LEGANTI
Materiali impiegati per unire stabilmente materiali da costruzione per
opere murarie (pietre, laterizi, ecc. ) sia prodotti che, dopo opportuna
trasformazione diventano essi stessi materiali da costruzione
Di uso generale
Di uso speciale
Leganti aerei
Leganti idraulici
Fanno presa
ed induriscono
in aria
Fanno presa e
mantengono la
loro resistenza
anche
sott’acqua
Gesso
o magnesiaco,
usato per gli
abrasivi
Alluminosi
Calce aerea
Silico-calcarei
Cemento Sorel
Impieghi non
strutturali
La Calce Aerea
Calce è un termine generico che comprende i prodotti e le forme
chimiche e fisiche, sotto le quali possono presentarsi gli ossidi e/o
idrossidi di calcio e/o magnesio.
Già i Romani ed i Fenici prima avevano imparato ad usare la calce
come materiale da costruzione, mescolata con la sabbia a formare la
malta.
Viene definita calce aerea per il fatto che indurisce per assorbimento
dell'anidride carbonica dall'aria e rappresenta, sicuramente, il legante
più tradizionale tra quelli tuttora impiegati.
Originariamente era utilizzata, quasi esclusivamente, sotto forma di
grassello di calce spento sul cantiere e stagionato, dopo aver
combinato con acqua in eccesso l'ossido di calcio prodotto per
calcinazione di minerali molto ricchi di carbonato di calcio. (calce
viva).
La calce si ottiene per calcinazione di pietra calcarea, roccia
sedimentaria, largamente diffusa in natura, attraverso i seguenti passi:
1) Selezione del calcare
Le caratteristiche mineralogiche e chimiche dei calcari usati come materia
prima sono di fondamentale importanza. I calcari più idonei alla
fabbricazione della calce aerea devono
avere una struttura microcristallina, e
contenere percentuali di impurità, in
particolare di natura argillosa, non
superiori al 5%.
2) La cottura
Il calcare viene immesso nei forni e
portato a una temperatura prossima a
900°C. In tali condizioni il CaCO3 si
decompone in ossido di calcio (calce
viva) e anidride carbonica.
3) Lo spegnimento
La calce viva, messa a contatto con acqua reagisce con un forte
sviluppo di calore e si trasforma in una polvere bianca chiamata calce
spenta (o in una pasta detta grassello), chimicamente idrossido di
calcio.
L’idrato di calcio ottenuto dallo spegnimento della calce viva con
acqua in eccedenza, sino ad ottenere una pasta plastica e fine è il
Grassello di calce . Nella produzione dei grasselli è molto importante
il tipo di calcare usato, quanto il tempo di invecchiamento.
Come già sapevano i Romani, il tempo di stagionatura dei grasselli di
calce ne migliora la qualità e consente:
- la decantazione delle impurità;
- lo spegnimento omogeneo;
- l'assenza di calcinaroli (granulo di calce non spento).
I tempi minimi vanno dai 3 mesi per malte di allettamento e rinzaffi, 1
anno per tonachini monostrato colorati o per rasature, 3 anni per pitture
e affreschi.
4) La carbonatazione
L’indurimento in opera, in forma di malte, stucchi, pitture ecc., avviene
tramite la carbonatazione. Tale processo, che può avvenire solo in
presenza di anidride carbonica (e acqua libera) trasforma la calce
spenta in calcite, chiudendo così il ciclo. La reazione è la seguente:
Poiché in realtà la reazione avviene in fase acquosa l’espressione più
rigorosa è.
La Calce Idraulica
Le calci idrauliche sono materiali da costruzione tradizionali e
costituiscono una tappa fondamentale della storia dei leganti impiegati
nelle costruzioni prima dell'avvento del cemento Portland.
Devono il loro nome alla capacità di fare presa e indurire anche se non
esposte all’aria e questo grazie alla presenza, nella loro formulazione,
di silicati reattivi in combinazione con idrossido di calcio.
