Tecnologia dei materiali

CEMENTI

Un cemento è un legante idraulico, ossia un materiale inorganico finemente macinato che, se

mescolato con acqua, forma una pasta che fa presa e indurisce a seguito di reazione processi di

idratazione.

CEMENTO PORTLAND

Il cemento Portland rappresenta la base per la realizzazione della maggior parte dei cementi oggi

utilizzati. Il cemento Portland è caratterizzato da una miscela di gesso e clinker che ha origine

per macinazione del prodotto di cottura (argilla, calcare e sabbia) con piccole aggiunte di gesso.

Il clinker si ottiene partendo da materie prime costituite da una miscela di calcari costituiti

principalmente da carbonato di calcio e argille ovvero silicati idratati di alluminio come ad

esempio l’ossido di ferro. Le materie prime dopo essere state macinate (la macinazione

importante in quanto influisce sulla reattività e sulla velocità di indurimento della pasta

cementizia) vengono successivamente essiccate intorno ad una temperatura di 110° in modo da

ridurre la quantità di acqua. Successivamente alla temperatura di 400° si cominciano a rompere i

vari legami in quanto abbiamo azione demolitrice (non abbiamo prodotti di reazione), superati

900° i vari ossidi reagiscono tra di loro a causa dell’elevata criticità dunque la silicea reagisce

con la calce mentre l’allumina reagisce con la calce. Questo prodotto ha bisogno di una fase

liquida (dovuta per la fusione degli alluminati) tanto che entra all’interno di un forno alla

temperatura di 1450° leggermente inclinato.

Il materiale in uscita viene raffreddato in genere con aria in maniera tale da ottenere dei granuli

dell’ordine del millimetro questi granuli sono principalmente costituiti da silicato tricalcico,

silicato di calcico, alluminato tricalcico egli altri componenti in genere indicate con fase ferrica.

Questi composti sono importanti per la reattività idraulica. Vengono chiamati costituenti

mineralogici del cemento Portland altamente reattivi con H O E in grado di dare prodotti di

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reazione.

La diminuzione della massa totale del cemento all’aumentare della temperatura è dovuta la

formazione di alcuni gas prodotti dalla decomposizione del calcare e dalla liberazione dell’acqua

dell’argilla. Oltre ai silicati e agli alluminati nel clinker sono presenti anche piccole quantità di

ossidi di potassio di sodio di magnesio tra questi quelli più importanti sono quelli di potassio e di

sodio in quanto caratterizzano il pH della pasta cementizia. In questa fase è necessario

aggiungere circa il 5% di massa di gesso per consentire una corretta presa del cemento E per

bloccare il processo di idratazione degli alluminati. Si possono anche miscelare materiali con

proprietà idrauliche come le ceneri volanti o la storia d’altoforno.

I silicati hanno la maggior parte di resistenza meccanica mentre gli alluminati contribuiscono ben

poco alla resistenza. Questi componenti hanno diversa velocità, diverso calore ma soprattutto

diretta capacità di mettere in opera la pasta cementizia. Le specie più reattive sono C A e C AF.

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Maggiore è la presenza degli alluminati e maggiore sarà la velocità di reazione tra acqua e

impasto di partenza.

CEMENTO PORTLAND E PRODUZIONE DEL CLINKER

Per la produzione del cemento Portland si parte delle miscele naturali come d’esempio le marmi

o artificiali come d’esempio calcare e argilla che durante la cottura si decompongono e

forniscono gli ossidi opportuni. Per regolare il contenuto di ossidi è possibile aggiungere

materiali silicei, bauxite ossidi di ferro. Tra questi è necessario anche il gesso. I materiali

vengono frantumati macinati e omogeneizzati fino ad ottenere una miscela di composizione con

la granulometria fine. Alla frantumazione del calcare avviene nella cava mentre la macinazione

può avvenire o umido o a secco. Nella macinazione secca le materie prime vengono dosate,

mescolate, essiccate e macinate i mulini a sfere. La polvere così ottenuta detta farina viene

inumidita portando così alla formazione di alcuni grandi che alimentano il forno per evitare la

dispersione delle parti fini nei gas di combustione. Questa miscela viene caricato nella parte alta

del forno rotante avente una leggera incrinatura la quale consente l’avanzamento del materiale in

seguito ad una lenta rotazione. All’estremità opposta a quella dell’ingresso delle materie prime

abbiamo un bruciatore che porta la temperatura attorno ai 1450°. Man mano che la miscela

