiali pozzolanici:
• Pozzolana naturale: origine piroclastica: è un materiale naturale, di origine vulcanica derivante dalla sedimentazione di depositi piroclastici incoerenti, pozzolane flegree, o compatti, tufi napoletani, o di origine biologica, scheletro siliceo di diatomee. Ha struttura silicea amorfa e porosa, enorme sviluppo superficiale e quindi elevata reattività. Acquista proprietà leganti solo quando reagisce con la calce, reazione pozzolanica, dando luogo a prodotti insolubili simili ai prodotti dell’idratazione del cemento.

Pozzolana + Ca(OH)2 + H2O → C-S-H

• Ceneri volanti: combustione del carbone: sono un sottoprodotto delle centrali termoelettriche a carbone e consistono in polveri molto fini, 1-100 μm; area superficiale specifica 300-600 m²/kg, che vengono separate dai fumi attraverso dei filtri e successivamente raffreddate bruscamente in modo tale da presentare una struttura vetrosa e quindi molto reattiva.
• Microsilice/fumo di silice: è un prodotto pozzolanico che permette di creare calcestruzzi a bassissima porosità. Sono un sottoprodotto dell’industria di produzione al forno elettrico del silicio o delle leghe ferro-silicio che si ottiene dalla riduzione di SiO2 a SiO in fase gas e poi ossidata a dare SiO2 sotto forma di polvere finissima [0,1-10 μm] con struttura vetrosa ed elevata attività pozzolanica in quanto elevatissima superficie specifica 13000-30000 m²/kg.
• Loppa granulata: scoria liquida del processo produttivo della ghisa.

• Lunghi tempi di maturazione, tranne per miscela con fumo di silice. Se non si rispetta tale tempo, si ha che i pori sono grandi.
• Minore produzione di alcali che vengono consumati durante la reazione del cemento Portland con aggiunte. Determina il fatto che nei cementi di miscela il pH è più basso perché in parte viene consumato durante la reazione: è circa pH = 12,6-13.
• L’uso di cementi di miscela porta a un’affinazione dei pori grazie ai prodotti di idratazione delle aggiunte che formano precipitati molto fini e quindi determinano diminuzione del volume dei pori capillari. Da cui deriva: resistenza a penetrazione di agenti aggressivi.