Cemento

CEMENTO

Esso costa molto, il calcestruzzo no però, esso rispetto agli altri componenti è molto costoso.

È molto usato perché è un componente del calcestruzzo; ma perché il calcestruzzo è così usato? Perché si può fare con estrema facilità e di facile produzione con materie prime che si trovano ovunque, ma soprattutto col calcestruzzo si può fare qualsiasi cosa, che non è possibile invece fare col legno e il ferro. Quindi anche flessibilità nelle forme.

Si fa con:

3 quintali di cemento ogni metro cubo di calcestruzzo quindi immaginiamo quanto cemento è usato nelle costruzioni !!

Il calcestruzzo in prima approssimazione è fatto così:

acqua + cemento + sabbia + ghiaia

quindi una componente legante acqua + legante (cemento) che forma la pasta

e una componente lapidea sabbia + ghiaia (o pietrisco)

la differenza fra ghiaia e pietrisco sta nel fatto che la ghiaia non esiste più, cioè quelle pietre dilavate nei fiumi, il pietrisco proviene dalla frantumazione delle pietre nei mulini

Il fatto che questo materiale sia liquido comporta che il materiale si muove e che c'è una parte trasportata e una che trasporta

LA STORIA

Le materie prime del cemento sono argilla e calcare, e poi c'è la cenere di pirite che non è una materia prima ma che ha il compito di abbassare la temperatura di cottura, per cui si spende meno per produrre il cemento.

Questi materiali vanno messi in un forno e alla uscita abbiamo il clinker che sono palline grigie che hanno una reattività altissima che impediscono l'ulteriore reazione del cemento, il clinker di cemento ha granuli di 1 cm di diametro e una vola macinati arrivano ai decimi di millimetri. Si arriva quindi ad ottenere una polvere che deve essere protetta in modo che non si idrati, infatti poi il cemento viene impacchettato in modo tale che non penetri l'umidità. Gli stessi muratori sanno che una volta aperto il sacchetto si ha poco tempo per utilizzarlo perché poi si idrata.

Per rallentare l'idratazione del cemento si usa il gesso però man a mano che passa il tempo l'acqua scioglie il gesso e l'idratazione comincia. Il gesso lo metto nel mulino assieme al clinker, cenere volante, la loppa , il calcare, la pozzolana. Quello che ne viene fuori è il cemento. Ci sono più di 10 tipi di cemento tra i quali il progettista dovrà scegliere.

Le aggiunte possono arrivare fino all'85%, tutto il materiale va in una centrale di betonaggio, vengono inseriti assieme all'acqua, le fibre, sabbia, ghiaia, additivi, aggiunte minerali, ecc.

Poi il calcestruzzo viene trasportato in cantiere. Questa è una altra fase fondamentale, essa deve essere inferiore ai tempi di reazione del calcestruzzo. Tutte queste fasi sono concentrate nel raggio di circa 20 km.

Il tutto è riassunto in uno schema semplificato sulle slide.

IL FORNO

I forni sono lunghi fino a 10 metri e sono forni che lavorano 24 ore su 24 perché se per caso si dovessero spegnere sarebbe difficile e costosissimo riportarli a temperatura: il clinker cuoce a 1300°, quindi è chiaro che una volta arrivati a temperatura esso non si spegne più, l'aria viaggia in contro corrente

Dentro il forno avvengono infinite reazioni che partono dalla:

perdita d'acqua non legata (a 100°C)

decomposizione dell'argilla (a 500°C)

decomposizione dei carbonati (600-950°C)

reazione dei prodotti di decomposizione del carbonato di calcio e dell'argilla (600-1000°C)

formazione di C₃A e di C₂S alluminato tricalcico (1000-1200°C)

continua poi la formazione di C₂S, la cui concentrazione raggiunge il massimo a 1200 -1250°C

a 1250 - 1450 °C inizia la formazione di una fase liquida e si forma C₃S

il raffreddamento poi fa si che la fase liquida si trasforma in C₃A e in C₄AF silicato tricalcico che sarà quello ci darà la resistenza

MULINO

Anch'esso è una bestia di macchina, una decina di metri.

Il prodotto finale ha un diametro massimo di 100 micron, i granuli più grossi subiscono una ulteriore macinazione

Interessante è la slide che ci indica la scala delle unità di misura entro la quale noi ci muoviamo

Perché si formano i pori nel materiale?

Quando faccio reagire i granuli di cemento essi si rivestono del prodotto della reazione fra C₃A e C₄AF col gesso che formano la tringite, la formazione di tale prodotto sarà da  evitare perché è un prodotto che espande molto, addirittura i giapponesi lo usano per demolire gli edifici iniettandola nei pilastri e bagnandoli.

Quel rivestimento col tempo si rompe, arriva l'acqua che comincia a far idratare il granulo di cemento forma delle fibre di cemento a loro volta si intrecciano; in questo momento il sistema si irrigidisce e il nostro impasto non si muove più, il cemento sta indurendo.

In mezzo rimangono comunque dei vuoti che sono pieni di idrossido di calcio sciolto nell'acqua, essa cristallizzando non aumenta di volume quindi non ci crea problemi.

