Nello studio chimico fisico dei cementi abitudine abbreviare le formule degli ossidi

più comuni a singole lettere:

• 3CaO·Al2O3 viene abbreviato in C3A

C = CaO

S = SiO2

A = Al2O3

Š = SO3

• Le abbreviazioni più comuni sono:

Composizione Cemento Portland

• CaO 58 – 68 %

• Al2O3 4 – 8 %

• Fe2O3 2 – 5 %

• SiO2 16 – 26 %

• MgO 1 – 4 %

• Na2O +K2O 0 – 0.6 %

• SO3 0.1 – 2.5 %

1335°C

Aggiungendo Fe al sistema

la T di fusione si abbassa a

1280°C

La cottura deve avvenire a T superiore a 1400°C. A T più bassa

scompare il campo del C3S e verrebbero prodotti CaO e C2S.

• Presenza del 20-30% materiale fuso

• E’ seguito da

un rapido raffreddamento per stabilizzare le fasi di alta T

La cottura delle materie prime, costituite principalmente da argille (20-25 %), calcari

e marne avviene in forni rotanti:

Principali componenti del clinker di un cemento Portland:

• Silicato tricalcico

• Silicato dicalcico

• Alluminato tricalcico

• Alluminato ferrito tetracalcico

C3S

C2S

C3A

C4AF

CŠH2•Gesso

A cui viene aggiunto come ritardante di presa:

L’Idratazione di un cemento:I silicati

C3S + H2O C-S-H + CH

C2S + H2O C-S-H + CH

L’idratazione di un cemento

C3S e C2S

H20

C-S-H

C-S-H

L’Idratazione di un cemento:Gli alluminati

C3A + H2O alluminati idrati

C4AF + H2O alluminati ferriti idrati

L’Idratazione di un cemento:Gli alluminati e il gesso

+ H2O + CŠH2

C4AF

C3A

C6AŠ3H32

ETTRINGITE

L’idratazione di un cemento

C3A e C4AF Gesso

H20Ettringite e Ca-alluminati idrati

Alluminato tricalcico idrato

Ettringite

CEMENTI COMPOSITI

Cementi compositi

C. Portland+

Pozzolananaturale

C. Portland+

Loppa d'altoforno

C. Portland+

Flyash

C. Portland+

Fum o di silice

Cem enti com positi

• 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

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:

Materialepozzolanici

Leganti idraulicinascosti

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

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

Reazione pozzolanica• Viene chiamata “reazione pozzolanica” l’azione

della calce, prodotta nei cementi Portland dall’idratazione dei silicati sui materiali pozzolanici, che porta alla formazione di C-S-H secondario

• E’una reazione più lenta di quella che produce C-S-H a partire da C3S e C2S

Pozzolana + CH + H2O C-S-H

Eliminazione del CH

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

CH

Eliminazione del CHIl CH è solubile in H2O e quindi verrebbe portato in

soluzione lasciando al suo posto dei pori che diminuirebbero resistenza meccanica e impermeabilità

del cemento

H2O Struttura più porosa

Loppa d’altoforno• 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 all’interno del medesimo stabilimento. Di norma elevata in SiO2 e spesso in Al2O3

• Tramite raffreddamento rapido si forma un materiale che contiene dal 50% al 95%di vetro molto reattivo

• E’ un legante idraulico nascosto

Cementi d’altoforno• Si possono produrre cementi con percentuali di

loppa anche superiori all’80% ( i più comuni ne hanno circa il 45%)

Vantaggi

• Prodotti d’idratazione 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

• L’idratazione della loppa è più lenta di quella del cemento. Questo comporta basse resistenze meccaniche ai brevi tempi

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 SiO2, Al2O3 e variabili in CaO

• E’ formata da microsfere (5-90μm) vetrose (fino all’80–90% ) 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

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

Na2O 1.5 CaO 2.4

MgO 1.6 TiO2 0.9

Al2O3 27.9 Mn2O tr.

SiO2 48.7 Fe2O3 9.5

P2O5 0.2 C 1.5

SO3 1.2 H2O 0.3K2O 4.2 Totale 99.9

Cementi con Flyash

Vantaggi

• Prodotti d’idratazione e microstruttura e simile a quella del c. Portland• Eliminazione del CH• Minor richiesta d’acqua• Maggiore lavorabilità grazie alla microstruttra sferica delle particelle vetrose

Svantaggi

•Presenza di carbone incom- busto che scolorisce il cemento e interferisce con gli additivi•L’idratazione della loppa è più lenta di quella del cemento. Questo comporta basse resistenze meccaniche ai brevi tempi

Fumo di silice

• E’ un sottoprodotto del processo produttivo del Si metallico e delle leghe Fe-Si

• E’ composto al 95-99.5% di microsfere vetrose (~0.1μm) e quindi capace di riempire gli interstizi lasciati dal cemento

• Composto quasi esclusivamente da SiO2

• E’ un materiale pozzolanico

Cementi con Fumo di silice

Vantaggi

• Prodotti d’idratazione simili a quella del cem. Portland• Eliminazione del CH• Microstruttura più compatta con bassa permeabilità e alte resistenze meccaniche

