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Nello studio chimico fisico dei cementi abitudine abbreviare le formule degli ossidi più comuni a singole lettere: 3CaO·Al 2 O 3 viene abbreviato in C.

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1 Nello studio chimico fisico dei cementi abitudine abbreviare le formule degli ossidi più comuni a singole lettere: 3CaO·Al 2 O 3 viene abbreviato in C 3 A C = CaO S = SiO 2 A = Al 2 O 3 Š = SO 3 Le abbreviazioni più comuni sono:

2 Composizione Cemento Portland CaO 58 – 68 % Al 2 O 3 4 – 8 % Fe 2 O 3 2 – 5 % SiO 2 16 – 26 % MgO 1 – 4 % Na 2 O +K 2 O 0 – 0.6 % SO – 2.5 %

3 1335°C Aggiungendo Fe al sistema la T di fusione si abbassa a 1280°C

4 La cottura deve avvenire a T superiore a 1400°C. A T più bassa scompare il campo del C 3 S e verrebbero prodotti CaO e C 2 S.

5 Presenza del % materiale fuso E seguito da un rapido raffreddamento per stabilizzare le fasi di alta T

6 La cottura delle materie prime, costituite principalmente da argille (20-25 %), calcari e marne avviene in forni rotanti:

7 Principali componenti del clinker di un cemento Portland: Silicato tricalcico Silicato dicalcico Alluminato tricalcico Alluminato ferrito tetracalcico C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF CŠH 2 Gesso A cui viene aggiunto come ritardante di presa:

8 LIdratazione di un cemento: I silicati C 3 S + H 2 O C-S-H + CH C 2 S + H 2 O C-S-H + CH

9 Lidratazione di un cemento C 3 S e C 2 S H20H20 C-S-H

10

11 LIdratazione di un cemento: Gli alluminati C 3 A + H 2 O alluminati idrati C 4 AF + H 2 O alluminati ferriti idrati

12 LIdratazione di un cemento: Gli alluminati e il gesso + H 2 O + CŠH 2 C 4 AF C3AC3A C 6 AŠ 3 H 32 ETTRINGITE

13 Lidratazione di un cemento C 3 A e C 4 AF Gesso H20H20 Ettringite e Ca-alluminati idrati

14 Alluminato tricalcico idrato

15 Ettringite

16 CEMENTI COMPOSITI

17 Cementi compositi Sono leganti idraulici composto di cemento Portland e di una o più aggiunte minerali che prendono parte alle reazioni di idratazione. Le aggiunte minerali possono esser mescolate o intermacinate al Portland

18 Questi materiali vengono utilizzati: Per eliminare materiali di scarto di altri processi produttivi ( loppa, silica fume…) Per ottenere cementi capaci di dare prestazioni particolari ( alte resistenze meccaniche, bassa porosità…) Si possono dividere in due categorie: Materiale pozzolanici Leganti idraulici nascosti

19 Pozzolana Materiale naturale di origine normalmente vulcanica (rioliti, tufi) o più raramente sedimentaria (rocce ricche in fossili silicei) Argille trattate che hanno subito un processo termico con produzione di materiale amorfo E un materiale pozzolanico

20 Cementi Pozzolanici La pozzolana naturale mostra pregi che sono comuni a tutti i materiali descritti in seguito: Eliminazione del CH per reazione con la silice reattiva presente Maggiori resistenze meccaniche per produzione di ulteriore C-S-H e diminuzione della porosità Minor calore di idratazione

21 Reazione pozzolanica Viene chiamata reazione pozzolanica lazione della calce, prodotta nei cementi Portland dallidratazione dei silicati sui materiali pozzolanici, che porta alla formazione di C-S-H secondario Euna reazione più lenta di quella che produce C-S-H a partire da C 3 S e C 2 S Pozzolana + CH + H 2 OC-S-H

22 Eliminazione del CH Se il CH non venisse eliminato dalla reazione con materiali pozzolanici potrebbe essere causa di problemi: CH

23 Eliminazione del CH Il CH è solubile in H 2 O e quindi verrebbe portato in soluzione lasciando al suo posto dei pori che diminuirebbero resistenza meccanica e impermeabilità del cemento H2OH2O Struttura più porosa

24 Loppa daltoforno Provengono da processi di manifattura del ferro dalla reazione delle polveri di carbone con i minerali di ganga Di composizione molto variabile tra i vari altoforni, ma costante allinterno del medesimo stabilimento. Di norma elevata in SiO 2 e spesso in Al 2 O 3 Tramite raffreddamento rapido si forma un materiale che contiene dal 50% al 95%di vetro molto reattivo E un legante idraulico nascosto