È chiaro che i pori fra le fibre non sono gli unici, ci possono essere anche i pori fra i granuli lo si vede bene da un immagine al microscopio. I pori pericolosi sono quelli fra i granuli e non quelli fra le fibre

LA VICINNZA O LA LONTANANZA tra i granuli dipende dal rapporto acqua/cemento

Se lo abbasso cioè riduco la quantità d'acqua faccio una struttura più densa e compattata, è chiaro che però devo dare un minimo d'acqua per consentire a tutti i granuli di sviluppare le fibre. L'acqua che do in più mi formerà i pori, quindi ai fini della resistenza del calcestruzzo è fondamentale il rapporto acqua cemento !!!!

Il C₃S è quello che sviluppa maggior resistenza a elevata velocità quindi il componente più significativo del cemento. Il C₂S raggiunge quasi la stessa resistenza ma ci mette molto più tempo a raggiungerlo

Il C₃A e il C₄AF hanno resistenze di molto inferiori e in realtà non mi servirebbero però non si possono eliminare dal cemento, il C₃A è prodotto dal gesso in eccesso

Quindi la resistenza la da il bicalcico e il tricalcico

LO SVILUPPO DELLA RESISTENZA MECCANICA

Non dipende solo dal fatto che ci sia silicato bicalcico o tricalcico

La velocità di sviluppo della resistenza si può aumentare macinando più finemente il cemento, avrò così i cementi a rapido indurimento e ad alta resistenza.

È chiaro che siccome è una reazione chimica, aumentando la temperatura, aumenta anche la resistenza e la velocità di indurimento

Poi ci sono gli acceleranti non di presa ma di indurimento che mi lascano opportuna lavorabilità all'inizio ma accorciano i tempi di presa; attenzione perché essi provocano accelerazione dei tempi di indurimento ma diminuiscono la resistenza !!

Un problema enorme è lo sviluppo di calore che un getto sviluppa, si arriva facilmente a 70 - 80°C. Il calore dipende dai costituenti del cemento

C₃S     500 KJ/Kg

C₂S     KJ/Kg

C₃A     1000 KJ/Kg

C₄AF 400 KJ/Kg

Lo sviluppo di calore è pericoloso per il fatto che si raffredda prima la parte corticale e quando invece si raffredda la parte interna essa diminuisce di volume (si contrae), e la parte corticale che si era già indurita presenta delle crepe; nelle dighe, le crepe arrivano a raggiungere dimensioni spaventose, ci si può inserire un braccio dentro !!!

La porosità cambia nel tempo, cioè la porosità non è l'unico fattore da tenere in considerazione ma va considerato anche il tempo.

Lo schema che vediamo ci fa vedere che se usiamo un calcestruzzo con un rapporto acqua cemento di 0,40 allora tempo tre giorni che già i pori sono occlusi dalle fibre, se invece ho il rapporto acqua cemento di 0,5 dovrò attendere due settimane e così via, se arrivo a 0,7 allora la porosità non si occluderà mai.

Qualunque sia il cemento che scegliamo, esso deve rispondere a certi requisiti:

primo fra tutto la resistenza.

Come si misura la resistenza?

Valutiamo la pasta, la malta o il calcestruzzo?

Se io faccio il calcestruzzo, faccio un sistema complesso, allora usiamo la malta.

Perché la malta e non la pasta?

Perché il cemento da solo non viene usato mai. cioè la pasta di cemento può creare problemi da sola.

Scelgo quindi la malta, però se uso più o meno sabbia, più o meno acqua, ecc.. il risultato cambia per cui devo usare una malta standard:

tre parti di sabbia standard (di torre del lago cavata vicino al fiume Po), una parte di cemento con rapporto di acqua cemento pari a 0,5.

I requisiti meccanici che la malta deve soddisfare sono:

resistenza (a compressione) iniziale a 2 e 7 gg (classe 42,5             10 MPa)

resistenza (a compressione) normalizzata a 28 gg (classe 42,5       42.5 MPa)

tempo di inizio presa (tempo entro il quale la malta rimane lavorabile, circa 60 minuti)

espansione

la norma d riferimento è la UNI EN 197

tra le cose importanti ci sono:

come va specificato il tipo di cemento nei capitolati? In modo che rispondano a particolari voci riconosciute dalla stessa legge..

PER ESEMPIO ABBIAMO

CEM I             cemento Portland

CEM II/A-S cemento Portland alla loppa

CEM II/B-S

Ec.

Oltre ai requisiti meccanici vanno controllati anche I requisiti fisici e chimici:

chiaramente si tratta di prove che non vanno fatte per tutti i cementi, per esempio:

perdita al fuoco

residuo insolubile

solfati

cloruri

pozzolanicità

TUTTO QUESTO LO VEDIAMO MEGLIO PARLANDO DEI SINGOLI CEMENTI

CAMENTI SPECIALI

cementi Portland speciali:

o      bianchi, colorati e ferrico

cemento pozzolanico ha parte di cemento sostituito con la pozzolana

cemento d'altoforno ha parte di cemento sostituito con la loppa

cemento soprasolfatato si trova solo in Belgio

cemento alluminoso

cementi espansivi riducono le fessurazioni

CEMENTO BIANCO

Sono utilizzati per calcestruzzi a vista, siccome il cemento possiede ossidi di ferro e manganese, che sono di colore scuro, per fare il cemento bianco li devo ridurre al minimo, quindi basse percentuali di ossido di ferro e manganese; è particolarmente aggressivo nei confronti della natura; è impiegato con inerti di colore chiaro.

