Materiali lapidei

Materiali lapidei, malte e cementi

Le malte

Miscele di leganti inorganici o organici, aggregati prevalentemente fini, acqua ed eventuali aggiunte di additivi organici e/o inorganici (o miscela di solo legante e acqua) in proporzioni tali da conferire all’impasto, allo stato fresco un’opportuna lavorabilità, e allo stato indurito adeguate caratteristiche fisiche (porosità, permeabilità all’acqua ecc.) meccaniche (resistenza, deformabilità, aderenza ecc.), di aspetto, di durabilità. La malta più antica, realizzata con calce e pietra, è datata al 7000 a.C. (Israele).

Malta - Componenti

• Legante: materiale che ha la capacità di collegare fra loro altri componenti (aerei, idraulici, organici, argillosi).
• Aggregato: frazione costituita da minerali singoli, frammenti di rocce ecc.
• Acqua: la quantità, la qualità e la temperatura condizionano il risultato finale della malta.
• Additivi: sostanze aggiunte alla miscela al fine di migliorarne le caratteristiche, la lavorabilità, le prestazioni.

La classificazione delle malte si basa su

• Ambiente di collocazione: malte per esterni, malte per interni.
• Destinazione d’uso: malte per murature umide, malte per elementi interrati, malte per elementi a contatto con acqua ecc.
• Funzione: malte per muratura (malte di allettamento, di riempimento), malte per intonaci, malte per rivestimento (pavimentazione, pareti ecc.), malte per impieghi particolari (resistenti a umidità, intemperie, pigmentate ecc.)
• Composizione:
  • Legante: calce aeree, gesso, calci aeree e materiali a comportamento pozzolanico (idraulicizzante), leganti idraulici, cementi.
  • Aggregato: malte con sabbia (di fiume, di cava o di litorale), malte con rocce frantumate naturali o artificiali (cocciopesto).

I leganti

I leganti sono materiali impiegati per unire stabilmente materiali da costruzione per opere murarie (pietre, laterizi ecc.) sia prodotti che, dopo opportuna trasformazione, diventano essi stessi materiali da costruzione.

Leganti di uso generale

• Leganti aerei: fanno presa e induriscono in aria, si forma la calce aerea.
• Leganti idraulici: fanno presa e mantengono la loro resistenza anche sott’acqua. Si utilizzano:
  • Silico-calcarei: (protolite: marna)
    • Non scorificati: calci idrauliche.
    • Clinkerizzati: cemento portland (senza aggiunta), cementi pozzolanici o cementi d’altoforno (con aggiunta).
    • Alluminosi: (impieghi non strutturali).

Legante d’uso speciale

• Gesso
• Cemento Sorel: o magnesiaco, usato per gli abrasivi.

Rivedendo i leganti silico-calcarei possiamo avere due diversi percorsi:

• Non scorificati: non cotti, non posti in forno e si ottengono le calci idrauliche;
• Clinkerizzati: il clink segue due processi:
  • Uno senza aggiunta di altri elementi e si realizza il cemento portland;
  • E un altro con aggiunta di particolari altre sostanze e si realizzano cementi pozzolanici e cementi d’altoforno.

Un percorso per arrivare a un legante potrebbe essere questo ad esempio un legante calcareo (non c’è un processo di clinkerizzazione). Si frantuma la roccia calcarea, viene cotta a 1000°C, si ha la perdita della CO₂ e rimane l’ossido di calcio CaO (calce viva). In una seconda fase, con aggiunta di acqua, si forma la calce spenta Ca(OH)₂ (reazione che avviene con notevole rilascio termico). Quando la facciamo asciugare, si ha carbonatazione, perde acqua e si ristabilisce un materiale simile a quello della roccia di partenza CaCO₃.

Leganti aerei – Calci calciche

Ciclo produttivo tradizionale.

Questo è il processo della calcinaizone:

• Si cuoce il calcare CaCO₃ a temperature che vanno da 850°C-900°C. Si realizza l’ossido di calcio CaO con rilascio di anidrite carbonica. La reazione: CaCO₃ > CaO + CO₂. I calcari porosi e leggermente impuri (calcari marnosi o selciferi) permettono di ottenere cristalli di CaO porosi e molto reattivi. La roccia porosa permette di liberare meglio tutta la CO₂ facilitando anche dei tempi lunghi di cottura.
• Lo spegnimento della calce viva, in modo da ottenere un prodotto plastico e lavorabile, la reazione: CaO + H₂O > Ca(OH)₂ (idrossido di calcio). In genere la quantità di acqua necessaria per la reazione di spegnimento va dal 32 al 50%. Ciò dipende anche dalla purezza e dalla temperatura dell’acqua. Lo scopo è quello di realizzare un prodotto più puro possibile, ma ciò non sempre accade perché non tutto il CaCO₃ si trasforma in CaO. Rimane sempre il nodulo di CaCO₃ non ben cotto e questo è un difetto. Ciò succede anche per lo spegnimento: delle piccole parti possono non reagire con l’acqua e avranno delle ricadute negative sul prodotto finale.

