(2) Calce aerea - L`ingegnere impertinente

(2) Calce aerea
Materiali leganti: classificazione
induriscono soltanto in aria, non possono stare
permanentemente a contatto con l’acqua
induriscono anche in acqua
Cenni storici
• L’uso della calce come legante è antichissimo:
antico Egitto
civiltà minoica
antica Grecia
antica Roma
Impieghi della calce in edilizia…
• preparazione di malte
Nelle costruzioni la calce viene usata per formare le malte di
calce e sabbia capaci di indurire e far presa all'aria. Le malte
di calce e sabbia servono a formare piani di posa fra i vari
elementi costruttivi, collegandoli fra loro saldamente; esse
però non presentano caratteristiche meccaniche elevate i
valori della resistenza a compressione sono dell'ordine di
qualche kg/cm2.
• blocchi o mattoni cellulari ottenuti addizionando alla
miscela di calce e sabbia (o di altri aggregati) piccole quantità
di sostanze che per reazione con la calce sviluppano idrogeno
producendo materiali porosi e leggeri.
…ed in altri settori
Costruzioni
Agricoltura
Industria chimica
Industria metallurgica
Industria saccarifera
Refrattari
7.6 %
0.9 %
31 %
35 %
7.9 %
9.2%
Dati di produzione
• produzione mondiale di calce è di poco
inferiore ai 100 milioni di tonnellate/anno
(maggiori produttori :URSS, USA, Francia, Giappone)
• produzione italiana circa 6.000 t/anno.
Calce
Correntemente tale termine indica
sia
l’ossido di calcio (CaO, calce viva)
che
l’idrossido di calcio
(Ca(OH)2, calce spenta o calce idrata)
Normativa
Le calci da costruzione (calci vive, calci spente,
calci idrate e grasselli) sono normate dalla UNI EN
459-1.
Materie prime
Calcare
• Minerale costituito prevalentemente da
carbonato di calcio (CaCO3) presente in rocce
sedimentarie
• largamente diffuso in natura in due forme
allotropiche calcite (stabile a bassa
temperatura, più frequente) ed aragonite (più
dura, maggiore densità)
Rocce calcaree
Si distinguono in:
Rocce calcaree ad elevato tenore di calcite
(2.65-2.75 g/cm3)
Rocce calcaree dolomitiche (2.75-2.90 g/cm3)
(fino al 45% peso di carbonato di magnesio, MgCO3)
Tutte le rocce calcaree contengono anche impurezze di ossidi
di ferro, fosfati, solfati, etc…
Cottura
• Per riscaldamento il calcare si dissocia
formando calce viva (CaO) e anidride
carbonica (CO2). A Patm la decomposizione è
completa a 895 °C.
• CaCO3
100 g
CaO + CO2 (42 kcal)
56 g
44 g
Per la reazione occorre fornire una quantità di calore pari a
420 kcal per kg di calcare
oppure 750 kcal per kg di ossido di calcio!!!!
In pratica…
La calcinazione dei calcari non è mai completa e
la calce ottenuta contiene sempre una certa
percentuale di CaCO3 residuo. La cottura si
effettua in pratica tra 850-950 °C.
 Le parti centrali si calcinano con difficoltà, specie per pezzi
grossolani
 Tendenza alla ricarbonatazione superficiale
Forni continui verticali o rotanti
Il calcare, sottoforma di pezzi del diametro
di 15÷20 cm ed il coke, in pezzi da l0 cm
circa, vengono caricati dall'alto o frammisti
o a strati alternati.
La calce viva scaricata risulta frammista
alle ceneri del combustibile, ciò non
costituisce un inconveniente per molte
applicazioni della calce prodotta; per
evitare tale inquinamento si può disporre di
uno o più focolari laterali che vengono
alimentati con combustibili a lunga fiamma
ed inviano nel forno i prodotti di
combustione caldi.
Altezza di 15÷20 m, diametro di 3÷5 m,
produzione fino a 40÷50 t di calce/24 ore.