avanza all’interno del forno e la temperatura aumenta avvengono le varie reazioni e

trasformazioni chimico-fisiche mentre il gas escono nella parte superiore del camino. A 100°

viene perso l’acqua libera a 500° l’argilla si libera dell’acqua a partire dai 600° il calcare si

dissocia in calce e anidride carbonica al di sopra di 900° il materiale secco comincia a diverse

reazioni formando silicato tricalcico, silicato bicalcico, alluminato tricalcico E quella di prendere

il nome di fase ferrica. Questa cosa molto importante in quanto È ricca di alluminio e ossido di

ferro ed è in grado di avvolgere le particelle solide E quindi di aumentare la velocità di reazione.

Oltre ai silicati e agli alluminati nel clinker sono presenti anche piccole quantità di ossidi di

potassio di sodio di magnesio tra questi quelli più importanti sono quelli di potassio e di sodio in

quanto caratterizzano il pH della pasta cementizia. In questa fase è necessario aggiungere circa il

5% di massa di gesso per consentire una corretta presa del cemento E per bloccare il processo di

idratazione degli alluminati. Si possono anche miscelare materiali con proprietà idrauliche come

le ceneri volanti o la storia d’altoforno.

I silicati hanno la maggior parte di resistenza meccanica mentre gli alluminati contribuiscono ben

poco alla resistenza. Questi componenti hanno diversa velocità, diverso calore ma soprattutto

diretta capacità di mettere in opera la pasta cementizia. Le specie più reattive sono C A e C AF.

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Maggiore è la presenza degli alluminati e maggiore sarà la velocità di reazione tra acqua e

impasto di partenza.

AGGIUNTE MINERALI

I materiali pozzolanici sono prevalentemente materiali di silicee in cui la silice è amorfa. Questi

materiali possono contenere allumina ma hanno un tenore di calcio è molto elevato non

possiedono dunque proprietà leganti ma le acquisiscono in presenza della calce dando luogo così

a delle reazioni di idratazione simili a quelle dell’idratazione del clinker. I materiali possono

essere sia naturali come la pozzolana o artificiali come le ceneri volanti e il fumo di silice.

-Le pozzolane naturali sono materiali sedimentarie di solito di origine piroclastica cioè derivanti

dalla sedimentazione del materiale prodotto.

-Le ceneri volanti si attengono dalla combustione del carbone una struttura prevalentemente

vetrosa e quindi reattiva una loro caratteristica importante il contenuto di residui incombusti che

devi essere molto basso.

-Il fumo di silice è caratterizzato da particelle 100 volte inferiore a quello delle particelle del

Portland E quindi hanno un’elevata capacità di riempimento della pasta cementizia.

Un’aggiunta mineralogica che eventualmente si può effettuare la giunta della loppa d’altoforno

granulata. Questa nota ha origine Dalle scorie che vengono rilasciate dall’alto forno. Queste

scorie vengono raffreddate bruscamente non appena fuoriescono generando così una

trasformazione delle particelle in particelle vetrose altamente porose con un elevato grado di

idratazione. Quest’idratazione però avviene solo in presenza di alcuni attivatori come ad esempio

l’idrossido di sodio, di potassio.

La norma UNI EN 197-1 è la norma che classifica i cementi:

- cemento portland (CEM I) costituito principalmente dal 95% di clinker e restante 5% di

gesso.

- Cemento portland composito (CEM II) con aggiunta di materiali in quantità minore come

la loppa ad altoforno, pozzolana, calcare.

- Cemento d’altoforno (CEM III) con contenuto di loppa dal 36 al 95%

- Cemento pozzolanico (CEM IV) con pozzolana dall’11 al 55%

- Cemento composito (CEM V) cemento definito come miscela con doppia aggiunta

minerale.

La norma UNI EN 197-1 stabilisce dunque ogni tipo di cemento caratterizzato da CEM un

numero romano delle lettere che individuano il sottolivello e infine un numero che rappresenta la

classe di resistenza. Le classi sono tre: 32.5/42.5/52.5: ciascuna suddivisa in tre sottoclassi per

distinguere:

- Cementi con resistenza lenta L, definita solo per il CEM III

- Cementi con resistenza normale N

- Cementi con resistenza rapida R.

Il numero che si individua la resistenza si riferisce alla resistenza a compressione per un tempo

di stagionatura pari a 28 g (secondo la norma UNI EN 196-1) su un provino di malta con a/c pari

a 0,5 e sabbia/cemento pari a 3. Questo valore ci permette di capire la rapidità di idratazione del

cemento. Se è presente la sigla LH si intende a basso calore di idratazione.

