Cemento di Portland (parte 1)

(b) Leganti idraulici
Materiali leganti: classificazione
induriscono soltanto in aria, non possono stare
permanentemente a contatto con l’acqua
induriscono anche in acqua
Materiali leganti: classificazione
induriscono soltanto in aria,
si impiegano solo
in strutture aeree, materiali
con resistenze meccaniche medio-basse
induriscono e sono impiegati in aria
oppure immersi in acqua , materiali con
resistenze meccaniche anche molto alte
Il cemento
• Il cemento è una polvere che mescolata con
acqua in proporzione circa 3:1 produce una
massa (pasta) facilmente modellabile che
rapprende in poche ore perdendo la plasticità
iniziale (presa).
• Successivamente assume la rigidità tipica di
una pietra naturale ed è capace di resistere ad
apprezzabili sollecitazioni meccaniche
(indurimento).
• Il cemento è uno dei 3 costituenti principali
del calcestruzzo (i.e. acqua, cemneto,
aggregati lapidei).
• Il cemento è considerato il cuore del
calcestruzzo, tanto che spesso le opere
realizzate con calcestruzzo sono
impropriamente dette “opere di cemento”
I cementi non sono tutti uguali dal
punto vista delle prestazioni….
La qualità della matrice cementizia e quindi del
materiale composito che ne deriva, malta o
calcestruzzo, dipende in gran Tuttavia a parità di a/c
le prestazioni del calcestruzzo nella fase esecutiva ed
in servizio variano in modo significativo in funzione
del tipo di cemento utilizzato.
…esigenza di classificarli in base a
prestazioni e composizione.
normativa (EN 197-1)
Quanti sono i cementi normati?
• In base a resistenza meccanica e
composizione (tipo) esistono:
25 diversi tipi di cementi, ciascun tipo è
disponibile in 6 diverse classi di resistenza,
per un totale di 150 cementi diversi !
•
Classi di resistenza
ciascun tipo di cemento può essere fornito dal in diverse classi di
resistenza. Il numero rappresenta la minima resistenza meccanica a
compressione in N/mm2 misurata dopo 28 giorni. Simbolo N o R indica
comportamento meccanico del cemento alle brevi stagionature.
Cemento: dati produttività
• Nel 2001 in Italia sono stati prodotti 40 milioni
di tonnellate di cemento di cui 2,6 milioni
sono state esportate principalmente in
Europa. Nello stesso anno l’imporatzione di
cemento è pari a 2,2 milioni di tonnellate
• Nel 2001 Italia si pone al 2° posto in Europa
ed all’8° nel mondo per la produzione di
cemento.
Cemento Portland
• Cemento fondamentale sul quale si basano
tutti i moderni leganti idraulici normato dalla
UNI-EN 197-1.
• In italia la produzione di cemento Portland è
iniziata nel 1892 a Palazzolo di Bergamo
• la prima normativa è stata emanata nel 1908
Cemento Portland-1
• Legante idrulico che impastato con acqua
indurisce sia all’aria che immerso in acqua.
• Si ottiene addizionando il prodotto della
macinazione del clinker di cemento Portland
con gesso biidrato
• Utilizzato per malte e calcestruzzi resistenti
all’acqua secondo la UNI EN 206-1, UNI 11104
e la UNI EN 13670-1
Cemento di Portland
• prodotto della cottura di una miscela
opportuna di terre naturali e/o artificiali
(calcare, argilla, …) (clinker di Portland)
successivamente co-macinato con un
quantitativo determinato di minerali solfatici
(gesso o anidrite) nella misura del 4-8 % sul
cemento. Gesso o anidrite fungono da
regolatori di presa.
• La miscela co-macinata di clinker + gesso è
denominata cemento di Portland.
Suddivisione dei cementi in base
alla composizione (5 tipi)
•
•
•
•
•
I Cemento Portland (1 tipo)
II Cementi Portland di miscela (17 sottotipi)
III Cemento d’altoforno (3 sottotipi)
IV Cemento pozzolanico (2 sottotipi)
V Cemento composito (2 sottotipi)
Totale 25 cementi diversi!
Cemento Portland: materie prime
• Materiali calcarei: di qualunque tipo ma non
dolomitici
• Materiali argillosi: costituiti in prevalenza da
caolinite (Al2O3.2SiO2.2H2O), associata ad illiti
e montmorilloniti (silicati idrati di alluminio,
ferro e magnesio).
Composizione ottimale ?
• Composizione che consente di ottenere un
prodotto dalle caratteristiche ottimali.
