Idratazione del Cemento Portland 1 C 3 A

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Idratazione del Cemento Portland 1. C 3 A + H 2 O molto veloce

Idratazione del Cemento Portland 1. C 3 A + H 2 O molto veloce C-A-H Presa 2. C 4 AF + H 2 O 3. C 3 S 4. C 2 S + H 2 O veloce lenta molto lenta C-A-H + C-A-F-H C-S-H + CH Indurimento C-S-H + CH

Idratazione degli alluminati Presa: perdita di lavorabilità I prodotti idrati cristallini C-A-H si interpongono

Idratazione degli alluminati Presa: perdita di lavorabilità I prodotti idrati cristallini C-A-H si interpongono tra le particelle di cemento e ne ostacolano lo scorrimento, riducendo la plasticità, e quindi la lavorabilità, dell’impasto. C 3 A e C 4 AF CAH acqua

L’idratazione degli alluminati è così veloce che deve essere rallentata, per evitare la perdita

L’idratazione degli alluminati è così veloce che deve essere rallentata, per evitare la perdita di plasticità dell’impasto prima che lo stesso possa essere posto in opera. SI AGGIUNGE IL GESSO (CIRCA 5%) Il gesso fornisce in soluzione ioni calcio e ioni solfato che reagiscono rapidamente con gli alluminati per formare ettringite. C 3 A + Ca++ + SO 4 -- + H 2 O C 3 A · 3 Ca. SO 4 · 32 H 2 O

Gesso: ritardante di presa L’ettringite ricopre i grani di cemento che stanno reagendo e

Gesso: ritardante di presa L’ettringite ricopre i grani di cemento che stanno reagendo e ne rallenta la velocità di idratazione. La quantità di gesso che deve essere aggiunta al clinker per ottenere un cemento caratterizzato da un tempo di presa ottimale dipende: - dalla quantità di C 3 A presente o comunque disponibile a passare in soluzione, - ma anche dalla presenza dei silicati.

Idratazione dei silicati L’idratazione dei due componenti principali C 3 S e C 2

Idratazione dei silicati L’idratazione dei due componenti principali C 3 S e C 2 S dà luogo ad una famiglia di silicati di calcio idrati strutturalmente simili, anche se di composizione diversa (rapporto silice/calcio, contenuto di acqua). Questo prodotto viene indicato come C-S-H o gel di cemento. Costituisce l’ 80% del volume e circa il 50% in peso della massa finale indurita. E’ responsabile della resistenza finale del cemento indurito.

Struttura del gelo CSH Il gelo CSH è una struttura mal definita e di

Struttura del gelo CSH Il gelo CSH è una struttura mal definita e di dimensioni estremamente piccole. E’ un sistema colloidale in cui il mezzo disperdente è costituito dall’intreccio dei fibre/lamelle C-S-H e quello disperso è l’acqua dei pori del gelo. Le lamelle C-S-H hanno superficie estesa di 10 -100 nm e spessore di 1 nm. Il gelo C-S-H ha una superficie specifica di 300. 000 m 2/kg

Oltre al C-S-H l’idratazione produce cristalli esagonali di idrossido di calcio (portlandite) di dimensioni

Oltre al C-S-H l’idratazione produce cristalli esagonali di idrossido di calcio (portlandite) di dimensioni molto maggiori delle dimensioni dei cristalliti che costituiscono il C-S-H. Ca(OH)2

Idratazione degli silicati Le reazioni di idratazione dei due silicati danno gli stessi prodotti

Idratazione degli silicati Le reazioni di idratazione dei due silicati danno gli stessi prodotti ma le proporzioni sono diverse: 2 C 3 S + 6 H = C 3 S 2 H 3 + 3 CH 2 C 2 S + 4 H = C 3 S 2 H 3 + CH In una pasta di cemento completamente idratata il C 3 S produce il 60% di CSH e il 40% di CH, mentre il C 2 S 80 e 20% rispettivamente. Queste differenze influiscono sul comportamento delle paste di cemento soprattutto per quanto riguarda LA DURABILITÀ. Anche le velocità di reazioni sono molto diverse: quella dei C 3 S è molto maggiore di quella dei C 2 S.