I primi esempi di impiego di malte idrauliche, ottenute per impasto di
calce aerea e sabbia vulcanica, viene fatto risalire ai Fenici.
In seguito tale tecnica fu ripresa dai Romani che usarono sia la sabbia
di Pozzuoli (in latino pulvis puteolana, da cui pozzolana) sia il coccio
pesto come riferisce Vitruvio nella sua opera De architectura (13 a.C. )
La pozzolana, inizialmente estratta dalle cave di Pozzuoli (lapilli), è un
prodotto di origine vulcanica costituito prevalentemente da silicati idrati
di allumina, da silice al 70%, ossido di ferro, potassio, sodio e
magnesio.
L'argilla cotta (cocciopesto), inerte usato fin dall’antichità, è un'argilla
composta da silicato di alluminio cotto e frantumato. Si può
considerare una pozzolana artificiale.
La pozzolana ed il cocciopesto non si possono considerare degli inerti
poiché, combinandosi con la calce e l'acqua danno origine a malte che
hanno proprietà cementanti e idraulicità.
L’impiego sia della pozzolana che del cocciopesto, grazie alla loro
composizione reattiva, consentono alla malta aerea di acquisire
caratteristiche meccaniche superiori e di ridurre i tempi di indurimento
che, normalmente, sono abbastanza lunghi.
L'esistenza di calci, ottenute dalla cottura di calcari particolarmente
ricchi di argille, note anche come 'calci forti', è ben documentata,(ad
es. da G. Maggi nel 1564) ma fu solo nel Settecento che fu capito
che il meccanismo di reazione della calce idraulica era legato alla
presenza di impurità argillose, cominciarono le sperimentazioni nella
cottura di miscele artificiali di calcare ed argilla.
Nel 1756, J. Smeaton scoprì fortuitamente che la cottura del calcare
contenente impurezze di argilla produceva un tipo di calce (la calce
idraulica appunto) con caratteristiche analoghe a quelle della
miscela calce-pozzolana
L'aggettivo 'idraulico‘, riferito a un legante, è stato introdotto
dall’ingegnere francese Louis Vicat (1786 –1861), che per primo
stabilì in maniera precisa le proporzioni tra calcare e argilla
necessaria a produrre materiali in grado di fare presa e indurire
anche in assenza di aria, ovvero in presenza di acqua.
Plymouth
Smeaton usò la calce idraulica di miscela [Ca(OH)2 + pozzolana] per
sigillare i conci di granito con cui ha costruito il faro.
Con calci idrauliche si intendono prodotti derivati dalla calcinazione
di calcari marnosi o marne calcaree (miscele naturali che presentano
un certo tenore, dal 6 al 22%, di argille o altri alluminosilicati idrati)
sottoposti a cottura a temperature generalmente comprese tra 1100 e
1250°C.
In tali condizioni si forma ossido di calcio (CaO) che successivamente
si combina in parte con la silice e l’allumina dell’argilla, formando
silicati e alluminati di calcio idraulici, composti che reagendo
chimicamente con l’acqua, formano idrati stabili ed insolubili che
permettono al materiale di indurire e rimanere stabile anche
sott’acqua (azione idraulica).
Attualmente, in base alla norma UNI, ciò che commercialmente viene
indicato come Calce Idraulica (sigla HL) non viene prodotto per cottura
di marne o miscele di calcare ed argilla ma è ottenuto, di fatto,
miscelando cemento Portland con un buon tenore di filler.
I prodotti ottenuti con la cottura di marne naturali oppure di
mescolanze omogenee di pietre calcaree e di materie argillose sono
indicati come Calci Idrauliche Naturali e vengono contraddistinte con
la sigla NHL (Natural Hidraulic Limes) in quanto non sono modificate
e idraulicizzate con l'aggiunta di materiali pozzolanici o idraulici
(clinker, cemento, ceneri ecc).
1260oC
C3S
850oC
C2S
All’uscita dal forno la calce idraulica è costituita da silicato bicalcico
(C2S) e CaO, e quindi deve essere “spenta”
L‘ estinzione della calce idraulica è una delle fasi più delicate della
preparazione di tale legante.
