Il nuovo calcestruzzo – L’Idratazione dei silicati

La tecnologia del calcestruzzo. Il Prof. Mario Collepardi ci descrive la normativa sui cementi. Le informazioni sono tratte dal libro “Il nuovo calcestruzzo” acquistabile al seguente link www.encosrl.it/libriEcco del materiale tratto da libro “Il nuovo calcestruzzo”CAPITOLO III da pagina 60 a 64Se il cemento fosse costituito da solo C3S (alite) o C2S (belite) si registrerebbe un perfetto parallelismo tra il decorso nel tempo della reazione chimica di idratazione (Fig. 3.4) e quello dello sviluppo della resistenza meccanica (Fig. 3.5). Si può notare che il C3S, rispetto al C2S, è più rapido sia nel reagire con l’acqua (Fig. 3.4) sia nello sviluppare la corrispondente resistenza meccanica (Fig. 3.5). Tuttavia, per entrambi i silicati si registrano una reazione di idratazione ed una resistenza meccanica trascurabili durante le prime ore, così come si registra una pressoché identica resistenza meccanica elevata alle lunghissime stagionature (anni).Fig. 3.4 – Andamento schematico del grado di idratazione dei silicati in funzione del tempoFig. 3.5 – Andamento schematico della resistenza meccanica a compressione dei silicati in funzione del tempoNaturalmente, il diverso comportamento (chimico e prestazionale) del C3S e del C2S a 1 giorno, a 1 settimana ed a 1 mese dal getto comporta una sostanziale differenza dal punto di vista pratico, ove si pensi all’importanza della resistenza meccanica a pochi giorni dal getto (per rimuovere le casseforme) o a 28 giorni per la determinazione della resistenza meccanica caratteristica sulla quale si basano convenzionalmente i dati progettuali (§ 9.4). Da ciò deriva che, in generale, in un cemento Portland la quantità di C3S è molto maggiore rispetto a quella del C2S (circa 3:1), salvo i casi eccezionali (cemento belitico) in cui le prestazioni a 1 e 28 giorni non sono così importanti (per es. nelle dighe dovesi caratterizza il calcestruzzo a 90 o 180 giorni) e nel contempo esistono altre esigenze (ridotto sviluppo di calore) per preferire un cemento con maggior contenuto in C2S che non in C3S (§ 14.5).Nella Fig. 3.4 è riportata la percentuale di C3S o C2S che ha reagito con l’acqua in funzione del tempo. Ma quale è il risultato di queste reazioni di idratazione? In entrambi i casi si formano due tipologie di prodotto: un silicato di calcio idrato (indicato con la sigla C-S-H) e l’idrossido di calcio, Ca(OH)2 , indicato anche con la formula CH secondo lo schema di reazione [3.3]:C2S                       v1+ H₂O  =======> C-S-H + CH                                             [3.3]C₃S                      v2In realtà il processo di idratazione [3.3] avviene con una velocità (v3) minore se si tratta del C2S, e maggiore (v4>v3) se si tratta del C3S. Inoltre, la quantità di calce prodotta per idratazione (CH) è maggiore se riferita all’idratazione del C3S che non a quella del C2S, meno ricco di calcio (10-15%):? M. Collepardi, L. Massidda, “Hydration of Tricalcium Silicate”, Journal of American Ceramic Society, 54, pp. 419-422, (1971); disponibile su www.encosrl.it -> Pubblicazioni scientifiche -> Chimica del cemento -> Articolo N. 19);? M. Collepardi, R. Marchese, “Morphology and surface properties of hydrated calcium silicate paste”, Cement and Concrete Research, 2, 57, (1972); disponibilesu www.encosrl.it -> Pubblicazioni scientifiche -> Chimica del cemento -> Articolo N. 22);? M. Collepardi, L. Massidda, “Hydration of beta-dicalcium silicate alone and in the presence of CaCl2 or