I leganti aerei ed idraulici (escluso i cementi)

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E MECCANICA
I leganti aerei ed idraulici (escluso i
cementi)
Prof. G. Siracusa
Ing. S. Russo
Ing. R. Milazzo
1
Leganti aerei ed idraulici
I leganti sono dei materiali da costruzione impiegati allo scopo di
legare e cementare altri materiali (pietre, blocchi, laterizi... etc.):
impastati con acqua ed eventualmente in miscela con sabbia e/o ghiaia
e pietrisco forniscono una massa plastica che una volta indurita è in
grado di sviluppare, nel tempo resistenze meccaniche talvolta anche
assai elevate.
Leganti aerei, che possono indurire soltanto in aria
Leganti
Leganti idraulici, che induriscono anche in
acqua e induriti resistono al contatto con l’acqua
1
Leganti aerei ed idraulici
Legante + Acqua = Pasta
Sabbia
Legante + acqua + sabbia = Malta
Ghiaia
Legante + acqua + sabbia + ghiaia = Calcestruzzo
1
Leganti aerei ed idraulici
Nel processo di irrigidimento è possibile distinguere due fasi:
• Presa: la sospensione fluida si trasforma in massa rigida in grado
di trattenere la forma iniziale, e ha una durata che và da pochi
minuti a alle decine di ore.
• Indurimento: miglioramento progressivo e indefinito nel tempo
delle proprietà meccaniche.
Sono materiali dinamici le cui proprietà evolvono continuamente
nel tempo.
2
Gesso
Il gesso naturale è il minerale costituito essenzialmente da solfato di calcio
biidrato: CaSO4·2H2O esso cristallizza nel sistema monoclino:
comunemente una combinazione di un prisma verticale con un prisma
obliquo e con il pinacoide.
In natura si trova anche l’anidride, minerale costituito essenzialmente da solfato di
calcio anidro, composto chimico dalla formula CaSO4. L’anidride, sotto l’azione
degli agenti atmosferici, si idrata lentamente, con aumento di volume,
trasformandosi in gesso naturale.
Cristalli
Pietra da
geminati
gesso
2
La formazione del gesso
I giacimenti di gesso naturale si sono formati soprattutto in seguito a
deposito dell’acqua dei mari, delle lagune o anche dei laghi; infatti il
solfato di calcio è uno dei sali contenuti in maggior quantità nelle acque
marine. Ciò spiega perché il gesso naturale o l’anidrite accompagnino
sempre il salgemma o i minerali a base di solfati solubili in acqua.
Talvolta, i giacimenti si sono formati in seguito all’ossidazione dello zolfo o
dei solfuri metallici e conseguente reazione, dell’acido solforico o dei
solfati solubili che ne sono derivati, con il calcare; quindi, il gesso naturale,
oltre che in terreni di natura sedimentaria, si trova in terreni vulcanici, in
giacimenti metalliferi e anche di torba o di carbon fossile.
2
Proprietà fisiche
minerale
MOHS
3
• Peso specifico: 22,70÷22,83
leggero)
talco o grafiteN/dm (è un minerale piuttosto
1
gesso o zolfo
2
• Durezza: 1,5÷2 della scala
di Mohs (è uno dei minerali
più teneri)
calcite
3
apatite
5
ortoclasio o feldspato
6
quarzo
7
topazio
8
corindone
9
diamante
10
• Solubilità in acqua: 0,241% a 0°C , che aumenta fino a 36°C con un
massimo dello 0,25% e che
diminuisce successivamente
con l’elevarsi
fluorite
4
della temperatura.
2
Il gesso cotto
Riscaldando il gesso naturale a 128°C, il suo costituente essenziale, ossia il
solfato di calcio biidrato, perde una molecola e mezzo di acqua di
cristallizzazione; si ha così la trasformazione in gesso da presa, il cui
costituente essenziale è appunto il solfato di calcio semiidrato:
CaSO4·2H2O
CaSO4·0,5H2O+1,5H2O
(128°C)
La presa avviene con leggero aumento di volume così che il semiidrato serve
egregiamente come gesso da forma o gesso da modellatori.
α a presa rapida
Semiidrato
β a presa lenta
2
Il gesso cotto
Con un ulteriore riscaldamento a 163°C (in pratica si
Spingendo
500÷600
°C, non
si ha
raggiungonopoio lasi temperatura
superano i sui
200°C),
il solfato
di calcio
alcuna
modificazione
nellae composizione
ma una
A 1360°C
ilottenuto
prodottodapprima
fonde
a a1375°C
hachimica,
praticamente
semiidrato
128°C siperde
tutta l’acqua
di
A 1000°C circa,
ha poiinuna
parziale
dissociazione
del
solfato
trasformazione
inesidiventa
solfato
di
calcio
anidro
insolubile,
il che
dissociazione
completa
ossido
di calcio
calcio,
anidride
solforosa
cristallizzazione
solfato
di
anidro
solubile:
calcio che
anidro
insolubile,
con liberazione
sino
a 3%
circa di
significa
questo
detto gesso
morto,
non
ediossigeno,
secondo
la prodotto,
seguente
reazione
chimica:
reagisce
l’acqua
e non
fa più di
presa.