Calcare sottoposto a crescenti
temperature di cottura
1000 °C
900 °C
1100 °C
1500 °C
Velocità di
cottura di
calcari in
pezzi di
15-20 mm
a 1000 °C
Area superficiale vs T e tempo
T (°C)
t (ore)
Temperatura di calcinazione (T), tempo di permanenza alla temperatura T (t)
Valutazione della reattività della calce mediante
curva temperatura tempo di spegnimento
t max
tempo in minuti necessario
per arrivare alla massima
temperatura
a spegnimento completo
tu
tempo in minuti necessario
per avere 80 % di
trasformazione
• allo scarico dai forni si esegue il passaggio al
vaglio per separare le pezzature grandi da
quelle minute
• segue eventuale cernita per eliminazione
pezzi stracotti o poco cotti (riconoscibili per
diverso colore)
Proprietà del prodotto che
influiscono sull’impiego
• densità
• porosità
• dimensione e distribuzione dei pori
• temperatura di calcinazione
Il prodotto viene venduto sotto
forma di…
• calce viva tal quale (in zolle)
• trasformata in
calce idrata
grassello
(spegnimento della calce viva con acqua)
Se la quantità di acqua aggiunta alla calce è ancor più
elevata di quella necessaria per formare il grassello si
ottiene il latte di calce (sospensione acquosa più o
meno diluita di idrato di calcio)
Calce idrata
Durante l'idratazione le particelle di ossido di
calcio, causa l'aumento di volume che
accompagna la reazione, specie se rapida, si
rompono; i granuli si polverizzano dando
luogo alla formazione di una massa soffice ad
elevata superficie specifica.
Grassello
• Se alla calce idrata si aggiunge altra acqua o se
lo spegnimento della calce viva viene fatto con
una quantità di acqua superiore a quella
necessaria per ottenere l'idrato si forma una
massa pastosa, untuosa al tatto, che prende il
nome di grassello. Il prodotto trattiene dal 35
al 45% di acqua libera, oltre quella entrata a
formare l'idrato di calcio.
La preparazione del grassello è operazione che di solito
si compie direttamente nei cantieri irrorando con un
forte eccesso d'acqua la calce viva entro recipienti di
legno a forma di trapezio
• mescolando calce ad acqua nel rapporto
stechiometrico (56 parti di CaO per 18 di
acqua) si ottiene l’idrossido di calcio (idrato di
calcio), reazione esotermica con aumento di
volume (fino al 10 %):
CaO + H2O
56 g
18 g
Ca(OH)2 + 15.6 kcal
74 g
• L’idrato di calcio (polvere soffice) trattato a 580 °C
perde acqua e riforma ossido di calcio.
Valutazione della reattività della calce mediante
curva temperatura tempo di spegnimento
t max
tempo in minuti necessario
per arrivare alla massima
temperatura
a spegnimento completo
tu
tempo in minuti necessario
per avere 80 % di
trasformazione
Quanta acqua occorre per lo
spegnimento della calce viva ?
• La quantità di acqua necessaria allo spegnimento è
pari al 32% per l'ossido di calcio puro.
• In pratica per avere uno spegnimento completo
occorre usarne un quantitativo superiore, fino al 50%
poiché:
 in parte evapora a causa l'innalzamento di
temperatura prodotto nel corso della reazione di
idratazione
 in parte rimane come acqua libera presente sotto
forma di film attorno alle particelle di idrato.
Da cosa dipende la velocità di
idratazione?
• Temperatura di cottura del calcare
Se T è 850-950 °C la velocità di spegnimento è
piuttosto rapida)
Per temperature molto superiori , il prodotto
sinterizza , risultando compatto, poco poroso
e a grana grossa (bassa superficie specifica). Di
conseguenza la velocità di spegnimento è
molto minore.
Area superficiale vs T e tempo
T (°C)
t (ore)
Temperatura di calcinazione (T), tempo di permanenza alla temperatura T (t)
Condizioni e le modalità di spegnimento esercitano
una notevole influenza sulle caratteristiche della
calce prodotta. In particolare:
Temperatura
Granulometria
Rapporto acqua/calce
Calci grasse e calci magre
• Calci grasse derivano da calcari più puri, malte
più omogena, migliore posa in opera,
idratazione rapida
• Calci magre da calcari ricchi di impurezze
(CaO minore del 94 %) o mal cotti (parti
troppo cotte e parti poco cotte), idratazione
lenta.
Il ruolo delle impurezze
• L'ossido di magnesio (MgO) è una delle
impurezze più frequenti delle calci e la sua
presenza contribuisce a rendere magra la
calce.
• Per la più bassa temperatura di
decomposizione del carbonato di magnesio
rispetto al carbonato di calcio, alla fine della
cottura esso della risulterà stracotto per cui si
idraterà più lentamente dell'ossido di calcio.
Solubilità in acqua
• La solubilità del carbonato di calcio in acqua
pura, priva di CO2, è bassissima, dell'ordine di
14÷15 mg/l a temperatura ambiente.
• La solubilità aumenta con la temperatura,
intorno a 100 °C è circa 30÷40 mg/l.
