Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Malte di calce idrauliche Con la scoperta della pozzolana.

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1 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Malte di calce idrauliche Con la scoperta della pozzolana cambiò radicalmente il processo produttivo delle malte e dei calcestruzzi!!! “Esiste una specie di polvere chiamata pozzolana che per natura possiede qualità straordinarie. Si trova nella Baia di Napoli e nelle terre circostanti il Vesuvio. Questa polvere mescolata con calce e sabbia rende la muratura talmente stabile che questa indurisce non sono negli edifici normali, ma anche sotto l’acqua” Vitruvio, De Architectura

2 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Malte di calce idrauliche Sebbene la scoperta della pozzolana sia attribuita ai Romani sembra che già nel X sec. a.C. i Fenici e gli Israeliti abbiamo utilizzato miscele di calce e pozzolane in opere idrauliche (Cisterne di Gerusalemme). Anche i Greci utilizzarono cenere vulcanica e risale al 2000 a.C. l’impiego di calce e argilla cotta macinata in alcune costruzione dell’isola di Creta. Il merito dei Romani consiste nell’impiego razionale e costante della pozzolana in parziale sostituzione della sabbia normale. Essi si resero conto che grazie alla combinazione della calce con la pozzolana la malta diventava idraulica: era in grado di indurire anche sott’acqua ed aveva una resistenza meccanica maggiore.

3 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli POZZOLANA materiale incoerente, essenzialmente vetroso, originatosi dal rapido raffreddamento della lava proiettata in aria durante una eruzione vulcanica (materiale vulcanoclastico), a base prevalentemente di SiO 2 e in quantità minori di Al 2 O 3 Pozzolana + calce aerea Malta idraulica (resistente all’acqua) Pozzolana di Bacoli (1000X) Tipica struttura vaculare vetrosa

4 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Silice (SiO 2 ) O Si Ossigeno O Silicio Si

5 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Silice (SiO 2 ) Ossigeno O Silicio Si Amorfa (es. silice della pozzolana) Cristallina (Quarzo) (es. silice di alcune sabbie)

6 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Ca(OH) 2 + SiO 2 (amorfa) + H 2 O  C-S-H a T ambiente (pozzolana) Reazione pozzolanica Ca(OH) 2 + Al 2 O 3 (amorfa) + H 2 O  C-A-H (calce) COMPOSTI IDRAULICI FORTEMENTE INSOLUBILI IN ACQUA

7 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calce aerea + polvere di mattone Malta idraulica (resistente all’acqua) Villa di Asinio Pollio Felice (Sorrento) Malte di calce idrauliche

8 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Materia prima: argilla I mattoni Produzione: 1.Impasto dell’argilla con acqua 2.Formatura 3.Essiccazione 4.Cottura a 600-700 °C

9 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Costituzione chimica dell’argilla L’argilla è una roccia sedimentaria costituita da silicati idrati di alluminio con struttura reticolare stratificata la cui formula generale è: xAl 2 O 3 · ySiO 2 · zH 2 O I minerali argillosi più importanti sono: 1.CAOLINITE Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O 2.MONTMORILLONITE Al 2 O 3 · 4SiO 2 · H 2 O

10 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Trattamento termico delle argille durante la cottura del mattone xAl 2 O 3 · ySiO 2 · zH 2 OxAl 2 O 3 + ySiO 2 + zH 2 O 600-700 °C vapore Solidi amorfi Stessi componenti della pozzolana Reattività con la calce Attività pozzolanica

11 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calce aerea + tufo Malta idraulica (resistente all’acqua) Perchè il tufo rende idraulica la malta? Malte di calce idrauliche

12 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Costituzione mineralogica e chimica del tufo zeolitizzato I tufi zeolitizzati sono materiali di origine vulcanica costituiti da fasi vetrose e fasi cristalline essenzialmente zeolitiche M x/z [Al x Si 1-x O 2 ] y H 2 O I minerali zeolitici sono da un punto di vista chimico dei silico- alluminati di metalli alcalini e/o alcalino terrosi di formula empirica generale: dove M è il catione, z la valenza e y il numero di molecole di acqua

13 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli La struttura è generalmente molto aperta e contiene canali e cavità (struttura microporosa) nei quali sono contenuti i cationi e le molecole d’acqua. = molecole d’acqua = cationi Struttura di una zeolite Struttura microporosa Elevata area superficiale specifica Elevata reattività chimica

14 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Ca(OH) 2 + Tufo + H 2 O  C-S-H + C-A-H + altri prodotti a T ambiente Reazione pozzolanica del tufo (calce) COMPOSTI IDRAULICI FORTEMENTE INSOLUBILI IN ACQUA

15 Confronto tra malta aerea e malta idraulica con “pozzolana”

16 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calci idrauliche L’invenzione della calce idraulica è attribuita a John Smeaton che nel 1750 la produsse e la utilizzo nella costruzione del faro marino di Eddystone. Tuttavia gli impieghi di calce idraulica anche se prodotta empiricamente risalgono a due secoli prima: 1570 Palladio ottenne una calce idraulica a partire da un calcare proveniente dalla zona di Padova. Il comportamento idraulico di queste calci era dovuto alla presenza di impurità argillose nel calcare di partenza (calcari marnosi o marne).

17 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calci idrauliche xSiO 2 yAl 2 O 3 zH 2 O →xSiO 2 + yAl 2 O 3 + H 2 O A circa 900°C avviene la decomposizione del calcare: Nella cottura del calcare marnoso si verificano le seguenti reazioni, a circa 500°C si decompone l’argilla in silice e allumina: CaCO 3 →CaO + CO 2

18 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calci idrauliche Sempre a 900°C l’ossido di calcio in parte reagisce con la silice e l’allumina prodotte dalla dissociazione dell’argilla per dar luogo a composti quali il silicato bicalcico e l’alluminato monocalcico. Nel prodotto cotto sono presenti anche ossido di calcio, silice ed allumina non reagite. Con l’aggiunta di acqua si può convertire CaO in idrossido.

19 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli Calci idrauliche Le calci idrauliche hanno una presa in parte AEREA, per la presenza di Ca(OH)2 e in parte IDRAULICA per la presenza di silicati e alluminati di calcio che si originano in fase di calcinazione. PRESA E INDURIMENTO -CH + CO 2  CaCO 3 -CS + H 2 O  CSH e CA-H 2 O  CAH L’IDRAULICITA’ della calce è quindi funzione della quantità di minerali argillosi presenti nella materia prima. Viene espresso come il rapporto in percentuale degli ossidi presenti: I = (SiO 2 + Al2O 3 +Fe 2 O 3 )/CaO+MgO

20 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione - Università Federico II di Napoli La normativa UNI EN 459-1 (2002) Calci idrauliche naturali (NHL): calci prodotte da calcari più o meno argillosi. Calci idrauliche naturali con materiali aggiunti (NHL-Z): calci idrauliche con l’aggiunta di prodotti speciali che possono contenere idonei materiali pozzolanici o idraulici fino al 20% in massa. Calci idrauliche (HL): calci costituite da idrossido di calcio e silicati e alluminati di calcio prodotti mediante miscelazione di materiali appropriati.