ossido di più
calciocon
o calce
viva CaO
e formazione
solfatoCome
di
CaSO
·
½
H
O
CaSO
+
½
H
O
4
2e proprietà si identifica
4
2 allora con
composizione
calcio basico; chimica
il2prodotto
risultante
prende
il
nome
di gesso
CaSO
→
2
CaO
+
2
SO
+
O
4
2 chiamato
2
l’anidrite
naturale
giàadescritta
e viene anche
anidrite
idraulico
o gesso
lunga
presa
Chiamato ogesso
insolubile
anidritedaβ. fabbrica. Si ottiene così l’anidrite
solubile o anidrite α
3
Processi di fabbricazione industriale
• Preparazione
mediante procedimenti a secco a temperatura al di
sopra di 125° C:
a) a cottura diretta in forni rotanti
b) a cottura indiretta in piccole o grosse caldaie
• Preparazione
mediante procedimenti a umido a temperature
maggiori o eguali a 1000 °C:
a) sotto pressione in autoclave
b) a pressione atmosferica in soluzioni saline o di acidi diluiti
c) processo di "aridizzazione"
3
Processi di fabbricazione industriale
L'intero processo si sviluppa nella seguente successione di operazioni:
Estrazione
Macinazione ed
aggiunta additivi
Frantumazione
Silos
Silos
Cottura
3
Processi di fabbricazione industriale
Per quanto riguarda i forni di cottura è possibile distinguerli in
apparecchiature di tipo:
• Continuo o discontinuo
• A cottura diretta o indiretta
• Statici o rotanti
3
Processi di fabbricazione industriale
La cottura può essere effettuata:
A secco, ed avviene a temperatura più elevata e con velocità più alta,
causa il forte gradiente di temperatura esistente fra prodotto da cuocere e
mezzo riscaldante; la eliminazione dell'acqua porta ad un residuo costituito
da particelle molto suddivise: si ottiene prevalentemente gesso emidrato
beta.
Quella ad umido porta ad emidrato alfa. Per ottenere questa forma è
necessario infatti operare la calcinazione in ambiente di vapore saturo,
poiché l'emidrato alfa può solo cristallizzare da una soluzione ed è perciò
necessario avere almeno aderente alla superficie dei granuli in cottura un
film di acqua. Una elevata pressione parziale di vapore d'acqua consente
di evitare la formazione di gesso stracotto. Queste necessarie condizioni si
realizzano in autoclavi
3
Processi di fabbricazione industriale
Forni statici a funzionamento continuo
Quelli a fuoco diretto hanno la forma di una torre verticale con una struttura
Quelli
a fuoco
sono
forni ainternamente
ripiani sovrapposti
cui un di
sistema
di
indiretto
portante
di cemento
armato
rivestita
da unaincamicia
mattoni
coclee
il gesso
in trova
direzioni
oppostenel
traquale
uno strato
e l'altro. ilIl
comuni.fa Alavanzare
fondo del
forno si
il focolare
viene bruciato
riscaldamento
indiretto in
viene
realizzato
con olio
o vapore
combustibile, generando
tal modo
una corrente
ascendente
di gasd'acqua
caldi i
surriscaldato,
e si attraverso
raggiunge una
buona di
regolazione
temperatura.
quali, passando
la massa
materiale della
crudo,
ne provocano la
disidratazione.
3
Processi di fabbricazione industriale
I forni a marmitta sono costituiti da un recipiente cilindrico in lamiera, al
fondo del quale è posto un focolare in muratura. All'interno un agitatore
provvede a rimescolare la massa durante la disidratazione. Il gesso viene
caricato in polvere fine nella marmitta ed il continuo rimescolamento cui è
soggetto consente di realizzare una distribuzione uniforme della temperatura
ed il facile allontanamento del vapore d'acqua che si sviluppa.
I gas caldi ed il vapor d'acqua si scaricano dalla parte superiore
dell'apparecchiatura. Il prodotto cotto viene scaricato inferiormente dopo che
è stato raggiunto il grado di cottura desiderato.
3
Processi di fabbricazione industriale
Forni rotanti a funzionamento continuo
In quelli a fuoco indiretto il forno è costituito da un cilindro metallico rotante che
Possono
essere: dai gas caldi provenienti da un focolare. I gas
viene
riscaldato esternamente
caldi vengono fatti passare anche all'interno del forno in un tubo coassiale, in
modo da non venire a contatto col materiale in cottura. Il gesso crudo viene
• A fuoco
indiretto
alimentato
in graniglia
ed il prodotto deve essere macinato.
• A fioco diretto
• A fuoco misto
3
Processi di fabbricazione industriale
Forni rotanti a funzionamento continuo
In quelli a fuoco diretto il forno è costituito da un cilindro metallico rotante in
cui i gas caldi di combustione vengono a contatto direttamente col gesso.
In quelli a fuoco indiretto il forno è costituito da due cilindri concentrici in
cui parte del gesso è cotto a fuoco diretto e parte a fuoco indiretto.
Forni rotanti a funzionamento discontinuo
Sono costituiti da un cilindro metallico rotante disposto orizzontalmente che
viene riscaldato a fuoco indiretto. La carica, costituita da gesso macinato,
viene introdotta nel forno dove viene rimescolata con opportuni agitatori.
Lo scarico del materiale cotto si fa invertendo il senso di rotazione del
forno. Generalmente dopo ogni ciclo si scarica una quantità di materiale
pari alla metà della carica introdotta.
3
Processi di fabbricazione industriale
Il gesso non va immagazzinato per lunghi periodi, perché possono
verificarsi alterazioni.
