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C S + H O

3 2  C-S-H + CH

C S + H O

2 2

Dall’idratazione dei silicati dicalcico e tricalcico deriva il gel C-S-H (tubicini attaccati alle particelle di

cemento nella figura della prossima pagina) e la portlandite CH (idrossido di calcio, sono gli esagoni in figura

della prossima pagina). C-S-H è molto poco solubile in acqua. Il gel C-S-H è il maggiore responsabile della

resistenza del calcestruzzo, quindi se abbiamo una quantità maggiore di silicati rispetto agli alluminati, nel

tempo il calcestruzzo svilupperà al meglio la resistenza meccanica. CH è poco solubile in acqua. Tenendo

presente che C S e C S costituiscono la parte prevalente del cemento, possiamo dire che i loro prodotti

3 2

sono la parte prevalente del prodotto di idratazione dell’intero cemento. Se questi prodotti non si sciolgono

in acqua possiamo considerare il nostro manufatto idratato stabile nelle condizioni di lavoro nei confronti di

eventuali interazioni e aggressioni esterne.

La calce idrata CH da sola in acqua può raggiungere una concentrazione di 1.5g/l in temperatura ambiente.

1.5g/l non sono pochi. Quanta calce c’è in un manufatto di cemento indurito? Questo dipende dalla

composizione del cemento e dal grado di idratazione del cemento stesso; dipenderà insomma da quanta

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parte di C3S e C2S avranno assunto le reazioni viste prima. Supponiamo di avere 10g di Portlandite a fronte

di 100g dell’intero cemento. Quindi abbiamo il 10% prodotto di

idratazione rispetto al solido di partenza. Se rispetto a questi

10g se ne scioglie una quantità idonea a raggiungere nella

soluzione a contatto con il masto indurito una concentrazione

di questo livello, può essere vero che da 10g possiamo

scendere a 9, o anche 8g, con acqua a sufficienza. Questa

solubilizzazione di CH può avere un effetto negativo per la

stabilità della struttura? Ovviamente si. Dai costituenti silicatici di ciascuna di queste particelle anidre di

clinker cominceranno a crescere i cristalli di C-S-H (abbiamo delle sorte di piccoli tubicini) e tra l’uno e

l’altro di questi cristalli si trovano i cristalli che hanno una geometria esagonale di idrossido di calcio. Con il

passare del tempo, si trova un aumento di questi esagoni di idrossido di calcio. Tanto più lungo è il tempo di

idratazione, tanto più fitto diventa l’intreccio dei prodotti di reazione (tubicini), e tanto più resistente sarà il

nostro conglomerato. Suppongo però che a un certo punto del processo di idratazione (all’atto della

scasseratura del conglomerato, ossia quando si tolgono dalle casse forme) arriva acqua al mio prodotto.

Magari perché questo conglomerato è stato pensato per fare gli argini di un canale o una vasca di

contenimento di acqua piovana, impianto di produzione di calcestruzzo etc. Allora, quest’acqua scioglie i

cristallini di Portlandite che sono affacciati sulla superficie del nostro manufatto. Una volta che è entrata

acqua, si innescano processi di diffusione: l’acqua tende a muoversi nelle porosità del conglomerato e a

penetrare nel conglomerato stesso e le specie solide che, disciogliendosi in acqua, vanno fuori. Abbiamo

innescato un processo di dissoluzione del nostro conglomerato. Questo è il “dilavamento”, che parte

sempre dal CH. Se trovassimo, quindi, un sistema per togliere la specie CH troveremmo un modo per

rendere più resistente il conglomerato all’azione delle acque. Certo, se decidiamo di abbassare la

percentuale dei silicati C S e C S avremmo minori specie aggredibili, ma avremmo minore resistenza

2 3

meccanica. Pertanto, dobbiamo bilanciare condizioni di resistenza all’azione dilavante dell’acqua e

bilanciamento resistenza meccanica. Il modo è mettere da parte il cemento Portland e passare all’impiego

di cementi di miscela.

CEMENTI DI MISCELA

In particolare, si usano delle sostanze che chiamiamo “Aggiunte minerali di tipo II”, o anche “Aggiunte

minerali attive”, o ancora “SCM”, che sta per Supplementary Cementing Materials che non sono altro che

sostanze, nella maggior parte dei casi di origine industriali e in alcuni di origine naturale, che sono in grado

di consumare la calce (CH) derivante dall’idratazione dei silicati del clinker di cemento Portland (C S, C S),

3 2

ossia sostanze che contengono silice SiO (generalmente amorfa, molto reattiva) che reagisce con la calce

2

per dare C-S-H secondario (composizione chimica leggermente diversa da quello del cemento Portland, in

particolare è più acido e cioè dotato di maggiore resistenza all’attacco dell’acqua), oppure non agiscono

direttamente con CH. In questo caso CH resta indisturbata e i prodotti di idratazione vanno semplicemente

a riempire i pori originariamente lasciati vuoti dai prodotti di idratazione del Portland. Anche i C-S-H

riempiono il Portland. Il risultato risulta quindi più compatto e nel caso di reattività diretta (di tipo

pozzolanico) anche più acido e meno permeabile. Cementi che contengono aggiunte in grado di consumare

la calce sono cementi di tipo pozzolanico, mentre cementi che non contengono aggiunte che sanno dare

prodotti autonomi sono i cementi d’altoforno (ossia cementi a attività idraulica latente).