CEMENTI COLORATI

Sono ottenuti macinando il clinker e il gesso in presenza di un pigmento colorato. Tale pigmento non deve contenere sostanze nocive all'idratazione del cemento ed al calcestruzzo.

CEMENTO FERRICO

Ha un contenuto bassissimo se non nullo di C₃A da cui derivano:

basso calore di idratazione

bassa resistenza meccanica iniziale

buona resistenza all'attacco solfatico

Migliora le sue prestazioni se viene mescolato con pozzolana

CEMENTO POZZOLANICO

E' una miscela di clinker + gesso (≤ del 5%) + pozzolana (≤ del 55%)

È economico, per il risparmio di combustibile

ecco-compatibile perché ha minori emissioni di anidride carbonica nell'atmosfera durante al produzione

minor sviluppo di calore di idratazione perché la pozzolana non sviluppa calore durante l'idratazione

minore resistenza meccanica alle brevi stagionature

migliore resistenza all'attacco dei solfati e cloruri

maggiore resistenza alla reazione espansiva alcali - aggregato

osservando questo quadro capiamo che il cemento pozzolanico ci ha risolto svariati problemi.

Alle lunghe stagionature esso sviluppa maggiore resistenza meccanica, la conseguenza è che non si può usare nei cantieri es. dove si costruisce in prefabbricato, dove c'è l'esigenza di scasserare il prima possibile.

Perché il cemento pozzolanico ha maggiore resistenza alla penetrazione dei cloruri?

Ce lo dice questa legge.

CEMENTO D'ALTOFORNO

Miscela di clinker + gesso (≤ del 5%) + Loppa (30÷85%).

È il miglior cemento che possa esistere. il problema è che non si trova ovunque perché è utilizzabile grazie alla presenza delle acciaierie e in Italia stanno sparendo.

La loppa una volta granulata tende ad indurire se miscelata con acqua. Il problema è che ha un indurimento lungo e per essere abbreviato bisogna aggiungere degli attivatori che sono gesso e clinker.

Economico, Il risparmio di combustibile è altissimo.. la loppa è già cotta

ecco-compatibile perché ha minori emissioni di anidride carbonica

minor sviluppo di calore di idratazione, la loppa non sviluppa calore

miglior resistenza all'attacco solfatico

minore resistenza meccanica alle brevi stagionature

miglior resistenza all'attacco dei cloruri

maggiore resistenza alla reazione espansiva alcali - aggregato

il cemento pozzolanico ha elevate proprietà ma in quello d'altoforno esse sono esaltate maggiormente.

CEMENTO SOPRASOLFATATO

Miscela di clinker (5%) + gesso (10÷15%) + Loppa (80÷85%).

Resistenza agli attacchi chimici (cloruri e solfati)

in questo  cemento si produce a posta l'ettringite che se è cristallina, in presenza d'acqua non rigonfia

CEMENTO ALLUMINOSO

Nel porto di ancona c'è una banchina per lo scarico del carbone e una per la bauxite, essa serve assieme al calcare a fare il cemento alluminoso;

Se gli alluminati di calcio esagonali si trasformano in cubici occupano ½ o 2/3 del volume iniziale allora aumenta la porosità del calcestruzzo e diminuisce la sua resistenza meccanica.

i fattori che favoriscono la trasformazione da idrati esagonali a idrati cubici sono:

la stagionatura a temperatura elevata

umidità relativa ambientale elevata

elevato rapporto acqua/cemento

le proprietà del cemento alluminoso sono:

rapido indurimento, si può fare un piano al giorno

altissima resistenza meccanica alle brevi stagionature

elevato calore di idratazione

resistenza alle aggressioni solfatiche

resistenza all'acqua di mare e al dilavamento

il cemento alluminoso inoltre è bianchissimo e spesso lo possono rifilare come cemento bianco, ma nel tempo ha resistenze di gran lunga inferiori

CEMENTI ESPANSIVI

Sono fatti di una miscela di cemento Portland e + agenti espansivi:

basati sulla formazione di ettringite

basati sulla formazione di idrossido di calcio Ca(OH)₂ o di magniesio Mg(OH)₂

in modo da:

ottenere cementi a ritiro compensato provocando all'interno del calcestruzzo una espansione iniziale pari alla sua contrazione finale dovuta al ritiro.

Ottenere cementi espansivi o auto compressi provocando all'interno del calcestruzzo una espansione iniziale nettamente superiore alla sua contrazione finale dovuta al ritiro.

Il calcestruzzo espansivo e pericoloso da impiegare perché se non lo si usa bene si espande molto e spinge.