Tuttavia un insilamento non prolungato porta ad un miglioramento delle
caratteristiche del gesso cotto:
Diminuzione della quantità di acqua necessaria per ottenere una
pasta lavorabile
•
• Aumento della velocità di indurimento
Gli effetti dell'invecchiamento naturale possono essere prodotti anche
artificialmente mediante il cosidetto processo di "aridizzazione" che
consiste nell' aggiungere alla pietra da gesso prima o subito dopo la
calcinazione una piccola quantità (0,01-0,05%) di cloruro di calcio
4
La presa
I solfati di calcio semiidrato e anidro solubile, posti in presenza
di acqua, sono capaci di riidratarsi. Si ottiene così il gesso
biidrato, il cui costituente essenziale, ossia il solfato di calcio
biidrato è identico a quello del gesso naturale.
CaSO4·1/2H2O + 3/2H2O → CaSO4·2H2O
CaSO4 +2H2O → CaSO4·2H2O
4
La presa
A voler essere precisi sul fenomeno della «presa», bisogna distinguere due
tempi, e cioè:
1) il tempo di gemito che costituisce il tempo che passa dall'inizio dell'impasto
a quello in cui la pasta cessa di essere una poltiglia malleabile da comandarsi
o maneggiarsi a volontà;
2) il tempo di presa che costituisce il tempo intercorrente tra la fine del tempo di
gemito e l'indurimento completo del gesso.
TIPI DI GESSO
TEMPO DI
GEMITO (min)
TEMPO DI
PRESA (min)
Da Fabbrica
5
10
Da ornati o da stucchi
15
30
Da forma
15
30
Da intonachi
40
2 ore
Da pavimenti
1 ora
36 ore
Ad alta resistenza
1 ora
12 ore
La presa
Variazione del tempo di presa
Affinchè si possa manifestare un ritardo nella presa del gesso è
necessario che il rapporto di solubilità tra il solfato di calcio
emidrato e biidrato sia il più basso possibile e tendente all’unità.
Per raggiungere questo risultato è necessario:
Diminuire la solubilità dell’emidrato
Aumentare quella del biidrato
In linea generale la solubilità di un sale diminuisce quando viene
addizionato di un altro sale a ioni comuni.
4
La presa
Variazione del tempo di presa
Agenti che influiscono sul tempo di presa del gesso:
a) Ritardanti
Primo gruppo: sostanze che diminuiscono la solubilità del gesso: glicerina,
alcool, acetone, etere, zucchero, acido acetico, borico, citrico, fosforico, lattico
e loro ,sali.
Secondo gruppo: composti organici a peso molecolare elevato che agiscono
da colloidi protettori: cheratina, caseina, pepsina, albumina, gomma arabica,
gelatina, proteine idrolizzate, melassa, prodotti di idrolisi da residui animali,
prodotti di reazione di acidi amminici con formaldeide, tannini.
Terzo gruppo: sostanze che influiscono sulla struttura cristallografica del
gesso: acetato di calcio ed anche carbonato di calcio e di magnesio.
b) Acceleranti
Tutti i solfati ad eccezione del solfato di ferro, gli acidi solforico, cloridrico e
nitrico; i cloruri, bromuri e ioduri alcalini; il solfato di calcio biidrato, il cloruro
d'ammonio, il bicromato di potassio, i tartrati e gli ossalati in concentrazione
elevata.
La presa
Variazione della resistenza meccanica
Variazione di resistenza a compressione con la quantità di acqua d'impasto
R = K(l/A)n
dove K ed n sono delle quantità che variano col tipo di gesso e A è il rapporto
fra acqua d'impasto e volume dell'impasto.
4
La presa
La presenza di impurità o di particelle mal cotto nuocciono alla presa
del gesso, il quale assorbe meno acqua.
Rallentamento
anidre solubile
Danno alla presa
gesso non completamente cotto
non tutta l'acqua di idratazione si è cristallizzata nel tempo normale della presa
e la parte rimasta inerte inizia a cristallizzarsi per effetto di parti di gesso non
completamente cotte, aiutata anche dal calore emesso dalla presa, prima di
essere troncata. Le conseguenze di ciò sono intuibili; il secondo tempo di presa
con la relativa temperatura riesce a formare una nuova cristallizzazione, la
quale va a ingrovigliarsi ed incunearsi in quella avvenuta nel primo tempo,
disorganizzandola, rompendola e deformandola.
Pertanto ogni volta che si constata la presenza nel gesso di impurità superiori al
3% è opportuno scartarlo dall' uso per manufatti e trasferirlo a quello di
concimazione.
4
La presa
Variazione di volume
•
•
α-emidrato 100,0 g
H2O
18,7 g
biidrato
118,7 g
Volume dell’α-emidrato
H2O
Volume del biidrato
•
Volume iniziale dell’impasto:
Volume finale =
100
= 36,36 cm3
=
2,75
18,7
cm3
118,7
= 51,16
=
2,32
cm3
36,36 + 18,7 = 55,06 cm3
51,16 cm3
3,9 cm3
Diminuzione del volume corrispondente al 7%
In pratica si osserva invece un aumento di volume che mediamente è compreso tra
il 2 ed il 5%. Ciò è dovuto agli additivi che agiscono sul volume e sulla distribuzione
dei micropori che restano tra gli elementi aghiformi della struttura di cristallizzazione.
Altri additivi del gesso
Agenti modificanti l’indurimento
Impermealizzazione del gesso
Fluidificanti
sostanze che reagiscono con il solfato di
calcio o sostanze capaci di riempire i
vuoti dell’impasto. (Resine sintetiche)
a) aggiungere al gesso sostanze con esso
reagenti e formanti composti resistenti
all'acqua;
b) aggiungere al gesso sostanze con esso
reagenti e formanti composti difficilmente
solubili;
c) impiegare sostanze idrofobe reagenti
con CaO;
d) impiegare sostanze idrofobe non
reagenti con CaO.
