L’Industria del Cemento Informazioni generali Il cemento è un legante idraulico che si presenta sotto forma di una polvere finissima, inorganica, non metallica. E’ un legante in quanto ha la capacità di legare degli elementi solidi inerti. E’ idraulico in quanto indurisce e si lega alle materie inerti reagendo e combinandosi con l’acqua e questa reazione può avvenire sia all’aria sia sotto l’acqua. Questo indurimento idraulico si deve soprattutto alla formazione di silicati idrati di calcio in seguito alla reazione tra l’acqua aggiunta per la miscela e i componenti del cemento. Nel caso dei cementi alluminosi, l’indurimento idraulico si deve alla formazione di alluminati idrati di calcio. Il componente fondamentale del cemento è un prodotto della cottura di minerali naturali, denominato clinker, il quale, combinato con altri componenti, dà luogo a vari tipi di cemento. Il clinker è costituito da componenti chimici molto semplici e molto comuni in natura:

la calce: ha un carattere basico e proviene da rocce calcaree con carattere basico; la silice: ha un carattere acido e proviene dalle sabbie, argille e schisti; l’alluminia: presente in molti elementi in concentrazioni variabili dal 4 al 10%; ossidi di ferro e di magnesio; altri componenti minori.

Le proprietà macroscopiche del calcestruzzo, considerato come materiale omogeneo nel calcolo strutturale, dipendono dalle proprietà dei suoi elementi costituenti, ovvero oltre al cemento, l’acqua, gli aggregati e gli additivi, come si può notare in figura.

Il cemento è un materiale fondamentale per le costruzioni edili e le opere di ingegneria civile. In Europa, l’uso del cemento e del calcestruzzo (una miscela di cemento, aggregati, sabbia e acqua) nelle grandi opere civili risale all’antichità. Il cemento portland, il più usato nelle costruzioni in calcestruzzo, è stato brevettato nel 1824. La produzione dell’industria del cemento è in relazione diretta con l’andamento dell’edilizia in generale e, quindi, rispecchia da vicino la situazione economica generale. Come mostra la fig. 1, la produzione mondiale di cemento ha fatto registrare una crescita costante fin dai primi anni cinquanta, con un incremento della produzione nei paesi in via di sviluppo, in primo luogo in Asia, che li ha visti salire al ruolo di protagonisti nell’incremento della produzione mondiale di cemento dei primi anni novanta.

Fig. 1: Produzione di cemento nell’Unione Europea, nel mondo e in Italia nel periodo 1980-2005.

Nel 2002 la produzione mondiale di cemento ha raggiunto 1.737 milioni di tonnellate. La tab. 1 illustra la distribuzione della produzione cemento per aree geografiche:

Tab.1: Produzione mondiale di cemento per aree geografiche nel 2002. Cina Resto dell’Asia Europa occidentale Resto dell’AmericaEuropa orientale

40%18%13%7% 6%

USA Giappone Africa Oceania

5%5%5%1%

In Italia, vengono prodotti diversi tipi di cementi, aventi caratteristiche di composizione e requisiti di resistenza conformi alla norma tecnica UNI EN 197/1; circa il 75% della produzione è rappresentata da cementi Portland, l'11% da cementi pozzolanici, mentre le percentuali di cementi d'altoforno e di cementi compositi sono, rispettivamente, del 5% e 9%. A causa degli alti costi legati al trasporto, i mercati per il cemento sono prevalentemente locali. Tuttavia, esiste un certo commercio globale, e in

alcuni casi è economicamente fattibile spedire il cemento in tutto il mondo. La concorrenza internazionale è una minaccia soprattutto per il singolo impianto, e all’interno dell’Unione Europea la crescente quota di importazioni provenienti dai Paesi dell’Europa orientale influisce sulle condizioni del mercato locale. A titolo esemplificativo, si riporta la produzione ed il consumo di cemento nel 1995.

Fig. 2: Produzione e consumo di cemento nell’Unione Europea nel 1995 [Rapporto Cembureau, 1997]

[Göller] Attualmente, circa l'83% della produzione europea di cemento deriva da processi a via secca, un altro 15% da processi a via semi-secca e semi-umida, mentre il resto, pari a quasi il 2%, è prodotto in cicli a via umida. L’industria del cemento è un’industria ad elevati consumi energetici, nella quale i costi energetici rappresentano circa il 40% dei costi di produzione. Tradizionalmente, il combustibile primario usato è il carbone, ma si usano anche molti altri combustibili, tra i quali coke di petrolio, gas naturale e olio. Oltre a questi tipi di combustibile, l’industria del cemento da più di dieci anni impiega come combustibili vari tipi di rifiuti.

Tab. 3 Consumo di combustibile dell’industria europea del cemento [Rapporto Cembureau, 1997] Combustibile 1995Coke del petrolio 39% Carbone 36% Olio combustibile 7% Lignite 6% Gas 2% Diversi tipi di rifiuti 10%

L’industria del cemento è un’industria ad elevato impegno di capitali. Il costo di un nuovo cementificio è quasi equivalente al fatturato di tre anni, e ciò fa classificare l’industria del cemento tra quelle a più elevato impegno di capitale. La redditività dell’industria del cemento è di quasi il 10% in proporzione al volume d’affari (sulla base dei profitti lordi prima del rimborso degli interessi).

L'Industria del Cemento in Italia L’industria del cemento italiana, per quanto attiene al proprio profilo strutturale, ha mantenuto nel 2002 le ormai consolidate caratteristiche rappresentate da una distribuzione capillare dell’apparato produttivo sul territorio nazionale, con un contenimento dei costi del trasporto e considerevoli vantaggi per i consumatori, e da un livello tecnologico avanzato, che garantisce una ottima qualità del prodotto ed elevati standard di tutela ambientale. La produzione di cemento nel 2002 è stata di 41.416.612 tonnellate con la seguente ripartizione per processo: 40.417.786 t con processo a via secca e semisecca e 998.826 t con processo a via umida. La ripartizione delle cementerie per classi produttive è la seguente:

Numero unità produttive Cemento (ton) Fino a 100.000 t 15 463.373

Da 100.001 a 300.000 t 20 3.385.344 Da 300.001 a 600.000 t 26 11.970.950

Da 600.001 a 1.000.000 t 18 14.190.753. Oltre 1.000.000 t 9 10.956.192

Totale 88 41.416.612

Tab. 4 Distribuzione territoriale delle Unità Produttive in Italia e loro produzione i tonnellate (anno 2005-2004)

2005 2004 Piemonte 3846331 3966041Liguria 113672 141118Lombardia 6944665 6971272Veneto 5121401 5232638Friuli Venezia Giulia 1495929 1397162Trentino Alto Adige 560258 562731Emilia Romagna 3889385 3753937Toscana 2426192 2428730Marche 428888 431718Umbria 3010327 2807713Lazio 3074508 3095229Abruzzo 1197310 1162183Molise 1167726 1082518Campania 2394678 2416141Puglia 3422969 3288471Calabria 1207010 1212478Basilicata 1134901 1092302Sardegna 1476517 1612230Sicilia 3498719 3397569Totale 46411386 46009681

I consumi energetici Il costo per l’approvvigionamento di fattori produttivi energetici costituisce per l’industria cementiera un elemento di fondamentale importanza alla luce degli elevati consumi (il settore copre il 3,5 % dei consumi di energia elettrica e circa il 6,5 % dei consumi finali di energia termica dell’industria italiana) e del peso relativo che tale voce di costo ha sul conto economico delle aziende produttrici.

Consumi energetici - anno 2002

% Energia elettrica KWh 4.774.197.370 - Metano mc 39.613.599 1.3 Carbone t 2.808.334 90.1 Olio combustibilie denso t 117.060 3.4 Combustibili non convenzionali t 227.560 5.2

Si riporta inoltre la tabella relativa ai dati europei per l’anno 2002 sul recupero energetico di “waste fuels” nei forni da cemento per un confronto con le situazioni degli altri Paesi.

Tab. 5 Recupero energetico di “waste fuels” nei forni da cemento

Paese % Olanda 72 Norvegia 42 Svizzera 34 Germania 30 Francia 27 Austria 29 Inghilterra 6 Italia 4.8Danimarca 4 Finlandia 3 Spagna 2 Polonia 1 Portogallo 1

Descrizione del processo di produzione del cemento Processi e tecnologie applicati La chimica fondamentale del processo di produzione del cemento è basata sulla decomposizione del carbonato di calcio (CaCO3) a circa 900° C per formare ossido di calcio (CaO, calce) e liberare biossido di carbonio allo stato gassoso (CO2); questo processo prende il nome di calcinazione.

CaCO3 + calore → CaO + CO2

La fase successiva è costituita dalla clinkerizzazione, nella quale l’ossido di calcio reagisce ad alte temperature (tipicamente 1400-1500° C) con silice, allumina e ossido ferroso per formare silicati, alluminati e ferriti di calcio che compongono il clinker. Il clinker viene quindi frantumato o macinato insieme al gesso e ad altre aggiunte per produrre il cemento. Le tre fasi sono schematizzate nella tabella…:

Le principali tipologie di processo per la fabbricazione del cemento sono:

Processo a via secca: le materie prime sono macinate ed essiccate, dando così origine alla farina sotto forma di polvere. La farina cruda essiccata viene alimentata al preriscaldatore o al precalcinatore o, più raramente, ad un forno lungo nel quale si realizzano le tre fasi per via secca.

Processo a via semi-secca: la farina cruda essiccata viene pellettizzata con acqua e alimentata ad un preriscaldatore a griglia che si trova prima del forno oppure in un forno lungo dotato di crociere.

Processo a via semi-umida: lo slurry (pasta) viene dapprima disidratato nelle filtro-presse. Il pane compresso viene estruso sotto forma di pellets ed immesso in un preriscaldatore a griglia o direttamente nell’essiccatore idoneo per produrre la farina cruda.

Processo a via umida: le materie prime (spesso contenenti un’elevata percentuale di umidità) sono frantumate in acqua per formare uno slurry pompabile. Lo slurry può essere immesso direttamente nel forno oppure passare prima in un apposito essiccatore.

La fig. 3 da un quadro generale del processo a via secca con preriscaldatore a cicloni e precalcinatore.

Fig. 3: Tipico processo a via secca con forno precalcinatore

La scelta del processo dipende in misura notevole dallo stato delle materie prime (secche o umide). Gran parte della produzione mondiale di clinker si fonda ancora su processi a via umida. Tuttavia, in Europa, la disponibilità di materie prime asciutte fa sì che più del 75% della produzione si basi su processi a via secca. I processi a via umida consumano più energia e, quindi, sono più costosi. Gli impianti che applicano il processo a via semi-umida saranno probabilmente convertiti alla via secca nel momento in cui sarà necessario ingrandirli o adeguarli. Tutti i processi hanno in comune le seguenti fasi:

estrazione delle materie prime; stoccaggio e preparazione delle materie prime; stoccaggio e preparazione del combustibile; cottura del clinker; macinazione e stoccaggio del cemento; imballaggio e spedizione.

Estrazione delle materie prime Le rocce generalmente impiegate sono di due tipi: il primo è costituito prevalentemente da carbonato di calcio, materiale molto diffuso nelle nostre zone montuose; il secondo tipo, anch’esso molto diffuso, è costituito da argille o calcari marnosi che contengono, oltre al carbonato di calcio, anche notevoli percentuali di silicato di alluminio e ferro. Anche le ceneri prodotte dalle centrali termoelettriche, le scorie d’altoforno e altri residui di processi industriali possono essere usati, in funzione della loro idoneità dal punto di vista chimico, per sostituire, almeno in parte, le materie prime naturali. La tab. 6 elenca i tipi di rifiuti oggi più usati come materie prime nella produzione del cemento in Europa.