Sviluppo delle resistenze meccaniche La resistenza meccanica della pasta indurita è dovuta essenzialmente all’attrazione

Sviluppo delle resistenze meccaniche La resistenza meccanica della pasta indurita è dovuta essenzialmente all’attrazione di Van der Waals tra i prodotti lamellari dell’idratazione dei silicati di calcio e degli alluminati. La velocità con cui un cemento sviluppa la resistenza a compressione può essere modificata agendo sul rapporto fra C 3 S e C 2 S La VELOCITÀ con cui un cemento sviluppa la resistenza dipende: • composizione • finezza • temperatura • additivi acceleranti

Sviluppo del calore di idratazione Il processo di idratazione produce un sensibile sviluppo di

Sviluppo del calore di idratazione Il processo di idratazione produce un sensibile sviluppo di calore. Il calore di idratazione varia con la composizione del cemento e può essere calcolato sommando i calori di idratazione dei vari costituenti moltiplicati per la loro percentuale in peso. Andamento del calore di idratazione per i diversi costituenti del cemento: C 3 A>C 3 S>C 2 S Il cemento è caratterizzato da una bassa conducibilità termica. Questo può rendere la situazione molto critica nel caso di opere di grande mole (dighe, ponti, etc. ) nei quali si possono creare gradienti termici anche di 10 -20°C. E’ importante anche la velocità con cui si sviluppa il calore, che è legata alla velocità di idratazione e quindi alla composizione, alla finezza del cemento, nonché alla temperatura alla quale avviene l’idratazione.

Prodotti colloidali di composizione variabile veloce C 3 S CSH C 2 S C

Prodotti colloidali di composizione variabile veloce C 3 S CSH C 2 S C 3 A C 4 AF Gesso lenta veloce CH Solfo-ferro alluminati idrati Prodotti idrati cristallini

Dal punto di vista microstrutturale…

Dal punto di vista microstrutturale…

Porosità della pasta di cemento indurita La pasta di cemento idratata presenta una struttura

Porosità della pasta di cemento indurita La pasta di cemento idratata presenta una struttura porosa con tre tipi di pori: • POROSITÀ DEL GEL dovuta a spazi interstiziali tra gli strati di CSH (28% del volume del CSH) (frazioni di 1 -10 nm) • PORI CAPILLARI con diametri da 10 a 50 nm • PORI DOVUTI ALL’INGLOBAMENTO DI ARIA (0. 05 -0. 2 mm)* *questi vuoti possono anche essere aggiunti intenzionalmente con l’ausilio di agenti areanti in modo da conferire resistenza all’azione del gelo/disgelo

Porosità della pasta di cemento indurita Le proprietà di una pasta di cemento indurita

Porosità della pasta di cemento indurita Le proprietà di una pasta di cemento indurita dipendono principalmente dalla porosità capillare. Infatti la porosità del gel non influenza: - Le resistenze meccaniche del conglomerato, in quanto rientra nel raggio di azione delle forze di Van der Waals; - La durabilità, le dimensioni sono inferiori a quelle necessarie per consentire apprezzabili fenomeni di trasporto.

Porosità capillare Per valutare il volume dei pori capillari si può assumere che durante

Porosità capillare Per valutare il volume dei pori capillari si può assumere che durante l’idratazione del cemento non cambi il volume dell’impasto. Durante l’idratazione i prodotti di idratazione, che hanno un volume circa doppio rispetto al cemento non idratato, sostituiscono lo spazio occupato dal cemento e dall’acqua. Il volume dei pori dipende pertanto: • grado di idratazione • rapporto acqua/cemento

Grado di idratazione Durante l’idratazione i prodotti solidi sostituiscono lo spazio occupato dal cemento

Grado di idratazione Durante l’idratazione i prodotti solidi sostituiscono lo spazio occupato dal cemento e parte dello spazio occupato dall’acqua. Quindi al procedere dell’idratazione il volume dei solidi cresce e quello dei pori capillare diminuisce.

Rapporto acqua/cemento a/c=0. 4 A parità di grado di idratazione, il volume dei pori

Rapporto acqua/cemento a/c=0. 4 A parità di grado di idratazione, il volume dei pori capillari è tanto maggiore quanto maggiore è la distanza tra le particelle di cemento ovvero maggiore è la quantità di acqua utilizzata per l’impasto. La porosità capillare all’aumentare del acqua/cemento a/c=0. 6 aumenta rapporto

Porosità capillare Nei solidi esiste una relazione inversa tra porosità e resistenza meccanica. Dal

Porosità capillare Nei solidi esiste una relazione inversa tra porosità e resistenza meccanica. Dal momento che in una pasta di cemento indurita i pori del gel non influenzano le resistenze meccaniche, si può ricavare una relazione tra la porosità capillare e la resistenza meccanica. Una relazione tra la frazione x di pieno (rapporto tra il volume occupato dal solido e il volume totale) e la resistenza a compressione della pasta cementizia indurita: Formula di Powers Rc=kx 3 = k [1 -ppc]3 Per un cemento Portland con K= 250 MPa

Porosità capillare e durabilità La diminuzione della porosità fa aumentare la resistenza meccanica, e

Porosità capillare e durabilità La diminuzione della porosità fa aumentare la resistenza meccanica, e inoltre rallenta la cinetica dei processi di penetrazione degli agenti aggressivi nella pasta di cemento e i conseguenti processi di degrado. Tuttavia, mentre per la resistenza a compressione sono importanti sia i macropori (d>50 nm) che i micropori, per i fenomeni di degrado della pasta cementizia è importante solo la MACROPOROSITÀ. Infatti, perché la pasta cementizia presenti una bassa permeabilità all’acqua è sufficiente che spariscano o risultino segmentate le macroporosità.