EVOLUZIONE PROPRIETA’ TECNOLOGICHE

Indipendentemente dal fatto che il cemento selezionato per la preparazione di impasto sia Portland,

Pozzolanico o d’altoforno, quando si prepara l’impasto partono le reazioni di idratazione. Quindi, x grammi



di cemento + y g di acqua x+y grammi di pasta di cemento. Come si presenta questa pasta di cemento?

E’ una polvere bagnata? E’ un impasto consistente? Oppure è una sospensione estremamente fluida? Tutto

dipende da quanta acqua si impiega. Quindi, già si individua una grandezza caratteristica dell’impasto: il

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rapporto in peso acqua/cemento, ossia Y/X. Questo rapporto sarà sempre indicato come A/C, grandezza

fondamentale per qualsiasi costruzione in calcestruzzo, perché da questo parametro dipenderanno tutte le

proprietà tecnologiche del conglomerato e in primo luogo una resistenza meccanica. Più alto è il rapporto,

minore sarà la consistenza dell’impasto. Per individuare la scorrevolezza, lavorabilità dell’impasto di

calcestruzzo useremo il termine “consistenza” o “classe di

consistenza”. In italiano, il termine consistenza non indica una cosa

fluida ma qualcosa, piuttosto, di solido. In ogni caso, adesso noi

possiamo parlare in termini di lavorabilità in funzione del rapporto

acqua/cemento. Più grande è il rapporto a/c, più grande è la

lavorabilità. Superato un determinato valore acqua/cemento

l’impasto è diventato talmente tanto fluido che non vi è più

lavorabilità. La terza e prima zona è generalmente preclusa nelle

applicazioni reali, perché o la lavorabilità è troppo bassa (dove non

abbiamo miscelazione soddisfacente tra solido e acqua, e quindi non

riusciamo a lavorare oppure questa condizione ci porterà a un difetti di idratazione) o l’impasto è troppo

fluido. L’intervallo centrale è quello che permette di lavorare. Il campo di lavoro normale è compreso tra

0.3 e 0.5 (il numero esatto dipende dal tipo di cemento), ove troveremo acqua a sufficienza per i valori di

idratazione. 27

Metodo Bogue per il calcolo della composizione mineralogica di un cemento Portland

Composizione del cemento in termini di ossidi componenti

Componente % in peso

CaO 63,03

CaO libera 0,94

SiO 20,03

2

Fe O 2,44

2 3

Al O 5,04

2 3

MgO 1,35

SrO 0,21

Mn O 0,15

2 3

SO 3,36

3

P O 0,13

2 5

TiO 0,22

2

Na O 0,30

2

K O 1,12

2

p.a.f. 2,40

Assunzioni:

a) Le materie prime alimentate al forno di clinkerizzazione hanno reagito completamente e che

non si siano formate fasi vetrose durante il raffreddamento del clinker.

b) Il componente SO nell’analisi del cemento deriva dal gesso biidrato, aggiunto al clinker

3

all’atto della sua macinazione, come regolatore della presa. Sono escluse altre fonti di SO ,

3

quali i solfati dei metalli alcalini.

(Nota bene: la composizione in termini di ossidi componenti riporta le quantità di ossidi equivalenti

delle specie effettivamente presenti nel materiale. Nel caso del gesso biidrato, specie effettivamente

presente nel cemento, la percentuale equivalente di SO (specie non presente nel cemento) è data

3

⋅

%

CaSO 2 H O

= ⋅

4 2

da: % SO 80 ).

3 172

1) Calcolo del modulo dei fondenti

% Al O

2 3

F= % Fe O

2 3 F

se > 0,64 si forma C AF e l’allumina in eccesso forma C A

4 3

F

se < 0,64 si forma C AF e l’eccesso di Fe O forma C F: si ha

4 2 3 2

un cemento senza C A!

3

5

, 02

= =

F

Nel caso in esame, si ha 2

, 06

2

, 44

Pertanto, i costituenti mineralogici del cemento sono C S, C S, C AF e C A.

3 2 4 3

28

2) Calcolo della percentuale di CaO disponibile per i costituenti mineralogici

= − −

%

CaO %

CaO %

CaO %

CaO

disp totale libera gesso

Le percentuali di CaO e CaO sono riportate nella tabella della composizione del cemento.

totale libera

La percentuale di CaO , corrispondente alla percentuale di CaO impegnata nella formazione di

gesso

gesso, è calcolata come:

% SO ( )

= 3

%

CaO CaO

( )

gesso SO

3

(SO ) (CaO)

essendo i termini e , rispettivamente, i pesi molecolari delle due specie chimiche.

3

Sostituendo alle varie grandezze i rispettivi valori, si ottiene:

3

,

36

= ⋅ =

%

CaO 56 2

,

35

gesso 80

e: = − − =

CaO

% 63

, 03 0

,

94 2

,

35 59

, 74

disp

3) Calcolo della percentuale di C AF

4

Tutto l’ossido di ferro presente nel cemento è impegnato nell’allumino-ferrito tetracalcico. Essendo

il rapporto molare tra questo ossido ed il costituente mineralogico di 1:1, la percentuale di C AF

4

sarà calcolata sulla base delle moli di Fe O presenti nel cemento:

2 3

% Fe O ( ) 2

, 44

= = ⋅ =

2 3

%

C AF C AF 486 7

, 41

( )

4 4

Fe O 160

2 3

4) Calcolo della percentuale di C A

3

La percentuale di alluminato tricalcico dipende dalla percentuale di allumina rimasta disponibile

dopo la formazione di C AF che può essere valutata per differenza tra l’allumina totale e quella

4

impegnata in C AF.

4

= −

% Al O disp % Al O totale %