Tab. 6 Tipi di rifiuti usati come materie prime nell’industria europea del cemento [Cembureau] Ceneri volanti Scorie d’altoforno Alluminia Scorie di ferro Fanghi di cartiera Ceneri di pirite Gesso di desolforazione

L’estrazione di quasi tutte le materie prime naturali richiede una serie di operazioni di escavazione ed estrazione in cave a cielo aperto. Le operazioni necessarie comprendono perforazione dello strato roccioso, abbattimento con esplosivi, scavo, trasporto e frantumazione. Dopo una prima frantumazione, le materie prime vengono trasportate al cementificio, dove vengono stoccate e sottoposte ad ulteriore lavorazione. Altre materie prime, quali, ad esempio, bauxite, minerale di ferro, scorie d’altoforno o terre di fonderia, derivano da altri processi industriali.

Stoccaggio e preparazione delle materie prime La preparazione delle materie prime è molto importante per il sistema del forno, sia per ottenere la giusta composizione chimica della farina, sia per garantire che la stessa sia abbastanza fine. Stoccaggio delle materie prime La necessità di usare depositi coperti dipende dalle condizioni climatiche e dalla quantità di polveri fini presenti nelle materie prime che escono dall’impianto di frantumazione. Nel caso di un impianto da 3.000 t/giorno, questi depositi possono contenere una quantità compresa tra 20.000 e 40.000 t di materiale. Il "crudo" che deve essere alimentato al forno deve avere caratteristiche chimiche quanto più omogenee. Ciò si ottiene controllando la quantità di materiale che viene immesso all’interno dell’impianto di macinazione del crudo. Se il materiale proveniente dalla cava è qualitativamente disomogeneo, un’iniziale premiscelazione si può ottenere stoccando il materiale in file o in strati nel senso longitudinale (o intorno alla circonferenza) del deposito e prelevandolo poi per sezioni trasversali. Se il materiale proveniente dalla cava è abbastanza omogeneo, può essere stoccato e prelevato secondo criteri più semplici. Le materie prime da usare in quantità relativamente piccole, per esempio le aggiunte minerali, possono essere immagazzinate in sili o depositi. Macinazione delle materie prime I componenti in alimentazione al mulino devono essere dosati con estrema cura, per ottenere una composizione chimica adeguata; questo è indispensabile per garantire sia un funzionamento regolare del forno, sia un prodotto di alta qualità. Dosare e proporzionare accuratamente i componenti è anche un importante fattore nell’efficienza energetica del sistema di macinazione. Le attrezzature più usate, per dosare e proporzionare la carica di materie prime che viene immessa nei mulini, sono i nastri trasportatori alimentatori seguiti dai nastri trasportatori pesatori. Macinazione delle materie prime, processo a via secca o semi-secca Le materie prime, in proporzioni controllate, sono macinate e miscelate per formare una miscela omogenea avente l'opportuna composizione chimico-fisica. Per i processi a via secca e semisecca, i componenti delle materie prime sono macinati ed essiccati fino ad ottenere una polvere fine, recuperando principalmente i gas esausti del forno e/o i gas provenienti dal raffreddatore. Per le materie prime che hanno un contenuto di umidità relativamente elevato e per le fasi di avvio può essere necessario disporre di un generatore di gas caldi (fornello ausiliario) per fornire ulteriore calore. I sistemi di macinazione a via secca normalmente usati sono:

mulino tubolare, a scarico centrale; mulino tubolare, a getto d’aria; mulino verticale a pista e rulli di forma tondeggiante; mulino orizzontale a pista e rulli.

La finezza e la distribuzione granulometrica del prodotto che esce dall’impianto di macinazione è molto importante per il successivo processo di cottura. I valori richiesti di questi due parametri si ottengono regolando il separatore usato per classificare il prodotto lavorato nel mulino. La classificazione a via secca si esegue per mezzo di separatori ad aria. Le macchine dell’ultima generazione, i separatori con gabbia a rotore, offrono diversi vantaggi, tra cui:

minore consumo energetico specifico del sistema di macinazione (minore produzione di fini); maggiori quantità di materiale macinato (rendimento della separazione);

migliore distribuzione granulometrica e maggiore omogeneità del prodotto. Macinazione delle materie prime, processo a via umida o semi-umida La macinazione a via umida si usa solo in combinazione con un sistema forno a via umida o semiumida. I componenti del crudo vengono macinati con aggiunta di acqua, in modo da formare uno slurry (pasta). Per ottenere la finezza desiderata dello slurry, necessaria per ottemperare ai moderni requisiti di qualità, la soluzione principale è rappresentata dai sistemi di macinazione a circuito chiuso. Il processo a via umida è normalmente preferito quando si utilizzano materie prime con un tenore di umidità superiore al 20% in peso. Materie prime quali chalk, marna o argilla, che sono coesive e ad elevata umidità intrinseca, sono friabili e in una prima fase della preparazione possono essere macinate in un mulino di lavaggio. Il materiale in pezzatura viene immesso nel mulino di lavaggio insieme ad una certa quantità d’acqua per essere ridotto a slurry per effetto di azioni di taglio e di urto impartite da lame rotanti. Una volta raggiunta la giusta finezza granulometrica, il materiale passa attraverso i vagli posti sulla parete del mulino e viene pompato al deposito di stoccaggio. Per ridurre lo slurry alla finezza desiderata, è di solito richiesta un’ulteriore macinazione in un mulino tubolare, soprattutto se è necessario aggiungere altro materiale crudo, per esempio sabbia. Al fine di ridurre il consumo di combustibile del forno, l’aggiunta dell’acqua durante la macinazione delle materie prime viene controllata in modo da usarne la quantità minima per ottenere uno slurry con la densità e le caratteristiche di pompabilità richieste (32-40% d’acqua in peso). Lo slurry può essere diluito con aggiunta di alcuni additivi chimici, così da ridurre il contenuto d’acqua. Omogeneizzazione e stoccaggio della farina cruda o dello slurry Per raggiungere la consistenza ottimale che la miscela del crudo deve avere prima di essere immessa in qualsiasi tipo di forno, la farina cruda o lo slurry che si ottengono dal processo di macinazione devono essere sottoposti ad un ulteriore trattamento di miscelazione/omogeneizzazione. La farina cruda è omogeneizzata e stoccata nei sili, mentre lo slurry in serbatoi o sili. La farina cruda viene trasportata ai sili nei quali sarà immagazzinata per mezzo di sistemi pneumatici e meccanici. I trasportatori meccanici richiedono, di solito, investimenti più elevati rispetto ai sistemi di trasporto pneumatico, ma hanno costi operativi molto più bassi. Il sistema oggi più diffuso è costituito da una combinazione di trasportatori con canalette ad aria o a coclea/catena con elevatore a tazze. Stoccaggio e preparazione dei combustibili Diverse sono le tipologie di combustibili che possono essere utilizzati per fornire al processo il calore necessario. Per quanto riguarda i forni da cemento, tre sono i combustibili principalmente usati e precisamente (in ordine decrescente di importanza):

polverino di carbone e coke di petrolio; olio combustibile; gas naturale.

Le ceneri dei combustibili solidi e liquidi sono costituite principalmente da composti di silice ed allumina, i quali, combinandosi con le materie prime in cottura, diventano parte del clinker. Questo deve essere tenuto presente ai fini della determinazione del dosaggio delle materie prime: è, pertanto, auspicabile usare un combustibile che abbia un tenore di cenere costante, anche se non necessariamente basso. L’industria europea del cemento usa principalmente coke di petrolio e carbone (carbone nero e lignite).

Ragioni di costo precludono, di norma, l’impiego del gas naturale o di olio, ma la scelta del combustibile dipende dalla situazione locale (per esempio, disponibilità di carbone nazionale). Tuttavia, date le temperature elevate e i lunghi tempi di permanenza nel sistema del forno, le possibilità che le sostanze organiche vengano distrutte sono considerevoli; ciò consente l’impiego di una vasta gamma di combustibili meno costosi, soprattutto di diversi tipi di rifiuti. Per contenere al minimo le perdite di calore, i forni da cemento operano con livelli di eccesso di ossigeno ragionevolmente basso. Per tale motivo il combustibile deve essere dosato in modo molto uniforme e affidabile; inoltre, deve avere caratteristiche fisiche che consentano la combustione agevole e completa. Tali condizioni sono soddisfatte da tutti i combustibili liquidi e gassosi; per quanto riguarda l’uso di combustibili solidi, dette condizioni possono essere soddisfatte solo se tramogge, nastri trasportatori e alimentatori sono progettati adeguatamente. Il combustibile principale deve essere costituito in prevalenza (65-85%) da materiale che brucia facilmente, mentre il restante 15-35% può essere alimentato sotto forma di materiale frantumato o grossolano. Stoccaggio dei combustibili Il carbone ed il coke di petrolio si conservano come le materie prime; pertanto, in molti casi, in depositi coperti. Lo stoccaggio all’aperto in grandi cumuli compattati è destinato alle scorte a lungo termine; i cumuli possono essere seminati a erba per prevenire l’erosione dovuta all’azione della pioggia e del vento. Nel caso dello stoccaggio all’aperto, il drenaggio si è dimostrato problematico. Tuttavia, un rivestimento di calcestruzzo al di sotto del cumulo di materiale consente di raccogliere e, successivamente, depurare l’acqua di scarico. Una buona compattazione ed adeguata altezza del cumulo di materiale deve essere prevista con carbone contenente una percentuale relativamente elevata di componenti volatili, onde evitare il rischio di accensione spontanea, qualora lo stoccaggio si protraesse per lunghi periodi. Il polverino di carbone ed il coke di petrolio sono conservati esclusivamente nei sili. L’olio combustibile si conserva in serbatoi verticali di acciaio, che generalmente sono isolati termicamente per mantenere un alto livello di temperatura che ne consente la pompabilità (50-60° C). I serbatoi possono inoltre essere dotati di punti di estrazione riscaldabili, in modo da mantenere localmente l’olio alla giusta temperatura. Il gas naturale non viene stoccato nel cementificio. La rete di distribuzione nazionale ad alta pressione funge da impianto di stoccaggio del gas. Preparazione dei combustibili I combustibili solidi vengono di solito preparati (frantumati, macinati e essiccati) sul posto. Il carbone ed il coke di petrolio sono ridotti in polvere fino a raggiungere quasi la finezza (residuo del 5-6% a 90μm) alla quale viene portata la farina negli impianti di macinazione, usando un’attrezzatura simile a quella degli impianti di macinazione per le materie prime. La finezza del polverino di carbone è importante, in quanto se è troppo fine la fiamma può raggiungere temperature troppo elevate, mentre se è troppo grossolano la combustione può essere “povera”. I combustibili solidi scarsamente volatili o contenenti una bassa percentuale di componenti volatili vengono macinati più finemente. Se la quantità di aria calda dal forno o dal raffreddatore non è sufficiente per l’essiccazione, si può ricorrere ad un fornello ausiliario. I tre tipi principali di sistemi di macinazione e frantumazione del carbone sono:

mulino tubolare, a getto d’aria; mulino verticale a pista e rulli o a sfere; mulino ad urto.