Sostanze ioniniche e non ioniche
Additivo del cemento
Il gesso può essere:
• Aggiunto al clinker
• Aggiunto alla miscela cruda
Ritardo della presa
“mineralizzazione”
Trisolfallumato di calcio
Gesso + alluminato tricalcico
Monosolfallumato di calcio
I solfati avvolgono i granuli di cemeto ritardandone l’idratazione.
Effetti su: Tempo di presa, resistenza a compressione, ritiro durante
l’essiccamento, espansione ritardata del calcestruzzo.
Intonaco
L’intonaco è uno strato di rivestimento delle
murature.
Legante + sabbia + additivi
Intonaco
La finezza del gesso usato influisce su resistenza
e compattezza
Rinzaffo: 1 p di gesso granuloso + 1 p di sabbia fine quarzosa
Stabilitura: solo gesso da intonachi miscelato con 50÷60% di acqua
Per un intonaco di maggiore durezza e resistenza: 1p di gesso da intonachi + 2÷3p
Di calce bianca (grassello)
L’intonaco per esterni, che necessita di resistenza all’acqua, è come il precedente
con l’aggiunta di piccole quantità di cemento Portland.
Pavimentazioni in gesso
Poco usato a causa della poca resistenza a compressione.
Viene adoperato nei leganti, mastici e cementi per
pavimentazioni di fabbricati rurali ed industriali.
Vantaggi:
• Attenuazione dei rumori negli edifici industriali.
• Ottimo sottofondo per coperture in gomma e laminati plastici in genere.
Condotte per impianti di condizionamento
Per la realizzazioni di queste condotte viene utilizzato gesso finissimo e resine
sintetiche per migliorare le caratteristiche meccaniche ed ottenere superfici più
omogenee e compatte.
La resistenza è assicurata da un materassino di fibre vegetali e di un’armatura
in ferro zincato per aumentare la rigidezza e garantire l’agganciamento alla
struttura muraria.
Caratteristiche:
Condotte esteticamente perfette
Eliminazione della trasmissione del rumore (fattore di assorbimento 0,7)
Blocchi per tramezze
Peso e m2 in ogni
abbattimento
Resistenza e
reazione al fuoco
Coefficiente
isolamento termico
Trasmittenza
unitaria K parete
finita
33 a 500 Hz
R.E.I. 120
CLASSE 0
0,36 kcal/h c
2,79 kcal/h c
bancale
acustico
in dB
Malta per la realizzazione
dei
blocchi:
Misure standard in
cm
40 kg/m2
13,33 m2
per bancale
1 p. di sabbia fine lavata e depurata
36 a 1000 Hz
6÷10 p. di gesso comune
10-20% di calce grassa spenta
Materiali di rinforzo
50x66,6x6
Termoisolanti
Fonoassorbenti
Resistenza da 90 a 180 minuti (REI 90-180)
certificata; reazione al fuoco: classe 0 (non
combustibile) certificata con relativa
omologazione ministeriale; resiste alla fiamma
ossidrica diretta; non produce fumi; non si
deforma con l'esposizione al fuoco
L'ottimo coefficiente K isola sia dal caldo che dal
freddo ed aiuta a risparmiare energia in modo
rapido ed economico
L'alto valore di abbattimento acustico
contribuisce a rendere più confortevoli le
abitazioni
Stabilizzatori di umidità
Idrorepellenti per ambienti umidi
Monoliticità
Le ottimali caratteristiche igrometriche del gesso
assorbono l'umidità in eccesso negli ambienti,
restituendola in situazioni di aria secca
I blocchi sono tutti disponibili in versione
idrorepellente, particolarmente indicati per
ambienti umidi sotterranei, locali da bagno o da
cucina e come prima fila di contatto per
pavimenti umidi
L'incastro maschio/femmina sui quattro lati
garantisce la massima monoliticità e
robustezza della parete finita
Rapidi nel montaggio
Scanalature facili
Pronti per rasatura e tocco finale
Il sistema ad incastro, l'assenza di tempi morti e
la superficie planare garantiscono rapidità e
risparmio nella messa in opera
Le tracce per impianti elettrici e termoidraulici
sono di facile esecuzione e si realizzano
mediante apposita fesa, sfruttando anche le
cavità del manufatto
Operazione particolarmente rapida è la
rasatura a velo. A rasatura ultimata la parete è
pronta a ricevere i rivestimenti (tinteggiatura o
altro tipo di finitura)
Resistenti al fuoco
Lastre
Si differenziano dai blocchi per le maggiori dimensioni e il minore spessore.
L’armatura interna delle lastre è costituita da intrecci di fibre vegetali lunghe e
resistenti miste eventualmente a granuli ed a fibre più corte per diminuire il
peso del manufatto. Per accrescere la resistenza agli urti (resistenza
trasversale) ed alle vibrazioni si impiegano carte speciali, tele collate e reti
metalliche.
L’applicazione più interessante delle lastre è costituita dalla
costruzione delle doppie pareti, nelle quali si può elevare
sensibilmente il potere isolante e fono-assorbente riempiendo
l’intercapedine con materassini di lana di vetro o minerale oppure di
vermiculite o perlite espansa (racchiuse in involucri di plastica in
modo da formare una specie di cuscinetto).
Progettazione acustica di una sala
Pareti pesanti con superfici lisce
si comportano come specchi
acustici.
