Materiali Cementizi, Ceramici e Vetri

Domande di studio materiali cementizi

Quali sono le materie prime per la produzione del Portland?

Per la produzione del Portland si parte da miscele naturali, le marne, o artificiali, come calcare ed argilla, le quali durante la cottura daranno gli ossidi di CaO (60%), SiO (20%), Al₂O₃ (5%) ed Fe₂O₃ (3%) circa nei rapporti indicati (più impurezze). Vengono aggiunti anche dei materiali silicei, bauxite o ossidi di ferro per regolare il contenuto di ossidi nelle materie prime. Fra le materie prime c’è anche il gesso (CaSO₄·2H₂O, circa 5%), il quale viene aggiunto dopo la cottura per regolare la presa del cemento. Per ottenere una tonnellata di cemento si parte da 1,3-1,5 tonnellate di materie prime.

Cosa è il clinker?

Il clinker è il componente base per la produzione del cemento. Le materie prime per la produzione di clinker sono minerali contenenti: ossido di calcio (CaO), generalmente ricavato da calcare, ossido di silicio (SiO₂), ossido di alluminio (Al₂O₃), ossido di ferro (Fe₂O₃) e ossido di magnesio (MgO). L'estrazione del minerale avviene in cave poste nelle vicinanze dei luoghi di produzione; in genere la composizione del minerale è adatta di per sé a produrre il clinker, ma in taluni casi è invece necessario aggiungere altre sostanze quali argilla e calcare. Il clinker di cemento Portland è ciò che si ottiene dalla cottura e successivo raffreddamento delle materie prime che costituiscono il Portland (escluso il gesso). È una massa di sferette costituita per il 75 – 85 % da silicato tricalcico e bicalcico (C₃S - 3CaO·SiO₂ e C₂S - 2CaO·SiO₂), per il 20 – 25 % da alluminato tricalcico e ferroalluminato tetracalcico (C₃A - 3CaO·Al₂O₃ e C₄AF - 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃). In realtà questi composti non sono puri ma contengono piccole quantità di ossidi, è più corretto perciò indicarli con le fasi corrispondenti che sono alite, belite, celite e fase ferrica. Nella produzione del cemento, successivamente alla cottura e alla preparazione del clinker, si aggiungeranno in seguito altre sostanze di minor valore rispetto al clinker stesso (quali ad esempio i residui di fonderia e di acciaieria, la cosiddetta loppa di altoforno o il gesso) che porteranno il cemento ai valori di resistenza desiderati, conseguendo consistenti risparmi nei costi di produzione.

Perché si aggiunge gesso al clinker?

Il gesso aggiunto al clinker funge da regolatore di presa. La quantità di gesso che dev’essere aggiunta al clinker per ottenere la presa desiderata dipende dalla quantità di C₃A presente nel cemento e disponibile a reagire con l’acqua. Infatti l’idratazione del C₃A è così veloce che dev’essere rallentata attraverso aggiunte di gesso; infatti a contatto con l’acqua il gesso libera ioni solfati (SO₄^2-) e calcio (Ca²⁺) che reagiscono con gli ioni alluminati presenti a formare ettringite. L’ettringite ricopre i grani di cemento che stanno reagendo e ne rallenta la velocità di idratazione.

Descrivere le principali differenze tra l'idratazione dei silicati e degli alluminati

Sia il C₃A che il C₄AF reagiscono immediatamente con acqua e producono idrati cristallini, la reazione è fortemente esotermica. L’idratazione dei silicati C₃S e C₂S dà luogo al gel CSH il quale è responsabile della resistenza meccanica finale; ha una struttura non ben definita costituita da piccole particelle solide a forma di lamelle molto sottili. L’idratazione dei silicati produce anche cristalli esagonali di idrossido di calcio, la portlandite. Inoltre il contributo degli alluminati alla resistenza meccanica finale è trascurabile rispetto a quello dei silicati, il silicato tricalcico si idrata più rapidamente, sviluppa prima la resistenza meccanica anche se, in tempi molto lunghi le resistenze meccaniche sviluppate dai silicati sono piuttosto simili. Le reazioni di idratazione sono isotermiche, il calore di idratazione è massimo per il C₃A e minimo per il C₃S, quello relativo al C₂S è circa il doppio di quello del C₃S. Una maggiore velocità di sviluppo del calore tende ad aumentare più rapidamente la temperatura del nucleo del getto e quindi a produrre maggiori gradienti termici, tale velocità dipende dalla velocità dell’idratazione e quindi dalla composizione e dalla finezza del cemento. In cementi con maggiore contenuto di C₂S lo sviluppo del calore avviene più lentamente.

