Esame Tecnologia dei materiali e chimica applicata, Appunti Materiali Ceramici- Franco Medici

Materiali Ceramici

• 1 IDRATAZIONE C₃A
• 1 IDRATAZIONE SILICATI C₂S e C₃S
• 2 Scala di MOHS e Durezza Superficiale
• 2 Azione CO₂ Aggressiva su Cementi
• 3 Modulo Calcareo Cemento
• Cemento Pozzolanico
• 4 Prove Meccaniche su Cementi
• 4 Relazione tra le Resistenze CCLS e di Cemento e Aggregato Costituente la Miscel
• 5 Curve Granulometriche Teoriche (Equazioni)
• 5 Dosaggio di Cemento in Funzione del D Max Aggregati
• Additivi Idrofuganti
• Slump in Funzione Quantità Acqua
• Fenomeno della Segregazione degli Aggregati
• Eq. Teoriche della Resistenza a Compr. di un CCLS (Rover, Abrams, Ferret)
• 8 Resistenza Caratteristica CCLS
• 8 Modulo Elastico CCLS
• 8 Classe di Lavorabilità e Scump C20/25 X0 S3 Dmax = 30mm
• 9 Sigla CE II/A-X 32,5 R

MATERIALI CERAMICI

• Idratazione C₃A
• Idratazione silicati C₂S e C₃S
• Scala di Mohs e durezza superficiale
• Azione CO₂ aggressiva su cementi
• Modulo calcareo cemento
• Cemento pozzolanico
• Prove meccaniche su cementi
• Relazione tra la resistenza cls e di cemento e l’aggregato costituente la miscela
• Curve granulometriche teoriche (Féret)
• Dosaggio di cemento in funzione del D_max aggregati
• Additivi identificati
• Slump in funzione quantità acqua
• Fenomeno della segregazione degli aggregati
• Eq. teoriche della resistenza a compr. di un cls (Féret, Abrams, Bolomey)
• Resistenza caratteristica cls
• Modulo elastico cls
• Classe di lavorabilità e slump C20/25 X₀ S₃ D_max = 30 mm
• Sigla CEH II/A-x 32,5 R

Materiali Ceramici

Raccolta Domande

1) Idratazione del C₃A (Alluminato tricalcico)

Gli alluminati sono responsabili del processo di presa. Il C₃A è il composto a più veloce idratazione. Per questo, il processo di idratazione deve essere rallentato aggiungendo gesso (Ca(SO₄)₂H₂O).

Reazioni del C₃A:

• C₃A + H₂O → C₃AH₆

(Alluminato tricalcico + Acqua → Alluminato idratato)

• C₃A + H₂O + Ca(OH)₂ + Ca SO₄ → C₃A.3CaSO₄ H₂O

(All. tric + Acqua + portlandite + gesso → ettringite)

L’ettringite ricopre rapidamente i granuli di cemento come una pellicola impermeabile e rallenta l’idratazione.

Solo il 25% del C₃A si trasforma in ettringite, il resto forma alluminati idrati (C₄AH₁₃).

2) IDRATAZIONE DEI SILICATI (C₂S e C₃S)

L'idratazione dei silicati è determinante nel processo di indurimento. L'idratazione dei silicati dà luogo alla formazione di silicati di calcio idrato, chiamati gel o cemento (C-S-H).

Durante l'idratazione si sviluppano 4 fasi:

• I - INIZIAZIONE (bagnamento superficiale e formazione pellicola)
• II - FASE DORMIENTE (lenta penetrazione dell'acqua oltre la pellicola)
• III - FASE DI ACCELERAZIONE (sfondamento pellicola e creazione C-S-H)
• IV - FASE DI RALLENTAMENTO (l'aumento della quantità di gel riduce la penetrazione dell'acqua)

L'idratazione dei silicati produce anche ➔ portlandite, il 40% dei prodotti di idratazione.

I due silicati producono gli stessi prodotti di idratazione ma con proporzioni diverse.

C₂S:

2C₂S + 4H₂O ➔ C₃S₂H₆ + Ca(OH)₂

100g + 21g ➔ 99g + 22g

C₃S:

2C₃S + 6H₂O ➔ C₃S₂H₆ + 3Ca(OH)₂

100g + 24g ➔ 85g + 37g

A pari messa iniziale, il C₃S richiede una quantità di acqua maggiore di idratazione, mentre il C₂S produce una quantita di C-S-H superiore.

3.d) Illustrare ca scala

La scala di Mohs è un criterio relativo per la valutazione della durezza superficiale dei materiali. Si prendono 10 elementi di durezza crescente tali che ciascuno di essi è in grado di graffiare il precedente ed è graffiato dal successivo.

