CEMENTO PORTLAND

Raffreddamento del prodotto di cottura (clinker)

Aggiunta al clinker di una piccola quantità di gesso CaSO₄ ^. 2H₂O (<5%)

macinazione

i materiali di partenza (argilla, calcare, cenere di pirite) vengono macinati ed omogeneizzati fino all'ottenimento di una miscela molto fine. La macinazione può avvenire a secco o a umido, a secco richiede meno energia e + produttività. Le materie prime vengono dosate, miscelate,essiccate e macinate in mulini a sfere, successivamente vengono omogeneizzate in sili x insufflazione di aria la polvere ottenuta viene inumidita x andare in forno.

COTTURA

La miscela viene messa in un forno in un forno rotante con una inclinazione del 3-5% x permettere l'avanzamento del materiale.

All'estremità opposta a quella d'ingresso vi è un bruciatore a combustibile e con aria presiscaldata, qui la temperatura raggiunge i 1450°, i gas combustibili percorrono in senso inverso rispetto al materiale ed escono dal camino ( l'impianto prevede anke un sistema di preriscaldamento a monte e di raffreddamento a valle).

Man mano che la miscela avanza raggiunge temperature diverse che provocano altrettante reazioni chimiche

perdita dell'acqua delle materie prime

dall'argilla si libera acqua di cristallizzazione

il calcare si dissocia in calce e anidride carbonica

il materiale secco comincia a dar vita a diverse reazioni chimiche che formano il SILICATO BICALCICO 2CaO ^. SiO₂ C₂S

il silicato bicalcico reagisce con la calce formando SILICATO TRICALCICO 3CaO SiO₂ C₃O

si completa la reazione

Fase liquida (<25%) si forma a partire dai 1250-1300° (fusione),si ha la formazione di una fase liquida ricca di ALLUMINA e OSSIDO di FERRO alluminato tricalcico C₃A e ferralluminato tetracalcico C₄AF, questa fase e' estremamente importante xke' avvolgendo le particelle solide rende possibili velocità di reazione molto più elevate riduce i tempi di formazione dei silicati e le temperature a cui si formano

Parte solida è costituita da una miscela di silicato tricalcico e bicalcico (C₃S C₂S)

C₃S si forma sopra i 1250° e x essere reso stabile va raffreddato bruscamente; si ottiene così il CLINKER

E' costituito dal 75-85 % di C₃S C₂S e per il restante 20-25% da C₃A e C₄AF, oltre a questi si trovano in minime quantità anche altri composti, in particolare ossidi di Mg, Ti, K e Na. Tra questi sono particolarmente importanti gli ossidi di sodio (Na) e potassio(k) ke regolano l'alcalinità della pasta cementizia e quindi il suo PH

IDRATAZIONE DEL CEMENTO PORTLAND

Acqua e cemento mescolati in proporzioni opportune danno luogo ad un impasto (pasta cementizia) che subisce nel tempo processi di idratazione dei suoi costituenti, man mano ke si procede all'idratazione l'acqua libera diminuisce e si perde plasticità, a presa avvenuta il processo di idratazione continua con velocità decrescente x un periodo detto incrudimento.

MECCANISMO

Il cemento è costituito principalmente da silicati e alluminati:

idratazione degli alluminati

Si idratano molto velocemente ma non portano un contributo alla resistenza meccanica del materiale, è invece molto importante nel processo di presa.

La reazione del C₃A e C₄AF con l'acqua è immediata e fortemente esotermica, si producono idrati cristallini.

L'idratazione dell' alluminato tricalcico è talmente veloce che si ha una perdita di plasticità in brevissimo tempo, per evitare questo processo e permettere la messa in opera si aggiunge del GESSO (CaSO₄). A contatto con l'acqua il gesso reagisce e libera gli ioni solfati SO₄^-- e di calcio Ca²⁺ che vanno a reagire con gli ioni alluminati portando alla formazione di ETTRINGITE ricopre i grani di cemento ke stanno reagendo rallentando il processo di idratazione la quantità di gesso da aggiungere dipende dalla quantità di alluminato tricalcico:

v caso1 velocità di reazione degli alluminati e solfato basse lavorabile fino a 45 min poi gli spazi vengono riempiti dall'ettringite, le paste sono meno lavorabili entro 2.3 ore

v caso2 velocità di reazione degli alluminati e solfati alte si formano immediatamente grosse quantità di ettringite , perdita di fluidità entro 10-45 min, la pasta solidifica entro 1-2- ore

v caso3 velocità di reazione degli alluminati alta e quantità dei solfati bassa si formano velocemente grandi quantità di gristalli esagonali di monosolfato e alluminato di calcio idrato, presa in meno di 45 min

v caso4 piccolissime quantità di gesso idratazione del C₃A è rapida, presa istantanea

v caso5 il C₃A ha una bassa reattività e elevate quantità di solfato di calcio emiidrato c'è una sovra saturazione di ioni di calcio e solfati, si formano grossi cristalli di gesso, si ha una perdita di plasticità (falsa presa) non c'e' sviluppo di calore quindi si puo' recuperare la plasticità rimescolando.

Idratazione dei silicati

L'idratazione del C₃S e C₂S da luogo ad una famiglia di silicati di calcio idrati strutturalmente simili C-S-H gel di cemento.

Il C-S-H rappresenta l'80% del volume e il 50% della massa indurita ed e' il responsabile della resistenza meccanica finale. Presenta un struttura mal definita di dimensioni molto piccole formata da filamenti e lamelle sottili, tra le lamelle ci sono degli spazi ke rappresentano i pori del gel

L'idratazione dei silicati produce anche cristalli esagonali di idrossido di calcio (portlandite) e sono facilmente soggetti a fratture.

La principale differenza tra i prodotti di idratazione del C3S e C2S sta nelle proporzioni, il C3S richiede + acqua rispetto alla C2S ma la differenza maggiore sta nel fatto che il C2S produce una quantità di C-S-H significativamente maggiore 82% ma ha una velocità di reazione + bassa.