Cemento portland

Secondo la Normativa si definisce Cemento “Materiale inorganico 4. Macinazione finale (1.5 ton di Materie Prime = 1 ton di cemento) consente

finemente macinato che, mescolato con acqua, forma una pasta che di raggiungere la dimensione finale delle particelle del cemento dettata

rapprende e indurisce a seguito di reazioni e processi di idratazione e che dalla normativa: 1 kg di cemento è costituito da 10 particelle

una volta indurita mantiene la sua resistenza e stabilità anche sott'acqua”. 12

0,1-2 μm 7-9% in peso 2-90 μm ~90% in peso > 90 μm 0-4% in peso

Cemento Portland è un cemento che si ottiene dalla macinazione del

prodotto di cottura di una miscela di argilla e calcare e da aggiunte di Composizione finale del Cemento Portland

gesso, che permette di regolare la reattività della polvere e di rallentare il Principalmente dopo aggiunta del gesso la composizione del Cemento

tempo di presa. Portland in percentuale in peso di ossidi è:

60-67% CaO 17-25% SiO 3-8% Al O

2 2 3

Ciclo di Produzione

1. Miscelazione e macinazione delle materie prime (materie prime sopra Sono importanti i diagrammi di stato, in quanto ci permettono di visualizzare i il

rapporto temperatura-composizione. Sapendo due prodotti reagent allora

citate posso anche aggiungere, per regolare il contenuto di ossidi nelle conosco quali prodotti di cottura posso avere e loro composizione al variare

materie prime, materiali silicei, bauxite e ossidi di ferro). Avviene della temperatura

macinazione delle materie prime e successiva omogeneizzazione. È

importante che con macinazione il 90% della polvere abbia dimensioni

inferiori a 90 μm.

2. Cottura fino a 1450°C in modo da ottenere una parziale fusione, con il 20-

25% di fase liquida. Questa operazione avviene mettendo il macinato in

un altoforno che permette la trasformazione delle materie prime a varie

temperature.

100°C Perdita acqua non legata

500°C Decomposizione argilla e Allontanamento acqua legata

600-950°C Decomposizione dei carbonati

600-1000°C Reazioni tra prodotti di decomposizione del carbonato di calcio e dell'argilla

1000-1200°C Formazione di C A e C S

3 2

1200-1250°C Continua la formazione di C S,la cui concentrazione raggiunge il massimo

2 .

1250-1450 °C Inizia la formazione di fase liquida e di C S

3

Raffreddamento del prodotto di cottura (clinker) in cui vi è il 20-25% di fase Finezza

liquida. Con il raffreddamento, la fase liquida si trasforma in C A e in C AF

3 4 La finezza delle polveri del cemento ha una grande importanza sulla sua

Si ottiene, a termine cottura e raffreddamento, il clinker che è una massa reattività, infatti, all’aumentare della dimensione delle particelle, esse hanno

di sferette di diametro 3-25 mm, composto per il 80% di silicati e il 20% di una maggiore difficoltà ad idratarsi (particelle con dimensione maggiore di

alluminati. 75 μm non si idrata mai completamente). Questo si ripercuote quindi sul:

Composizione clinker reale (che sono - grado di idratazione finale e sulla velocità di indurimento

comunque dispersi in fase liquida-gel per - reattività del cemento (indurimento e grado di idratazione)

non totale raffreddamento del liquido)

-C S alite cristalli scuri lavorabilità

- (cemento presa rapida, in cui perdo subito lavorabilità)

3

-C S belite cristalli chiari - quantità di gesso richiesta

2

-C A celite particelle scure - velocità di sviluppo del calore (cemento a indurimento rapido, in cui le

3

-C AF fase ferrica matrice particelle molto fini e facilitano sviluppo delle reazioni e quindi maggiori proprietà

4 meccaniche)

- piccole quantità di ossidi di Mg, Ti, Mn, K e Na, dove potassio regola - costo del cemento: per rendere fini le polveri ho maggior costo di

alcalinità della pasta cementizia e il pH dell’estratto acquoso del cemento macinazione

Per definire la finezza delle particelle di cemento si ricorre a due grandezze: l’impasto perde plasticità e diventa sempre meno lavorabile(inizio presa),

finché solidifica complemento (fine presa).

1. distribuzione di granulometria: mi permette di mettere in relazione la Una volta che il processo di presa termina, i processo di idratazione continua

dimensione delle particelle con la percentuale di massa di passante. con velocità decrescente (indurimento) in cui si sviluppa la resistenza

Quindi quantità in percentuale in massa di passante che è presente a meccanica del cemento.

determinate dimensioni. Al varare delle dimensioni avrò tipi di aggregati La maturazione/ stagionatura (l’insieme delle procedure di controllo dell’umidità e

diversi. della temperatura per promuovere l’idratazione del cemento durante l’indurimento e

Curva cemento portland a indurimento rapido è scostata verso alto , deve avvenire in

quindi promuovere resistenza meccanica e durabilità prodotto)

perché maggiore presenza di particelle fini. ambiente umido.

Meccanismo idratazione Il meccanismo idratazione si può

dividere per semplicità in due

processi che avvengono contem-

poraneamente:

- idratazione dei silicati

- idratazione degli alluminati

L’idratazione dei silicati influisce sulla

resistenza meccanica e processo

indurimento, mentre l’idratazione degli

alluminati sul processo di presa, non su

resistenza meccanica.

