Caratteristiche dei Materiali Cementizi e del Calcestruzzo
I materiali cementizi sono prodotti inorganici preparati artificialmente per cottura, a temperature relativamente elevate, di pietre naturali e successiva macinazione.
La miscela di acqua e materiale cementizio (‛pasta cementizia') può contenere dispersi anche elementi lapidei, come sabbia, oppure ghiaia o pietrisco; la miscela che ne risulta prende il nome di ‛conglomerato cementizio', e più esattamente di ‛malta' nel primo caso e di ‛calcestruzzo' nel secondo.
Molto raramente i materiali cementizi sono impiegati per produrre la ‛pasta'; più frequentemente - per motivi economici, ma anche per ragioni tecniche - essi sono utilizzati per preparare la malta e soprattutto il calcestruzzo.
I leganti sono classificati come ‛aerei' o ‛idraulici' a seconda che l'indurimento della miscela acqua-legante possa avvenire rispettivamente solo all'aria o anche sott'acqua.
I leganti aerei comprendono la calce e il gesso, quelli idraulici - molto più importanti - includono il cemento e la calce idraulica.
Poiché quest'ultima è attualmente prodotta in quantità trascurabile, i leganti idraulici si identificano di fatto con il cemento.
Il Gesso
Il gesso legante è costituito da solfato di calcio semidrato (CaSO4 • 1/2H2O) o da anidrite (CaSO4) o da una miscela dei due solfati ottenuta per cottura a 120-200 °C della pietra di gesso, che si trova in natura sotto forma di CaSO4 • 2H2O.
La polvere che si ottiene per macinazione del gesso cotto ha proprietà leganti, poiché, mescolata con acqua, forma una massa plastica che indurisce progressivamente grazie alla trasformazione del semiidrato e dell'anidrite in gesso biidrato.
Nel sistema CaSO4-H2O, a temperatura ambiente, il semiidrato e l'anidrite sono metastabili e presentano una maggiore solubilità in acqua rispetto alla fase stabile costituita da solfato di calcio biidrato.
Pertanto, quando si prepara una pasta mescolando gesso legante con acqua, si forma una soluzione satura di semiidrato o di anidrite, ma soprassatura rispetto al gesso biidrato.
Conseguentemente, dopo un periodo di induzione dovuto alla formazione dei primi nuclei cristallini della fase stabile, cominciano a precipitare i cristalli di CaSO4 • 2H2O.
La soluzione tende, quindi, a diventare insatura in semiidrato o in anidrite, cosicché si registra un ulteriore processo di solubilizzazione delle fasi metastabili e di precipitazione di quella stabile.
Il processo continua fino alla completa trasformazione del gesso legante nel solfato di calcio biidrato, il cui precipitato si presenta sotto forma di cristalli aghiformi.
I manufatti ottenuti per idratazione del gesso legante non possono essere utilizzati all'aperto, né in ambienti chiusi ma umidi e tanto meno sott'acqua.
Infatti, a causa della relativa solubilità del gesso biidrato in acqua (circa 2 g/l a 20 °C), il manufatto in gesso può subire un certo dilavamento.
Si può in parte ovviare all'azione dilavante esercitata dall'acqua, trattando il manufatto in superficie con rivestimenti impermeabilizzanti.
Tuttavia, a causa delle variazioni termiche o delle sollecitazioni meccaniche che provocano il distacco delle parti superficiali, l'azione protettiva del rivestimento non può essere garantita a lungo.
La Calce
Durante la produzione e l'indurimento della calce avviene una reazione, rispettivamente di decarbonatazione e di carbonatazione.
La produzione della calce avviene per decomposizione termica del calcare che nel procedimento industriale alimenta il forno verticale dall'alto.
L'ossido di calcio si raccoglie in basso, mentre il diossido di carbonio viene eliminato insieme ai gas della combustione che attraversano dal basso verso l'alto il forno in controcorrente rispetto al materiale in cottura.
Il prodotto ottenuto alla fine del processo di cottura è commercialmente noto con il nome di calce viva o calce in zolle.
Esso viene trasformato in calce idrata, detta anche calce spenta, attraverso l'operazione di spegnimento o estinzione, che consiste nel trasformare l'ossido nel corrispondente idrossido.
A seconda che la quantità d'acqua impiegata nello spegnimento della calce viva sia eguale o di poco superiore a quella stechiometrica, oppure in forte eccesso rispetto a quest'ultima, si ottiene, rispettivamente, la calce idrata in polvere o il cosiddetto grassello.