Svantaggi

•Maggiore richiesta d’acqua compensabile con l’aggiunta di additivi superplasticizzanti

•Non può essere utilizzato in percentuali superiori al 10-15% per non abbassare troppo la lavorabilità

CEMENTI CALCIO ALLUMINOSI

(CACs)

CACs

• I cementi calcio alluminosi sono ricavati dalla cotturain forni rotanti , a circa 1450-1600°C, di calcari, calce viva, bauxite o altri materiali poveri in SiO2

• 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

Composizione CACs con 50% Allumina

• CaO 34 – 39 %

• Al2O3 49 – 55 %

• Fe2O3 + FeO < 3.5 %

• SiO2 4 – 6 %

• TiO2 ~ 2 %

• MgO ~ 1 %

• Na2O +K2O < 0.4 %

• SO3 < 0.3 %

CACs

• C12A7, C2S

• C2S, C2AS

• C2AS, Wustite

A seconda della composizione, e delle condizioni ossidoriduttive in fase di cottura, possono venire

raggiunte diverse combinazioni di fasi all’equilibrio.CA (40-50%) e Ferrite (20-40%) sono sempre

presenti in più è possibile trovare:

Idratazione di un CACs

• Raramente viene raggiunto l’equilibrio• CA, C2AS 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:

Idratazione di un CACs

• La CA e se presente la C12A7, 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

• L’identità dei prodotti di idratazione tende a variare nel tempo

Idratazione di un CACs• L’identità degli idrati è fortemente influenzata dalla

temperatura• Si formano anche idrati con struttura amorfa o

disordinata che sono fasi intermedie della reazione di idratazione

CAH10

C2AH8+AH3

C3AH6

+AH3

Idratazione di un CACs• Variazioni di temperatura, anche dopo

l’indurimento, portano alla trasformazione di CAH10 e C2AH8 in C3AH6

• La velocità della trasformazione è dipendente dalla T. A 5°C dura anni ma a 50°C è virtualmente immediata

CAH10

C2AH8+AH3

C3AH6

+AH3

Presa di un CACs

• Attorno ai 30°C, ne CAH10, ne C2AH8 nucleano con facilità e quindi il C3AH6,

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:

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:

Indurimento di un CACs

• Notevoli diminuzioni di volume. Quando la CA viene idratata risulta che: il CAH10 ha un volume 3.64 volte superiore, il C2AH8 2.31 volte e il C3AH6 1.73 volte

• Liberazione di molta acqua

Il passare del tempo favorisce la trasformazione degli idrati di bassa temperatura in C3AH6. Questa

conversione porta due effetti negativi:

Indurimento di un CACs

• Questo problema è risolvibile con un adeguato rapporto w/c. Per rapporti w/c bassi c’è un basso grado di idratazione. La successiva conversione con diminuzione di volume è compensata da una ulteriore idratazione, che è consentita dall’acqua 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.

Indurimento di un CACs• La resistenza meccanica è elevata all’inizio per la

formazione del CAH10 , subisce un decremento dovuto alla trasformazione di fase e infine riprende a crescere per la ripresa dell’idratazione.

Cementi a presa rapida

• Varie combinazioni di CACs, CŠH2, CH e cemento Portland portano alla rapida formazione di Ettringite, con abbondante assor-bimento d’acqua e con accelerazione del feno-meno della presa

Cementi Espansivi

Un normale cemento Portland si espande durante l’idratazione, ma la perdita d’acqua per evaporazione supera questa variazione di volume.

Se il cemento è trattenuto si possono generare delle tensioni che possono portare a rottura.

Cementi Espansivi

I cementi espansivi possono essere divisi in due categorie:

COMPENSANTI CONTRAZIONE

L’espansione ha il solo scopo di

prevenire la rottura

AUTO STRESSANTI

Per produrre calcestruzzi

precompressi

Cementi Espansivi

A seconda della miscela usata i cementi si dividono in:• Tipo K: Cem. Portland, CŠH2, C4A3Š, CH (in

proporzioni variabili)• Tipo M: Cem. Portland, CACs, CŠH2 (66-20-14)• Tipo S: Cem. Portland high C3A, CŠH2 (in proporzio-ni

variabili)

Per ottenere l’espansione si provoca la formazione di ettringite, composto che da cristalli con un elevato volume e dotati di ottime resistenze

meccaniche

Meccanismo di espansione Tipo K

• L’espansione è dovuta alla crescita di cristalli di Ettringite secondo la seguente reazione:

C4AŠ3+8CŠH2+6CH+74H20 3C6AŠ3H32

• Il CH favorisce questa reazione aumentando la concentrazione di ioni Ca2+ e localizzando la crescita dei cristalli solo sui grani di C4AŠ3

Meccanismo di espansione Tipo K

• Inizialmente i cristalli di Ettringite che si formano sui grani di C4AŠ3 sono piccolissimi e non orientati

Meccanismo di espansione Tipo K

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

Ettringite

Meccanismo di espansione Tipo K

• L’espansione inizia nel momento in cui in cristalli in crescita si toccano ed iniziano ad esercitare una spinta reciproca