LEGANTI Materiali impiegati per unire stabilmente materiali da costruzione per opere murarie (pietre, laterizi, ecc. ) sia prodotti che, dopo opportuna trasformazione diventano essi stessi materiali da costruzione Di uso generale Di uso speciale Cemento Sorel o magnesiaco, usato per gli abrasivi Gesso Leganti aerei Fanno presa ed induriscono in aria Leganti idraulici Fanno presa e mantengono la loro resistenza anche sott’acqua Alluminosi Impieghi non strutturali Calce aerea Silico-calcarei

La Calce Aerea Calce è un termine generico che comprende i prodotti e le forme chimiche e fisiche, sotto le quali possono presentarsi gli ossidi e/o idrossidi di calcio e/o magnesio. Già i Romani ed i Fenici prima avevano imparato ad usare la calce come materiale da costruzione, mescolata con la sabbia a formare la malta. Viene definita calce aerea per il fatto che indurisce per assorbimento dell'anidride carbonica dall'aria e rappresenta, sicuramente, il legante più tradizionale tra quelli tuttora impiegati. Originariamente era utilizzata, quasi esclusivamente, sotto forma di grassello di calce spento sul cantiere e stagionato, dopo aver combinato con acqua in eccesso l'ossido di calcio prodotto per calcinazione di minerali molto ricchi di carbonato di calcio. (calce viva).

La calce si ottiene per calcinazione di pietra calcarea, roccia sedimentaria, largamente diffusa in natura, attraverso i seguenti passi: 1) Selezione del calcare Le caratteristiche mineralogiche e chimiche dei calcari usati come materia prima sono di fondamentale importanza. I calcari più idonei alla fabbricazione della calce aerea devono avere una struttura microcristallina, e contenere percentuali di impurità, in particolare di natura argillosa, non superiori al 5%. 2) La cottura Il calcare viene immesso nei forni e portato a una temperatura prossima a 900°C. In tali condizioni il CaCO3 si decompone in ossido di calcio (calce viva) e anidride carbonica.

 3) Lo spegnimento La calce viva, messa a contatto con acqua reagisce con un forte sviluppo di calore e si trasforma in una polvere bianca chiamata calce spenta (o in una pasta detta grassello), chimicamente idrossido di calcio.   L’idrato di calcio ottenuto dallo spegnimento della calce viva con acqua in eccedenza, sino ad ottenere una pasta plastica e fine è il Grassello di calce . Nella produzione dei grasselli è molto importante il tipo di calcare usato, quanto il tempo di invecchiamento. Come già sapevano i Romani, il tempo di stagionatura dei grasselli di calce ne migliora la qualità e consente: - la decantazione delle impurità; - lo spegnimento omogeneo; - l'assenza di calcinaroli (granulo di calce non spento). I tempi minimi vanno dai 3 mesi per malte di allettamento e rinzaffi, 1 anno per tonachini monostrato colorati o per rasature, 3 anni per pitture e affreschi.

4) La carbonatazione L’indurimento in opera, in forma di malte, stucchi, pitture ecc., avviene tramite la carbonatazione. Tale processo, che può avvenire solo in presenza di anidride carbonica (e acqua libera) trasforma la calce spenta in calcite, chiudendo così il ciclo. La reazione è la seguente: Poiché in realtà la reazione avviene in fase acquosa l’espressione più rigorosa è.

La Calce Idraulica Le calci idrauliche sono materiali da costruzione tradizionali e costituiscono una tappa fondamentale della storia dei leganti impiegati nelle costruzioni prima dell'avvento del cemento Portland. Devono il loro nome alla capacità di fare presa e indurire anche se non esposte all’aria e questo grazie alla presenza, nella loro formulazione, di silicati reattivi in combinazione con idrossido di calcio. I primi esempi di impiego di malte idrauliche, ottenute per impasto di calce aerea e sabbia vulcanica, viene fatto risalire ai Fenici. In seguito tale tecnica fu ripresa dai Romani che usarono sia la sabbia di Pozzuoli (in latino pulvis puteolana, da cui pozzolana) sia il coccio pesto come riferisce Vitruvio nella sua opera De architectura (13 a.C. )

La pozzolana, inizialmente estratta dalle cave di Pozzuoli (lapilli), è un prodotto di origine vulcanica costituito prevalentemente da silicati idrati di allumina, da silice al 70%, ossido di ferro, potassio, sodio e magnesio. L'argilla cotta (cocciopesto), inerte usato fin dall’antichità, è un'argilla composta da silicato di alluminio cotto e frantumato. Si può considerare una pozzolana artificiale. La pozzolana ed il cocciopesto non si possono considerare degli inerti poiché, combinandosi con la calce e l'acqua danno origine a malte che hanno proprietà cementanti e idraulicità. L’impiego sia della pozzolana che del cocciopesto, grazie alla loro composizione reattiva, consentono alla malta aerea di acquisire caratteristiche meccaniche superiori e di ridurre i tempi di indurimento che, normalmente, sono abbastanza lunghi.