Riverbero
Il suono riverberato può arrivare
all’ascoltatore alcuni secondi
dopo quello diretto impedendo
la distinguibilità del parlato o
della musica.
Tempo di riverberazione
Rappresenta il tempo che in cui un
suono permane nell’ambiente prima
di ridurre la sua intensità di 60dB.
Progettazione acustica di una sala
Il tempo di riverberazione dipende da:
• Assorbimento acustico delle superfici
• Area e volume della sala
Ottimizzare acusticamente una sala significa garantire un tempo di
riverberazione ottimale per la sua destinazione d’uso.
Progettazione acustica di una sala
Il tempo di riverberazione di una sala si calcola come:
Triv=0,16*V/A
dove V è il volume della sala e A=Σ(αi*Si) è un indice
di assorbimento sonoro complessivo della sala.
Stampi in gesso
Si usano per pezzi di alta precisione dimensionale come valvole,
ingranaggi e pezzi molto piccoli come ornamenti fino ad 1 gr.
Si usano anime in Al, Zn, ottone o resine termoindurenti (no legno),
ricoperte con gesso e acqua (più aggiunte di stabilizzanti come silice). Una
volta che il gesso ha solidificato, si rimuove l’anima e si disidrata. I pezzi dello
stampo vengono assemblati e scaldati a 120°C per 16 ore. Questi stampi
hanno bassa permeabilità ai gas e si usano con colate in pressione o sotto
vuoto. Si aumenta la permeabilità con processi in autoclave o gesso con
schiume. Gli stampi in gesso si usano fino a 1200°C, cioè leghe basso
fondenti.
Gesso nell’odontotecnica
Viene utilizzato per la realizzazione di impronte e modelli
Composizione di gesso per modelli:
Come gesso per impronta si utilizza l’alabastro gessoso o gesso precipitato in
polvere finissima.
• Gesso da dentisti:
p 95
Caratteristiche
richieste:
• Borace:
p 0,05
•• Basso
Solfatocosto
di potassio:
p 0,5
•• Facilità
Marmo di
in impiego
polvere finissima:
p 1,5
•• Rapidità
di polvere
presa finissima:aggiunta
Quarzo in
p 3di catalizzatori (solfato di potassio, cloruro di
potassio, l’allume, ecc.)
•Caratteristiche
Sapore gradevole
richieste: sostanze aromatiche
• Tenero
sabbia arenaria, pietra pomice in polvere finissima, perlite, ecc.
• molto duro in modo da resistere alle varie sollecitazioni a cui va soggetto
durante le fasi di preparazione della protesi.
Cemento magnesiaco o Sorel
3MgO·MgCl2·xH2
MgO
si può ottenere calcinando il carbonato di
magnesio e le caratteristiche del prodotto sono
legate alla temperatura raggiunta nella
calcinazione, alla grossezza delle particelle, alle
impurezze presenti
La presenza di calce abbassa le caratteristiche meccaniche del
legante
L’impasto si mette in opera in maniera analoga a quello degli
altri leganti
La massa fa presa ed indurisce in poche ore
Resistenze dell’ordine di 400-600 kg/cm2
L’umidità non danneggia sensibilmente le caratteristiche del
materiale.
Le soluzioni cloridriche presenti possono provocare
corrosione alle parti ferrose che vanno protette con guaine o
vernici.
Può legare tra loro materiali differenti.
IMPIEGHI
•Pannelli
•Marmi artificiali
•Pannelli per soffittature
•Isolanti termici
La calce
Col nome di calce si indica correntemente sia l'ossido di calcio (o calce viva),
viva
ottenuto dalla cottura dei calcari, sia l'idrato di calcio (o calce spenta),
spenta ottenuto
dalla idratazione dell'ossido di calcio.
Per la preparazione della calce si parte dai calcari costituiti essenzialmente da
carbonato di calcio,
calcio CaCO3.
Calcite
Calcari
Aragonite
Il carbonato di calcio è un costituente fondamentale delle rocce sedimentarie
formatesi per precipitazione da acque, salate o dolci, o per accumulo di resti fossili
più o meno metamorfosati.
Si distinguono sostanzialmente due gruppi di rocce calcaree, quelle ad elevato
tenore di calcite e quelle dolomitiche,
dolomitiche contenenti fino al 45% di carbonato di
magnesio; queste rocce sono sempre accompagnate da percentuali più o meno
piccole di impurezze: ossidi di ferro, fosfati, solfati, sostanze organiche
La calce
Per riscaldamento il calcare si dissocia dando calce viva e liberando anidride
carbonica:
CaCO3
→
CaO + CO2
ΔH= - 420 kcal
Il valore della tensione di dissociazione alle varie temperature è:
Tensione di dissociazione [mmHg] 0,41 1,34 22,2 167 760
Temperatura [°C]
550
600
700
2942
800 895 1000
Poichè la tensione di dissociazione raggiunge il valore di l atm a 895 °C
occorrerà raggiungere tale temperatura per poter assicurare la completa
dissociazione del calcare a pressione atmosferica.
Si può anche cercare di favorire l'eliminazione dell'anidride carbonica mano a
mano che si forma così da mantenere nel forno una sua pressione parziale
più bassa; ciò si può ottenere, ad es., bagnando la calce, facendo in modo
che durante la cottura si sviluppi del vapore d'acqua, che oltre a produrre un
abbassamento della pressione parziale della CO2, crea piccole fessure e
microporosità nel materiale, le quali ne facilitano la cottura.