Il combustibile solido frantumato può essere immesso direttamente nel forno, ma nei moderni impianti viene di solito stoccato in sili, per consentire l’uso di bruciatori termicamente più efficienti (combustione indiretta) che usano poca aria primaria. I sistemi per la frantumazione, lo stoccaggio ed alimentazione dei combustibili solidi devono essere progettati e gestiti in modo tale da prevenire il rischio di incendi o esplosioni. I requisiti fondamentali sono il controllo adeguato della temperatura dell’aria e la prevenzione dell’accumulo di materiale fine in punti morti esposti al calore. Relativamente all'olio combustibile, per facilitarne il dosaggio e la combustione, viene portato a 120-140° C, riducendo in tal modo la viscosità a 10-20 cSt; parimenti, la pressione viene aumentata a 20-40 bar. Per il gas naturale, la pressione del gas viene portata da 30-80 bar del gasdotto a 3-10 bar della rete del cementificio; quindi, la pressione deve essere ulteriormente diminuita fino a raggiungere la pressione di alimentazione del bruciatore (circa 1 bar - sovrapressione). La prima riduzione della pressione si compie nella stazione di trasferimento del gas, dove viene misurato anche il consumo. I rifiuti immessi attraverso il bruciatore principale vengono decomposti nella zona di combustione primaria, a temperature fino a 2000° C. I rifiuti immessi attraverso il bruciatore secondario, il preriscaldatore o il precalcinatore sono bruciati a temperature di circa 1000 °C. Nella tab. 7 sono elencati i tipi di rifiuti usati più frequentemente come combustibili in Europa.

Tab. 7 Tipi di rifiuti usati come combustibili nell’industria europea del cemento [Cembureau] Pneumatici usati Oli usati Fanghi di depirazione essicati

Gomma Residui della lavorazione del legno Plastica Carta RDF-CDR Solventi usati

I diversi tipi di rifiuti da usarsi come combustibili sono di solito preparati al di fuori del cementificio dal fornitore o da ditte specializzate nel trattamento dei rifiuti. Cottura del clinker È la parte più importante del processo in termini di emissioni potenzialmente inquinanti, qualità e costo del prodotto. Nella cottura del clinker, la farina cruda (o lo slurry se il processo è a via umida) viene immessa nel forno rotante dove viene sottoposta a processo di essiccazione, preriscaldamento, calcinazione e sinterizzazione per produrre così il clinker. Questo viene dapprima raffreddato con aria e poi stoccato per l’uso successivo. Nel processo di cottura del clinker è importante che le temperature della carica del forno oscillino intorno a 1400-1500° C e le temperature del gas siano di circa 2000° C. Inoltre, il clinker deve essere cotto in condizioni ossidanti. Di conseguenza, è necessario che nella zona di sinterizzazione del clinker ci sia un eccesso d’aria. Il forno rotante fece la sua comparsa nell’industria del cemento intorno alla fine del secolo XIX (1895) e da allora è diventato il fulcro di tutti i moderni impianti di produzione del clinker. Il forno a tino verticale si usa ancora per la produzione della calce, ma solo in alcuni paesi trova tuttora impiego per la produzione del clinker di cemento, e in tali casi solo negli impianti più piccoli.

Fig. 4 Forno rotante lungo con catene funzionante a via umida [Rapporto Cembureau 1997]

I primi forni rotanti erano lunghi e lavoravano a via umida, come quello della fig. 4, dove il processo termico si svolge tutto nel forno stesso. Con l’introduzione del procedimento a via secca, il processo è stato ottimizzato con l’impiego di tecnologie che consentono di eseguire le procedure di essiccazione, preriscaldamento e calcinazione in un unico impianto fisso, anziché nel forno rotante. Il forno rotante consiste in un cilindro di acciaio con rapporto lunghezza/diametro di 10:1 e 38:1. Il cilindro, che è sostenuto da due-sette o più punti di supporto, ha un’inclinazione del 2,5-4,5%; un motore fa ruotare il forno intorno al proprio asse ad una velocità di 0,5-4,5 giri/min. La combinazione dell’inclinazione del cilindro e del movimento di rotazione fanno sì che il materiale si sposti lentamente lungo lo stesso. Per resistere agli altissimi picchi di temperatura che si raggiungono, tutto il forno è rivestito di mattoni resistenti al calore (refrattari). Tutti i forni lunghi, e anche alcuni corti, sono dotati di accessori interni (catene, crociere, camme) per una migliore trasmissione del calore. Durante la sua marcia nel forno, la materia cruda attraversa le seguenti fasi:

disidratazione: evaporazione dell’acqua libera e combinata alla temperatura di circa 700°C; decarbonatazione e calcinazione: liberazione dell’anidride carbonica e volatilizzazione degli

alcali fra 900 e 1.000°; cottura (clinkerizzazione): formazione di compositi chimici aventi proprietà idrauliche, grazie a

reazioni chimiche che hanno luogo a temperature molto elevate, partendo da 1.000°C fino a giungere a circa 1450-1500 °C.

In relazione al processo e alle materie prime usate e ad altri fattori, sulla superficie interna del forno possono formarsi depositi temporanei di materiale. Questi prendono il nome di anelli e possono essere localizzati all’estremità dell’alimentazione (anelli di gesso), in prossimità della zona di sinterizzazione (anelli di clinker) o all’estremità dello scarico del prodotto (anelli di cenere). Gli ultimi due tipi di anelli possono staccarsi all’improvviso facendo fuoriuscire dal forno un flusso di materiale caldo, di qualità scadente, che normalmente viene poi riciclato. Depositi di materiale possono formarsi anche nei cicloni e nelle griglie dei forni con preriscaldatore, con conseguente interruzione del funzionamento del sistema. Avvio del forno Il combustibile introdotto attraverso il bruciatore primario genera la fiamma principale, che arriva a temperature dell’ordine di 2000° C. Per ragioni legate all’ottimizzazione del processo, la fiamma deve essere, entro certi limiti, regolabile. In un moderno bruciatore ad alimentazione indiretta, la fiamma è modellata e regolata dall’aria primaria (10-15% dell’aria di combustione totale). Teoricamente, il combustibile può essere immesso nel forno nei seguenti modi:

attraverso il bruciatore principale sito all’estremità dello scarico del forno rotante; attraverso uno scivolo di alimentazione posto nella camera di transizione all’estremità

d’ingresso del forno rotante (per combustibili in pezzi); attraverso bruciatori secondari sul condotto ascendente; attraverso bruciatori di precalcinazione nel precalcinatore; attraverso uno scivolo di alimentazione verso il precalcinatore (per combustibili in pezzi); attraverso una valvola mediana del forno nel caso di forni lunghi a via umida e a via secca (per

combustibili in pezzi). Gli impianti alimentati a carbone/coke di petrolio sono normalmente ad alimentazione indiretta, cioè operano con attrezzature di stoccaggio e dosaggio del polverino. Se la viscosità e la pressione lo consentono, l’olio combustibile viene immesso nel forno attraverso un ugello nebulizzatore, così da formare la fiamma principale, che viene regolata prevalentemente tramite bruciatori a più canali per l’aria primaria (con al centro la testa del nebulizzatore dell’olio). Anche i bruciatori per il gas naturale sono progettati in conformità al principio del multicanale, in modo che il gas possa sostituire non solo il carbone o l’olio, ma anche l’aria primaria. Forni rotanti lunghi I forni rotanti lunghi (fig. 5) possono essere alimentati con slurry, biscotti filtrati in pezzi, noduli o farina secca e, quindi, sono adatti per tutti i processi. I forni lunghi più grandi, che possono misurare anche oltre 200 m di lunghezza, hanno un rapporto lunghezza/diametro di 38:1. Questi enormi sistemi producono circa 3.600 t/giorno applicando il processo a via umida (Belgio, USA, ex URSS). I forni rotanti lunghi sono progettati per essiccare, preriscaldare, calcinare e sinterizzare, in modo che si renda necessario integrare il sistema solo con l’alimentazione e il raffreddamento. La parte superiore dei forni lunghi è dotata di schermi a catena e di impianti fissi in modo da migliorare la trasmissione di calore. I forni a via umida, in uso fin dal 1895, sono i più vecchi forni rotanti utilizzati per la produzione del clinker; inizialmente le materie prime venivano preparate a via umida, in quanto l’omogeneizzazione era più semplice con materiale liquido. La carica di un forno a via umida contiene tipicamente il 32-40% d’acqua, che è necessaria per mantenere le caratteristiche liquide della carica. L’acqua viene, quindi, fatta evaporare nella zona di essiccazione specificamente progettata, nella sezione aperta del forno, nella quale si usa una percentuale significativa del calore prodotto dalla combustione. Questa tecnologia è caratterizzata da un elevato consumo di calore, con conseguente emissione di alte quantità di gas esausti e di vapore acqueo. I forni rotanti lunghi si sono sviluppati negli Stati Uniti, mentre, in Europa, a causa dell’elevato consumo di combustibile, sono poche le installazioni di questo tipo.

Fig. 5 Forno lungo

Forni rotanti con preriscaldatore I forni rotanti dotati di preriscaldatore hanno tipicamente un rapporto lunghezza/diametro compreso tra 10:1 e 17:1. Il preriscaldatore può essere di due tipi, a griglia oppure in sospensione. La tecnologia dei preriscaldatori a griglia Il preriscaldatore a griglia, meglio noto forse come forno Lepol (fig.6), fu inventato nel 1928. Esso rappresentava il primo approccio allo sviluppo di parte del processo di clinkerizzazione in un impianto fisso esterno al forno. Questa soluzione consentiva di ridurre la lunghezza del forno rotante, diminuendo in tal modo anche le perdite di calore e accrescendo il rendimento energetico. Nei preriscaldatori a griglia (fig. 6) i noduli ricavati dalla farina cruda tramite apposito disco (processo a via semi-secca) o dai biscotti filtrati dallo slurry tramite estrusore (processo a via semiumida) vengono immessi su una griglia orizzontale attraverso un tunnel chiuso. Questo è suddiviso in una camera per il gas caldo e un’altra per l’essiccazione, suddivise da un divisorio avente un’apertura per la griglia. Un ventilatore attira i gas esausti dal forno verso la parte superiore del preriscaldatore, attraverso lo strato di noduli della camera per il gas caldo e, quindi, attraverso i cicloni del collettore intermedio di raccolta della polvere. I cicloni rimuovono le particelle di polvere più grosse, che altrimenti usurerebbero il ventilatore. Il ventilatore successivo attira il gas alla sommità della camera di essiccazione, attraverso lo strato umido dei noduli e infine lo espelle nel collettore per la polvere. Per raggiungere un rendimento termico ottimale, i preriscaldatori a griglia che lavorano a via semi-umida possono essere attrezzati con sistemi per il gas a triplo passaggio, mentre l’aria esausta del raffreddatore viene usata per essiccare il crudo. Il gas esausto del forno rotante entra nel preriscaldatore alla temperatura di 1000-1100° C. Attraversando lo strato di materiale che incontra nella camera del gas caldo, il gas esausto si raffredda fino a 250-300° C, per uscire quindi dalla camera di essiccazione a 90-150° C. Il materiale da cuocere raggiunge una temperatura di circa 150° C nella camera di essiccazione e di 700-800° C nella camera di calcinazione.