• risultato di compromesso, in grado cioè di
soddisfare per quanto possibile le proprietà di
un cemento ideale.
Proprietà ideali di un cemento ?
• tempo di presa lungo (1 a qualche ora, per consentire la lavorazione)
• tempo di indurimento breve ( da 1 a decine di ore, per disarmare
quanto prima la struttura)
• resistenza meccanica elevata
• basso calore di idratazione (per realizzare anche getti molto spessi)
• elevata durevolezza
(buona resistenza agli agenti chimici es. solfati)
• stabilità di volume (minimo ritiro ed espansione)
• bassi costi di produzione
Procedimento generale fabbricazione Portland
• dai silos contenenti le materie prime (1-2) e materie
prime ausiliarie (3-4-5) escono i prodotti frantumati
modo grossolano
• macinazione del materiale crudo nel mulino a sfere (6)
(cilindro acciaio diametro 2-4 m, lunghezza 6-12 m,
suddiviso in camere contenti sfere di acciao di
dimensione progressivamente decrescente, 30 giri al
minuto)
• miscela cruda macinata entra nel preriscladatore (7)
• cottura nel forno rotativo (cilindro acciaio lungo
100-150 m, diametro 3-6 m, rivestito di materiale
refrattari, 1-2 giri minuto). Nella parte più calda
vicino al bruciatore T circa 1450 °C, parte della
carica fonde e parte forma il clinker
 450-700 °C decomposizione materie prime
(calcare, caolinite, illiti e montmorilloniti con perdita di H2O e CO2)
 da 700 °C reazioni di clinkerizzazione e formazione
dei quattro principali costituenti del clinker
(reazione degli ossidi di silicio, ferro ed alluminio con la calce)
• All’uscita dal forno, raffreddamento, rapido in aria
(9) per conferire al clinker la componente vetrosa
più reattiva con acqua.
• Aggiunta di gesso biidrato (10) (4-8 % peso sul
cemento)
• Macinazione in mulino a sfere analogo alla
precedente (11)
Composti principali del clinker
Composizione chimica dei costituenti
mineralogici del clinker di cemento Portland
• La composizione del clinker è espressa in termine dei
quattro costituenti mineralogici, prodotti cristallini
formati dalla combinazione di ossidi
• composizione ossidica in peso del clinker è circa pari a :
67% CaO 22% SiO2 5 % Al2O3 3% Fe2O3
3% costituenti minori (MgO, Na2O, K2O, SO3,…)
• I quattro costituenti mineralogici sono presenti in
misura pari a circa 80% come silicati e 20 % come
alluminati
• Nelle condizioni di cottura del forno
industriale, a causa della presenza dei
componenti minori che sempre accompagna
gli ossidi principali che si formano per
termodecomposizione delle materie prime, i
costituenti mineralogi del clinker non sono
puri, ed in particolare…
• alite
Silicato tricalcico con piccole percentuali di ioni Na+, K+, Mg+2,
Al+3, Fe+3, che sosituiscono Si+4 nelle posizioni reticolari in
misura del 3-4 % a formare una soluzione solida. A seconda
del tipo e della concentrazione degli ioni esistono diverse
modificazioni polimorfe dell’alite.
•
belite
Analogamente la belite è la fase che si ottiene nella cottura del
clinker per sotituzione fino al 4-6 % degli ioni Si+4 e Ca+2
presenti nelle posizioni reticolari del silicato bicalcico con i
medesimi ioni a formare una soluzione solida. Anche per la
belite esistono diversi polimorfi.
• la fase alluminosa che si ottiene per cottura del
clinker è una soluzione solida in cui lo ione Na+
sostituisce lo ione Ca+2, mentre gli ioni Si+4 e Fe+3
sostituiscono gli ioni Al+3 nelle posizioni reticolari di
C3A.
• la fase ferrica è di per se una soluzione solida di
composizione C4AxF2-x (dove 0<x<2). Pertanto, anche
in assenza di ioni estranei, il C4AF non è un composto
chimico con una fissata composizione stechiometrica
ma esiste in un determinato range composizionale.
In realtà nel processo di cottura industriale la fase
ferrica del clinker presenta Mg+2, Mn+3, Si+4, Ti+4, S+6
in sostituzione di Fe+3 e Al+3.