Grado di idratazione a/c Compatibilmente con le esigenze legate alla lavorabilità del cemento, il

Grado di idratazione a/c Compatibilmente con le esigenze legate alla lavorabilità del cemento, il rapporto a/c va contenuto il più possibile. Tale obiettivo può essere raggiunto anche attraverso l’uso di opportuni additivi fluidificanti.

Cause di alterazione del cemento: la calce libera Le paste di cemento idratate contengono

Cause di alterazione del cemento: la calce libera Le paste di cemento idratate contengono tutte quantità più o meno rilevanti di idrossido di calcio (calce libera), composto leggermente solubile in acqua (1, 5 g/l). CH

A contatto con acque fluenti l’idrossido di calcio passa in soluzione, lasciando nella massa

A contatto con acque fluenti l’idrossido di calcio passa in soluzione, lasciando nella massa di cemento indurita vuoti e microporosità che fanno diminuire notevolmente la resistenza meccanica del cemento indurito e ne compromettono la durabilità. Il fenomeno è amplificato dal fatto che le acque fluenti contengono quasi sempre in soluzione piccole quantità di anidride carbonica, che le rende particolarmente aggressive. H 2 O Struttura più porosa

Cementi di miscela o compositi Sono leganti idraulici composti di cemento Portland e di

Cementi di miscela o compositi Sono leganti idraulici composti di cemento Portland e di una o più aggiunte minerali, che prendono parte alle reazioni di idratazione. ? Per ottenere cementi con prestazioni migliori (ad esempio: maggiori resistenze meccaniche, minore porosità, maggiore durabilità) ma anche…. PIU’ SOSTENIBILI !!! Impiego di MATERIE PRIME SECONDE: ovvero materiali di scarto di altri processi produttivi (loppa, silica fume…)

Cementi di miscela o compositi Il cemento pozzolanico viene scoperto grazie ai tentativi fatti

Cementi di miscela o compositi Il cemento pozzolanico viene scoperto grazie ai tentativi fatti nel 1882 da Michaelis e quasi contemporaneamente da Tetmajer, per risolvere il problema della resistenza alle acque marine (attacco solfatico). Con la rivoluzione industriale furono immessi sul mercato i cementi siderugici, ottenibili addizionando scorie basiche d’altoforno. Dopo la II guerra mondiale si sono diffusi i cementi a comportamento pozzolanico che utilizzavano ceneri volanti, residuo alla generazione di energia elettrica da carbone. In Italia il primo cemento pozzolanico è stato prodotto nel 1908.

Cementi di miscela CEMENTI POZZOLANICI CEMENTO PORTLAND + MATERIALE POZZOLANICO (FINO AL 35%) CEMENTI

Cementi di miscela CEMENTI POZZOLANICI CEMENTO PORTLAND + MATERIALE POZZOLANICO (FINO AL 35%) CEMENTI D’ALTORFORNO CEMENTO PORTLAND + LOPPA GRANULATA D’ALTOFORNO (FINO ALL’ 80%)

CEMENTO POZZOLANICO I materiali pozzolanici hanno le seguenti caratteristiche: • alto tenore di silice

CEMENTO POZZOLANICO I materiali pozzolanici hanno le seguenti caratteristiche: • alto tenore di silice amorfa • alta superficie specifica I materiali pozzolanici quando miscelati con calce acquistano proprietà leganti attraverso la seguente reazione: pozzolana + Ca(OH)2 + H 2 O = CSH Nei cementi pozzolanici la calce necessaria è quella prodotta dall’idratazione del clinker. Le pozzolane si dividono in pozzolane naturali (pozzolana, tufi, ecc. ) e artificiali (ceneri volanti e fumo di silice)

Ceneri Volanti (Fly Ash) Sottoprodotto della combustione del carbone polverizzato nelle centrali termoelettriche. La

Ceneri Volanti (Fly Ash) Sottoprodotto della combustione del carbone polverizzato nelle centrali termoelettriche. La composizione è dipendente da quella del carbone e dalle condizioni di combustione. Normalmente sono alte in Si. O 2, Al 2 O 3 e variabili in Ca. O.