La calce aerea

Calce è un termine generico che comprende i prodotti e le forme chimiche e fisiche sotto le quali possono presentarsi gli ossidi e/o idrossidi di calcio e/o magnesio. Viene definita calce aerea per il fatto che indurisce per assorbimento di anidrite carbonica dell’aria e rappresenta sicuramente il legante più tradizionale tra quelli tuttora impiegati. Originariamente era utilizzata, quasi esclusivamente, sotto forma di grassello di calce spento sul cantiere e stagionato dopo aver combinato con acqua in eccesso l’ossido di calcio prodotto per calcinazione di minerali molto ricchi in CaCO₃.

Processo di produzione della calce aerea

• Selezione del calcare: i calcari più idonei alla fabbricazione della calce aerea devono avere una struttura microcristallina, e contenere percentuali di impurità, in particolare di natura argillosa non superiore al 5%. Le impurezze portano a una dequalificazione del prodotto. Non è semplice trovare una roccia così pura. Per rendere un prodotto puro ci sono dei costi più elevati.
• Cottura: CaCO₃ > CaO + CO₂. Per questa reazione è necessario fornire calore (circa 397 Kcal per Kg). Si forma CaO con liberazione di CO₂ in misura del 44% in massa rispetto al CaCO₃ di partenza. I parametri che influenzano la decomposizione termica del carbonato di calcio sono:
  • Elevata porosità: del calcare comporta facile fuoriuscita di CO₂ con conseguente regime di bassa pressione parziale di CO₂. I cristalli di calcite che si formano mantengono la forma esterna dei cristalli di calcite con volume molare minore (16,8 cm³/mole rispetto a 36,9 cm³/mole) e una superficie specifica anche maggiore di 100 cm²/g. Queste sono più reattive a contatto con acqua. Nel caso di calcari poco porosi, la fuoriuscita della CO₂ è difficoltosa e ciò comporta un assorbimento del gas nei cristalli di CaO con conseguente aumento della velocità di crescita a cui consegue una superficie specifica finale molto bassa (pochi cm²/g).
  • Elevate dimensioni dei frammenti di roccia: comportano difficoltà nella calcinazione del calcare: la CO₂ si libera con più difficoltà con conseguente aumento della sua pressione parziale.
  • Temperatura: condiziona la qualità del prodotto. Una cottura dolce favorisce lo sviluppo dei cristalli di CaO di piccole dimensioni con elevata superficie specifica. La durata della cottura ha scarsa incidenza sulle dimensioni dei cristalli di CaO.
  • Presenza di impurità: catalizza la decomposizione della calcite che può cominciare a 600°C con formazione di una fase fusa all’interfaccia di reazione che facilita l’eliminazione della CO₂. Contenuti elevati di impurità possono, solidificando, “sigillare” il CaO impedendogli di reagire.
• Spegnimento: la calce viva, messa a contatto con acqua, in rapporto stechiometrico (56 parti di CaO per 18 di H₂O), reagisce con un forte sviluppo di calore e si trasforma in una polvere bianca chiamata calce spenta (o in una pasta detta grassello), chimicamente idrossido di calcio: CaO + H₂O > Ca(OH)₂. Questa è una reazione esotermica (calore di idratazione 278 Kcal per Kg di CaO). La quantità di acqua necessaria per questa reazione è del 32% per l’ossido di calcio puro; in realtà per avere uno spegnimento completo ne occorre fino anche al 50%. L’idrato di calcio ottenuto dalla spegnimento della calce viva, con acqua in eccedenza sino ad ottenere una pasta plastica e fine è il grassello di calcio. Nella produzione dei grasselli è molto importante il tipo di calce usato, quanto il tempo di invecchiamento. Il tempo di invecchiamento dei grasselli di calce ne migliora la qualità e consente:
  • La decantazione delle impurità
  • Lo spegnimento omogeneo
  • L’assenza di calcinaroli (granuli di calce non spenta)
  I tempi minimi vanno dai 3 mesi per malte d’allettamento e rinzaffi, 1 anno per tonachini monostrato colorati o per rasatura, 3 anni per pitture e affreschi. In funzione del pH dell’acqua abbiamo una diversa solubilità del CaO, maggiore è il pH maggiore sono i g/litri di CaO.
• Carbonatazione: l’indurimento in opera, in forma di malte, stucchi, pitture ecc. avviene tramite la carbonatazione. Tale processo, che può avvenire solo in presenza di anidrite carbonica (e acqua libera), trasforma la calce spenta in calcite (per nucleazione in fase liquida all’interfaccia Ca(OH)₂ – H₂O). La reazione è la seguente: Ca(OH)₂ + CO₂ > CaCO₃ + H₂O. Poiché in realtà la reazione avviene in fase acquosa l’espressione più rigorosa è: Ca²⁺ + 2OH^- + 2H⁺ + CO₃^2- > CaCO₃ + H₂O. Tale reazione provoca un forte sviluppo di calore con un aumento di volume della parte solida pari all’11,7%.