La calce
La calcinazione dei calcari non è mai completa perchè, specie se i pezzi sono
relativamente grossi, le parti centrali si calcinano con maggior difficoltà (dato
che il calcare è cattivo conduttore del calore), ed anche per la tendenza alla
ricarbonatazione, cioè le parti esterne, superficiali, trovandosi esposte ai gas
di combustione, ricchi di CO2, reagiscono con questa riformando CaCO3.
Le caratteristiche del prodotto sono:
• Densità
• Porosità
• Grandezza e distribuzione dei pori
A parità di altre condizioni aumentando la temperatura di calcinazione e
prolungandola nel tempo si verifica un graduale progressivo aumento
della densità apparente del prodotto, un ingrossamento dei cristalli, una
diminuzione della porosità e tutto ciò porta ad una diminuzione della
reattività del materiale.
La calce
Una permanenza anche prolungata a bassa temperatura esercita una azione
modesta sulla riduzione dell'area superficiale la quale invece decresce
rapidamente, anche per permanenze brevi, alle temperature più elevate.
L'aumento della densità, quindi i maggiori ritiri prodotti dalle alte
temperature e dalla maggiore permanenza a temperature relativamente
elevate, è dovuto ad un graduale aumento dei cristalliti
La calce
Metodi proposti per la valutazione della reattività
peso consiste
Il metodo basato sull’andamento dellaDeterminazione
curva temperatura-tempo
specifico
nel misurare, in funzione del tempo, l'aumento
di temperatura dovuto alla
esotermicità della reazione:
CaO + H2O
Ca(OH)2 ΔH=15,3 Kcal
Reattività
operando
lo spegnimento in condizioniMisura
standard
(tipo velocità
di apparecchio,
della
finezza di macinazione del prodotto, rapporto
CaO/H20, ecc.). Si ottengono
di dissoluzione
delle curve dalle quali si ricava il tempo in minuti necessario per arrivare
alla massima temperatura (tmax) raggiungibile a spegnimento
completo e quello per avere una trasformazione dell'80% (tu).
Curva temperatura-tempo
di spegnimento
La calce
La quantità di acqua necessaria allo spegnimento, che dalla reazione precedente
risulta essere del 32% per l'ossido di calcio puro, in pratica cresce sensibilmente
e per avere uno spegnimento completo occorre usarne un quantitativo superiore,
fino anche al 50%, perchè una parte di essa evapora causa l'innalzamento di
temperatura prodotto dalla esotermicità dell'idratazione e perchè parte rimane
come acqua libera presente sotto forma di film attorno alle particelle di idrato.
Anche se gran parte del calcare non raggiunge una alta temperatura durante la
cottura, ci possono essere alcuni pezzi che per surriscaldamenti locali, ecc.,
vengono portati ad una temperatura molto più elevata. Durante lo spegnimento
queste particelle sinterizzate non riescono a reagire con l'acqua, rimangono
così nella massa della calce idrata dei granuli di CaO; una volta che questa calce
verrà utilizzata, tali granuli sinterizzati reagiranno molto lentamente con l'acqua
d'impasto, così che la loro idratazione si effettuerà quando la restante parte è già
indurita e poichè essa avviene con sensibile aumento di volume si potranno
verificare fessurazioni nei manufatti
Lo spegnimento
Parametri che influenzano le caratteristiche della calce prodotta:
• Temperatura
• Granulometria
• Rapporto acqua/calce
Industrialmente per lo spegnimento si usano dispositivi a marcia continua
costituiti da una camera cilindrica, verticale od orizzontale, munita di agitatori o,
nel caso di quelli orizzontali, di trasportatori ad elica che spostano la calce da
un'estremità all'altra rimescolandola mentre viene spruzzata la necessaria
quantità di acqua;
Durante la fase dell’idratazione le particelle di ossido di calcio , a causa
dell’aumento di volume si rompono, polverizzandosi dando luogo ad una massa
soffice, questo dipende sia dalla calce che dalle modalità di spegnimento;
l’azione di entrambi questi fattori contrasta con la tendenza di delle particelle di
idrato di raccogliersi in agglomerati.
IL GRASSELLO (massa pastosa untuosa al tatto) si forma se alla calce idrata
viene aggiunta altra acqua o se lo spegnimento viene fatto con una quantità di
acqua superiore a quella necessaria per ottenere l’idrato.
A seconda della quantità di acqua libera esso apparirà più o meno molle.
La preparazione del grassello si fa nei cantieri dove deve essere impiegato,
irrorandolo con acqua viva entro recipienti di legno a forma di trapezio aventi il lato
minore mobile e munito di rete filtrante che lascia passare solo la poltiglia diluita ma
non i pezzi o i granuli non ancora spenti;
Il rapporto tra volume del grassello e peso della calce viva prende il nome di resa
in grassello (mc/t)
In base a questo rapporto si distinguono:
Calci grasse
Calci Magre
•
•
•
•
Resa in grassello > a 2,5
Si idratano rapidamente
Derivano da calcari più puri
Sono più plastiche
•
•
Resa non < a 1,5
Derivano da calcari impuri
(CaO < 94%)
Si idratano più lentamente
MgO una delle impurezze più
diffuse e contribuisce a
rendere magre le calci
•
•
Quando la calce viene a contatto con l'acqua si forma inizialmente una soluzione
soprassatura di idrato di calcio che dà origine alla formazione di più o meno grandi
quantità di nuclei di cristallizzazione.