I primi 5 elementi sono teneri e vengono graffiati, i secondi 5 sono duri e graffiano.

• Materiali Teneri
• Materiale: Talco, Gesso, Calcite, Fluorite, Apatite
• Indice: 1, 2, 3, 4, 5
• Verifica: Si graffia con unghia, Si graffia con moneta, Si graffia con coltellino o vetro

• Materiali Duri
• Materiale: Feldspato, Quarzo, Topazio, Corindone, Diamante
• Indice: 6, 7, 8, 9, 10
• Verifica: Graffiano coltellino o vetro, Graffia tutto

2.1 Azione CO₂ aggressiva sui cementi

L’anidride carbonica (CO₂) presente nell’aria, a contatto con l’acqua si scioglie nel fluido e produce due possibili effetti:

1. Per bassi tenori di calcio, forma l’acido carbonico (H₂CO₃) rendendo l’acqua aggressiva
2. Per alti tenori di calcio forma il bicarbonato di calcio [Ca (HCO₃)₂] rendendo l’acqua incrostante.

Nelle acque aggressive, l’acido carbonico si dissocia e a contatto con l’idrossido di calcio presente nel cemento genera due reazioni successive:

Ca (OH)₂ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2 H₂O

CaCO₃ + H₂CO₃ → Ca (OH)₂

La prima reazione non è pericolosa, rende la pasta meno permeabile.

Nella seconda reazione si forma bicarbonato che è solubile e quindi la pasta di cemento si scioglie.

Le contromisure che si possono prendere sono due:

• cemento povero di Portland
• cls poco permeabile (elevato dosaggio di cemento rapporto a/c basso, granulometria adeguata)

Modulo Calcareo di un Cemento

Per eseguire controlli di accettazione e verificarne l'effettiva rispondenza alle prescrizioni, la composizione di cementi viene espressa in termini di grandezze, moduli, derivate dal tenore degli ossidi presenti.

Il modulo calcareo è il rapporto tra calce combinata con la silice (i due silicati C₂S e C₃S) e la silice stessa.

M_c = _CaO(SiO2)^SiO₂

Il modulo calcareo ha due valori limite, corrispondenti al rapporto in massa tra calce e silice presenti rispettivamente nel C₂S e nel C₃S

M_c(min) = _{% C(C2S)}^{% S(C₂S)}= _{2 x 56}⁶⁰= 1,87

M_c(max) = _{% C(C3S)}^{% S(C₃S)}= _{3 x 56}⁶⁰= 2,80

Se:

• M_c < 1,87 → si ha C₂S e silice libere
• M_c > 2,80 → si ha C₃S e calce libera
• M_c = 1,87 → solo C₂S
• M_c = 2,80 → solo C₃S

CEMENTO POZZOLANICO: COMPOSIZIONE, CARATTERISTICHE e PROPRIETÀ.

Con "pozzolana" si identificano sostanze silicee che reagiscono con l'idrossido di calcio per formare composti cementanti.

Si parla di silice reattiva quando si ha un elevato tenore di silice in forme vetrose e un elevato sviluppo superficiale (macinazione molto fine).

Esistono due tipi di pozzolane:

• naturale (es. materiali vulcanici, con prodotti di idratazione C-S-H)
• artificiale (es. cenere volante, con prodotti di idratazione C-A-H)

Rispetto a un cemento Portland presenta:

• idratazione più lenta
• sviluppo di resistenze più lento
• resistenze analoghe
• elevata resistenza ad attacchi aggressivi
• minore calore di idratazione

Per lunghe stagionature il cemento pozzolanico sviluppa resistenze più elevate rispetto al Portland.

La Norma UNI EN 197 classifica i cementi pozzolanici come CEM IV, avendo un tenore di clinker pari a 45-90% e pozzolana 10-50%.

5) Prove meccaniche sui cementi

Le prove meccaniche servono ad individuare la classe di resistenza dei cementi e classificarli.

La prova è standard secondo le norme UNI EN 196-1

• provino prismatico con dimensioni 40 x 40 x 160 mm
• rapporti cemento: acqua: sabbia = 1 : 0.5 : 3 (g)

Si eseguono due prove in successione:

1. Prova di flessione:

   Si pone il provino su due appoggi e si applica un carico in mezzeria fino a rottura.

   Restituisce Resistenza a flessione

   Rf = 0.232P [Kg/cm²]

2. Prova di compressione:

   Si esegue sulle due parti ottenute dalla prova precedente così il carico applicato tramite piastre metalliche 40 x 40 mm.