2. area superficiale di sviluppo: è l’area totale superficiale esterna di tutte le

particelle della polvere (se e riferita all’unità di massa, si parla di area Idratazione degli alluminati

superficiale specifica) C A e C AF idratati producono idrati cristallini(solfo-ferro alluminati idrati)

Area superficiale aumenta al diminuire delle dimensioni delle particelle. 3 4

L’idratazione del C AF è mediamente veloce e esotermica.

Posso calcolare area superficiale considerando un cubetto di lato L; 4

θ L’idratazione del C A è fortemente esotermica e molto veloce, il che

quindi la sua area superficiale è 6L e la sua massa= volume x densità=

2 3 3

ρL comporterebbe un tempo di presa (con perdita plasticità) così piccolo da

Allora ho che area totale della superficie esterna delle partic riferita all' risultare insufficiente per essere messo in opera. Per rallentare il processo di

unità di massa θ=superficie/massa = 6L / = 6/ρL 3,15

2 3 con = g/cm

3

ρ

ρL cemento idratazione si aggiunge il gesso, quindi la quantità di gesso da aggiungere al

Le particelle + grosse danno un contributo alla superficie specifica clinker, per avere un tempo di presa ottimale, dipende dalla quantità di C A.

3

trascurabile rispetto a quelle più piccole. In un Portland con superficie Dipende però anche dai silicati, perché il gesso accelera l’idratazione dei

specifica 300 m2/kg, circa la metà è data dalle particelle di dimensioni silicati.

inferiore a 1,5 μm, pari a meno del 3% dell'intera massa. →

In assenza di GESSO C A + acqua idrati cristallini (C AH , C AH , C AH )

3 3 6 4 19 2 8

⋅2H → ⋅32H

In presenza di GESSO

Idratazione del Cemento ettringite

C A + 3CaSO O + acqua C A⋅3CaSO O

3 4 2 3 4 2

Essendo il cemento un legante idraulico, devo far avvenire la reazione in ⋅2H → ⋅18H monosolfato

C A + CaSO O + acqua C A⋅CaSO O

3 4 2 3 4 2

condizioni di saturazione di acqua, perché essa governa sia chimica e L'ettringite ricopre rapidamente i grani di cemento che stanno reagendo,

cinetica di reazione, che malleabilità della pasta. Si definisce allora: per cui ne rallenta l'idratazione. Da non confondere con gli aghi dei silicati che

Pasta cementizia = Cemento + Acqua aumentano le proprietà meccaniche!

Pasta inizialmente lavorabile e plastica a causa dell’acqua libera. Man Vedi pg 42-43 schema dei vari casi spiegazione

mano che si procede con il processo di idratazione, l’acqua libera si riduce e di cemento formato da aghetti/filamenti che permettono l’interconnessione

delle particelle di cemento inizialmente separate da spazi in cui vi era

acqua. Si ha dunque la diminuzione della grandezzaa dei pori e quindi

l’inizio dello sviluppo della resistenza meccanica. (Il CH è in particolar modo

responsabile della crescita degli aghi che danno resistenza meccanica).

Idratazione dei silicati

C S e C S + H O → C-S-H + Ca(OH)

GEL di cemento Portlandite

3 2 2 2

L’idratazione dei due silicati C S e C S dà luogo alla formazione di due silicati

3 2

di calcio idrati: C-S-H gel di cemento e Ca(OH) portlandite.

2

Il C-S-H costituisce l’80% di volume e 50% in massa del materiale indurito e è Porosità e permeabilità: Quando la pasta cementizia incomincia a fare presa si

responsabile della resistenza meccanica. Struttura porosa in quanto ha la perdita di permeabilità in quanto si forma ettringite. Con l’inizio

costituita da lamelle/filamenti di spessore nanometrico e lunghi centinaia di dell’indurimento e idratazione diminuisce anche la porosità in quanto si forma il

nanometri tra i quali rimangono degli spazi che costituisco i PORI del gel. gel di cemento. idratazione Si genera e

(porosità→0 se idratazione 90 giorni)

aumenta la resistenza meccanica con [Da normativa devo tenere almeno 7

Ca(OH) portlandite è formata da cristalli esagonali piatti di grandi

2 giorni molto bagnato, in modo tale da avere 50% di quella che ho in 28 giorni]

dimensioni poco connessi tra loro e per questo soggetti facilmente a frattura. È importante che all’interno dei pori rimanga una certa umidità in modo tale da

La portlandite non conferisce la resistenza meccanica, ma governa il pH non interrompere idratazione, altrimenti i pori non diminuiscono.

dell’estratto acquoso che è 12,6. Sviluppo della resistenza meccanica

La reazione di idratazione del C S genera più moli di C-S-H, rispetto

2 La resistenza meccanica della pasta è essenzialmente dovuta alle forza di Van

all’idratazione del C S; questo perché la velocità di reazione del C S è

3 3 der Waals che dipendono dall’estensione delle specie coinvolte e dalla loro

maggiore della velocità del C S. dato che C S genera più moli di gel di

2 2 natura.

cemento esso, in particolare, conferirà la resistenza meccanica al materiale. La resistenza meccanica si manifesta a solidificazione avvenuta e cresce fino a

Questo è possibile perché, durante il tempo di presa si era formata fine servizio anche se la sua velocità di crescita diminuisce nel tempo.

l’ettringite (attraverso l’idratazione degli alluminati) attorno alle particelle del Gli alluminati non influiscono sulla resistenza meccanica.

clinker, che permetteva di ritardare la persa/idratazione del cemento