Riassunto esame di Scienza e tecnologia dei materiali, prof. Pagliolico, libro consigliato Introduzione ai materiali per l'architettura, Gastaldi e Bertolini

CAP 3- CALCESTRUZZI E MALTE

Per confezionare un calcestruzzo, o una malta, si miscelano un legante, acqua e aggregati. Oltre a questi

costituenti di base, possono essere utilizzati anche additivi o aggiunte minerali. Le proporzioni secondo cui

sono combinati i diversi costituenti sono scelte in funzione delle caratteristiche allo stato fresco e allo stato

indurito richiesto.

Definizioni

Pasta (boiacca): impasto del legante con sola acqua

• Malta: legante, acqua e sabbia (diametro massimo < 5 mm)

• Betoncino: legante, acqua e aggregato (diametro massimo < 10 mm)

• Calcestruzzo: legante, acqua, sabbia e aggregato grosso - pietrisco o ghiaia – (diametro massimo >

• 10 mm).

Stagionatura o maturazione: lasso di tempo variabile, in relazione al tipo di legante, nel quale gli

• impasti perdono plasticità e induriscono, trasformandosi in masse lapidee più o meno resistenti.

Presa: fase iniziale della stagionatura durante la quale l’impasto perde plasticità e non è più

• lavorabile. Può variare da qualche minuto a qualche giorno a seconda del tipo di legante (tempo di

presa).

Indurimento: fase successiva alla presa nella quale l’impasto sviluppa resistenze meccaniche. Può

• variare da qualche giorno ad alcuni anni a seconda del tipo di legante.

Materiali leganti

I leganti sono costituiti da polveri fini, ottenute per miscelazione e cottura di rocce naturali. Quando

vengono miscelati con acqua, danno luogo a un impasto plastico che può essere formato. Man mano che si

riduce la quantità d’acqua per evaporazione, l’impasto perde la sua plasticità e diventa sempre meno

lavorabile (inizio presa), finchè solidifica completamente (termine della presa). Una volta che la presa è

avvenuta il materiale mantiene sostanzialmente le dimensioni originarie e nel tempo sviluppa e consolida

la resistenza meccanica (indurimento). I leganti sono divisi in:

Aerei: induriscono solo in aria (gesso e calce)

• Idraulici: induriscono anche in presenza di acqua (cementi e calci idrauliche)

•

Gesso

Viene prodotto a partire dalla pietra da gesso, roccia sedimentaria costituita da solfato di calcio bi-idrato.

La pietra estratta, viene macinata e cotta in forni. Quando viene portata la temperatura del forno al di

sopra dei 120 °C il gesso Bi idrato perde parte dell’acqua e diventa gesso emidrato, al di sopra dei 180 °C si

trasforma in gesso anidro e al di sopra dei 250 °C provoca la progressiva trasformazione in una nuova fase,

che non fa presa con l’acqua se non con l’utilizzo di sostanze dette catalizzatori. Il processo di presa ed

indurimento termina quando il solfato di calcio emiidrato viene impastato con acqua e si ripristina il solfato

di calcio biidrato (situazione di partenza).

Il gesso è il legante artificiale più antico, è di colore bianco, presenta tempi di presa ed indurimento brevi, è

un discreto isolante termico e acustico, è resistente al fuoco, problema è solubile in acqua (quindi deve

essere tenuto al riparo dall’acqua), ed è poroso quindi meccanicamente poco resistente. È utilizzato per

confezionare intonaci, blocchi, lastre in carton gesso.

Calce aerea

La materia prima è il calcare , che attraverso una cottura in forno tra i 950-1000 °C si dissocia formando

ossido di calcio e anidride carbonica (calce viva). La calce estratta dai forni viene trasformata in calce

spenta facendo reagire l’ossido di calcio con l’acqua, questa reazione sprigiona calore e comporta un

aumento di volume. L’operazione di spegnimento può essere eseguita:

Con eccesso d’acqua (circa 2litri per kg ci calce), non più usata e porta alla formazione della pasta

• denominata grassello;

Con acqua appena superiore a quella necessaria e così si ottiene la calce idrata in polvere.

•

La presa avviene lentamente per evaporazione dell’acqua, l’indurimento ha luogo in seguito alla reazione

della calce spenta con l’anidride carbonica presente nell’aria (processo di carbonatazione). L’evaporazione

dell’acqua comporta un ritiro di volume dell’impasto. Il composto ottenuto ha la stessa composizione

chimica del prodotto di partenza.

È un legante antico, di colore bianco, è meno solubile del gesso in acqua, veniva utilizzato per confezionare

intonaci e malte di allettamento.

Calce idraulica

È il precursore dell’attuale cemento Portland, questi impasti possono indurire in presenza di acqua.

Le calci idrauliche vere e proprie sono ottenute per cottura di miscele di calcare e argilla a temperature

superiori ai 900 °C, si ottiene un legante idraulico con la presenza di silicati e alluminati di calcio. Questi

composti in presenza d’acqua reagiscono formando silicati idrati di calcio e alluminati idrati di calcio.

È un legante moderno, meno solubile in acqua rispetto al gesso e alla calce aerea, viene usato per

confezionare intonaci e malte di allettamento.

Cemento Portland

La norma UNI EN 197-1, definisce cemento: “Un materiale inorganico finemente macinato, che mescolato

con acqua, forma una pasta che rapprende e indurisce a seguito di reazioni e processi di idratazione e che

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

Ha origine nel 1824 in Inghilterra a Aspid. Si parte da una miscela di argilla, calcare e sabbia (clinker), con

piccole aggiunte di gesso ed eventualmente di calcare, pozzolane, fumo di silice, ceneri volanti, loppa

d’altoforno.

