Calci e Cementi

I MATERIALI TRA TRADIZIONE E INNOVAZIONE: LE CALCI E I CEMENTI E' importante, prima di trattare le calci e i cementi, introdurre la definizione di legante. Si dicono LEGANTI i materiali, ottenuti dalla cottura di particolari rocce e appositamente preparati, che, commisti all'acqua, generano un impasto plastico capace di assumere, attraverso reazioni chimiche irreversibili, una consistenza litoide e di acquistare una buona aderenza alle superfici con cui viene a contatto. I leganti, di norma impiegati con l'aggiunta di sabbia, o di sabbia e ghiaia di varia granulometria, danno luogo a prodotti di fondamentale importanza per la costruzione: LEGANTE + ACQUA = PASTE, STUCCHI, BOIACCHE LEGANTE + ACQUA + SABBIA = MALTE LEGANTE + ACQUA + SABBIA + GHIAIA = CALCESTRUZZI O CONGLOMERATI I leganti sono distinti in LEGANTI AEREI (se i loro impasti sono capaci di far presa soltanto in presenza dell'aria) e LEGANTI IDRAULICI (se i loro impasti, dopo la presa, possono indurire sia se lasciati all'aria sia se immersi permanentemente nell'acqua), e sono caratterizzati dalle fasi di PRESA e di INDURIMENTO. La pasta, ottenuta mescolando il legante con l'acqua conserva, per un certo tempo, la sua "plasticità", per poi consolidarsi perdendo la possibilità di essere ulteriormente modellata, fino a raggiungere, in un tempo più o meno lungo, la consistenza definitiva. Si definisce PRESA la fase iniziale, di pochi minuti per alcuni leganti ma più frequentemente di alcune ore, al termine della quale l'impasto ha perso quasi completamente la sua lavorabilità. Si DEFINISCE indurimento la fase seguente alla presa che, per la maggior parte dei leganti, si protrae per varie settimane. Durante questo periodo si completano le complesse reazioni chimiche tra i leganti e l'acqua. Per eseguire i controlli, in genere, si considera come valore finale della resistenza meccanica quello raggiunto alla scadenza di 28 giorni. I leganti, inoltre, sono caratterizzati dalle materie prime da cui derivano, dalla temperatura di cottura e dal tipo di preparazione, dagli impieghi nella costruzione e dalle modalità di commercializzazione. Un legante aereo classico è la CALCE. La calce aerea è costituita di carbonio di calcio (CaCo3) che attraverso trasformazioni chimiche prodotti dalla sua calcinazione in forni alla temperatura di circa 900°C, diventa calce viva (ossido di calcio (CaO). Questa non è direttamente usata in edilizia ma deve essere addizionata con acqua e ridotta allo stato di calce spenta (idrossido di calcio, Ca(OH)2). Non si utilizzano, quindi, materie prime costose ma i maggiori oneri sono dovuti all'esecuzione della cottura del materiale. Il calcare da utilizzare è il microcristallino in quanto questo è più difficile sia da sgretolare che da modificare per aumento della temperatura. Il materiale una volta estratto deve essere studiato perchè può contenere impurezze; maggiori sono le impurezze peggiore è la resa. I principali intrusi sono: silice e magnesio (carbonato misto di calcio e magnesio = dolomia). Mentre il carbonato di calcio si decompone a 900°C, il dolomia a soli 600°C. Quindi l'ossido di magnesio se cotto sino a 900°C dà problemi di velocità ridotta di trasformazione a contatto con l'acqua. La cottura avviene in forni verticali inserendo dall'alto, alternativamente, carbonato di calcio e combustibile (carbone); la cenere che si forma, però, determina impurezze nella calce e quindi diminuisce la qualità. E' per questo che oggi si preferisce inserire il carbone in camini contigui al forno ove si continua ad inserire il carbonato di calcio. L'ossido di carbonato viene macinato e in seguito amalgamato con l'acqua. Lo spegnimento della calce viva era in passato un'operazione caratteristica dei cantieri edili, mentre ora viene condotta quasi esclusivamente presso gli impianti di produzione, dov'è possibile procedere con tecniche industrializzate, in grado di garantire una elevata e costante qualità del prodotto. La calce viva viene immessa in apposite attrezzature e irrorata con acqua, avidamente assorbita dalla massa che si gonfia e si screpola, riscaldandosi per reazione chimica fino ad oltre 100°C. Quando l'acqua ha raggiunto la quantità sufficiente per il completo spegnimento, l'impasto assume l'aspetto di una poltiglia lattiginosa (il latte di calce) che, lasciata raffreddare e sedimentare, si trasforma in una massa bianca, plastica e untuosa, che prende il nome di grassello. Sono tipici degli intonaci realizzati con calce aerea non perfettamente spenta i cosiddetti calcinaroli. In fase di cottura