Leganti aerei – Calci magnesiache

• Cottura: di calcari magnesiaci, dolomitici o dolomie. La reazione è la seguente: CaMg(CO₃)₂ > CaCO₃ + MgO + 2CO₂ (300°- 750°C). A temperature tra i 300° e i 750°C si ha la formazione dell’ossido di magnesio. L’ossido di calcio si forma a temperature più alte (850°C), la reazione è la seguente: CaCO₃ > CaO + CO₂. La presenza di vapore d’acqua durante la cottura ha un effetto catalitico sulla perdita della CO₂.
• Spegnimento: a causa della minore solubilità del Mg rispetto al Ca la reazione di spegnimento avviene a una velocità inferiore: xCaO + MgO + 2xH₂O > xCa(OH)₂ + (x–y) Mg(OH)₂ + yMgO + yH₂O. L’aumento di volume solido nel passaggio ossido/idrossido di Mg è pari al 117%, per questo motivo in alcuni casi lo spegnimento viene realizzato a temperature più elevate sotto pressione di vapore d’acqua. Viene utilizzata acqua calda e si cerca di impedire la messa in circolo di vapore d’acqua cercando di mantenerlo sotto pressione per favorire questo processo.
• Presa e indurimento: il grado di carbonatazione di un grassello magnesiaco non supera il 60% rispetto al 95% di un grassello calcico. L’idrossido di Mg, a differenza dell’idrossido di Ca, per il suo habitus cristallino prevalentemente fibroso e in virtù della sua microstruttura, già dopo la presa forma idrossidi-carbonati di magnesio, in grado di sviluppare proprietà leganti e resistenza meccanica. Nota: il processo di carbonatazione si sviluppa diversamente a seconda della stagione. La percentuale di carbonatazione è maggiore a 25°C rispetto a quella che avrebbe nello stesso tempo se fossimo in inverno, ad esempio a 12°C. Quindi nel processo di carbonatazione è importante, a parità di tempo, la temperatura dell’ambiente in cui questo fenomeno avviene.
• Tipi di calce:
  • Calce idrata in polvere.
  • Calce idrata in pasta (grassello).
  • Calci magra (resa in grassello < 2,5 m³/tonnellate), si ottengono per cottura di calcari impuri come calcari silicei, marnosi, magnesiaci ecc.
  • Calci grasse (resa in grassello >2,5 m³/tonnellate), si ottengono per cottura di calcari puri a grana fine.
• Sinonimi:
  • Calce forte, legante con deboli proprietà idrauliche ottenuto dalla cottura di calcari con contributo di argilla non superiore al 5-10%.
  • Calce dolce, legante ricavato da calcari puri.

Leganti aerei – Gesso

Il gesso è largamente impiegato nell’edilizia storica per le sue proprietà di far presa e di indurire velocemente (nel giro di mezza giornata). Ma il gesso è igroscopico e assorbendo acqua, con il tempo, tende a polverizzarsi.