   Resistenza a compressione:

   Rc = P/16 [Kg/cm²]

6) SPIEGARE LA RELAZIONE TRA LE RESISTENZE DI UN CLS DI CEMENTO E AGGREGATO COSTITUTENTI LA MISCELA

Se si preparano diverse miscele di cls con il medesimo aggregato la resistenza complessiva migliora con il progressivo e parallelo aumento della resistenza del cemento impiegato.

Questo fenomeno è vero fin quando la resistenza dell'aggregato è superiore a quella della pasta.

Quando la resistenza della pasta supera quella dell'aggregato la resistenza a compressione del cls resta costante perché sarà l'aggregato a rompersi e non più la pasta.

Curve Granulometriche Teoriche (Equazioni)

Fin dagli inizi del '900 sono state proposte alcune curve granulometriche teoriche per ottenere i migliori risultati nel confezionamento di un cls.

Oggi si adottano curve continue rappresentate da equazioni del tipo:

• P = 100 _d/^Da

P = passante

d = diametro del vaglio

D = ^d_max

Le curve di riferimento più usate sono:

• Fuller: P = 100 _d/^D0,5
• Bolomey: P = A + (100 - A) _d/^D0,5
• Cubica: P = 100 _d/^D3

L'equazione di Fuller è quella maggiormente utilizzata nelle costruzioni ed ordinarie, mentre le altre sono utilizzate per condizioni più specifiche.

via Captain Bavastro n° 174 - Roma

8) Dosaggio di cemento in funzione del diametro massimo degli aggregati (graf. a)

Il grafico riporta il dosaggio di cemento in funzione del Dmax dell'aggregato; rappresenta una famiglia di curve ciascuna per una data resistenza per conglomerati a pari lavorabilità.

Si vede che, fino a resistenze medie, aumentando Dmax si riduce la quantità di cemento necessario.

Per alte resistenze invece le curve presentano un andamento crescente e deve quindi riumentare la quantità di cemento.

Questo a causa delle fragilità della zona di transizione.

Gli additivi fluidificanti

Sono i più utilizzati nella tecnologia del cls. Sono sostanze polimeriche che esercitano una funzione disperdente dei granuli di cemento.

La quantità di utilizzo varia tra 0.5÷1.5% in peso del cemento.

Possono esser usati in 3 modi:

• aumentare lavorabilità (pari a/c)
• ridurre acqua (pari slump e c)
• ridurre acqua e cemento (pari slump e a/c)

A seconda dell'efficacia si distinguono in:

• fluidificanti: a pari slump riducono l'acqua di almeno il 5%
• superfluidificanti: a pari slump riducono l'acqua di almeno il 12%

10) Slump in funzione della quantità di acqua e del Dmax degli aggregati

Slump (cm)

• 5
• 10
• 15
• 20
• 25

D 100 mm

D 50 mm

D 30 mm

D 20 mm

D 10 mm

D 5 mm

acqua (l/m³)

80 100 150 200

Dal grafico si osserva che all'aumentare del diametro massimo per mantenere lo stesso livello di lavorabilità è necessaria una minor quantità di acqua. A pari quantità di acqua all'aumentare del Dmax la lavorabilità sale.

L'effetto di un additivo fluidificante è immediato.

Spiegare il fenomeno della segregazione degli aggregati nel CLS

Il CLS fresco può avere la tendenza alla segregazione, cioè a separare suoi costituenti. Questo comporta una distribuzione non più uniforme dei costituenti, con la conseguenza che alcune porzioni presentano caratteristiche migliori ed altre che invece sono indebolite.

Gli aggregati grossolani tendono a portarsi nel fondo, separandosi da quelle più fini, che viceversa tendono ad affiorare.

Nella prova del cono di Abrams, la segregazione produce un abbassamento non uniforme.

I fattori che influenzano la segregazione sono:

• elevate quantità di acqua di impasto e/o di particelle fini
• eccessiva vibrazione durante la posa in opera
• getto con condotte libera del conglomerato
• scarso rimescolamento iniziale.

Equazioni teoriche della resistenza a compressione di un cls

In relazione ai fattori che influenzano il cls sono state proposte alcune relazioni per ricavare la resistenza a compressione di un cls.

• Feret: _c = K l^e

con l = ^c/_c+a+v = ¹/_{c + ^a/c + ^v/c}

• Abrams: _c = ^K/₁^K/₂ ^a/c
• Powers: _c = K x³

con x = prodotti idratazione volume disponibile

In tutte le equazioni, K = cost. e dipende da altri fattori.Nell'equazione di Powers a differenza delle altre due viene eliminata la dipendenza da tempo e temperatura