L'esistenza di calci, ottenute dalla cottura di calcari particolarmente ricchi di argille, note anche come 'calci forti', è ben documentata,(ad es. da G. Maggi nel 1564) ma fu solo nel Settecento che fu capito che il meccanismo di reazione della calce idraulica era legato alla presenza di impurità argillose, cominciarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare ed argilla. Nel 1756, J. Smeaton scoprì fortuitamente che la cottura del calcare contenente impurezze di argilla produceva un tipo di calce (la calce idraulica appunto) con caratteristiche analoghe a quelle della miscela calce-pozzolana L'aggettivo 'idraulico‘, riferito a un legante, è stato introdotto dall’ingegnere francese Louis Vicat (1786 –1861), che per primo stabilì in maniera precisa le proporzioni tra calcare e argilla necessaria a produrre materiali in grado di fare presa e indurire anche in assenza di aria, ovvero in presenza di acqua.

Plymouth Smeaton usò la calce idraulica di miscela [Ca(OH)2 + pozzolana] per sigillare i conci di granito con cui ha costruito il faro.

Con calci idrauliche si intendono prodotti derivati dalla calcinazione di calcari marnosi o marne calcaree (miscele naturali che presentano un certo tenore, dal 6 al 22%, di argille o altri alluminosilicati idrati) sottoposti a cottura a temperature generalmente comprese tra 1100 e 1250°C. In tali condizioni si forma ossido di calcio (CaO) che successivamente si combina in parte con la silice e l’allumina dell’argilla, formando silicati e alluminati di calcio idraulici, composti che reagendo chimicamente con l’acqua, formano idrati stabili ed insolubili che permettono al materiale di indurire e rimanere stabile anche sott’acqua (azione idraulica). Attualmente, in base alla norma UNI, ciò che commercialmente viene indicato come Calce Idraulica (sigla HL) non viene prodotto per cottura di marne o miscele di calcare ed argilla ma è ottenuto, di fatto, miscelando cemento Portland con un buon tenore di filler.

I prodotti ottenuti con la cottura di marne naturali oppure di mescolanze omogenee di pietre calcaree e di materie argillose sono indicati come Calci Idrauliche Naturali e vengono contraddistinte con la sigla NHL (Natural Hidraulic Limes) in quanto non sono modificate e idraulicizzate con l'aggiunta di materiali pozzolanici o idraulici (clinker, cemento, ceneri ecc).

C3S C2S 1260oC 850oC

All’uscita dal forno la calce idraulica è costituita da silicato bicalcico (C2S) e CaO, e quindi deve essere “spenta” L‘ estinzione della calce idraulica è una delle fasi più delicate della preparazione di tale legante. L’unica procedura di spegnimento possibile è con metodo stechiometrico, cioè l’acqua viene spruzzata in quantità strettamente necessaria sulle zolle in continuo rimescolamento all’interno di cilindri rotanti. Il calore di idratazione mantiene la temperatura intorno ai 100 °C facendo evaporare l’eventuale acqua in eccesso. In tali condizioni il C2S, data anche la sua bassa velocità di idratazione, rimane inalterato. Il materiale viene quindi stagionato e poi frantumato e sottoposto a macinazione in molini a sfere, così da ottenere un prodotto di elevata finezza, pronto all’uso.

La successiva presa e indurimento delle calci idrauliche avviene per i seguenti processi: - carbonatazione di Ca(OH)2 con formazione di CaCO3; idratazione di C2S e CA con formazione di CSH (silicati idrati di calcio) e CAH (silicati-aluminati di calcio) che hanno caratteristiche idrauliche. L’idraulicità della calce idraulica è quindi funzione della quantità di minerali argillosi presenti nella roccia di partenza o della quantità e qualità di materiali idraulicizzanti nelle miscele artificiali impiegate per la sua preparazione. L’INDICE DI IDRAULICITA’ viene quindi espresso come il rapporto tra le percentuali degli ossidi presenti nei materiali sopracitati:

In tabella sono riportate le caratteristiche delle varie calci idrauliche in funzione dell’indice di idraulicità Quando l’indice di idraulicità assume valori compresi tra 0.45 e 0.55, e la temperatura di cottura è più alta, si passa al campo dei cementi.

GESSO E’ il prodotto risultante dalla cottura e dalla macinazione di pietre solfatiche, in particolare della pietra da gesso. E’ una polvere bianca e untuosa, che al tatto dà una sensazione di umido. Al momento dell’impiego, il gesso riassorbe rapidamente l’acqua con la quale viene mescolato e indurisce, iniziando la presa in pochi minuti e completandola in meno di un ‘ora. Al termine del processo di presa il gesso ha riacquistato il grado di idratazione iniziale, reintegrando l’acqua persa durante la cottura. I leganti gessosi si usano per interni; non sono adatti per l’esterno perché il solfato di calcio è un sale relativamente solubile. Le prerogative del gesso come la sua incombustibilità o la sua capacità di assorbire umidità e restituirla quando l’ambiente diventa secco rendono questo prodotto un incomparabile materiale per interni.

