Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Evoluzione dei leganti idraulici: Il Cemento Portland.

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1 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Evoluzione dei leganti idraulici: Il Cemento Portland

2 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Evoluzione dei leganti idraulici “CAEMENTUM” Rottami di pietra (dal latino caedo = tagliare) Per i Romani il termine “saxum cementitium” significava blocchi di rottami legati con la calce. Nel Medioevo (Bartolomeo de Gianville, 1230) con il termine “caementum” si indicava una malta legante formata da calce e sabbia: “la calce è una pietra cotta; per mescolanza con sabbia ed acqua si confeziona il cemento”. Successivamente e fino al XVIII sec. il cemento ha avuto come significato quello di legante di parti incoerenti.

3 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 1756 In Inghilterra Smeaton confrontando calci prodotte con calcari di diversa provenienza individua l’importanza della presenza dell’argilla nella materia prima per ottenere una calce di qualità migliore. 1796 Parker brevettò un prodotto capace di indurire sott’acqua: cemento rossastro (con grosse quantità di argilla). Temperature di cottura 1000- 1100°C, senza scorificazione. 1812-1818 In Francia il Vicat conferma i risultati di Smeaton dimostra che nella cottura avviene la reazione tra il carbonato di calcio con la silice e l’allumina dell’argilla. Dimostra che è possibile produrre calce idraulica cuocendo calcare e argilla. Fissò un indice numerico per l’idraulicità.

4 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli 1824 Aspdin brevetta un prodotto che viene chiamato cemento Portland, dato che una volta indurito aveva un colore analogo alla pietra estratta nella penisola di Portland. 1844 Johnson (Inghilterra) produce il primo cemento moderno, cuocendo miscele di calcare e argilla a temperature notevolmente superiori a quelle usuali per la calce idraulica; dimostra l’importanza che la cottura avvenga a temperatute tali da assicurare la presenza di un’abbondante fase fusa detta scoria (clinkerizzazione). 1859 In Gran Bretagna, culla del cemento e delle sua applicazioni, viene costruita la prima grande opera utilizzando cemento portland: fognature di Londra (Prog. J. Grant) 1872 Inizia in Italia presso la Società Italiana Cementi di Bergamo la produzione di cemento portland (Officina di Pradalunga) e successivamente anche a Palazzolo sull’Oglio.

5 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Cemento (UNI EN 197) “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” Si ottiene per macinazione del prodotto di cottura di una miscela di argilla, calcare e sabbia (clinker) con piccole aggiunte di gesso (circa il 5%) ed eventualmente, di altri materiali (pozzolane, microsilice, ceneri volanti, ecc.) Cemento Portland

6 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Impieghi Opere in calcestruzzo armato e precompresso Malte per la realizzazione di murature (malte di allettamento) Malte impiegate per lavori di finitura (intonaci)

7 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli CALCARE ARGILLA CLINKER PORTLAND MACINAZIONE CEMENTO PORTLAND + Cottura a 1450°C Materie Prime Ciclo di produzione del Cemento Portland Gesso

8 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materiali silicei, e Bauxiti o Ossidi di Ferro Il 90% delle particelle deve avere dimensioni inferiori a 90 micron

9 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Forno rotativo di cottura lunghezza ~ 80÷100 mt inclinazione ~ 3 ÷ 5% diametro ~ 3÷6 mt Combustibile impiegati olio combustibile gas naturale carbone in polvere

10 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Forni rotativi

11 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Nomenclatura della chimica del cemento C = CaOS = SiO 2 A = Al 2 O 3 F = Fe 2 O 3 H = H 2 O N = Na 2 OK = K 2 OC = CO 2 S = SO 3 M = MgO Legenda

12 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Trasformazioni durante la cottura

13 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Clinker Portland Composizione Chimica CaO = C 60-67% SiO 2 = S16-26% Al 2 O 3 = A4-8% Fe 2 O 3 = F2-5% MgO1- 4% Na 2 O +K 2 O0-0.6 % SO 3 0.1-2.5 % Composizione Mineralogica C 3 S 50-70% C 2 S10-30% C 3 A0-10% C 4 A F0-15%

14 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Minerali del Clinker C 3 A celite C 4 AF fase ferrica C 3 S alite C 2 S belite

15 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Formule di Bogue

16 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Composizione Mineralogica: Metodo di calcolo

17 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Macinazione del Cemento Portland CLINKER PORTLAND MACINAZIONE+GESSO CEMENTO PORTLAND

18 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Il cemento risulta costituito da: Clinker Gesso (in misura del 3-5% in peso) La reattività del cemento nei confronti dell’acqua dipende dalla finezza: 90% in peso ha dimensioni tra 2 e 90  m 7-9% ha dimensioni inferiori a 2  m 0-4% ha dimensioni superiori a 90  m Si preferisce non scendere sotto i 2 mm perché aumentano notevolmente i costi di macinazione e le reazioni di idratazione divengono troppo veloci con notevole sviluppo di calore di idratazione

19 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Per definire la finezza delle particelle di cemento si ricorre a due grandezze: distribuzione granulometrica area superficiale specifica

20 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Distribuzione granulometrica Le curve di distribuzione granulometrica consentono, fissata una certa dimensione delle particelle di ricavare la percentuale cumulativa in massa delle particelle di dimensioni inferiori (esempio in figura) o superiori. In genere la curva granulometrica di un cemento assume l’andamento a S. Curva di distribuzione granulometrica di un cemento portland ordinario e a rapido indurimento

21 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Area superficiale specifica Si intende l’area totale della superficie esterna di tutte le particelle di cui la polvere è costituita riferita all’unità di massa. L  (m 2 /kg) 1cm0.19 1mm1.9 100  m 19 10  m 190 1  m 1900 0,1  m 19000 Superficie specifica di una polvere monodispersa di cemento in funzione del diametro delle particelle (supposte di forma sferica)

22 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Misurazione Superficie Specifica: Blaine (EN 196-6) (1) Una pastiglia di cemento di dimensioni e porosità standard viene posta nel contenitore C. (2) Aprendo il rubinetto R con un aspiratore si riduce la pressione interna in modo che il liquido raggiunga il livello X. (3) Chiuso il rubinetto si misura il tempo impiegato affinché il rientro di aria attraverso la pasticca ripristini la pressione iniziale riportando il liquido al livello iniziale Y. S = K t ½ K = costante dell’apparecchiatura determinata con pasticche di cemento a superficie nota C R Y X