Fig. 6 Forno a griglia Lepol Il preriscaldatore in sospensione L’invenzione del preriscaldatore in sospensione risale ai primi anni trenta e rappresentò un’importante evoluzione del processo di clinkerizzazione. La farina cruda essiccata (processi a via secca/semi-umida) viene preriscaldata ed anche parzialmente calcinata, mentre è tenuta in sospensione con i gas caldi provenienti dal forno. Una superficie di contatto notevolmente più ampia permette uno scambio termico completo ed efficace. Sono disponibili diversi sistemi di preriscaldatori in sospensione. Gli stadi dei cicloni sono usualmente in numero compreso tra quattro e sei e sono disposti uno sull’altro a formare una torre di altezza variabile tra 50 e 120 m. lo stadio in posizione più elevata può essere costituito da due cicloni paralleli per una migliore separazione della polvere. Il gas esausto proveniente dal forno fluisce attraverso i vari cicloni dal basso verso l’alto. La farina cruda finemente macinata si mescola con il gas esausto in controcorrente; essa è separata dal gas nei cicloni e si ricongiunge ad esso prima dello stadio di cicloni successivo. Questa procedura si ripete per ogni stadio finché il materiale viene scaricato dall’ultimo ciclone nel forno rotante. Questo processo ciclico di miscelazione, separazione e rimescolamento avviene a temperatura elevata per ottimizzare lo scambio termico. Il preriscaldatore a cicloni a quattro stadi Il forno con preriscaldatore a cicloni a quattro stadi rappresentava lo standard tecnologico negli anni settanta, quando furono costruiti molti impianti con capacità dell’ordine di 1.000-3.000 t/giorno. Il gas esausto, con temperatura di circa 330° C, viene di norma utilizzato per essiccare le materie prime in alimentazione al mulino crudo. Quando la farina entra nel forno rotante, la calcinazione è già completata per circa il 30%. I preriscaldatori a quattro stadi possono avere problemi in presenza di eccessive quantità di sostanze volatili (cloruri, zolfo, alcali), derivanti dalla farina o dal combustibile; infatti, cicli produttivi molto ricchi di tali sostanze formano depositi sulle pareti dei cicloni e delle condotte, che spesso sono causa di ostruzioni, le quali bloccano il funzionamento del forno per diversi giorni.

Il problema viene risolto con un by-pass del gas del forno, vale a dire con l’estrazione della parte della corrente gassosa carica di particelle che esce dal forno, in modo che questa superi il sistema dei cicloni. Il gas del by-pass viene raffreddato per condensare gli alcali e, quindi, convogliato verso il depolveratore prima di essere scaricato. Mentre in particolari zone geografiche, per controllare il livello degli alcali nel clinker, la polvere di by-pass e parte delle polveri del forno devono essere avviate a discarica, in tutti gli altri casi questi materiali vengono reimmessi nel processo produttivo. Quasi tutti i preriscaldatori in sospensione a quattro stadi funzionano con forni rotanti a tre supporti. Questa è stata la configurazione standard fino al 1970. Forni di 3,5-6 m di diametro sono stati costruiti con rapporto lunghezza/diametro compreso tra 13:1 e 16:1. Più semplici dal punto di vista meccanico rispetto ai forni lunghi a via umida e secca, essi costituiscono il tipo di forno forse più usato al giorno d’oggi.

Fig. 7 Rappresentazione schematica di diversi preriscaldatori [Ullmann, 1986]

I forni rotanti con preriscaldatore e precalcinatore La precalcinazione è stata introdotta negli anni '70; questa tecnologia prevede che l’immissione del calore sia suddivisa in due punti. La combustione primaria del combustibile deve avvenire nella zona di combustione del forno (testata); la combustione secondaria avviene in una camera di combustione posta tra il forno rotante e il preriscaldatore. In un tipico forno con preriscaldatore, in questa camera può essere bruciato fino al 60% di tutto il combustibile. Quest’energia viene sfruttata fondamentalmente per la calcinazione della farina cruda, che è così quasi completamente calcinata quando entra nel forno. L’aria calda per la combustione nel calcinatore viene convogliata dal raffreddatore. Il materiale esce dal calcinatore ad una temperatura di circa 870° C.

La fig. 8 illustra il procedimento con riferimento a un forno con preriscaldatore in sospensione. Per un forno rotante di determinate dimensioni, la precalcinazione accresce la capacità produttiva di clinker. I primi sistemi con precalcinatore avevano solo quattro stadi di preriscaldamento e, di conseguenza, la temperatura del gas esausto ed il consumo del combustibile erano più elevati. Laddove l’umidità delle materie prime è modesta, i preriscaldatori a sei stadi sono la tecnologia di elezione, soprattutto se associati ai depolveratori costituiti da filtri a tessuto. In presenza di quantità eccessive di sostanze volatili in alimentazione, è indispensabile un by-pass del gas del forno, al fine di garantire il funzionamento continuo dell’impianto. Tuttavia, per le diverse caratteristiche di flusso del gas, un by-pass installato nei forni con precalcinatore è molto più efficiente di quello installato nei forni direttamente collegati con un preriscaldatore. Nonostante che la farina immessa nel forno sia calcinata per il 75-95%, la maggior parte dei forni con precalcinatore è ancora equipaggiata con forno rotante provvisto di zona di calcinazione, ossia con un rapporto lunghezza/diametro di 13:1-16:1, come nel caso dei forni direttamente collegati al preriscaldatore.

Fig. 8 Forno a cicloni

I gas esausti del forno In tutti i sistemi di cottura i gas esausti vengono convogliati in un dispositivo antinquinamento (filtro elettrostatico o a tessuto), che trattiene la polvere prima dell'immissione in atmosfera. Nei processi a via secca, i gas esausti hanno una temperatura relativamente alta e normalmente forniscono calore per il mulino del crudo, quando questo è in funzione (marcia combinata). Se il mulino del crudo non è in esercizio (marcia diretta), i gas vengono raffreddati spruzzando acqua in una torre di condizionamento prima di inviarli nei presidi tecnici di filtrazione, al duplice scopo di ridurne il volume e di migliorarne le caratteristiche di precipitazione (resistività polveri). Disinnesto del sistema per la presenza di CO Il monossido di carbonio può svilupparsi da qualsiasi componente organico presente nelle materie prime e, a volte, anche in caso di combustione incompleta del combustibile. La quota proveniente dal preriscaldamento delle materie prime viene eliminata con i gas del forno. Il costante controllo dei livelli di CO è critico per i forni da cemento che impiegano elettrofiltri, poichè si deve garantire che le concentrazioni siano tenute ben al di sotto del più basso limite esplosivo. Se la concentrazione di CO nei precipitatori elettrostatici aumenta (fino allo 0,5% in volume), allora il sistema elettrico viene fatto scattare (viene spento), così da ridurre il rischio di esplosioni; ciò produce una rilevante emissione di particolato non filtrato dal forno. Il fenomeno di disinserimento dei filtri per il CO può essere causato anche da un funzionamento instabile del sistema di combustione. Questo si può verificare, talvolta, quando si usano combustibili solidi; pertanto i sistemi di alimentazione dei combustibili solidi devono essere progettati in maniera tale da prevenire il sovraccarico del combustibile nel bruciatore. Il tenore di umidità dei combustibili solidi costituisce un fattore particolarmente importante, da questo punto di vista, e deve essere tenuto sotto rigorosa sorveglianza al fine di prevenire l’interruzione o l’arresto dei sistemi di preparazione e alimentazione del combustibile. I raffreddatori del clinker Il raffreddatore del clinker è parte integrante della linea di cottura ed influisce in misura determinante sul rendimento e sull’economicità dell’impianto. Il raffreddatore ha una duplice funzione: recuperare quanto più calore possibile dal clinker caldo (1450° C) per restituirlo al processo e ridurre la temperatura del clinker ad un livello adeguato per le apparecchiature che si trovano a valle. Il calore viene recuperato preriscaldando l’aria usata per la combustione principale e secondaria, fino ad avvicinare, quanto più possibile, il limite termodinamico. Tuttavia, a ciò si oppongono le alte temperature, l’estrema abrasività del clinker e l’ampiezza del suo fuso granulometrico. Un rapido raffreddamento fissa la composizione mineralogica del clinker per migliorarne la macinabilità e ottimizzare le caratteristiche di reattività del cemento. I problemi che tipicamente si hanno con i raffreddatori del clinker sono l’espansione termica, l’usura, l’inadeguatezza del flusso d’aria e l’insufficiente disponibilità, che lavorano contro i predetti requisiti. Macinazione e stoccaggio del cemento Stoccaggio del clinker Il clinker e gli altri costituenti del cemento sono stoccati nei sili o in capannoni chiusi. I sistemi più comuni di stoccaggio del clinker sono:

depositi longitudinali con scarico per gravità (riserve limitate); depositi circolari con scarico per gravità (riserve limitate); sili di stoccaggio (riserve ingenti); cupole di stoccaggio (riserve limitate).

Macinazione del clinker Il cemento portland si produce macinando insieme clinker e solfati, quali gesso e anidrite. I cementi di miscela (cementi compositi) contengono altri costituenti, quali scorie d’altoforno granulate, pozzolane naturali o artificiali, calcare o cariche inerti; questi vengono macinati insieme al clinker, dopo una eventuale preventiva essiccazione e/o macinazione separata. Gli impianti di macinazione possono essere localizzati al di fuori degli impianti di produzione del clinker. Il tipo di processo di macinazione dipende dal tipo di cemento che si desidera produrre; di particolare importanza, sono la macinabilità, l’umidità e le caratteristiche abrasive dei componenti utilizzati. La maggior parte dei mulini lavora a circuito chiuso, vale a dire, può separare il cemento della finezza richiesta dal materiale macinato e riciclare nel mulino il materiale grossolano. Dosaggio e proporzionamento della carica del mulino L’accuratezza e l’affidabilità del dosaggio e del proporzionamento dei componenti la carica del mulino (in base al peso) sono molto importanti per mantenere un alto rendimento energetico del sistema di macinazione. Il dispositivo principale di dosaggio e proporzionamento della carica dei mulini è il nastro pesatore di alimentazione. Macinazione del cemento Data la varietà dei tipi di cemento richiesti dal mercato, i sistemi di macinazione più diffusi sono quelli dell’ultima generazione dotati di separatore dinamico ad aria. I sistemi di macinazione del cemento più usati sono i seguenti:

mulini tubolari, a circuito chiuso (le aggiunte minerali sono piuttosto limitate, se non asciutte o preessiccate);

mulini verticali a pista e rulli (più adatti per separare quantità elevate di aggiunte minerali in virtù del loro potere essiccante, per la macinazione separata delle aggiunte minerali);

presse a rulli (le aggiunte minerali sono piuttosto limitate, se non sono asciutte o preessiccate). Il principio di funzionamento dei mulini verticali a pista e rulli si basa sull’azione di 2-4 rulli di macinazione supportati da bracci a cerniera che si muovono su un piano, o vasca, di macinazione orizzontale. Si tratta di sistemi di macinazione particolarmente adatti per la contemporanea macinazione ed essiccazione delle materie prime o dei correttivi, in quanto i mulini di questo tipo sono in grado di lavorare materiali con percentuali di umidità relativamente elevate. Il tempo di permanenza dei materiali nel mulino deve essere abbastanza breve, così da prevenire la preidratazione del clinker di cemento. Uno sviluppo più recente nel campo della macinazione del cemento è rappresentato dai mulini orizzontali a pista e rulli, costituiti da un guscio orizzontale corto poggiante su cuscinetti idrodinamici o idrostatici. Il guscio è azionato da un cambio circolare. All’interno del guscio si trova un rullo orizzontale che è libero di ruotare e può essere pressato idraulicamente contro il guscio. Il materiale da macinare viene immesso attraverso una o entrambe le estremità del guscio, e passa più volte tra il rullo e il guscio. Il materiale frantumato che esce dal mulino viene trasportato al separatore, mentre la frazione grossolana ritorna al mulino. Macinazione delle aggiunte minerali Le aggiunte minerali (costituenti secondari) sono macinate solitamente insieme al clinker ed al gesso. La decisione di macinarle separatamente dipende fondamentalmente dai seguenti fattori:

percentuale di aggiunte minerali presente nel prodotto finale e nella produzione del cemento nel suo insieme;

disponibilità di un eventuale mulino di ricambio; esistenza di una notevole differenza tra la macinabilità del clinker e quella delle aggiunte

minerali; tenore di umidità delle aggiunte minerali.