Un grassello di elevata plasticità presenta la capacità di trattenere una forte
quantità di acqua; la formazione di un maggior volume di grassello, a parità di calce
di partenza, riveste importanza dal punto di vista pratico poichè nelle malte il
grassello impiegato viene misurato a volume.
Latte di calce
Si ottiene quanto la quantità
di acqua aggiunta alla calce
è ancor più elevata di quella
necessaria per formare il
grassello.
LA COTTURA
In passato si realizzava in forni in muratura
• Piccola potenzialità
• Lungo periodo di cottura 50-100
ore
• Forte spesa di manodopera
• Calce non di buona qualità a
causa della non perfetta
distribuzione della temperatura
Oggi si adoperano forni continui
Verticali
Rotanti
Forno continuo verticale
Calcare e coke vengono
caricati dall’alto a strati
alternati
Si distinguono diverse
zone:
•
•
•
di raffreddamento, nella quale
aria fredda e calce calda si
muovono in contro corrente, così
che la calce si raffredda mentre si
preriscalda l'aria, che poi si
utilizza come comburente;
di calcinazione, dove si effettua la
decomposizione del calcare;
di preriscaldamento, dove il
calcare appena caricato viene
riscaldato a spese dei gas di
combustione che salgono e
vanno allo scarico.
• La calce scaricata risulta frammista alle ceneri ciò può
essere controproducente
Per ridurre questo fenomeno:
Si possono disporre uno o più focolari laterali alimentati con combustibili
Griglia ruotante che consente uno scarico più regolare del materiale ed
una migliore separazione della calce
Forni con gas di gassogeno, metano o gas naturali
- h 15 ÷ 20 m; diametro 3 ÷ 5 m,
- produzioni 40 ÷ 50 t/giorno
- consumo combustibile 10-20kg/100kg di calce
- I gas uscenti hanno una percentuale del 30% di CO2
Si possono usare anche :
FORNI ROTATIVI da cemento
•
•
•
•
•
•
Lunghezza da 20 a 120 m
Diametro da 2 a 3,5 m
Capacità produttiva 300 ton/giorno
Bassa richiesta di manodopera
Costo di istallazione elevato
Efficienza termica più bassa rispetto ai forni ad asse
verticale
• Rapporto lunghezza diametro 1:(20÷ 30)
• Inclinazione 3% 5%
• Velocità di rotazione 1÷ 2 giri/minuto
Ad esempio un forno L=55 m ø =2,5 m; Produce 250 t/giorno di calce
Il cilindro metallico interno è rivestito da un refrattario
Per migliorare il
rendimento
• Preriscaldatori del calcare
• E scambiatori del calore
(o raffreddatori a contatto,
a griglia, ruotanti)
I gas di scarico trasportano CaO e
CaCO3 per trattenerle si usa far
passare i gas in camere a polvere,
o in precipitatori elettrostatici o se
ne opera un lavaggio con acqua.
La quantità di calore teoricamente necessaria è di
420 kcal/kg
Bisogna aggiungere le perdite:
-Nella combustione
-Nel solido scaricato
-Per irraggiamento, etc.
L’efficienza varia tra 40 e
80%. Naturalmente i valori più
bassi si avranno nei forni
senza recupero di calore.
In tabella sono riportati i bilanci termici di due forni ruotanti.
Uno con sistema di recupero calore(a) e l’altro no (b).
Malte di calce
Nelle costruzioni la calce viene usata per formare le malte
di calce e sabbia capaci di indurire e far presa all'aria.
Siccome la solubilità del carbonato di calcio che si forma è minore di
quella dell'idrato mano a mano che si realizza la carbonatazione della
calce si avrà precipitazione del carbonato, sotto forma di cristallini 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.
Per ottenere una buona malta di calce e sabbia oltre alle caratteristiche della
calce occorre tener conto di quelle della sabbia e dell'acqua d'impasto.
La sabbia naturale o artificiale, deve risultare costituita da granuli
resistenti, non provenienti da rocce decomposte o gessose
Le acque
devono essere limpide e dolci.
La quantità di calce
da usare nella preparazione della malta affinchè possa
richiudere tutti i vuoti presenti fra i granuli della sabbia
usata, di solito 30-40%, è dell'ordine di 1volume di
grassello per 2÷3 volumi di sabbia, nel caso delle calci
in polvere,di 15 kg per 100 kg di sabbia.
NORME
In Italia l’impiego dei leganti, sia aerei che idraulici,
è regolato da norme di legge
Per le calci aeree tali Norme prevedono i seguenti tipi:
a)
b)
c)
Calce grassa in zolle;
Calce magra in zolle;
Calce idrata in polvere che comprende i due tipi:
fiore di calce e calce idrata da costruzione.
Queste ultime vengono messe in commercio in sacchi di
carta, per lo più da 33 kg,che recano impresso il nome
della ditta fabbricante ed il tipo di prodotto contenutovi.
Per i vari tipi di calce sono fissati i requisiti riportati in tabella:
Inoltre tutti questi 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 e che si idrata nella prova accelerata.