Processo di produzione del gesso

• Cottura: della selenite a temperature relativamente basse: CaSO₄ · 2H₂O + circa 130°C > CaSO₄ · 1/2H₂O + 1,5H₂O. Questa reazione è reversibile in quanto l’emiidrato se impastato riprende acqua e ritorna nella forma biidrata. In funzione dell’ambiente in cui avviene il processo (ambiente spesso artificialmente prodotto) si distinguono:
  • Emidrato alfa: che si ottiene per disidratazione a temperature comprese tra 97-160°C in condizioni di alta umidità.
  • Emidrato beta: che si ottiene per disidratazione a temperatura comprese tra 97-160°C in condizioni di bassa umidità.
• Cuocendo la selenite a temperature maggiori si ha:
  • Da 160 a 200°C il minerale perde tutta l’acqua e si ottiene l’anidrite insolubile o gesso anidro (CaSO₄), l’anidrite si distingue in:
    • Anidrite alfa: (160-200°C) notevole lentezza di presa, rispetto a un legante calcico, e alta resistenza meccanica.
    • Anidrite beta: si forma dall’anidrite alfa sottoponendola a 300°C, è poco idratabile e fa presa solo se catalizzata con aggiunta di sali.
    • Anidrite gamma: che presenta due varietà a seconda che si ottenga dell’emiidrato alfa o dall’emiidrato beta, entrambe sono capaci di indurire con acqua e quindi dotate di proprietà leganti.
  • Tra i 300-600°C si ottiene l’anidrite insolubile (non idratabile).
  • Per temperature maggiori di 900-1000°C si ha la forma anidra e non idratabile più una certa quantità di calce libera CaO.
• Tipi di gesso:
  • Gesso crudo: il solfato di calcio ricavato dalla macinazione dell’anidrite.
  • Gesso a presa rapida: (gesso Parigi o Scagliola), si ottiene da cottura della selenite a 100-300°C con formazione di emidrato alfa o emidrato beta.
  • Gesso da forma o scagliola: si ottiene a temperatura < 170°C e macinazione spinta, usato per stampi (importante la purezza e la granulometria nel gesso per modellatori).
  • Gesso da modellatori o stuccatori: temperature non superiori a 180°C (anidrite alfa) pietre da gesso pura, macinazione fine.
  • Gesso da muratore: (gesso cotto o ordinario) temperature comprese tra i 170-250°C (anidrite alfa).
  • Gesso cotto a morte: temperature da 300 a 900°C, si ottiene anidrite insolubile beta, viene miscelato a leganti organici.
  • Gesso per pavimenti o gesso idraulico: ottenuto a temperature di 900-1000°C a presa lentissima (ma meno lenta delle malte).
• Presa e indurimento: impastando il gesso cotto e macinato con una determinata quantità di acqua (60-75% del peso del gesso) l’emiidrato e l’anidrite si sciolgono e si idratano formando una massa plastica che si rapprende e indurisce rapidamente.

Leganti idraulici – La calce idraulica

Le calci idrauliche sono materiali da costruzione tradizionali e costituiscono una tappa fondamentale della storia dei leganti impiegati prima dell’avvento del cemento Portland. Devono il loro nome alla capacità di fare presa e indurire anche se non esposte all’aria e questo grazie alla presenza, nella loro formula di silicati reattivi in combinazione con idrossido di calcio. I primi esempi d’impiego di malte idrauliche, ottenute per impasto di calce aerea e sabbia vulcanica viene fatto risalire ai Fenici. In seguito tale tecnica fu ripresa dai Romani che usavano sia la sabbia di Pozzuoli (in latino “pulvis pateolana”, da cui Pozzolana) sia il cocciopesto come riferisce Vitruvio nel “De Architectura” 13 a.C.

Il discorso di calce idraulica è diverso da quello di una malta idraulica. La malta idraulica può anche essere il prodotto dello smescolamento di un legante calcico con un prodotto idraulicizzante come ad esempio la Pozzolana. Noi per ora stiamo parlando di un legante che è già di per sé idraulico e se a maggior ragione lo mescoliamo con un aggregato idraulicizzante diventa ancora più forte.

Il calcare impuro (particolarmente ricco di argille) non solo dà origine alle cosiddette “calci forti”, ma anche a dei leganti particolari, quali i leganti idraulici. Le caratteristiche di idraulicità della calce idraulica sono funzione della quantità di minerali argillosi (6-20%) presenti nella roccia calcareo-marnosa di partenza o dalla quantità e qualità dei materiali idraulicizzanti nelle miscele artificiali impiegate per la sua preparazione.

L’indice di idraulicità rappresenta la capacità di una malta o di un legante idraulico di fare presa e indurire in un tempo maggiore o minore che sia, e di mantenere le sue proprietà anche in ambiente umido o sommerso: I = SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ / CaO + MgO. L’indice di idraulicità varia tra 0 e 1,2.

Con calci idrauliche si intendono prodotti derivati dalla calcinazione di calcari marnosi o marne calcaree (miscele naturali che presentano un certo tenore, dal 6 al 22% di argille o altri allumino-silicati idrati) sottoposti a cottura a temperature generalmente comprese tra 1100-1250°C. In tali condizioni si forma ossido di calcio (CaO) che successivamente si combina in parte con la silice e l’allumina dell’argilla, formando silicati e alluminati di calcio idraulici, composti che reagendo chimicamente con l’acqua, formano idrati stabili ed insolubili che permettono al materiale di indurire e rimanere stabile anche sott’acqua (azione idraulica). Attualmente in base alla norma UNI, ciò che commercialmente viene indicato come calce idraulica (sigla HL) non viene...