IDRATAZIONE

Mescolando acqua e cemento otteniamo una miscela che è la pasta cementizia che con il passare

del tempo subisce un processo d’idratazione dei vari costituenti che porta alla formazione di una

pasta con elasticità bassa. Inizialmente la pasta è elastica e lavorabile grazie all’azione di

lubrificazione dell’acqua, questa successivamente viene assorbita facendo perdere la plasticità

(inizio presa) finché non solidifica completamente (termine presa). Il processo di idratazione

continua in maniera decrescente a verificarsi fino ad arrivare al periodo di stagionatura o

maturazione.

Gli alluminati si idratano velocemente e prendono parte alla presa della pasta cementizia.

L’idratazione del C S è così veloce che deve essere rallentata altrimenti la plasticità del composto

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viene a mancare. Per farlo viene aggiunto del gesso (in quantità proporzionale al costituente) che

in presenza di acqua libera ioni solfato e calcio che reagiscono con gli ioni alluminati andando a

formare un tri-solfato che prende il nome di ettringite (3CaOAl O 3CaSO 12H O) che ricopre i

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granuli che stanno reagendo e ne rallenta la velocità.

L’idratazione dei silicati invece, ricopre un ruolo fondamentale nella fase dell’indurimento: essa

porta alla formazione di alcuni silicati di calcio idrati che vengono indicati con C-S-H o anche

gel di cemento. Questo prodotto è responsabile della resistenza meccanica della pasta di cemento

e avviene con velocità elevate se è presente un quantità di C S maggiore rispetto al C S. Oltre a

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questo C-S-H, questa idratazione produce cristalli esagonali di idrossido di calcio che prendono

il nome di portlandite che da un contributo trascurabile alla resistenza della pasta cementizia, ma

contribuisce a mantenere alcalino il calcestruzzo (l’idratazione del C S e del C S avviene con

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rapporti di massa e velocità diversi).

Dunque dopo la mescolazione dell’acqua e del cemento si forma sulle particelle una pellicola di

ettringite che rallenta l’idratazione per qualche ora e successivamente questa pellicola diventa

permeabile e consente la formazione del gel C-S-H. I volumi dei prodotti di idratazione hanno un

volume maggiore che al procedere della reazione porta ad occupare gli spazi occupati

inizialmente dall’acqua. L’idratazione prosegue nel tempo con velocità decrescente perché i

granuli idratati ostacolano il flusso dell’acqua verso il nucleo.

La resistenza meccanica della pasta indurita è dovuta dalla presenza di legami deboli (di van der

Waals) dei prodotti di idratazione. La resistenza meccanica della pasta cementizia dipende anche

dalla quantità di vuoti presenti nel suo interno che diminuiscono man mano che i processi di

idratazione vengono effettuati. Inizio presa abbiamo una porosità massima che con la fine della

presa diminuisce bruscamente in quanto il volume aumenta e vengono occupati tutti gli spazi

precedentemente occupati dall’acqua e allo stesso tempo aumenta la resistenza meccanica.

Ogni singolo costituente mineralogico contribuisce in maniera differente alla resistenza

meccanica mentre per gli alluminati possiamo pensare che il loro contributo sia nullo per i

silicati il discorso è ben differente in quanto essendo il C S molto reattivo sviluppa la sua

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resistenza prima del C S che dopo 28 giorni (periodo normale assunto come riferimento per la

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valutazione della resistenza dei conglomerati cementizi) con la presenza del C-S-H è poco

inferiore al C S. La velocità di indurimento dunque può essere modificata agendo sul rapporto

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fra C S e C S.

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La reazione di idratazione dei silicati e degli illuminati sono isotermiche. Il calore di idratazione

del cemento Portland varia a seconda della composizione e si può ottenere sommando il calore di

ogni costituente moltiplicato per la percentuale in peso. Il calore può provocare problemi negli

elementi in quanto si possono creare differenze di temperatura tra la superficie e il nucleo

portando alla formazione di fessurazioni del calcestruzzo. Il fenomeno dipende dalla quantità di

calore di idratazione prodotto e dalla velocità con cui il calore viene prodotto: maggiore è la

velocità e maggiore sarà la differenza del gradiente mentre minore è la velocità di produzione di

calore e minore sarà il gradiente.