Quali sono i principali fattori che influenzano la porosità di una pasta di cemento? Come la influenzano?

La porosità della pasta cementizia è influenzata principalmente dal grado di idratazione e dal rapporto acqua/cemento. Il volume dei pori capillari ad idratazione completa è tanto maggiore quanto maggiore è la distanza iniziale fra le particelle di cemento e quindi la quantità d’acqua utilizzata per l’impasto. Quindi diminuisce al crescere del grado di idratazione e al diminuire del rapporto in massa fra acqua e cemento.

Cosa si intende per grado di idratazione?

Si intende la percentuale di cemento idratata dopo un dato tempo di stagionatura.

Quali sono gli effetti dell’aggiunta di un additivo aerante sulle proprietà del calcestruzzo?

Questo tipo di additivi viene aggiunto per conferire al calcestruzzo una resistenza migliore ai cicli di gelo e disgelo. Vengono aggiunti in piccoli tenori e consentono la formazione e l’inglobamento nella pasta cementizia di bolle d’aria di diametro che va dai 50 ai 250 µm; migliorano inoltre la lavorabilità del calcestruzzo fresco e riducono la resistenza a compressione di quello indurito.

Descrivere qualitativamente il contributo alla resistenza meccanica dei vari costituenti del cemento Portland

La resistenza meccanica della pasta di cemento indurita è dovuta principalmente alle forze di Van der Waals, le quali dipendono a loro volta dalle superfici coinvolte e dalla loro natura. In particolare il gel CSH e gli alluminati hanno un’area superficiale specifica molto elevata e perciò tendono ad aderire fortemente fra loro e dai grani di cemento non ancora idratati e agli aggregati. La resistenza meccanica si manifesta a solidificazione avvenuta e continua a crescere nel tempo sempre più lentamente. Il contributo degli alluminati è trascurabile rispetto a quello dei silicati. Il silicato tricalcico si idrata più rapidamente rispetto a quello bicalcico (che è nettamente maggiore dopo 28 gg di maturazione). Tuttavia in tempi molto lunghi entrambi i silicati sviluppano una resistenza meccanica simile. Lo sviluppo della resistenza meccanica avviene più velocemente più i grani sono fini e più la temperatura è elevata.

Additivi acceleranti / ritardanti

Per determinare la distribuzione granulometrica degli aggregati possono essere utilizzati 2 approcci: Fuller o Bolomay. Descrivere le differenze tra i due approcci.

L’assortimento granulometrico ottimale dovrebbe garantire il volume minimo di vuoti fra le particelle e la massima lavorabilità. Particelle sferiche di uguali dimensioni occupano il 74% circa dello spazio e nel restante 26% è pertanto possibile inserire particelle dal diametro più piccolo e così via. La distribuzione granulometrica che porta alla minima percentuale di vuoti è quella che viene rappresentata dalla curva di Fuller: dP=100 · √D Con P passante al setaccio con apertura d e D diametro massimo dell’aggregato. Ovviamente al crescere del diametro massimo diminuisce la percentuale di aggregato fine. Tuttavia un minimo valore di vuoti non significa impasto ottimale in quanto le condizioni di scorrimento migliorano con miscele più ricche di frazioni fini che lubrificano lo scorrimento delle frazioni più grosse; tuttavia l’aumento dei fini fa crescere la richiesta d’acqua (e di cemento se si vuole mantenere costante il rapporto a/c). Nella curva di Bolomay si tiene conto, attraverso il parametro A, anche della lavorabilità richiesta e del tipo di aggregato disponibile: √dP = A + (100 – A) · D.

Cosa è la lavorabilità del calcestruzzo? Come si misura?

La lavorabilità del calcestruzzo fresco è il lavoro utile interno necessario per ottenere costipazione completa del conglomerato. Dalla lavorabilità dipendono la mobilità del cls e la compattabilità, ovvero la facilità ad eliminare attraverso vibrazione l’aria intrappolata.