La calce idratata in polvere viene prodotta in un idratatore dove l'acqua viene spruzzata su un letto di calce precedentemente frantumata e ridotta a una pezzatura di 0,5-1 cm.
La quantità di acqua impiegata per l'idratazione è leggermente superiore a quella stechiometrica per tener conto dell'evaporazione di una parte di essa in conseguenza del forte sviluppo di calore.
A causa del riscaldamento, e soprattutto dell'aumento di volume che si verifica nella trasformazione dell'ossido in idrossido di calcio, i granuli di calce si disintegrano producendo una polvere finissima.
Affinché l'idratazione possa avvenire in un tempo relativamente breve, è necessario che la calce viva sia porosa, per consentire una rapida penetrazione dell'acqua all'interno dei granuli.
La porosità della calce è strettamente legata alla temperatura di cottura, nel senso che quanto più elevata è stata la temperatura nel forno, tanto minore risulta la porosità della calce a causa della sinterizzazione dell'ossido, consistente in un processo di densificazione del materiale.
D'altra parte, la trasformazione dell'ossido nell'idrossido deve essere totalmente realizzata durante il processo di estinzione, per evitare l'inconveniente della formazione dei cosiddetti bottaccioli o calcinaroli.
Questi sono costituiti da granuli di calce densificata per un eccesso di cottura (calce ‛stracotta' o ‛cotta a morte'), che si trasforma più lentamente in idrossido di calcio proprio a causa della minore porosità dell'ossido.
Pertanto, se, durante il processo di estinzione, nei granuli di calce densificata non si completa la trasformazione da ossido in idrossido, la reazione di idratazione continuerà durante l'impiego del legante, e cioè in fase di indurimento.
Se il calcare impiegato è di tipo dolomitico, e quindi molto ricco in carbonato di magnesio, MgCO3, il prodotto della cottura contiene, accanto all'idrossido di calcio, quantità rilevanti di ossido di magnesio, la cui trasformazione in idrossido è relativamente lenta.
Per l'utilizzazione come legante, la calce in zolle (CaO) può anche essere mescolata con un eccesso di acqua, così da ottenere una pasta di consistenza plastica, untuosa al tatto, facilmente modellabile: il grassello.
Questo può essere ottenuto anche mescolando acqua con calce idrata, anziché con calce in zolle come avveniva in passato.
In questo caso, ovviamente, non si può parlare di estinzione, ma piuttosto di un mescolamento di un solido già idratato, Ca(OH)2, con acqua.
Il grassello, lasciato all'aria in strati sottili, indurisce progressivamente per la combinazione del Ca(OH)2 con il CO2 dell'aria.
In genere la calce viene utilizzata sotto forma di malte, cioè di miscele contenenti calce idrata o grassello, sabbia e acqua.
La funzione della sabbia è innanzitutto quella di ridurre il ritiro della malta indurita provocato dall'evaporazione dell'acqua e dalla contrazione di volume che si verifica nella reazione di carbonatazione.
I granuli di sabbia, infatti, contrastandosi vicendevolmente, rendono più stabile dimensionalmente la malta indurita.
Inoltre l'aggiunta di sabbia serve anche a disporre la pasta legante sotto forma di strati sottili avvolgenti i granuli di inerte.
In queste condizioni, a causa della maggiore superficie esposta all'azione del CO2, l'indurimento della malta avviene più celermente.
La Calce Idraulica
La calce idraulica possiede discrete proprietà idrauliche, nel senso che una volta indurita essa può sopportare il contatto con l'acqua.
Un tempo la calce idraulica veniva prodotta esclusivamente sottoponendo a estinzione il prodotto della cottura dei calcari argillosi naturali (calce idraulica naturale).
A causa della presenza di significative quantità di silice e di allumina, contenute nelle argille, si formano, durante la cottura a temperatura non superiore ai 900 °C, il silicato bicalcico e l'alluminato monocalcico.
La calce idraulica può anche essere ottenuta sottoponendo a estinzione il prodotto della cottura di una miscela artificiale di argilla e calcare (calce idraulica artificiale).
Un altro tipo di calce idraulica viene preparato mescolando semplicemente calce idrata con pozzolana o con loppa d'altoforno, sottoprodotto della produzione della ghisa.
Il Cemento Portland
Il cemento è un legante idraulico, in quanto, mescolato con acqua, dà luogo a una pasta che indurisce e rimane chimicamente stabile anche se conservata sott'acqua.