25 Cementi daltoforno Si possono produrre cementi con percentuali di loppa anche superiori all80% ( i più comuni ne hanno circa il 45%) Vantaggi Prodotti didratazione e microstruttura e simile a quella del c. Portland Eliminazione del CH Minor calore di idratazione Resistenze meccaniche su tempi molto lunghi più elevate Svantaggi Lidratazione della loppa è più lenta di quella del cemento. Questo comporta basse resistenze meccaniche ai brevi tempi

26 Flyash E una polvere, residua dalle centrali termiche a carbone La composizione è dipendente da quella del carbone e dalle condizioni di combustione. Normalmente sono alte in SiO 2, Al 2 O 3 e variabili in CaO E formata da microsfere (5-90μm) vetrose (fino all80–90% ) sulla cui superficie sono attaccati microcristalli ematite, magnetite, mullite, quarzo e carbone A seconda del contenuto in CaO sono o materiali pozzolanici o leganti idraulici nascosti

27 Flyash La cenere volante può sostituire il cemento in per- centuali molto variabili. Di norma tra il 35% e il 45% Composizione chimica di una tipica Flyash povera in Ca Na 2 O1.5CaO2.4 MgO1.6TiO Al 2 O Mn 2 Otr. SiO Fe 2 O P2O5P2O5 0.2C1.5 SO 3 1.2H2OH2O0.3 K2OK2O4.2Totale99.9

28 Cementi con Flyash Vantaggi Prodotti didratazione e microstruttura e simile a quella del c. Portland Eliminazione del CH Minor richiesta dacqua Maggiore lavorabilità grazie alla microstruttra sferica delle particelle vetrose Svantaggi Presenza di carbone incom- busto che scolorisce il cemento e interferisce con gli additivi Lidratazione della loppa è più lenta di quella del cemento. Questo comporta basse resistenze meccaniche ai brevi tempi

29 Fumo di silice E un sottoprodotto del processo produttivo del Si metallico e delle leghe Fe-Si E composto al % di microsfere vetrose (~0.1μm) e quindi capace di riempire gli interstizi lasciati dal cemento Composto quasi esclusivamente da SiO 2 E un materiale pozzolanico

30 Cementi con Fumo di silice Vantaggi Prodotti didratazione simili a quella del cem. Portland Eliminazione del CH Microstruttura più compatta con bassa permeabilità e alte resistenze meccaniche Svantaggi Maggiore richiesta dacqua compensabile con laggiunta di additivi superplasticizzanti Non può essere utilizzato in percentuali superiori al % per non abbassare troppo la lavorabilità

31 CEMENTI CALCIO ALLUMINOSI (CACs)

32 CACs I cementi calcio alluminosi sono ricavati dalla cotturain forni rotanti, a circa °C, di calcari, calce viva, bauxite o altri materiali poveri in SiO 2 Hanno un colore che passa dal giallo-bruno, al grigio, al nero a seconda della composizione Mostrano, in particolare in combinazione con aggiunte minerali, proprietà molto interessanti al livello edilizio

33 Composizione CACs con 50% Allumina CaO 34 – 39 % Al 2 O 3 49 – 55 % Fe 2 O 3 + FeO < 3.5 % SiO 2 4 – 6 % TiO 2 ~ 2 % MgO ~ 1 % Na 2 O +K 2 O < 0.4 % SO 3 < 0.3 %

34 CACs C 12 A7, C 2 S C 2 S, C 2 AS C 2 AS, Wustite A seconda della composizione, e delle condizioni ossidoriduttive in fase di cottura, possono venire raggiunte diverse combinazioni di fasi allequilibrio. CA (40-50%) e Ferrite (20-40%) sono sempre presenti in più è possibile trovare:

35 Idratazione di un CACs Raramente viene raggiunto lequilibrio CA, C 2 AS e Ferrite danno ampie soluzioni solide Si forma sempre sempre una piccola percentuale di vetro Sono presenti altre fasi in percentuali molto minori generate da impurità Bisogna però tener presente che:

36 Idratazione di un CACs La CA e se presente la C 12 A 7, sono le uniche fasi reattive ai brevi tempi di idratazione La velocità di idratazione, la quantità di materiale idratato, le fasi prodotte sono tutti fattori influenzati dalla temperatura Lidentità dei prodotti di idratazione tende a variare nel tempo