L’unica procedura di spegnimento possibile è con metodo
stechiometrico, cioè l’acqua viene spruzzata in quantità strettamente
necessaria sulle zolle in continuo rimescolamento all’interno di cilindri
rotanti.
Il calore di idratazione mantiene la temperatura intorno ai 100 °C
facendo evaporare l’eventuale acqua in eccesso.
In tali condizioni il C2S, data anche la sua bassa velocità di idratazione,
rimane inalterato.
Il materiale viene quindi stagionato e poi frantumato e sottoposto a
macinazione in molini a sfere, così da ottenere un prodotto di elevata
finezza, pronto all’uso.
La successiva presa e indurimento delle calci idrauliche avviene
per i seguenti processi:
- carbonatazione di Ca(OH)2 con formazione di CaCO3;
- idratazione di C2S e CA con formazione di CSH (silicati idrati di
calcio) e CAH (silicati-aluminati di calcio) che hanno caratteristiche
idrauliche.
L’idraulicità della calce idraulica è quindi funzione della quantità di
minerali argillosi presenti nella roccia di partenza o della quantità e
qualità di materiali idraulicizzanti nelle miscele artificiali impiegate
per la sua preparazione.
L’INDICE DI IDRAULICITA’ viene quindi espresso come il
rapporto tra le percentuali degli ossidi presenti nei materiali
sopracitati:
SiO2  Al 2O3  Fe2O3
I
CaO  MgO 
In tabella sono riportate le caratteristiche delle varie calci idrauliche
in funzione dell’indice di idraulicità
Quando l’indice di idraulicità assume valori compresi tra 0.45 e 0.55,
e la temperatura di cottura è più alta, si passa al campo dei cementi.
GESSO
•E’ il prodotto risultante dalla cottura e dalla macinazione di pietre
solfatiche, in particolare della pietra da gesso.
•E’ una polvere bianca e untuosa, che al tatto dà una sensazione di
umido.
•Al momento dell’impiego, il gesso riassorbe rapidamente l’acqua
con la quale viene mescolato e indurisce, iniziando la presa in pochi
minuti e completandola in meno di un ‘ora.
•Al termine del processo di presa il gesso ha riacquistato il grado di
idratazione iniziale, reintegrando l’acqua persa durante la cottura.
•I leganti gessosi si usano per interni; non sono adatti per l’esterno
perché il solfato di calcio è un sale relativamente solubile.
•Le prerogative del gesso come la sua incombustibilità o la sua
capacità di assorbire umidità e restituirla quando l’ambiente diventa
secco rendono questo prodotto un incomparabile materiale per
interni.
Il gesso è tra i più antichi materiali da costruzione le cui applicazioni si
fanno risalire a 7000 anni fa, era diffusissimo tra i Babilonesi e gli
Egiziani che lo usavano come malta nella costruzione delle piramidi.
Raggiunge l’apice con la decorazione degli edifici della civiltà islamica
dell’antica Grecia e della Roma imperiale, per tutto il medioevo
europeo e culminare nel Barocco e nel Rococò.
Materie prime:
pietra da gesso - contenente il minerale CaSO4  2 H2O
pietra solfatica( o anidrite naturale) - contenente il minerale CaSO4
Processo di produzione:
La materia prima, principalmente pietra da gesso, una volta estratta dalla
cava viene frantumata, macinata e poi vagliata.
La disidratazione avviene in forni, dove il materiale viene portato a
temperature che si aggirano sui 160° C.
Vengono poi eseguiti altri trattamenti per selezionare le caratteristiche del
prodotto in base ai suoi impieghi.