C2H5OH.”, Journal of American Ceramic Society, 56, pp. 181-183, (1973); disponibile su www.encosrl.it -> Pubblicazioni scientifiche -> Chimica del cemento -> Articolo N. 27)Tuttavia, la reazione chimica [3.3], da sola, non è in grado di spiegare perché una pasta di C3S o di C2S (e quindi di cemento Portland) si trasforma gradualmente dalla iniziale massa plastica ad un materiale rigido e duro come una pietra. In realtà, tra i due prodotti della reazione, solo il C-S-H è determinante per l’indurimento, mentre la calce contribuisce in modo trascurabile a questo processo. Il C-S-H, ancorché si presenti in forme particellari diverse, è di natura prevalentemente fibrosa. Con il progredire della reazione [3.3], le fibre di C-S-H formatesi sui granuli di C3S o C2S adiacenti, prima si toccano e poi si intrecciano tra loro.Nella Fig. 3.6 sono schematicamente illustrati tre stadi del processo di idratazione: subito dopo il mescolamento quando la reazione non è ancora sostanzialmente partita ed il sistema è relativamente fluido (A); l’inizio della presa quando le fibre cominciano a toccarsi tra loro ed il sistema perde la sua plasticità iniziale (B); l’indurimento in atto quando le fibre, allungatesi per la progressiva idratazione dei silicati, si intrecciano tra loro e provocano l’irrigidimento del sistema (C).Fig. 3.6 – Idratazione schematica del C3S o C2S: subito dopo il mescolamento con acqua (A), inizio della presa (B) e durante l’indurimento (C) Fig. 3.7 – Pasta di cemento dopo 5 ore di idratazione: il C-S-H si presenta in forma di fi bre (T. Cerulli e D. Salvioni, Mapei)La fotografia della Fig. 3.7 illustra la microstruttura di una pasta di cemento in fase di presa dopo circa 5 ore, quando cioè le fibre di C-S-H dovute all’idratazione del C3S sembrano “forare” la pellicola di ettringite primaria (§ 3.4) formatasi fin dai primi minuti di idratazione (Fig. 3.3A).Fig. 3.8 – Pasta di C3S al momento della prese (A) e dell’indurimento (B)Le microfotografie della Fig. 3.8 mostrano la situazione di una pasta di C3S, al momento della presa e a indurimento avvenuto, così come è rilevabile con l’ausilio del microscopio elettronico a scansione (M. Collepardi, “A discussion of the paper “Studies on the hydration of tricalcium silicate pastes. I Scanning electron microscope examination if microstructural features” by F.V. Laurence and J.F. Young.”, Cementi and Concrete Research, 3, pp. 645-657, (1973); disponibile su www.encosrl.it  -> Pubblicazioni scientifiche -> Chimica del cemento -> Articolo N. 31).Si può notare, nelle foto della Fig. 3.8, come tra le fibre esistano micro-cavità diffuse (M. Collepardi, “Struttura porosa delle paste di silicato tricalcico idrato ”Il Cemento, 71, pp. 11-12, (1974); disponibile su www.encosrl.it -> Pubblicazioni scientifiche -> Chimica del cemento -> Articolo N. 32), denominate “pori capillari“, (§ 8.2; 8.3; 8.4) che influiscono negativamente tanto sulla resistenza meccanica (§ 9.2) quanto sulla durabilità del materiale (§ 11.1): maggiore porosità significa maggiore permeabilità, e quindi maggiore penetrabilità del sistema cementizio da parte degli agenti aggressivi.Per ridurre la porosità capillare, e quindi aumentare sia la resistenza meccanica sia la durabilità, si può: ridurre – a parità di cemento (c) – il quantitativo di acqua (a) oppure – a parità di acqua – aumentare il cemento. In entrambi i casi si riduce il rapporto a/c e quindi si predispone un intreccio più densificato delle fibre per la minore distanza tra i granuli di cemento (Fig. 3.9).