37 Idratazione di un CACs Lidentità degli idrati è fortemente influenzata dalla temperatura Si formano anche idrati con struttura amorfa o disordinata che sono fasi intermedie della reazione di idratazione CAH 10 C 2 AH 8 +AH 3 C 3 AH 6 +AH 3

38 Idratazione di un CACs Variazioni di temperatura, anche dopo lindurimento, portano alla trasformazione di CAH 10 e C 2 AH 8 in C 3 AH 6 La velocità della trasformazione è dipendente dalla T. A 5°C dura anni ma a 50°C è virtualmente immediata CAH 10 C 2 AH 8 +AH 3 C 3 AH 6 +AH 3

39 Presa di un CACs Attorno ai 30°C, ne CAH 10, ne C 2 AH 8 nucleano con facilità e quindi il C 3 AH 6, che si deve ottenere per trasformazione di fase da uno di questi, si forma lentamente Come la composizione delle fasi anche il tempo di presa è fortemente influenzato dalla T:

40 Presa di un CACs Rapporto C/A. Con un rapporto C/A superiore a 1.20 la presa è immediate, se il rapporto scende fino a 1.06 può durare da 6h a 12h Energia e tempo di mixing. Al crescere di questi due fattori si nota una accelerazione della presa Il tempo di presa è influenzato da altri due fattori:

41 Indurimento di un CACs Notevoli diminuzioni di volume. Quando la CA viene idratata risulta che: il CAH 10 ha un volume 3.64 volte superiore, il C 2 AH volte e il C 3 AH volte Liberazione di molta acqua Il passare del tempo favorisce la trasformazione degli idrati di bassa temperatura in C 3 AH 6. Questa conversione porta due effetti negativi:

42 Indurimento di un CACs Questo problema è risolvibile con un adeguato rapporto w/c. Per rapporti w/c bassi cè un basso grado di idratazione. La successiva conversione con diminuzione di volume è compensata da una ulteriore idratazione, che è consentita dallacqua liberata. Questa operazione consente un bilanciamento delle variazioni volumetriche Entrambi questi effetti porta alla formazione di una eccessiva porosità ed ad una perdita in resistenza meccanica.

43 Indurimento di un CACs La resistenza meccanica è elevata allinizio per la formazione del CAH 10, subisce un decremento dovuto alla trasformazione di fase e infine riprende a crescere per la ripresa dellidratazione.

44 Cementi a presa rapida Varie combinazioni di CACs, CŠH 2, CH e cemento Portland portano alla rapida formazione di Ettringite, con abbondante assor- bimento dacqua e con accelerazione del feno- meno della presa

45 Cementi Espansivi Un normale cemento Portland si espande durante lidratazione, ma la perdita dacqua per evaporazione supera questa variazione di volume. Se il cemento è trattenuto si possono generare delle tensioni che possono portare a rottura.

46 Cementi Espansivi I cementi espansivi possono essere divisi in due categorie: COMPENSANTI CONTRAZIONE Lespansione ha il solo scopo di prevenire la rottura AUTO STRESSANTI Per produrre calcestruzzi precompressi

47 Cementi Espansivi A seconda della miscela usata i cementi si dividono in: Tipo K: Cem. Portland, CŠH 2, C 4 A 3 Š, CH (in proporzioni variabili) Tipo M: Cem. Portland, CACs, CŠH 2 ( ) Tipo S: Cem. Portland high C 3 A, CŠH 2 (in proporzio- ni variabili) Per ottenere lespansione si provoca la formazione di ettringite, composto che da cristalli con un elevato volume e dotati di ottime resistenze meccaniche

48 Meccanismo di espansione Tipo K Lespansione è dovuta alla crescita di cristalli di Ettringite secondo la seguente reazione: C 4 AŠ 3 +8CŠH 2 +6CH+74H 2 03C 6 AŠ 3 H 32 Il CH favorisce questa reazione aumentando la concentrazione di ioni Ca 2+ e localizzando la crescita dei cristalli solo sui grani di C 4 AŠ 3

49 Meccanismo di espansione Tipo K Inizialmente i cristalli di Ettringite che si formano sui grani di C 4 AŠ 3 sono piccolissimi e non orientati

50 Meccanismo di espansione Tipo K Raggiunto un certo grado di sviluppo ( ~ 50%) iniziano a formarsi grossi cristalli aghiformi di Ettringite che crescono radialmente

51 Ettringite

52 Meccanismo di espansione Tipo K Lespansione inizia nel momento in cui in cristalli in crescita si toccano ed iniziano ad esercitare una spinta reciproca


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