Qualora si renda necessaria la macinazione preliminare delle aggiunte minerali, si possono usare sistemi di essiccazione che sfruttano i gas esausti del forno e/o l’aria recuperata dal raffreddatore o una fonte di gas caldi indipendente. Sistemi di macinazione congiunta I predetti sistemi per la macinazione a via secca/semi-secca delle materie prime possono essere usati tutti per la macinazione congiunta delle aggiunte minerali insieme al clinker ed al gesso. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi pone dei limiti alla percentuale di umidità della miscela – al massimo 2% o 4% se si usa una fonte di gas caldi. Se la miscela ha un tenore di umidità più elevato, i componenti secondari devono essere preventivamente essiccati. Un’eccezione è rappresentata dal mulino verticale, che può lavorare materiale avente fino al 20% di umidità, ma che richiede anche una fonte di gas caldi. Macinazione separata Per la macinazione separata delle aggiunte minerali si possono usare i sistemi di macinazione a via secca/semi-secca delle materie prime. Tuttavia, con riferimento all'umidità della miscela di additivi, può essere necessaria l’essiccazione preliminare. Separazione per distribuzione granulometrica del prodotto La distribuzione granulometrica del prodotto che esce dal sistema di macinazione è molto importante ai fini della qualità del cemento. La definizione di questi parametri si raggiunge regolando il separatore. I separatori dell’ultima generazione, quelli a gabbia a rotore, presentano alcuni vantaggi rispetto ai modelli precedenti, quali:

minore consumo energetico specifico del sistema (minore troppo fine); maggiore quantità di materiale lavorato (rendimento); possibilità di raffreddare il prodotto; maggiore flessibilità nella regolazione della finezza del prodotto; migliore controllo della distribuzione granulometrica e maggiore omogeneità del prodotto

Stoccaggio del cemento Il trasporto del cemento ai sili di stoccaggio può avvenire tramite sistemi pneumatici e meccanici. Questi ultimi di norma hanno costi di investimento più alti, ma costi di esercizio molto più bassi rispetto a quelli dei sistemi di trasporto pneumatico. Oggi i sistemi più diffusi prevedono la combinazione di trasportatori con canalette fluidificate oppure a coclea/catena con elevatori a tazze. Cementi diversi sono stoccati in sili separati. I nuovi modelli di silo consentono di stoccare più tipi di cemento nello stesso contenitore. I sili attualmente usati per lo stoccaggio del cemento sono:

sili a cella singola con tramoggia di scarico; sili a cella singola con cono centrale; sili multicella;

sili a cupola con cono centrale. L'operazione di scarico del cemento viene avviata e mantenuta immettendo aria compressa attraverso flange di aerazione situate sul fondo del silo. Imballaggio e spedizione Il cemento viene trasferito dai sili direttamente nelle cisterne per il trasporto su gomma o rotaia (o via mare) oppure alla linea di insacco e pallettizzazione. Consumi energetici Nella produzione del cemento l’energia viene usata prevalentemente sotto forma di apporto termico per il forno. I principali utilizzatori di energia elettrica sono invece i molini (macinazione cemento e macinazione crudo) e gli esautori (forno/molino crudo e molini cemento), che insieme rappresentano più dell’80% del consumo di energia elettrica. In media i costi energetici, connessi al consumo di combustibile e di energia elettrica, rappresentano il 40% dei costi complessivi per la fabbricazione di una tonnellata di cemento. Il consumo termico teorico del processo di combustione (reazioni chimiche) è di 1700÷1800 MJ/t clinker (410÷430 Mcal/t clinker). Il consumo termico effettivo di combustibile per le diverse tipologie di forni oscilla nei seguenti intervalli :

L’energia elettrica rappresenta circa il 20% del fabbisogno globale di energia con un valore specifico pari a circa 90 ÷ 130 KWh/t cemento.

KWh/tonFrantumazione 1÷3 Macinazione miscla cruda 8÷30 Omogeneizzazione miscela cruda 1÷2 Cottura 16÷18 Macinazione cemento 30÷80

I cementi La norma UNI ENV 197, versione ufficiale in lingua italiana della norma europea sperimentale ENV 197 entrata in vigore in Italia con il D.M. 13.9.1993, suddivide i cementi in cinque tipi principali:

CEM I, o cemento Portland: il cemento Portland, senz’altro il più impiegato nei lavori di costruzione, fornisce impasti che non richiedono molta acqua pur presentando lavorabilità soddisfacente. La carenza del Portland è rappresentata dalla scarsa resistenza agli agenti chimici aggressivi, che può essere in parte attenuata realizzando conglomerati molto compatti. I componenti essenziali sono il clinker, che conferisce compattezza e resistenza meccanica, e il gesso, che regola il processo iniziale di presa. Il nucleo del cemento deve essere costituito per almeno il 95% da clinker. Gli additivi non devono superare l’1% del peso del cemento.

CEM II, o cemento Portland composito: questo tipo di cemento presenta numerose sottoclassi e deve avere un nucleo contenente da 65% a 94% di clinker; la parte rimanente è formata da un costituente principale e un eventuale costituente secondario in misura inferiore al 5%.

CEM III, cemento d’alto forno: Il cemento d’altoforno è una miscela di clinker, che deve costituire almeno il 5% del nucleo del cemento, gesso e loppa granulata d’alto forno. Le loppe, scorie che si formano negli altiforni di produzione della ghisa, hanno composizione simile a quella del cemento Portland, e quindi possiedono una potenziale attività idraulica. Le loppe sono attive soltanto allo stato vetroso; per raggiungere questa condizione le scorie allo stato liquido vengono raffreddate bruscamente all’uscita del forno, con formazione di granuli. Rispetto al cemento Portland, quello d’alto forno ha colore più chiaro, minore calore d’idratazione, maggiore resistenza chimica, funzione del contenuto di loppa, e minore resistenza meccanica nel periodo iniziale.

CEM IV, cemento pozzolanico: I cementi pozzolanici sono una miscela di clinker, che deve costituire almeno il 45% del nucleo del cemento, gesso pozzolane naturali o artificiali o composti pozzolanici: microsilice oppure cenere volante. L’attività pozzolanica è la capacità del materiale di reagire con l’idrossido di calcio del clinker, in presenza d’acqua, e di indurire. La resistenza meccanica iniziale è in genere minore di quella del Portland, ma nel tempo si riporta agli stessi valori. Gli impasti, che richiedono una quantità d’acqua maggiore che per il Portland, sono più coesivi e meno segregabili. Il cemento pozzolanico possiede elevata resistenza agli attacchi chimici, e quindi garantisce buona curabilità, e sviluppa un basso calore di idratazione. Il suo uso risulta vantaggioso in clima caldo e nelle opere di grande massa, come le dighe.

CEM V, cemento composito: Questi cementi devono avere un nucleo contenente dal 20 al 64% di clinker, un tenore di loppa dal 18 al 50%, un tenore di pozzolana o cenere volante silicea dal 18 al 50%, e un eventuale tenore di costituente secondario fino al 5%.

Le classi di resistenza dei cementi (vedi tabella 2.1) sono 6, e cioè le classi 32,5 42,5 e 52,5 normali e i corrispondenti tipi a rapido sviluppo di resistenza 32,5 R 42,5R e 52,5 R. La classe di resistenza dei cementi è determinata dal titolo, ovvero dalla resistenza a compressione di una malta plastica formata da 1 parte in peso di cemento, 0,5 parti in peso di acqua e 3 parti in peso di sabbia. La malta si ottiene mescolando:

450 grammi di cemento; 225 grammi di acqua; 1350 grammi di sabbia.

Tabella 2,1: classi di resistenza dei cementi.

Classe Resistenza a compressione (N/mm2)

Resistenza iniziale Resistenza normalizzata 2 giorni 7 giorni 28 giorni

32,5 - ≥16,0 ≥32,5 ≤52,5

32,5 R ≥10,0 - 42,5 ≥10,0 -

≥42,5 ≤62,5 42,5 R ≥20,0 - 52,5 ≥20,0 -

≥52,5 - 52,5 R ≥30,0 -

Reazione pozzolanica nei cementi di miscela Le pozzolane, naturali o artificiali, sono materiali in polvere che, a temperatura ambiente ed in presenza d’acqua, reagiscono con l’idrossido di calcio [Ca(OH)2] che si forma nel corso dell’idratazione dei silicati di calcio. Possono essere naturali di origine vulcanica o materiali prodotti per calcinazione di argilla o scisti o residui (ceneri) della combustione del carbone, come le cosiddette ceneri volanti, provenienti dalle centrali termoelettriche. La reazione pozzolanica è dovuta a tre proprietà comuni a tutte le pozzolane, vale a dire:

natura acida, dovuta al loro elevato contenuto in silice; instabilità termodinamica in presenza di calce, dovuta alla loro natura vetrosa, amorfa o

neolitica; elevata superficie specifica; la reazione è lenta: pertanto la velocità di sviluppo di calore e della resistenza meccanica sarà

lenta; la reazione consuma idrossido di calcio e produce prodotti, in particolare C-S-H, simili a quelli

che si ottengono per idratazione del cemento Portland; la dimensione dei pori si sposta verso valori più piccoli riducendo la permeabilità della pasta

cementizia.

Cemento Portland + H2 → C-S-H + C-A-H (primari) + Ca(OH)2 L’idratazione dei cementi di miscela presenta varie differenze rispetto a quelle del cemento Portland. Innanzitutto è più lenta e quindi ritarda lo sviluppo della resistenza meccanica e del calore di idratazione. Il raggiungimento di elevate caratteristiche meccaniche richiede, soprattutto in climi freddi, tempi di maturazione molto lunghi. Peraltro i cementi di miscela sono in genere da preferire ai Portland in climi caldi soprattutto per strutture di grande mole (libro dina festa). L’utilizzo di cementi di miscela porta ad un’affinazione dei pori della pasta cementizia, con conseguente aumento della resistenza alla penetrazione degli agenti aggressivi (cloruri e solfati) e quindi della curabilità.

LA PRODUZIONE DEL CALCESTRUZZO Generalità La lavorazione del calcestruzzo evolve sempre più verso una completa meccanizzazione ed automazione delle lavorazioni. Una grossa percentuale del calcestruzzo utilizzato nelle costruzioni viene prodotto in grossi impianti o centrali di betonaggio fisse, che forniscono il materiale ad acquirenti esterni, nel caso del calcestruzzo preconfezionato, oppure lo realizzano per uso interno, come negli stabilimenti di prefabbricazione. Anche le installazioni provvisorie dei cantieri, dalle maggiori alle più modeste, sono impostate con criteri ed attrezzature che permettono di ottenere un prodotto di qualità controllata, tenuto conto dell’entità e dell’importanza dell’opera da eseguire. Un impianto o centrale di betonaggio produce calcestruzzo con un processo nel quale si possono distinguere le seguenti fasi:

stoccaggio dei materiali costituenti e loro dosaggio; miscelazione dei componenti; distribuzione del prodotto; controllo del processo.

I tipi di impianto Le caratteristiche quantitative di un impianto si esprimono prevalentemente mediante la capacità di produzione massima giornaliera, oppure oraria. Questo parametro influenza la scelta del tipo di impianto, insieme ad un altro fattore importante, e cioè la durata della produzione, che può essere provvisoria o permanente. Le caratteristiche qualitative di un impianto si traducono nella capacità di produrre i calcestruzzi con le caratteristiche di qualità e omogeneità richieste. La resistenza a compressione dei calcestruzzi è espressa dalla resistenza caratteristica, ossia dal valore della resistenza a compressione che ha il 95% di probabilità di essere superato. Una produzione omogenea richiede cura nello stoccaggio e precisione nel dosaggio, nella miscelazione e nel trasporto dei materiali componenti. L’omogeneità non riguarda solo la resistenza meccanica, ma anche la granulometria, la lavorabilità, la massa volumica e le altre caratteristiche del calcestruzzo. Gli impianti di betonaggio possono essere di due tipi:

1. impianti orizzontali; 2. impianti verticali (o a torre).