Il cemento Portland, il più importante dei leganti idraulici, si ottiene per macinazione del clinker con piccole aggiunte di gesso biidrato o di anidrite ed eventualmente di altri materiali, quali pozzolana, sabbia, calcare, loppa d'altoforno, ecc.
La percentuale dei materiali aggiunti al clinker deve essere contenuta entro certi limiti.
Il clinker, che è il costituente più importante del cemento Portland (85-95%), è il prodotto della cottura, a circa 1.300-1.500 °C, di una miscela di argilla, calcare, sabbia, ceneri di pirite, ecc.
In seguito alle reazioni che avvengono durante la cottura, nel clinker si forma una miscela di silicato tricalcico, β-silicato bicalcico, alluminato tricalcico, e una soluzione solida ternaria di composizione compresa tra gli estremi 6CaO • 2Al2O3 • Fe2O3 e 6CaO • Al2O3 • 2Fe2O3, molto spesso indicata con 4CaO • Fe2O3 • Al2O3.
Nella chimica del cemento, per brevità , si usa scrivere C, A, F ed S rispettivamente al posto di CaO, Al2O3, Fe2O3, SiO2.
Mescolando separatamente con acqua ciascuno di questi costituenti mineralogici, si ottengono delle paste che induriscono gradualmente.
Si può osservare che, dei quattro composti, solo il C3S e il β-C2S sono in grado di produrre, per reazione con l'acqua, paste dotate di apprezzabile resistenza meccanica.
La produzione del cemento Portland consiste nel macinare e mescolare le materie prime, nel cuocere la miscela fino a ottenere una fusione parziale (‛clinkerizzare'), cioè fino a ottenere dal 20 al 30% di fase liquida, nel raffreddare piuttosto rapidamente il prodotto della cottura (clinker) e nel macinare il clinker in presenza di gesso biidrato o di anidrite.
I processi di fabbricazione si differenziano sostanzialmente nel metodo di mescolamento delle materie prime.
Nel cosiddetto processo a secco, più diffuso, le materie prime sono frantumate con frantoi rotativi o a mascelle, dosate, mescolate, essiccate, macinate in mulini a sfere e omogeneizzate in sili per insufflamento di aria; la polvere così ottenuta (denominata ‛farina') viene, infine, inumidita per formare le graniglie che alimentano il forno.
Quest'ultima operazione ha lo scopo di evitare che la farina entri nel forno sotto forma di polvere, la quale potrebbe in buona parte essere trascinata fuori dalla controcorrente dei gas di combustione.
Negli impianti più moderni la perdita di polvere nella corrente dei gas di scarico viene praticamente annullata con precipitatori elettrostatici, filtri a secco, separatori a cicloni, torri di lavaggio, e la polvere viene rimessa nel ciclo di produzione.
Il processo a umido viene, invece, preferibilmente impiegato se le materie prime argillose sono già piuttosto umide (contenuto di acqua superiore al 20-25%); in tal caso le argille sono prima spappolate con altra acqua in apposite vasche e, quindi, mescolate con il calcare e le altre materie prime frantumate a parte, per essere infine macinate a umido in mulini a sfere.
La scelta del processo a secco o a umido dipende fondamentalmente dal costo del combustibile utilizzato nella cottura del clinker e dalla percentuale di umidità presente nell'argilla.
È evidente che, con l'avvento della crisi energetica degli anni settanta, non solo si è scelto il processo a secco, ma si è anche reso necessario trasformare gli stabilimenti produttivi già esistenti, che utilizzavano il processo a umido, in cementerie con processo a secco.
La necessità di convertire il processo a umido in quello a secco, unitamente all'esigenza di aumentare la produttività degli impianti, ha comportato anche la modifica dei forni di cottura.
Infatti, a causa della maggiore quantità di acqua da evaporare, i forni della via umida presentavano un limite nella capacità produttiva, rispetto a quelli della via secca, per il maggior carico termico - a parità di produzione - al quale veniva sottoposta la zona di cottura.
I forni sono di due tipi: rotante e verticale.
Il primo, più diffuso, è costituito da un tubo leggermente inclinato, con pendenza del 3-5%, lungo fino a 200 m e con un diametro fino a 8 m, che ruota lentamente per fare avanzare la miscela da cuocere in controcorrente rispetto ai gas della combustione, a una velocità di qualche decina di metri all'ora.
I forni verticali, alti da 10 a 20 m e con diametro di 2-3 m, sono alimentati in alto da un granulato, costituito da una miscela di coke e materie prime, che viene preriscaldato.
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