POROSITÀ DELLA PASTA CEMENTIZIA

Un ruolo importante sulla resistenza e sulla permeabilità è dato dai pori capillari: pori presenti

fra i prodotti di idratazione. I pori hanno una dimensione che va dai 10 ai 50 nm se a/c è basso

mentre 3-5 μm se a/c è alto. La porosità capillare del cemento è influenzata dalla stagionatura,

cioè dal tempo in cui l’impasto viene mantenuto umido dopo la presa e da rapporto a/c.

Maggiore è il rapporto e maggiore sarà il volume dei pori, dunque per ridurre la porosità

capillare è necessario ridurre il rapporto a/c e aumentare il tempo di stagionatura.

Per studiare il volume dei pori possiamo considerare la formula di Powers:

α

−

a / c 0, 361

=

Vpc +

0, 317 a / c

I pori della pasta cementizia possono contenere acqua sotto forma di una soluzione alcalina

dovuta dalla presenza di NaOH e KOH. Il contenuto di acqua all’interno dei pori dipende dalle

condizioni ambientali in cui ci troviamo; se ci troviamo ad esempio in condizioni di equilibrio

l’acqua può essere correlata all’umidità. Se l’acqua si trova in pori dell’ordine maggiore di 50

nm è da considerarsi libera alle forze che la legano alla superficie solida ed essa evapora solo se

RH scende al di sotto del 95% mentre se ci sono pori dell’ordine di 50 nm e meno, l’acqua

risulta essere collegata alle forze di tensione superficiale. Le variazioni di acqua all’interno della

pasta cementizia influiscono anche nella sua stabilità dimensionale perché mentre evaporazione

dell’acqua dei pori con diametro maggior non si ripercuote sulla stabilità solida, l’evaporazione

dell’acqua dei pori più piccoli fa venir meno l’interazione capillare fra liquido e superficie più

interna del poro.

GLI AGGREGATI

Gli aggregati sono sostanze minerali con particelle di dimensioni e forme adatte alla produzione

del calcestruzzo. Possono essere naturali, artificiali o riciclati da materiali ottenuti da

demolizioni. L’aumento del contenuto di aggregati fa diminuire la quantità di pasta cementizia da

impiegare dunque hanno un vantaggio economico, ma non solo perché contribuiscono anche alla

stabilità del calcestruzzo. Le caratteristiche degli aggregati possono dipendere dalla

composizione chimica e mineralogica del materiale, dalla porosità oppure dall’esposizione

all’azione ambientale. La norma UNI EN 12620 [30] definisce requisiti chimici, fisici e

geometrici degli aggregati per il calcestruzzo e fissa i valori limite ammessi per le diverse

grandezze misurate. Abbiamo diverse proprietà:

1) DIMENSIONI: gli aggregati possono essere suddivisi in fini come d’esempio le sabbie, o

grossi. Gli aggregati fini devono passare da un setaccio con maglie di apertura di 4 mm.

2) La FORMA delle particelle può essere definita in vari modi: arrotondata, piatta, allungata. La

forma delle particelle dipende dal modo in cui si è formato l’aggregato, la distinzione che

viene effettuata È tra aggregati naturali di origine alluvionale come la ghiaia caratterizzato da

particelle tondeggianti oppure da aggregati di frantumazione come il pietrisco. La forma

influenza sia il volume (particelle sferiche occupano maggior volume di particelle angolari) e

il comportamento reologico del calcestruzzo.

3) La tessitura della superficie può essere vetrosa, liscia, cristallina ma avente rugosità

maggiore cresce la quantità gli acqua necessaria per avere la stessa parità di lavorabilità.

4) La porosità degli aggregati di bella la roccia da cui derivano E essa determina l’assorbimento

dell’aggregato.

5) Caratteristiche meccaniche: proprietà meccaniche degli aggregati come la resistenza a

compressione, la resistenza all’urto, la durezza dipendono principalmente dalla porosità del

materiale. In genere queste caratteristiche influenzano poco il comportamento del

calcestruzzo in quanto la resistenza meccanica dell’aggregato È maggiore anche nella fase di

transizione rispetta la resistenza della pasta cementizia, dal momento in cui la pasta

cementizia ha una resistenza maggiore rispetto a quella dell’aggregato che rimane comunque

costante È necessario studiare la natura dell’aggregato stesso.

6) Umidità e assorbimento: l’aggregato può assorbire acqua all’interno dei suoi pori della sua

superficie. L&r