il carbonato di calcio può essere portato a temperature più alte (stracotto) o più basse (incotto) e quindi la massa della "calce idrata" si idrata diversamente non determinando successivamente un uniforme manto. Ciò perchè l'idratazione è proporzionale all'aumento di volume. Quindi se una zona aumenta di volume in misura maggiore di un'altra, si determinano bolle e persino spaccature. Importante per la calce è il requisito della resa in grassello, ovvero il volume massimo che può avere la calce idrata e stabilisce se può essere utilizzata come buon intonaco. E' una delle proprietà della calce idrata assieme alla densità, alla finezza di macinazione (superficie specifica), plasticità, stabilità. Inoltre, per la calce idrata in polvere valgono i seguenti requisiti: - contenuto di umidità : < 3%; - contenuto in carboni e impurità: < 6%; - contenuto di idrati di calcio e magnesio: se è > 91% si ha il fiore di calce; se è > 82% si ha la calce idrata da costruzione; - residuo al vaglio di 900 maglie/cm2: < 1% per il fiore di calce, < 2% per la calce idrata da costruzione; - residuo al vaglio da 4900 maglie/cm2: < 5% per il fiore di calce, < 15% per la calce idrata da costruzione; - stabilità di volume: assenza di fessurazioni e punti di rigonfiamento. Infine, per concludere il discorso sulle calci aeree è importante evidenziare l'incompatibilità tra calci aeree e altri materiali. La calce aerea, e le malte che ne derivano, aggrediscono le tubazioni di piombo e quelle di acciaio zincato, come anche i manufatti anodizzati, in quanto si tratta di elementi che reagiscono con l'idrossido di calcio. Per questo è molto importante proteggere con cura gli elementi metallici mediante fasciatura o altri sistemi che evitino il contatto con tali malte. Altro legante aereo classico è il gesso, di cui si dà una sintetica presentazione. E' il prodotto risultante dalla trasformazione di una roccia sedimentaria, di struttura cristallina, molto diffusa in natura, la pietra da gesso, costituita essenzialmente di solfato di calcio biidrato (CaSO4 2H2O). Tale roccia, sottoposta a cottura a determinate temperature subisce una reazione chimica, perdendo una parte o tutta l'acqua che contiene e trasformandosi in emidrato o in anidrite. Una volta cotta e macinata, essa si riduce in 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 si 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, cioè l'acqua persa durante la cottura. Dei leganti idraulici, invece, grande importanza assume il cemento. Il capostipite è il cemento Portland. E' l'erede del cemento pozzolanico utilizzato dai romani. Il nome Portland deriva dalla regione inglese ove fu prodotto per la prima volta. E' determinato da calcare e argilla. L'argilla è un composto a base di silice e alluminio che portato ad alta temperatura (1400 - 1500°C) dà luogo ad alluminati ed argillati di calce. E' ovvio che calcare e argille vanno composti in opportuni rapporti. Si hanno: silicato tricalcico, silicato bicalcico, alluminato tricalcico, alluminio ferritetracalcico (rispettivamente C2S, C3S, C3A, C4AF). Questo è il clinker di Portland che si ricava dalla cottura. Esso è duro, non cristallino, deve essere mescolato con solfato di calcio biidrato. Vengono utilizzati forni rotativi costituiti da lunghi cilindri disposti con l'asse leggermente inclinato rispetto all'orizzontale. E' fatto in modo che ad una estremità vi siano 1400°C e all'altra vi siano vapori a 200°C. Il materiale prima viene inserito a piccole sfere per rendere agevole lo scorrimento del materiale. Il forno è lungo circa 100 metri. Si ricorda che si trattano materiali poco conducibili termicamente quindi bisogna fare in modo (con lo scivolamento) che l'aumento della temperatura avvenga in maniera graduale. E' importante il recupero del calore al fine del risparmio energetico dato che già si utilizza energia per la frantumazione, per l'amalgamento, ... Così si utilizzano i fumi come carburante dato che essi hanno temperatura maggiore rispetto a quella ambiente e quindi diminuisce il carburante da aggiungere. Il forno viene così modificato in modo da utilizzare i 500°C circa del vapore che poi si disperde giunto a bassa temperatura. Il clinker viene poi raffreddato e macinato. Oggi si utilizzano torri alte oltre 20 metri in modo che prima di giungere nel forno si abbiano circa 900°C e poi nel forno si ultima la cottura; in questo modo il forno dai 100 metri si riduce a circa 30. I diversi tipi di cementi Portland si distinguono per la finezza del materiale e non per la modalità di "fabbricazione". La UNI ENV 