Il gesso è tra i più antichi materiali da costruzione le cui applicazioni si fanno risalire a 7000 anni fa, era diffusissimo tra i Babilonesi e gli Egiziani che lo usavano come malta nella costruzione delle piramidi. Raggiunge l’apice con la decorazione degli edifici della civiltà islamica dell’antica Grecia e della Roma imperiale, per tutto il medioevo europeo e culminare nel Barocco e nel Rococò. Materie prime: pietra da gesso - contenente il minerale CaSO4  2 H2O pietra solfatica( o anidrite naturale) - contenente il minerale CaSO4 Processo di produzione: La materia prima, principalmente pietra da gesso, una volta estratta dalla cava viene frantumata, macinata e poi vagliata. La disidratazione avviene in forni, dove il materiale viene portato a temperature che si aggirano sui 160° C. Vengono poi eseguiti altri trattamenti per selezionare le caratteristiche del prodotto in base ai suoi impieghi.

2 (CaSO4  2 H2O)  2 CaSO4 ½ H2O + 3 H2O Esistono varie tipologie di gessi, ottenute per cottura a diverse temperature. Per comprendere queste tipologie di leganti, vediamo quali trasformazioni subiscono le pietre solfatiche alle varie temperature Fino a 40°C è stabile CaSO4  2 H2O (solfato di calcio biidrato) Da 40 a 107°C il sale biidrato si decompone formando il sale emiidrato: 2 (CaSO4  2 H2O)  2 CaSO4 ½ H2O + 3 H2O Da 107 a 170°C il sale emiidrato si trasforma nel sale anidro di tipo  2 CaSO4  H2O  2 CaSO4 () + H2O CaSO4 () è un cristallo con la stessa geometria dei cristalli idrati, quindi riassorbe acqua facilmente e può essere usato come legante

CaSO4 () (s)  CaO (s) + SO3 (g) A 170°C c’è solo CaSO4 () Da 170 a 300°C il sale anidro () si trasforma nel sale anidro () CaSO4 ()  CaSO4 () La forma cristallina () ha un’altra geometria: può riassorbire acqua, ma lentamente. A 300°C c’è solo CaSO4 () Da 300 a 525°C il sale anidro () si trasforma nel sale anidro () CaSO4 ()  CaSO4 () La forma cristallina () presenta ancora una diversa geometria e non riassorbe acqua: è detta gesso morto Da 525 a 800°C esiste solo CaSO4 () A temperatura maggiore di 800°C si ha la reazione di decomposizione: CaSO4 () (s)  CaO (s) + SO3 (g)

Alla temperatura di 1000°C si ha la miscela detta gesso idraulico CaSO4 () (s) + CaO (s) In questo caso è l’ossido che può subire idratazione Riassumendo i prodotti a base di gesso ottenuti a varie temperature di cottura ed il loro specifico impiego sono: Temperatura (°C) Composizione Denominazione Uso 120 – 150 2 CaSO4  H2O + CaSO4 () Scagliola Rivestimento per muri 200 CaSO4 () Gesso da formare Intonaci 400 – 500 CaSO4 () + CaSO4 () Gesso per pavimenti Sottofondi 1000 CaSO4 () (s) + CaO (s) Gesso idraulico

CaSO4 ( o )  2 CaSO4  H2O (s)  2 CaSO4  H2O (aq)  PRESA: E’ dovuta alla reidratazione del solfato di calcio, che coinvolge la diversa solubilità in acqua dei sali biidrato ed emiidrato. Alla fine del processo si ottiene il sale biidrato solido. H2O H2O H2O CaSO4 ( o )  2 CaSO4  H2O (s)  2 CaSO4  H2O (aq)  (emiidrato solido) (emiidrato disciolto) H2O  CaSO4  2 H2O (aq)  CaSO4  2 H2O (s) (biidrato disciolto) (biidrato precipitato) Il sale biidrato è meno solubile del semiidrato: (2,1 g/l contro 6,7 g/l). Quando l’emiidrato si trasforma nel biidrato, questo non può restare in soluzione e precipita. Alla fine si riottiene il solfato di calcio biidrato solido, che aderisce sul materiale a contatto. L’idratazione avviene con un aumento di volume dell’1 per mille e si forma un intreccio di cristalli filiformi, di densità minore del prodotto di partenza, che va ad occupare tutti gli interstizi presenti nell’opera.

La formazione del sale biidrato è accompagnata da svolgimento di calore (circa 25 cal/g per la sola idratazione). Da notare che acqua calda (~ 60 oC), allunga il tempo di presa che, al minimo, deve variare da 7 a 40 minuti, a seconda del tipo di gesso.

In fig. sono riportate le resistenze meccaniche del gesso sia a a trazione che a compressione, in funzione della quantità di acqua aggiunta. Da notare anche la variazione, anche se non eccessiva, della densità, dovuta alla crezione di porosità.

Il gesso ha reazione acida e perciò attacca i metalli, ma non viene attaccato dai microrganismi. Ha buona resistenza all’incendio e non propaga la fiamma. Dovendo cedere l’acqua di cristallizzazione è un buon schermo al calore. Infatti uno spessore di 10 mm blocca la temperatura a circa 120°C per 30 minuti se l’altra parete è a 800°C e 30 mm proteggono per 40 minuti a 1100°C.