Le ceneri volanti sono caratterizzate da una struttura vetrosa e reattiva. (Area superficiale 300

Le ceneri volanti sono caratterizzate da una struttura vetrosa e reattiva. (Area superficiale 300 -600 m 2/kg) Le ceneri sono costituite da microsfere (1 -100μm) vetrose (fino all’ 80– 90%), sulla cui superficie sono attaccati microcristalli di ematite, magnetite, mullite, quarzo e carbone

La cenere volante può avere natura silico-alluminosa o silico-calcarea. Secondo la norma UNI ENV

La cenere volante può avere natura silico-alluminosa o silico-calcarea. Secondo la norma UNI ENV 197/1, in base alla natura, si individuano due tipologie di ceneri volanti: la cenere volante silicea: residuo della combustione di carboni bituminosi ed è la cenere volante disponibile in Italia. È costituita essenzialmente da Si. O 2 (silice) e Al 2 O 3 (allumina) reattivi. Si presenta sotto forma di polvere finissima. La proporzione di Ca. O (ossido di calcio) reattivo deve essere ≤ 5% in massa mentre il tenore di silice reattiva deve essere ≥ del 25% in massa. la cenere volante calcica: residuo della combustione della lignite e dei carboni sub-bituminosi. Non è disponibile in Italia. Contiene essenzialmente allumina, silice e ossido di calcio reattivi. si presenta sotto forma di polvere finissima con proprietà idrauliche e/o pozzolaniche. L'ossido di calcio reattivo deve essere ≥ 5% in massa. Se i valori di ossido di calcio sono compresi tra il 5 e il 15% la cenere volante calcica deve avere un tenore di silice ≥ 25% in massa.

Fumo di silice E’ un sottoprodotto del processo produttivo del Si metallico e delle

Fumo di silice E’ un sottoprodotto del processo produttivo del Si metallico e delle leghe Fe-Si. In questo processo una piccola quantità di Si. O 2 viene ridotta a Si. O, che passa nella fase gassosa da dove, un volta riossidata, si separa sotto forma di polvere finissima a struttura vetrosa. E’ composto al 95 -99. 5% di microsfere vetrose (~0. 1μm) e quindi capace di riempire gli interstizi lasciati dal cemento. (Area superficiale 13000 -30000 m 2/kg) Composto quasi esclusivamente da Si. O 2. Le quantità aggiunte sono di solito intorno al 10% e devono essere effettuate unitamente a quelle di additivi fluidificanti per mantenere adeguate le caratteristiche di lavorabilità dell’impasto.

Cementi d’Altoforno CEMENTO PORTLAND + LOPPA D’ALTOFORNO Composizione Si. O 2 30 -40% Ca.

Cementi d’Altoforno CEMENTO PORTLAND + LOPPA D’ALTOFORNO Composizione Si. O 2 30 -40% Ca. O 38 -40% Al 2 O 3 6 -18% Fe. O 0, 5 -1% Mn. O 0, 5 -2% S 0, 5 -2% Mg. O 2 -6% 1 ton ghisa→ 300 -400 kg scoria

La loppa granulata d’altoforno ha proprietà idrauliche LATENTI in quanto contiene: • ossido di

La loppa granulata d’altoforno ha proprietà idrauliche LATENTI in quanto contiene: • ossido di silicio • ossidi di calcio Loppa + H 2 O = nessuna reazione Loppa + Ca(OH)2 (attivatore) + H 2 O = CSH La calce necessaria per dall’idratazione del clinker. attivare la loppa deriva

Cemento Portland Cemento Pozzolanico Cemento d’altoforno

Cemento Portland Cemento Pozzolanico Cemento d’altoforno

Cementi di miscela: idratazione 1. Sviluppo più lento della resistenza iniziale; 2. Calore di

Cementi di miscela: idratazione 1. Sviluppo più lento della resistenza iniziale; 2. Calore di idratazione più basso e con una velocità inferiore; 3. Consuma alcali invece che produrli; 4. Affinazione dei pori e dei grani (miglioramento della resistenza alla penetrazione di agenti aggressivi); 5. Tempi di maturazione molto lunghi (basse velocità di idratazione soprattutto in climi freddi).

Tipi di cementi previsti dalla Normativa (UNI EN 197/1)

Tipi di cementi previsti dalla Normativa (UNI EN 197/1)

Requisiti chimici dei cementi (UNI EN 197/1)

Requisiti chimici dei cementi (UNI EN 197/1)

Nomenclatura dei cementi Tipo di cemento % di aggiunta Resistenza a 28 giorni Resistenza

Nomenclatura dei cementi Tipo di cemento % di aggiunta Resistenza a 28 giorni Resistenza a tempi brevi tipo di aggiunta