197/1 distingue i seguenti tipi principali di cementi comuni: - tipo I cemento Portland: è ottenuto dalla macinazione di almeno il 95% di clinker, con l'aggiunta di solfati di calcio, dosati nella quantità necessaria per regolarizzare il processo d'idratazione ,e di costituenti secondari nella percentuale massima del 5%; - tipo II cemento Portland composito: si differenzia dal Portland poiché può contenere fino al 35% di un altro costituente. E' un tipo di cemento usato da molti anni in Europa ,introdotto in Italia per effetto della norma citata; - tipo III cemento d'altoforno: è costituito da una miscela omogenea ottenuta dalla miscelazione di clinker Portland con l'aggiunta di loppa granulata d'altoforno e regolarizzatori di presa; - tipo IV cemento pozzolanico: si ottiene aggiungendo, al momento della macinazione del clinker, pozzolana o altri materiali a comportamento pozzolanico(ceneri volanti, micro silice ecc.); - tipo V cemento composito: si ottiene aggiungendo loppa d'altoforno e uno o più componenti pozzolanici al clinker. E' un tipo di cemento, diffuso soprattutto in Francia e Spagna ,che viene introdotto dalla norma citata. Il cemento Portland ha un colore grigiastro dovuto alla presenza del ferro (in piccole quantità). Quando si vuole il cemento bianco (decorativo) bisogna utilizzare elementi diversi: argilla caolilitica (non contiene ferro) e bisogna produrre caolite (per ottenere il silicato tricalcico). Tutto ciò però determina un elevato costo di produzione. Il clinker di Portland contiene C3S, C2S, C3A, C4AF. Il cemento di Portland contiene C3S, C2S, C3A, C4AF + CaSO4 + 2H2O. La presenza di C3A determina una eccessiva cessione di calore per questo motivo il calore di idratazione viene ottenuto da getti d'acqua. Quindi per fare dighe (opere di piccolo spessore) o simili non è possibile utilizzare il cemento di Portland. Si utilizza così un altro composto che non contiene C3A, trasformato in C4AF dalla maggiore aggiunta di CF (infatti CF + C3A determina C4AF e C3A rimane perchè è poco il CF). Per ottimizzare la resa meccanica va diminuita la presenza di C3S. Otteniamo così un cemento più freddo, ovvero viene ridotto al minimo il calore di idratazione. Altero quindi solo il tempo di presa, che aumenta. Inoltre anche la macinazione è leggermente meno fine. Questo è il cemento ferrico (o Ferrari). Cemento pozzolanico. Essendo il cemento Portland anche solubile (Bacillo di Portland), non può sopportare contatto continuo con l'acqua altrimenti si avrebbe si avrebbe disgregazione dovuto all'asportazione di calce (effetto dilavante). Onde evitare ciò si miscela col clinker di Portland altri materiali come la pozzolana. La pozzolana si ottiene da processi eruttivi poi intaccati da gelo e altro. La pozzolana contribuisce all'aumento della resa meccanica. Oggi vi sono altri materiali simili alla pozzolana che si utilizzano, come anche si utilizzano le "ceneri volanti" e i "fumi" di natura chimica. Le CENERI VOLANTI determinate da combustione di combustibili solidi (sono prevalentemente minerali come il silice). Hanno proprietà pozzolanica ovvero hanno proprietà di fissare la calce. E' ovvio che la pozzolana o gli elementi pozzolanici devono essere dosati opportunamente. Il cemento di altoforno. Il materiale che si utilizza è diverso dalla pozzolana. E' determinato da residui di produzione di ghisa. Sono minerali che deformano, assieme ad un alcalino, un materiale con proprietà simili alla pozzolana, anzi hanno la possibilità di sviluppare un volume maggiore e sono più impermeabili all'acqua. Anche il cemento d'altoforno necessita del clinker di Portland. Oggi vi è una normativa sulla accettazione dei leganti (cementi). Cementi normali: resistenza meccanica sino a 325 Cementi a rapida presa: resistenza meccanica anche maggiore utilizzando clinker più fine. Cementi d'altoforno: prima si utilizzava 80% di cemento d'altoforno e 20% di clinker. Cementi pozzolanici: prima si utilizzava 35% di cemento pozzolanico e 65% di clinker. Per il cemento le prove di accettazione previste dal D.M. 13/09/1993 sono: - PROVE MECCANICHE: - prova a flessione; - prova a compressione; - PROVE FISICHE: - prova di indeformabilità (o di stabilità); - tempo di inizio presa; - PROVE CHIMICHE: - perdita al fuoco; - residuo insolubile; - contenuto di SO3; - contenuto di cloruri; - saggio di pozzolanicità. Sommariamente si ricorda che: le classi di cemento più comuni sono la 32,5 , la 42,5 e la 52,5 ; la R contrassegna la elevata resistenza iniziale: oggigiorno la legge prevede solo che la presa inizi dopo 45 minuti.