Notazione convenzionale
CaO
C
SiO2
S
Fe2O3
F
Al2O3
A
SO3
S
H2O
H
Reazioni chimiche principali
nella formazione del clinker
Silicato tricalcico 3CaO.SiO2 (C3S)
• Costituente fondamentale del clinker
• Reagisce rapidamente con acqua
• Conferisce resistenza meccanica agli impasti
induriti
• Contenuto nel clinker dipende da:
• (1) Accurato dosaggio del calcare nella
miscela cruda al fine di avere elevato
contenuto di C3S ma non di calce libera
Un eccesso di calcare della miscela di partenza
comporta nel clinker presenza di calce libera non
combinata sinterizzatata. Tale composto è soggetto
a lenta idratazione a carattere espansivo che
porterebbe alla disgregazione del manufatto
cementizio.
Composizione del clinker in termini di
contenuto degli ossidi e dei composti (% peso)
• (2) Temperatura di cottura miscela cruda
Solo per T maggiori di 1300 °C si ha formazione della
fase liquida costituita dalla fusione dei componenti C3A e
C4AF
Solo la presenza della suddetta fase liquida permette la
seguente reazione che porta alla formazione di C3S,
soubilizzando i due reagenti :
C2S + C
C3 S
Se la temperatura è inferiore a 1300 °C si ha un prodotto
con basso tenore di C3S ed elevato contenuto di calce
libera.
• (3) velocità di raffreddamento clinker
Al fine di evitare la decomposizione del C3S in C2S e
CaO è necessario eseguire il raffreddamento del
clinker a velocità elevata. A partire da 700 °C la
velocità di decomposizione diventa trascurabile.
C 3S
C2S + C
.
Silicato bicalcico 2CaO SiO2 (C2S)
• Esiste in tre forme allotropiche alfa,beta e gamma al
variare della temperatura
• La forma gamma è stabile a T ambiente,
raffreddando rapidamente il clinker si ottiene la
forma beta.
• C2S è uno stadio intermedio della formazione di C3S
• idratazione lenta, sviluppa resistenza meccaniche
analoghe al C3S il cui contributo si avverte per lunghe
stagionature
CaO 58-68 %
Alluminato tricalcico 3CaO.Al2O3 (C3A)
• costituente con elevata velocità di idratazione
• non contribuisce allo sviluppo di resistenza
meccaniche dell’impasto indurito
• contribuisce a ridurre la durevolezza degli impasti
induriti, scarsa resistenza alle acque contente ioni
solfato
• la sua presenza consente di abbassare la T di
formazione del C3S a 1300 °C per effetto della
presenza della fase liquida
Alluminoferrito tetracalcico C4AF
• Soluzione solida ternaria dei tre ossidi (CaO,
Fe2O3 ed Al2O3)
• Proprietà del tutto analoghe a C3A
Microstruttura del clinker di Portland
Granuli di 3-25 mm
Alite (C3S)
poligonale
Belite (C2S)
tondeggiante
500x
Noduli tondeggianti di calce libera
400x
Composti minori del clinker
• Ossido di magnesio (MgO)
Il contenuto nel clinker non deve superare il 2.5 %.
Infatti durante la cottura forma grossi grani che si
idratano molto lentamente con aumento di volume.
Un eccesso di questo composto provoca
disgregazione del manufatto ancora più tardi rispetto
ad eccesso di calce libera.
• Ossidi alcalini, fosfati, fluoruri
Influenzano la composizione del clinker per effetto
dell’abbassamento temperatura di clinkerizzazione
• Altri
TiO2, Mn2O3, K2O, Na2O
Limiti di composizione cemento Portland
•
•
•
•
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
60-67 %
17-25 %
3-8 %
0.5-6 %
Se le materie prime a disposizione non constono di ottenere un cemento
della composizione prescelta I componenti indifetto vengono integrati
aggiungendo materie prime ausiliarie :
bauxite (per Al2O3), ceneri di pirite (per Fe2O3), sabbia silicea (per SiO2)
Riassumendo….
Processo industriale per la
fabbricazione del Portland
•
•
•
•
•
•
•
preparazione e miscelazione della materie prime
macinazione
cottura
raffreddamento del clinker
macinazione del clinker
aggiunta di gesso biidrato
insaccatura
Clinker
• le materie prime macinate e mescolate in
adatte proporzioni vengono cotte in forni
rotativi a 1300-1500 °C.
• la miscela fonde parzialmente, sinterizza
formano dei ciottoli di 0.5-4 cm (clinker)
• il clinker viene raffraddato, macinato
finemente ed addizionato di gesso biidrato
• prodotto risultante è il cemento Porland
Composizione del clinker di Portland
Cemento Portland
carbonato di calcio
carbonato di magnesio
silice
allumina
ossido di ferro