Esistono varie tipologie di gessi, ottenute per cottura a diverse
temperature. Per comprendere queste tipologie di leganti, vediamo
quali trasformazioni subiscono le pietre solfatiche alle varie
temperature
• Fino a 40°C è stabile CaSO4  2 H2O (solfato di calcio biidrato)
• Da 40 a 107°C il sale biidrato si decompone formando il sale
emiidrato:
2 (CaSO4  2 H2O)  2 CaSO4 ½ H2O + 3 H2O
• Da 107 a 170°C il sale emiidrato si trasforma nel sale anidro di tipo

2 CaSO4  H2O  2 CaSO4 () + H2O
CaSO4 () è un cristallo con la stessa geometria dei cristalli idrati,
quindi riassorbe acqua facilmente e può essere usato come legante
• A 170°C c’è solo CaSO4 ()
• Da 170 a 300°C il sale anidro () si trasforma nel sale anidro ()
CaSO4 ()  CaSO4 ()
La forma cristallina () ha un’altra geometria: può riassorbire acqua, ma
lentamente.
• A 300°C c’è solo CaSO4 ()
• Da 300 a 525°C il sale anidro () si trasforma nel sale anidro ()
CaSO4 ()  CaSO4 ()
La forma cristallina () presenta ancora una diversa geometria e non
riassorbe acqua: è detta gesso morto
•Da 525 a 800°C esiste solo CaSO4 ()
•A temperatura maggiore di 800°C si ha la reazione di decomposizione:
CaSO4 () (s)  CaO (s) + SO3 (g)
• Alla temperatura di 1000°C si ha la miscela detta gesso idraulico
CaSO4 () (s) + CaO (s)
• In questo caso è l’ossido che può subire idratazione
Riassumendo i prodotti a base di gesso ottenuti a varie temperature
di cottura ed il loro specifico impiego sono:
Temperatura Composizione
(°C)
Denominazione
Uso
120 – 150
2 CaSO4  H2O +
CaSO4 ()
Scagliola
Rivestimento
per muri
200
CaSO4 ()
Gesso da
formare
Intonaci
400 – 500
CaSO4 () + CaSO4 () Gesso per
pavimenti
Sottofondi
1000
CaSO4 () (s) + CaO (s)
Gesso
idraulico
Gesso idraulico
PRESA:
E’ dovuta alla reidratazione del solfato di calcio, che coinvolge la
diversa solubilità in acqua dei sali biidrato ed emiidrato. Alla fine del
processo si ottiene il sale biidrato solido.
H2O
H2O
H2O
CaSO4 ( o )  2 CaSO4  H2O (s)  2 CaSO4  H2O (aq) 
(emiidrato solido)
H2O

CaSO4  2 H2O (aq)
(biidrato disciolto)

(emiidrato disciolto)
CaSO4  2 H2O (s)
(biidrato precipitato)
Il sale biidrato è meno solubile del semiidrato: (2,1 g/l contro 6,7 g/l).
Quando l’emiidrato si trasforma nel biidrato, questo non può restare in
soluzione e precipita. Alla fine si riottiene il solfato di calcio biidrato
solido, che aderisce sul materiale a contatto. L’idratazione avviene con
un aumento di volume dell’1 per mille e si forma un intreccio di cristalli
filiformi, di densità minore del prodotto di partenza, che va ad occupare
tutti gli interstizi presenti nell’opera.
La formazione del sale
biidrato è accompagnata
da svolgimento di calore
(circa 25 cal/g per la sola
idratazione).
Da notare che acqua
calda (~ 60 oC), allunga il
tempo di presa che, al
minimo, deve variare da
7 a 40 minuti, a seconda
del tipo di gesso.
In fig. sono riportate le
resistenze meccaniche del
gesso sia a a trazione che a
compressione, in funzione della
quantità di acqua aggiunta.
Da notare anche la variazione,
anche se non eccessiva, della
densità, dovuta alla crezione di
porosità.
Il gesso ha reazione acida e perciò attacca i metalli, ma non viene
attaccato dai microrganismi.
Ha buona resistenza all’incendio e non propaga la fiamma. Dovendo
cedere l’acqua di cristallizzazione è un buon schermo al calore.
Infatti uno spessore di 10 mm blocca la temperatura a circa 120°C per
30 minuti se l’altra parete è a 800°C e 30 mm proteggono per 40
minuti a 1100°C.