3CaO·Al 2 O 3 viene abbreviato in C 3 A

1. Nello studio chimico fisico dei cementi abitudine abbreviare le formule degli ossidi più comuni a singole lettere: • 3CaO·Al2O3 viene abbreviato in C3A • Le abbreviazioni più comuni sono: C = CaO S = SiO2 A = Al2O3 Š = SO3

2. 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 %

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

4. 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.

5. Presenza del 20-30% 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. A cui viene aggiunto come ritardante di presa: • Gesso CŠH2 Principali componenti del clinker di un cemento Portland: • Silicato tricalcico • Silicato dicalcico • Alluminato tricalcico • Alluminato ferrito tetracalcico C3S C2S C3A C4AF

8. C3S + H2O C-S-H + CH C2S + H2O C-S-H + CH L’Idratazione di un cemento:I silicati

9. H20 C-S-H L’idratazione di un cemento C3S e C2S

10. C-S-H

11. C3A + H2O alluminati idrati C4AF + H2O alluminati ferriti idrati L’Idratazione di un cemento:Gli alluminati

12. C3A + H2O + CŠH2 C6AŠ3H32 C4AF ETTRINGITE L’Idratazione di un cemento:Gli alluminati e il gesso

13. H20 Ettringite e Ca-alluminati idrati L’idratazione di un cemento C3A e C4AF Gesso

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: Leganti idraulici nascosti Materiale pozzolanici

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. Pozzolana + CH + H2O C-S-H 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

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

23. H2O Eliminazione del CH Il 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 Struttura più porosa

24. 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

25. Cementi d’altoforno • Si possono produrre cementi con percentuali di loppa anche superiori all’80% ( i più comuni ne hanno circa il 45%) • Svantaggi • L’idratazione della loppa è • più lenta di quella del • cemento. Questo comporta • basse resistenze meccaniche • ai brevi tempi • 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

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 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

27. 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 0.3 K2O 4.2 Totale 99.9 Flyash • La cenere volante può sostituire il cemento in per- centuali molto variabili. Di norma tra il 35% e il 45%

28. 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

29. 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

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

31. CEMENTI CALCIO ALLUMINOSI(CACs)

32. 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

33. 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 %

34. CACs 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: • C12A7, C2S • C2S, C2AS • C2AS, Wustite

35. Idratazione di un CACs Bisogna però tener presente che: • 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

36. 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

37. 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 C2AH8+AH3 C3AH6 +AH3 CAH10

38. 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 C2AH8+AH3 C3AH6 +AH3 CAH10

39. Presa di un CACs Come la composizione delle fasi anche il tempo di presa è fortemente influenzato dalla T: • Attorno ai 30°C, ne CAH10, neC2AH8 nucleano con facilità e quindi il C3AH6, che si deve ottenere per trasformazione di fase da uno di questi, si forma lentamente

40. Presa di un CACs Il tempo di presa è influenzato da altri due fattori: • 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

41. Indurimento di un CACs Il passare del tempo favorisce la trasformazione degli idrati di bassa temperatura in C3AH6. Questa conversione porta due effetti negativi: • 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

42. Indurimento di un CACs Entrambi questi effetti porta alla formazione di una eccessiva porosità ed ad una perdita in resistenza meccanica. • 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

43. 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.

44. 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

45. 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.

46. 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

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

48. C4AŠ3+8CŠH2+6CH+74H20 3C6AŠ3H32 Meccanismo di espansione Tipo K • L’espansione è dovuta alla crescita di cristalli di Ettringite secondo la seguente reazione: • Il CH favorisce questa reazione aumentando la concentrazione di ioni Ca2+ e localizzando la crescita dei cristalli solo sui grani di C4AŠ3

49. Meccanismo di espansione Tipo K • Inizialmente i cristalli di Ettringite che si formano sui grani di C4AŠ3 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