• La presenza nell'acqua di CO2 provoca un
aumento di solubilità del carbonato di calcio
perchè forma bicarbonato di calcio, Ca(HCO3)2,
solubile…
 A RT ed 1 atm di CO2, la solubilità del carbonato di calcio
(CaCO3) è
Calcite 1,30-0,76 g/l
Aragonite 1,46-0,87 g/l
 A RT la solubilità dell’ idrato di calcio (CaOH)2 è :
1.6 g/l
Composizione ottimale di
malte di calce
La quantità di calce da usare nella preparazione della
malta affinchè possa colmare tutti i vuoti presenti fra
i granuli di sabbia (30-40% volume) è dell'ordine di:
 1 volume di grassello per 2÷3 volumi di sabbia
 15 kg di calce in polvere per 100 kg di sabbia
Reattività all’aria della calce
• Calce viva, calce idrata e grassello all'aria
reagiscono con l'anidride carbonica formando
carbonato di calcio, più o meno rapidamente
a seconda dell’umidità
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (esotermica)
Presa ed indurimento delle
malte di calce
• Quando calce idrata o grassello vengono
impastati con sabbia ed acqua per formare le
malte esse inizialmente subiscono una
contrazione, causa l'evaporazione di una
parte dell'acqua d'impasto, assumendo una
certa consistenza .
• Poiché la solubilità del carbonato di calcio è
minore di quella dell'idrato, mano a mano che
si realizza la carbonatazione della calce si avrà
precipitazione del carbonato, sotto forma di
piccoli cristalli che si interpongono fra gli
elementi della sabbia aderendo ad essi e
legandoli sotto forma di una massa che via via
assume consistenza e durezza sempre
maggiore
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (esotermica)
acqua d’impasto
aria
 A RT ed 1 atm di CO2, la solubilità del carbonato di calcio
(CaCO3) è
Calcite 1,30-0,76 g/l
Aragonite 1,46-0,87 g/l
 A RT la solubilità dell’ idrato di calcio (CaOH)2 è :
1.6 g/l
• Naturalmente la carbonatazione degli strati
superficiali avverrà abbastanza rapidamente,
ma procederà poi verso l'interno sempre più
lentamente.
• Il velo di carbonato di calcio che si forma sulle
singole particelle di idrato fa diminuire la
porosità e quindi riduce il progredire della
carbonatazione.
• Perchè la carbonatazione possa continuare ad
avvenire, è necessario che l'impasto conservi
un certo grado di umidità. Per questo i
materiali che devono essere legati dalla malta
(mattoni, tufi, ecc.) prima di metterli in opera
devono essere bagnati in modo che essi non
sottraggano acqua all'impasto.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (esotermica)
acqua d’impasto
aria
Normativa
Calce grassa in zolle
•Resa in grassello (mc/t)
•Umidità (%)
calce magra in zolle
calce idrata in polvere
•CaO + MgO (%)
•Carbonati (%)
•Ca(OH)2 + Mg (OH)2 (%)
•Finezza
residuo a setaccio
0,18 mm e 0,09 mm
Secondo la normativa…
• Tutti i tipi devono corrispondere alla prova di
stabilità di volume, che consiste nel formare con la
calce in esame una malta di buona plasticità che
distesa su di una lastra di vetro viene lasciata far
presa in ambiente bene areato e poi esposta per 6
ore in ambiente circondata di vapore vivo. Non
devono comparire fessurazioni, distorsioni, ecc. che
sarebbero l'indice della presenza nella calce di ossido
di calcio stracotto non idratato.
In conclusione…
• La resistenza meccanica che una malta aerea
va acquistando col tempo dipende
sostanzialmente dalla coesione della massa
dei cristalli di carbonato di calcio che
crescono intrecciandosi e inviluppando i
granuli di sabbia.
(2) Calce aerea
CO2
Progressivo indurimento per
precipitazione cristalli di
(Ca, Mg)CO3
La malta di calce
Ca(OH)2 + sabbia + H2O
malta
Sabbia
Funzione: impedire il ritiro dovuto alla essiccazione.
Meccanismo: La pasta legante si distribuisce attorno ai grani di sabbia a formare uno
strato sottile favorendo la formazione di CaCO3 per reazione di Ca(OH)2 con CO2
Resistenza a compressione (Rc) : dell’ordine di 1 MPa quindi circa 10 kg/cm2
Utilizzo: malta di rasatura per intonaci o per collegare mattoni
Normativa requisiti fisici calci idrate: EN 459-2