Impianti orizzontali Gli impianti di media capacità possono avere lo stoccaggio a terra degli aggregati, in sili a raggiera, non protetti, e con alimentazione al dosaggio mediante benna raschiante. Nelle centrali di maggiore qualità, gli aggregati vengono trasferiti in sili di stoccaggio mediante carico diretto o indiretto. Nel primo caso i mezzi di trasporto scaricano direttamente nei sili, che possono essere a livello di terra, oppure sopraelevati, con rampa di accesso per autocarro e pala. Nel secondo caso gli aggregati sono scaricati in tramogge, e quindi trasportati nei sili, mediante nastri, o tazze o benne. In ogni caso gli aggregati, scendendo per gravità sotto i sili, vengono dosati, e poi trasportati verso la mescolatrice, generalmente tramite benna. Impianti verticali Negli impianti verticali gli aggregati sono scaricati dai mezzi di trasporto in tramogge di carico, dalle quali sono poi avviati allo stoccaggio definitivo mediante trasportatori a nastro, o sollevamento con tazze o benne mobili.

I sili per aggregati degli impianti a torre sono sopraelevati, in genere di forma cilindrica, a scomparti interni, anche mobili. Le dimensioni (diametro, altezza) sono calcolate per la produzione massima giornaliera, in funzione della quale possono essere richiesti anche più impianti paralleli. Gli impianti destinati alla produzione di calcestruzzi preconfezionati sono in genere privi del gruppo di miscelazione, in quanto questa fase avviene durante il trasporto con la autobetoniere. Il trasporto lo stoccaggio ed il dosaggio dei componenti Lo stoccaggio degli aggregati può avvenire con modalità diverse, secondo il tipo di impianto: in mucchi, in sili, ecc.. Il criterio fondamentale è che il materiale che arriva al dosaggio sia il più possibile omogeneo, e in particolare abbia sempre le stesse composizione e umidità. Per soddisfare la condizione sulla composizione occorre mantenere separate le classi granulometriche (in genere si impiegano tre o più classi granulometriche), mediante appositi scomparti. I sili per lo stoccaggio sono realizzati in carpenteria metallica con sezione circolare o poligonale, e quelli destinati allo stoccaggio degli inerti sono talvolta divisi in settori, che consentono la conservazione di inerti di granulometria diversa nello stesso recipiente. Per quanto riguarda il contenuto di umidità, bisogna anzitutto smaltire l’eccesso di acqua presente al momento dello stoccaggio, a tale scopo gli aggregati sono lasciati in deposito per un po’ di tempo, in modo che l’acqua possa allontanarsi dal piano. Inoltre per evitare che i materiali si bagnino con la pioggia si coprono sia le tramogge sia i sili e i nastri trasportatori. Il dosaggio degli inerti può essere eseguito con dosatori:

a volume: costituiti da cassoni di lamiera di volume regolabile, composti da due parti scorrevoli a telescopio (ad ogni impasto le quantità desiderate delle diverse classi di inerti vengono misurate riempiendo per mezzo di boccette a comando elettrico o pneumatico i dosatori ),

a peso costituiti da una bilancia dotata di un ampio cassone; il riempimento del cassone viene interrotto automaticamente, allorché la quantità di inerte ha raggiunto il peso predeterminato (portata max. 20 t) .

Il dosaggio a peso risulta più celere e preciso del dosaggio a volume e per tale motivo esso viene generalmente preferito; in tal caso la precisione del dosaggio è legata alla costanza di condizione degli aggregati, in particolare per quanto riguarda l’umidità. In cantieri di piccola e media importanza può essere conveniente non installare sul posto una centrale di betonaggio ed acquistare il calcestruzzo prodotto in impianti fissi da ditte specializzate. Negli impianti di cantiere l’impasto può essere effettuato con l’ausilio di:

Betoniere a bicchiere: hanno bassa capacità e sono costituite da un recipiente dotato di pale al suo interno, che ruota in posizione verticale per eseguire l'impasto e viene inclinato per versare il calcestruzzo;

Betoniere a tamburo: hanno capacità media e sono costituite da un tamburo di lamiera dotato di pale al suo interno e forato alle due estremità, che ruota intorno al suo asse orizzontale (il carico si effettua da un'estremità e lo scarico dall'altra mediante uno scivolo a canale che viene immesso nella betoniera al termine dell'impasto oppure invertendo il senso di rotazione del tamburo “betoniere a inversione”;

Betoniere biconiche: hanno capacità elevata e sono simili alle betoniere a bicchiere dotate di una vasca che ruota leggermente sollevata sull'orizzontale in posizione di muscolazione e viene abbassata per effettuare lo scarico;

Turbobetoniere: hanno una produzione medio-alta (impiegate in impianti fissi) e sono costituite da una vasca cilindrica, che ruota intorno al suo asse verticale, all’interno della quale sono presenti delle palette di un rotore, che rimescolano energicamente l'impasto (lo scarico avviene attraverso un'apertura sul fondo;

Mescolatori a doppio asse orizzontale: sono impiegati in impianti fissi per produzioni elevate, e sono costituiti da una vasca, entro cui ruotano in verso opposto due alberi affiancati dotati di pale che producono una miscelazione veloce ed efficace (lo scarico avviene attraverso un'apertura sul fondo).

Tipologie di calcestruzzo Tanto la malta che il calcestruzzo vengono prodotti miscelando i seguenti ingredienti principali: acqua, cemento, elementi lapidei noti come aggregati e aggregati. Se la dimensione massima dell'aggregato non supera i 5 mm(sabbia) si ottiene la malta; se invece la dimensione massima dell'aggregato supera i 5 mm il conglomerato risultante è chiamato calcestruzzo. Il calcestruzzo fresco Dopo il mescolamento dei suoi componenti, (acqua, cemento, inerti, additivi), il calcestruzzo deve essere trasportato in cantiere, gettato entro le casseforme e compattato mediante vibrazione meccanica o costipazione manuale. Lo stato in cui si trova il calcestruzzo durante queste operazioni è definito fresco ed è caratterizzato da due proprietà del materiale. La prima detta “lavorabilità” riguarda la capacità del calcestruzzo di muoversi in seguito dell'applicazione di una forza. La seconda proprietà che prende il nome di “segregazione”, concerne l'attitudine del calcestruzzo fresco a separarsi in frazioni tra loro diverse, per esempio inerte grosso e malta, con la conseguenza di provocare la formazione di un materiale eterogeneo. Un calcestruzzo ideale dovrebbe essere molto lavorabile e poco segregabile. Dopo la messa in opera, all'interno del calcestruzzo possono rimanere dei vuoti, il cui numero dipende fondamentalmente dalla composizione del conglomerato (in particolare quantità di acqua, dosaggio di cemento e tipo di inerte), dall'efficacia del sistema di compattazione e dalla lavorabilità dell'impasto fresco. A parità di tutte le altre condizioni, più alta è la lavorabilità, minore è il lavoro richiesto per costipare il materiale e più denso risulta il materiale al termine della compattazione: da ciò consegue che un calcestruzzo lavorabile risulta più economico, più affidabile e più sicuro. Il sistema più semplice ed economico per migliorare la lavorabilità è quello d'introdurre più acqua al momento di preparare l'impasto; se però l'operazione è fatta mantenendo costante il dosaggio di cemento, l'aumento dell'acqua si tramuta in un incremento del rapporto acqua/cemento, con tutte le conseguenze negative per la qualità del materiale una volta indurito. Pertanto se si vuole aumentare la lavorabilità del calcestruzzo fresco, come si richiede spesso per getti difficili (sezioni sottili e strutture densamente armate), senza pregiudicare la qualità del materiale indurito, è necessario aumentare sia la quantità d'acqua sia quella di cemento, in modo da mantenere costante il rapporto in peso tra i due componenti. Esistono però dei limiti a questo intervento: uno tecnico e l'altro economico. Una quantità eccessiva di cemento comporta un elevato sviluppo di calore d'idratazione con possibili fessurazioni nella struttura (soprattutto se di grandi dimensioni) per i gradienti termici che si istaurano tra la parte centrale e quella periferica. Inoltre all'aumentare del dosaggio di cemento, aumentano le deformazioni della struttura in calcestruzzo, per effetto dell'ambiente secco o dell'applicazione di carico costante. D'altra parte l'aumento del contenuto di cemento comporta un aumento del costo del calcestruzzo. Pertanto si pone il problema di conseguire il miglioramento della lavorabilità del calcestruzzo fresco con sistemi alternativi più economici e che non presentino i limiti tecnici sopra menzionati. L'alternativa più frequente è quella di impiegare additivi , che modificano la reologia del calcestruzzo fresco rendendolo più scorrevole e di più facile compattazione, senza dover ricorrere a ulteriori aggiunte di acqua e quindi di cemento. L'altra possibilità, per aumentare la lavorabilità del calcestruzzo fresco, è quella di impiegare inerti con buona curva granulometrica e di grande dimensione: maggiore è la dimensione dell'aggregato, minore è la sua superficie specifica (rapporto superficie/volume).

Pertanto, inerti con un elevato diametro massimo richiedono meno acqua (e quindi anche meno cemento a parità di rapporto acqua/cemento) per essere rivestiti dalla pasta di cemento. Lavorabilità: esistono diversi metodi di misura della lavorabilità, ciascuno dei quali mette in maggior evidenza uno o alcuni aspetti di questa proprietà. L'abbassamento del cono di Abrams, noto anche come slump test, è indubbiamente il metodo più diffuso per la semplicità e la rapidità della misura. Il metodo consiste nel determinare l'abbassamento di un massa tronco-conica di calcestruzzo per azione del proprio peso. L'apparecchio è costituito da un tronco di cono aperto alle due estremità (altezza 30cm, diametro inferiore 20cm, diametro superiore 10cm), che viene appoggiato su di una base metallica non assorbente e riempita dall'alto con il calcestruzzo fresco. Dopo aver sollevato il cono per mezzo di due maniglie, si misura l'abbassamento (slump) del calcestruzzo rispetto all'altezza originale.