Per la produzione si parte da miscele naturali (marne) o artificiali di calcare e argilla, che durante la cottura

forniranno gli ossidi necessari per ottenere il cemento. I materiali di partenza vengono frantumati,

macinati e omogeneizzati. La miscela viene inserita in un forno rotante di forma cilindrica leggermente

inclinato (per consentire l’avanzamento del materiale) con diametro tra i 3 e i 6 m, e lunghezza di 100 m. La

temperatura interna passa dai 900°C fino ai 1450 °C. All’aumentare della temperatura il calcare e l’argilla si

trasformano liberando gli ossidi di cui sono composti. All’uscita dal fono il materiale viene raffreddato e si

ottengono dei granuli grossolani denominati clinker ( formati da silicati di calcio e alluminati di calcio). Il

clinker viene addizionato di gesso (5%), che funge da regolatore di presa, ritardando la presa di circa 1 ora.

Il clinker e gli altri prodotti per essere usati devono essere ridotti in polvere, la macinazione avviene

all’interno di mulini rotanti formati da cilindri orizzontali contenenti sfere o barre d’acciaio che sminuzzano

il prodotto. In un cemento moderno almeno il 90% in peso delle particelle ha dimensioni comprese tra 2 e

90 micron, il 7-9% < 2micron, lo 0-4% >90 micron.

Ci sono diversi tipi di sostanze minerali che quando vengono aggiunte al clinker possono partecipare alle

reazioni di idratazione. La loppa d’altoforno e le pozzolane artificiali presentano il vantaggio di essere dei

residui di processi industriali (quindi riutilizzo di scorie). L’idratazione di questi tipi di cemento porta ad

ottenere una struttura della pasta cementizia meno porosa e quindi con migliore durabilità. Grazie anche al

consumo di calce che si verifica in fase di idratazione questi cementi risultano migliore resistenza al

degrado. Presentano anche un minor sviluppo di calore rispetto ai cementi Portland.

La norma UNI prevede che ogni tipo di cemento sia indicato con la sigla CEM seguita da un numero romano

(da I a V) e da lettere che individuano il tipo e sottotipo e da un numero che indica la classe di resistenza

(sono tre 32.5-42.5-52.5, ciascuna divisa in due sottoclassi: cementi normali N, e cementi a indurimento

rapido R). Il numero che individua le classi di resistenza si riferisce alla resistenza a compressione misurata

a 28 giorni.

Acqua e cemento miscelati in proporzioni opportune, danno luogo a un impasto (pasta cementizia) che

subisce nel tempo processi di idratazione dei vari componenti presenti nel cemento. I vari componenti

danno luogo con diverse velocità a prodotti di idratazione differenti. Gli alluminati si idratano molto più

velocemente dei silicati ma non portano, a differenza di questi ultimi un contributo sensibile alla resistenza

meccanica. Viceversa l’idratazione dei silicati risulta determinante nei processi di indurimento e di sviluppo

della resistenza meccanica. L’idratazione dell’alluminato di calcio è così veloce che deve essere rallentata,

altrimenti l’impasto perderebbe plasticità nel giro di pochi minuti, ecco perché per rallentare il processo si

aggiunge gesso. Nel maggior parte dei cementi portland ordinari, le paste diventano meno lavorabili entro

1-2 due ore dopo l’aggiunta dell’acqua e possono cominciare a solidificare entro 2-3 ore (presa normale).

Quando la quantità di alluminati è elevata e non si è aggiunto gesso a sufficienza la presa avviene in meno

di 45 minuti (presa rapida). L’idratazione dei silicati, da luogo alla formazione di silicati di calcio indicati

come C-S-H o gel di cemento. L’idratazione dei silicati produce anche cristalli di idrossido di calcio (chiamati

portlandite) di dimensioni molto maggiori delle dimensioni delle lamelle che costituiscono il C-S-H.

La porosità della pasta di cemento diminuisce progressivamente nel periodo successivo alla presa (fine

della presa dopo circa 12 ore per cemento ordinario) in seguito alla riduzione dei vuoti inizialmente

occupati dall’acqua. Questa diminuzione di porosità determina da un lato l’aumento della resistenza

meccanica e dall’altro la riduzione della permeabilità della pasta cementizia. Ci sono pori o vuoti, dovuti

alla presenza di bolle d’aria che rimangono intrappolate nel calcestruzzo. Questi vuoti, che possono

presentare dimensioni fino a qualche mm, possono rimanere nel calcestruzzo dopo il getto soprattutto se il

cls allo stato fresco presenta una bassa lavorabilità e non viene correttamente compattato. Bolle d’aria

possono inoltre essere aggiunte intenzionalmente con l’ausilio di agenti (additivi) areanti all’impasto. La

presenza di questi vuoti influenza soprattutto la resistenza meccanica.

La resistenza meccanica dipende sia dal rapporto acqua cemento (migliore 50%) che dal grado di

idratazione. La diminuzione della porosità, oltre ad aumentare la resistenza meccanica, rallenta anche i

processi di penetrazione degli agenti aggressivi nella pasta di cemento e i conseguenti fenomeni di

degrado. L’idratazione dei cementi con aggiunte di minerali avviene in modo differente rispetto a quello

del cemento portland. Innanzitutto è più lenta e quindi ritarda lo sviluppo della resistenza meccanica e del

calore di idratazione.

Sia le caratteristiche del cls o di una malta dipendono anzitutto dalle proprietà e