Altri impieghi della calce
La calce usata nelle costruzioni rappresenta solo una frazione di quella prodotta
La calce viva è usata:
•
•
per trattare le acque per ridurre l’acidità
nella depurazione per rimuovere i fosfati ed altre impurità (flocculante) e
per desolforizzare i gas di scarico
• nella fabbricazione della carta per dissolvere le fibre di legno
• come candeggiante e sbiancante
• per disinfettare ambienti
• in agricoltura per correggere i terreni acidi
• in chimica è usato per purificare l'acido citrico ed il glucosio, come
essiccante e assorbitore di anidride carbonica
La calce spenta è usata :
•
•
come materiale da costruzione unita alla sabbia (stabilitura)
mescolato al cemento per produrre una malta plastica adatta per gli
intonaci
• nella concia delle pelli
• nell'industria petrolchimica per produrre additivi per lubrificanti
• per la produzione dello stereato di calcio
• per la neutralizzazione e l'assorbimento di inquinanti
• per il trattamento dell'acqua usata nell'industria alimentare
• per correggere l'acidità dei terreni
• in agricoltura, unita al solfato di rame è usato come anticrittogamico
(miscela bordolese)
• nell'industria farmaceutica per preparare sali di calcio e magnesio
• in odontoiatria come medicamento nei sottofondi e nell'endodonzia
La produzione mondiale di calce è di poco inferiore ai 100 milioni di
tonnellate/anno; i maggiori produttori sono URSS, USA, Francia,
Giappone; la produzione italiana si aggira sulle 6.000 t/anno.
La calce idraulica
Un calcare contenente sostanze argillose, da per cottura una calce magra
Se la temperatura è più alta di quella che regna in un normale forno a calce, si ottiene:
LA CALCE IDRAULICA
Oltre l’ossido di calcio contiene:
-Silicati
-Alluminati
-Ferriti (di calcio)
L’idraulicità è legata alla presenza di questi costituenti
Indice di Idraulicità
arg illa
I=
CaO
oppure
I=
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3
CaO + MgO
In base al valore di I si distinguono:
• Per calci aeree
I < 0,1
Come materia prima per la produzione di una calce
idraulica si usa generalmente un calcare argilloso nel
quale l'argilla risulta disseminata in maniera
possibilmente omogenea.
Le Norme italiane distinguono i seguenti tipi:
• calce idraulica naturale in zolle,che rappresenta il prodotto di
cottura di calcari argillosi di natura tale da risultare di facile
spegnimento;
• calce idraulica naturale e artificiale in polvere, che risulta dalla
cottura di marne naturali o di mescolanze intime ed omogenee
di calcare e di materiale argilloso seguita da estinzione,
stagionatura e macinazione;
• calce eminentemente idraulica, naturale o artificiale in polvere,
come la precedente, ma con valore più elevato dell'indice di
idraulicità (0,4÷0,5). A differenza di quanto si fa per i cementi
per la preparazione di calci idrauliche di solito non risulta
tecnologicamente ed economicamente conveniente partire da
miscele di calcare e argilla.
• calce idraulica artificiale pozzolanica, in polvere, costituita da
una miscela omogenea ottenuta dalla macinazione di
pozzolana e calce aerea idrata.
• calce idraulica siderurgica, risulta da una miscela omogenea
ottenuta per macinazione di loppa basica di alto forno
granulata e di calce aerea idrata.
Temperatura di cottura
1000 – 1200 °C
Se la temperatura è troppo bassa, i componenti dell'argilla
non hanno modo di reagire con la calce, vengono a formare
un inerte ed il prodotto risultante è una calce magra; se la
temperatura è troppo alta l'ossido di calcio in eccesso
rispetto ai costituenti dell'argilla si spegne difficilmente e
impastato con acqua fa presa tanto più lentamente quanto
più alta è stata la temperatura raggiunta
I Forni
• Verticali
(come quelli delle calci aeree)
Fenomeni che avvengono durante la cottura:
•Eliminazione dell’acqua
•Decomposizione dei materiali argillosi e del carbonato di
silicio
•Reazione dell’ossido (o del carbonato) di calcio con la
silice e con l’allumina
A differenza del cemento non può essere presente i silicato
tricalcico che si forma a temperature più alte.
La formazione dei composti idraulici impegna solo una parte
della calce totale.
Il resto è presente come CaO.
Una volta scaricato dal Forno:
Il materiale deve essere trattato con acqua
(per convertire tale ossido di calcio in idrato)
Spegnimento
Stagionare
• Strati 15-20 cm
• innaffiandola
L’elevata temperatura raggiunta dalla calce durante la cottura fa
si che lo spegnimento sia lento
Esempio: La Calce eminentemente idraulica richiede 15-20 gg
La calce si sbriciola e successivamente si setaccia per
separarla dai grappier
Grappier
•Elevate temperatura durante la
cottura
•Maggiore densità
•Grado di idraulicità più alto
•Possono essere macinati a parte e messi in commercio
come cementi
•O addizionati alle calci
•PESANTI
•LEGGERE (SENZA)
costituite da miscele intime, ottenute per
Calce idraulica artificiale
macinazione, di calce aerea e di pozzolana
o di loppa basica di alto forno granulata.
presentano la proprietà di fissare la calce con formazione di composti idraulici
L'indurimento delle calci idrauliche messe in opera sott'acqua è dovuta
all'idratazione dei silicati e degli alluminati presenti.
Se induriscono in aria si verifica anche la carbonatazione della calce idrata
presente, analogamente a quanto si ha per le calci aeree.
Resistenza a compressione
Su provini di malta normale
plastica
dopo 28gg di stagionatura
Devono soddisfare i requisiti di
• Stabilità del volume
Agglomeranti cementizi
•LENTA
PRESA
•RAPIDA
In pratica si producono solo quelli a presa lenta
Fanno parte di questa categoria tutti quei leganti idraulici che
non rientrano nelle norme stabilite per i cementi.
•100≤Resistenza a compressione≤160 kg/cm2
Dal punto di vista chimico
- SO3 ≤ 3,5%
- MgO ≤ 4 %
a 7 e 28gg