Tabella...: classificazione della consistenza secondo UNI 9858 edENV206. Classe di consistenza Slump (mm) Denominazione corrente S1 10-40 Umida S2 50-90 Plastica S3 100-150 Semifluida S4 160-200 Fluida S5 >210 Superfluida

Segregazione del calcestruzzo fresco: la segregazione del calcestruzzo fresco consiste nella separazione dei vari componenti della miscela, a causa delle differenze di dimensioni e di peso specifico delle particelle. Gli elementi più grossi e più pesanti tendono a sedimentare sul fondo della struttura, mentre quelli più piccoli e leggeri, e l'acqua in particolare, tendono a raccogliersi sulla superficie. La raccolta di acqua in superficie provoca, qualora ne sia impedita l'evaporazione, l'essudazione (bleeding) del calcestruzzo. Di conseguenza si ha la formazione di materiale eterogeneo e soprattutto di una superficie meccanicamente più debole, con conseguenze particolarmente gravi per le pavimentazioni. Per eliminare o ridurre al minimo la segregazione e l'essudazione è necessario utilizzare inerti granulometricamente ben assortiti ed impiegare additivi fluidificanti e superfluidificanti per ridurre l'eccesso di acqua ed evitare dosaggi di cemento troppo bassi quando l'impasto risulti scarsamente coesivo. Il calcestruzzo indurito. Il calcestruzzo allo stato indurito è quello che si configura come un vero e proprio materiale da costruzione, mentre quello allo stato fresco rappresenta uno stadio intermedio del processo produttivo che si colloca tra la miscelazione delle materie prime (acqua, cemento, aggregati) e le successive fasi di lavorazione: trasporto, posa in opera, compattazione e stagionatura. Il calcestruzzo indurito è costituito da un insieme di materiali lapidei inerti, legati tra loro dalla pasta di cemento indurita; da un punto di vista macrostrutturale, cioè da quanto è dato di vedere ad occhio nudo, è un materiale composito nel quale gli elementi lapidei oltre 0,2mm appaiono visivamente dispersi in una matrice cementizia. Da un punto di vista microstrutturale, cioè per quanto è dato di vedere con un microscopio ottico ed elettronico, il sistema appare, invece, molto più complesso: accanto agli elementi lapidei, la matrice cementizia si presenta essa stessa eterogenea, cioè formata da diverse fasi (C-S-H, Ca(OH)2, solfoalluminati, vuoti ecc.) e soprattutto distinguibile in due zone significativamente diverse: la zona di transizione (con spessore di circa 10-50um intorno agli elementi lapidei) e la circostante matrice vera e propria. La zona di transizione è più porosa e meccanicamente più debole degli altri due componenti (aggregati e matrice cementizia) esercita però un'influenza decisiva sulle proprietà del materiale molto superiore

di quella che ci si potrebbe attendere dalla sua dimensione relativamente ridotta. Le proprietà del calcestruzzo indurito dipendono pertanto dalla qualità della pasta cementizia, dalle caratteristiche dell'aggregato e dal legame che si stabilisce all'interfaccia pasta/aggregato. Per un dato inerte e una determinata pasta di cemento, cambiando il rapporto in peso aggregato/pasta, è possibile migliorare alcune proprietà: per esempio all'aumentare del suddetto rapporto diminuisce il ritiro ed anche il costo del calcestruzzo. Gli aggregati Sono sostanze minerali naturali o artificiali, frantumate o non frantumate, con particelle di dimensioni e forme adatte alla produzione di calcestruzzo. Il termine aggregato è da preferirsi al termine inerte perché questi materiali, anche se non partecipano ai processi chimico-fisici che portano alla presa e all’indurimento del calcestruzzo, in casi particolari, possono reagire con la matrice cementizia e quindi possono non essere affatto inerti. Esistono diversi motivi per giustificare l’aggiunta degli aggregati alla pasta di cemento. Il principale motivo economico è il costo dell’inerte molto inferiore a quello del cemento. La più importante ragione di carattere tecnico riguarda il ritiro della pasta di cemento che con l’aggiunta dell’inerte viene diminuito proporzionalmente. Una seconda ragione tecnica importante interessa la curabilità del calcestruzzo, che può essere migliorata sostituendo una parte della pasta cementizia, materiale relativamente aggredibile dall’ambiente, con un materiale più durevole quale l’inerte, purchè questo possegga determinati requisiti. In base alla dimensione si distinguono aggregati

Fini: se passano attraverso un vaglio con maglie di apertura < 4mm (sabbia); Grossi: se passano attraverso un vaglio con maglie di apertura > 4mm (ghiaia, pietrisco).

La forma degli aggregati influenza: il grado di riempimento in legante del volume del calcestruzzo che risulta massimo per forme

tendenti alla sfera e minimo per aggregati angolari; il comportamento e la lavorabilità del calcestruzzo fresco; condizionare l’eliminazione di bolle d’aria o di acqua in eccesso dall’impasto; il comportamento meccanico del calcestruzzo indurito, gli aggregati allungati e piatti

migliorano la resistenza a flessione; gli aggregati angolari permettono di migliorare l’aderenza con il legante migliorando la resistenza a flessione.

Una delle caratteristiche principali degli aggregati riguarda la porosità. Questa dipende dalla roccia dalla quale derivano gli aggregati stessi, e può variare del 2% per le rocce ignee intrusive, al 10-40% dei calcari, o delle rocce vulcaniche. Non è solo importante la percentuale di volume occupato dai pori presenti, ma anche la distribuzione dimensionale, il grado di interconnessione e il fatto che siano aperti o chiusi. La resistenza a compressione o all’abrasione, la durezza e il modulo elastico sono tra loro in relazione e dipendono fortemente dalla porosità del materiale. In genere queste caratteristiche influenzano poco il comportamento meccanico del calcestruzzo essendo solitamente la resistenza dell’aggregato superiore a quella della pasta cementizia e a quella della zona di transizione tra aggregato e pasta cementizio (che è il punto più debole del calcestruzzo). In conclusione la resistenza del calcestruzzo non dipende da quella degli aggregati; solo quando, come nei calcestruzzi ad alta resistenza, la resistenza meccanica della pasta cementizio nella zona di interfase supera quella degli aggregati, le caratteristiche meccaniche di quest’ultimi diventano determinanti. Negli inerti, accanto ai minerali principali che compongono le rocce (calcare, quarzo, ecc.) possono essere presenti un certo numero di sostanze alcune delle quali possono provocare degli inconvenienti o

danni molto gravi nel calcestruzzo. Tra esse si possono distinguere quelle che, interferendo con il processo di idratazione del cemento provocano un rallentamento nel processo di indurimento del calcestruzzo, senza però provocare danni irreparabili. Una seconda categoria di sostanze indesiderabili comprende quelle sostanze che, come la silice reattiva, possono provocare fessurazioni di tale entità da mettere fuori servizio la struttura in calcestruzzo. Inoltre i solfati possono reagire con gli alluminati del cemento e provocare eccessivi fenomeni espansivi localizzati con conseguenti fessurazioni nel conglomerato, mentre i cloruri possono innescare fenomeni di corrosione nei ferri d’armatura. Gli additivi Gli additivi sono prodotti impiegati negli impasti cementizi, in aggiunta e in quantità molto limitata rispetto ai normali componenti, di regola in quantità non eccedente i 10 kg/m3, per migliorare alcune proprietà dei calcestruzzi. In proposito la norma UNI 9858 definisce additivi quei materiali “aggiunti in piccola quantità” al calcestruzzo. Tra gli additivi non sono compresi quei materiali, in genere solidi e aggiunti in quantità più rilevante, che vengono definiti aggiunte (cfr. par. 2.1.5), quali ad esempio le sostanze minerali fini. Gli additivi agiscono con meccanismi di tipo fisico/chimico che possono modificare, anche in maniera sensibile, alcune importanti caratteristiche degli impasti, sia allo stato fresco sia a quello indurito. Ogni additivo svolge un’azione principale ben definita, accompagnata quasi sempre da effetti secondari, positivi o negativi. Gli additivi vengono normalmente impiegati per ottenere uno dei seguenti obiettivi:

migliorare le prestazioni del calcestruzzo allo stato fresco e/o indurito, senza modificarne la composizione;

ottenere nel calcestruzzo prestazioni che altrimenti non verrebbero raggiunte; ottenere un vantaggio economico nell’impiegare calcestruzzi con prestazioni prefissate.

In base all’azione principale svolta, gli additivi sono classificati come segue:

fluidificanti, superfluidificanti, iperfluidificanti; acceleranti; ritardanti; aeranti; fluidificanti acceleranti/ritardanti/aeranti; antigelo; ritentori d’acqua; riduttori di permeabilità; inibitori di corrosione; generatori di gas.

Fluidificanti, superfluidificanti, iperfluidificanti Sono gli additivi impiegati in maggiore quantità. Essi aumentano la fluidità degli impasti cementizi e permettono, a parità di consistenza, una riduzione dell’acqua di impasto. Per questa ragione sono anche conosciuti come riduttori d’acqua. Normalmente questi additivi contengono, come principi attivi, sostanze polimeriche idrosolubili capaci di aderire ai granuli di cemento anidro. Di conseguenza le particelle di cemento, che a causa di forze elettrostatiche tendono ad aderire mutuamente, vengono disperse e separate nell’acqua di impasto. I fluidificanti costituiscono in effetti dei veri e propri disperdenti. I fluidificanti possono essere usati con tre scopi:

1. A pari dosaggio di cemento, acqua e aggregati, l’aggiunta di un additivo accresce la lavorabilità. Il principale vantaggio è quello di una maggiore affidabilità nella realizzazione dei getti, senza che un difetto di vibrazione possa produrre vespai e senza che in cantiere vengano effettuare aggiunte d’acqua non controllate agli impasti per facilitare la posa in opera.

2. A pari lavorabilità l’additivo può avere la funzione di riduttore d’acqua. In tal modo si possono ottenere calcestruzzi con maggiori resistenze meccaniche in quanto è possibile ridurre il rapporto acqua/cemento senza penalizzare la facilità di posa in opera. Si ottengono inoltre maggiore impermeabilità e durevolezza, minore ritiro e scorrimento viscoso.

3. A pari lavorabilità e rapporto acqua/cemento è possibile ottenere una riduzione di cemento, vantaggiosa per ridurre il calore di idratazione e il ritiro.

I fluidificanti agiscono sui componenti la miscela cementizia mediante:

la produzione di una forza repulsiva tra le particelle, con maggiore capacità di scorrimento tra le stesse;

una più incisiva azione dell’acqua sulle particelle di cemento e di aggregato, a seguito della riduzione della tensione superficiale;

un ostacolo all’aggregazione delle stesse particelle e altre azioni di natura chimica. A seconda dell’efficacia si distinguono fluidificanti, che a parità di consistenza devono ridurre di almeno il 5% il contenuto d’acqua, superfluidificanti, che devono ridurre di almeno il 12% il contenuto d’acqua, e iperfluidificanti, che consentono riduzioni d’acqua sino al 35%. Acceleranti Aumentano la velocità delle reazioni tra il legante e l’acqua, accelerando lo sviluppo della resistenza. Si possono distinguere in acceleranti di presa e di indurimento. L’additivo accelerante più impiegato è stato il cloruro di calcio (CaCl2), che accresce il rischio di corrosione delle armature. Attualmente si impiegano acceleranti privi di cloruri. Le resistenze meccaniche dei calcestruzzi additivati con acceleranti sono più elevate, soprattutto alle basse temperature. Pertanto essi sono impiegati soprattutto per eseguire getti in climi freddi. L’effetto di migliorare le resistenze meccaniche alle brevi stagionature può essere ottenuto anche riducendo il rapporto acqua/cemento; per questo motivo è più diffuso l’impiego di fluidificanti/acceleranti rispetto agli additivi solo acceleranti; di questi ultimi si fa uso in pratica solo come antigelo. Ritardanti Riducono la velocità di idratazione, presa e indurimento, ricoprendo i granuli di cemento, e sono usati quasi sempre come fluidificanti ritardanti. Le sostanze che presentano un effetto ritardante sono numerose; tra quelle più note si possono citare sostanze zuccherine, la glicerina, i fosfati e i sali di piombo e di zinco. Gli additivi ritardanti trovano impiego soprattutto allo scopo di aumentare il tempo durante il quale il conglomerato presenta una buona lavorabilità. In particolare, per i getti a temperatura elevata, quando la centrale è distante dal cantiere, per il calcestruzzo pompato e per le iniezioni di pasta di cemento. I ritardanti sono impiegati anche per evitare in caso di brevi interruzioni di getto la formazione di giunti freddi. Aeranti Gli additivi aeranti, impiegati principalmente per migliorare la resistenza del calcestruzzo ai cicli gelo/disgelo, sono prodotti che posseggono caratteristiche tensioattive. Durante la miscelazione

dell’impasto tali sostanze, aggiunte in quantità molto modesta (0,02-0,05% del peso del cemento), producono la formazione e l’inglobamento nella pasta cementizia di bollicine d’aria aventi diametro tra 0,0 e 0,25 mm. Le bollicine d’aria introdotte con l’additivo si comportano come camere di espansione, che permettono al ghiaccio di formarsi senza provocare tensioni. L’aria introdotta migliora la lavorabilità del calcestruzzo fresco, ma riduce la resistenza della massa indurita. Altri additivi Altri additivi meno impiegati sono i seguenti.

Antigelo: abbassano il punto di congelamento dell’acqua di impasto e accelerano i processi di presa e di indurimento, facilitando l’impiego dei conglomerati nel periodo invernale o in condizioni di bassa temperatura.

Ritentori d’acqua: impediscono l’evaporazione rapida dell’acqua di impasto. Riduttori di permeabilità: riducono la permeabilità e aumentano la compattezza del

conglomerato. Inibitori di corrosione: riducono la possibilità di corrosione delle armature metalliche. Generatori di gas: producono gas e generano l’espansione della massa degli impasti.

Proprietà del calcestruzzo Resistenza meccanica. Tra tutte le proprietà del calcestruzzo indurito la resistenza meccanica è indubbiamente la più importante per i seguenti motivi:

1. la resistenza meccanica del materiale è fondamentale nel calcolo strutturale; 2. essa è misurabile in modo relativamente semplice; 3. si assume, anche se l'assunzione non è sempre corretta, che le altre qualità del calcestruzzo

migliorino all'aumentare della resistenza meccanica. La pasta aderisce meglio alla superficie ruvida degli aggregati frantumati (pietrisco) che non a quella liscia degli aggregati naturali (ghiaia). Tuttavia anche la composizione chimica e mineralogica gioca un ruolo significativo nell'influenzare l'adesione della pasta cementizia alla superficie degli aggregati. A seconda della sollecitazione cui il materiale è sottoposto si può determinare la resistenza meccanica a compressione, a flessione o a trazione. Per il calcestruzzo solo la prima è veramente importante, in quanto le altre sono relativamente modeste, e si affida ai ferri di armatura il compito di sopportare i carichi di trazione e di flessione nelle opere in calcestruzzo armato. Inoltre le misure di resistenza meccanica a flessione e a trazione presentano maggiori difficoltà e incertezze di quella della resistenza a compressione; si preferisce pertanto calcolare le prime mediante equazioni empiriche che utilizzano i valori determinati nelle misure della resistenza a compressione. I principali parametri che influenzano la resistenza meccanica sono: il rapporto acqua/cemento, il tempo di stagionatura e il tipo di cemento. Un rapporto acqua/cemento più basso e un maggior grado di idratazione portano entrambi ad una microstruttura più densa della pasta cementizia e quindi ad un calcestruzzo meccanicamente più resistente. Gli altri parametri che esercitano un'influenza positiva sulla resistenza meccanica sono il tipo di inerte (inerti duri, bene assortiti e di grande dimensione); la compattazione del calcestruzzo fresco per l'eliminazione dell'aria intrappolata (vibrazione efficace e alta lavorabilità dell'impasto); la temperatura (alta per le brevi stagionature e bassa per le lunghe stagionature); l'umidità dell'ambiente, per evitare l'evaporazione dell'acqua dal calcestruzzo e quindi l'arresto dell'idratazione del cemento.

La resistenza a compressione (in genere indicata con Rc se viene determinata su di un cubo e fc se determinata su provino cilindrico) è definita come rapporto carico massimo/sezione resistente del provino. Si definisce resistenza caratteristica (Rck o fck) il valore al di sotto del quale cade il 5% (secondo norma ENV 206, ma si possono assumere altre percentuali) dell'area sottesa alla curva di distribuzione. Secondo le Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale emanate dalla Presidenza del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, Dicembre 1996, un calcestruzzo viene individuato tramite la resistenza caratteristica a 28 giorni (Rck o fck). Per uno stesso calcestruzzo, il valore di fc è pari a circa 1'80% di Rc:

fc = 0,80 Rc La differenza tre fc e Rc dipende sostanzialmente dal fatto che, nel sollecitare provini cilindrici “snelli” (cioè con rapporto h/D=2), si instaura una sollecitazione effettiva maggiore di quella che si registra per i provini cubici più “tozzi” (cioè con altezza uguale a larghezza).

Classe di resistenza Fck N/mm2 Rck N/mm2 Categoria del calcestruzzo C8/10 8 10

Non strutturale C12/15 12 15 C16/20 16 20

Ordinario

C20/25 20 25 C25/30 25 30 C30/37 30 37 C35/45 35 45 C40/50 40 50 C45/55 45 55 C50/60 50 60

Alte prestazioni C55/67 55 67 C60/75 60 75 C70/85 70 85

Alta resistenza C80/95 80 95 C90/105 90 105 C100/115 100 115

Modulo elastico La deformazione (ε) che subisce un materiale sottoposto ad una sollecitazione (σ) dipende dal suo modulo elastico (E) secondo l'equazione di Hooke:

σ = Es Nella figura sotto riportata sono mostrate, in funzione della sollecitazione di compressione, le deformazioni di una pasta di cemento, di un inerte e di un calcestruzzo. La curva del conglomerato si trova, come avviene per ogni materiale composito, tra quella della matrice legante, che è la pasta di cemento, e quella dei granuli dispersi, che costituiscono l'inerte. Il modulo elastico si identifisce con la tangente trigonometrica dell'angolo formato dalla curva nel tratto lineare con l'asse delle ascisse. Poiché l'inerte ha un modulo elastico maggiore di quello della pasta di cemento, il modulo elastico del calcestruzzo aumenta con il rapporto inerte/pasta di cemento, purché la quantità di pasta sia sufficiente

a riempire tutti gli interstizi tra i granuli degli inerti. D'altra parte, un aggregato più rigido e una pasta di cemento più compatta, per il minor rapporto acqua/cemento, provocano un aumento del modulo elastico del calcestruzzo a parità di rapporto inerte/pasta. Nella figura si osserva che per il calcestruzzo la curva sforzo-deformazione è meno lineare di quella riguardante i materiali che la compongono. Ciò è probabilmente da attribuire alla presenza di microfessure che si formano all'interfaccia pasta-aggregato e che si propagano, sotto l'applicazione di un carico, formando angoli diversi rispetto allo sforzo applicato.

Tipico comportamento sforzo-deformazione del calcestruzzo e dei suoi componenti (inerti e pasta cementizia)

Ritiro e deformazione viscosa Oltre subire deformazioni dimensionali, causate da variazioni di temperatura ed elastiche, come risposta istantanea ad una sollecitazione meccanica, il calcestruzzo può deformarsi lentamente ed ulteriormente per l'applicazione di un carico costante.(deformazione viscosa) o per una variazione dell'umidità relativa dell'ambiente (ritiro igrometrico). Quest'ultima deformazione, a differenza delle altre, è tipica dei solidi microporosi, come il calcestruzzo, ed è invece assente nei materiali, come le leghe metalliche, privi di porosità. Il ritiro è sostanzialmente connesso con l'evaporazione dell'acqua libera, presente nei pori della pasta di cemento, che si verifica in ambienti non saturi di umidità. Esso è tanto maggiore quanto più è porosa la pasta di cemento e quanto maggiore è il volume di pasta all'intemo del conglomerato. L'entità del ritiro nel tempo aumenta oltre che con il volume di pasta di cemento anche con il rapporto acqua/cemento. Il ritiro del calcestruzzo diminuisce aumentando il rapporto inerte/cemento (cioè diminuendo il volume di pasta); questo aumento si realizza scegliendo inerti di maggior dimensioni. La deformazione viscosa (creep), consiste nell'aumento di contrazione nel tempo, subito dopo la deformazione elastica (ε), per l'applicazione al calcestruzzo di una sollecitazione di compressione costante nel tempo. La deformazione viscosa è connessa con la microstruttura della pasta di cemento, che si deforma lentamente sotto l'applicazione di un carico costante (σ). Quanto più è densa e compatta (cioè più resistente meccanicamente) è la pasta, tanto minore è la deformazione viscosa (C) del calcestruzzo.

Tabella riassuntiva delle proprieta del calcestruzzo: Prova Scopo e metodologia Normativa Compressione Vedi sopra Norma UNI 6132. Modulo elastico Vedi sopra Norma UNI 6556. In

particolare il carico massimo di prova deve corrispondere a circa 1/3 di quello corrispondente alla rottura alla stessa stagionatura. del conglomerato in esame.

Flessione L'esecuzione della prova avviene mediante l'applicazione di un carico concentrato sulla mezzeria del provino (dispositivo con un coltello) oppure con due carichi uguali rispettivamente ad un terzo ed a due terzi della luce (dispositivo con due coltelli).

Norma UNI 12390-5.

Trazione indiretta, comunemente detta “Brasiliana”

La prova si esegue sottoponendo il provino ad una forza di compressione applicata lungo un segmento. Tale situazione di carico si realizza per i provini cubici (o per monconi provenienti dalla prova di flessione) comprimendoli secondo le mezzerie di due facce parallele tramite due rulli di diametro pari allo spigolo del provino, per i provini cilindrici collocandoli con l'asse orizzontale parallelo ai piatti della pressa e quindi comprimendoli secondo due opposte generatrici.

Norma UNI 6135

Slump test Vedi sopra Norma UNI 12350-2 – Il metodo non è applicabile quando la dimensione massima dell’aggregato sia maggiore di 50mm.

Controllo dei tempi di presa di un calcestruzzo

Determinazione dei tempi di inizio e fine presa del calcestruzzo, misurando la progressiva resistenza alla penetrazione nel tempo di opportune sonde metalliche. Tali misure permettono di stabilire l’influenza sui tempi di presa di variabili estrinseche, quali temperatura, umidità relativa, ovvero intrinseche quali il tipo ed il dosaggio di cemento, il rapporto acqua/cemento, la presenza di additivi ecc.

Norma UNI 7123

Bleeding Misura dell'essudamento, cioè dell' affioramento di acqua sulla superficie del calcestruzzo.

Norma UNI 7122.

Ritiro Vedi sopra Norma UNI 6555

Mix-design L'acqua, il cemento, la sabbia e la ghiaia, ingredienti base per confezionare il calcestruzzo, sono largamente disponibili e generalmente di qualità tale da non influire in modo determinante sulle prestazioni del calcestruzzo. L'ottenimento di un calcestruzzo di buona qualità al posto di uno mediocre dipende dal proporzionamento degli ingredienti base, dalle modalità del getto dalla compattazione e dalla stagionatura. La scelta del proporzionamento, chiamata mix-design, è molto importante per ottenere un calcestruzzo di buona qualità sia allo stato fresco che allo stato indurito. Esempi:

1. una riduzione dell'aggregato, in favore della pasta legante, migliora la lavorabilità, in quanto aumenta la plasticità dell'impasto fresco. Vengono però penalizzate alcune prestazioni del calcestruzzo indurito: si ha una maggior tendenza alla fessurazione, causata sia dalle tensioni di origine termica prodotte dal calore d'idratazione del cemento presente in tenori più elevati, sia dal ritiro igrometrico che cresce con la quantità della pasta cementizia. Aumentando il rapporto pasta cementizia/aggregato aumenta anche la deformazione viscosa (creep).

2. un aumento del rapporto acqua/cemento, ad uguale rapporto pasta cementizia/aggregato, produce una migliore lavorabilità del calcestruzzo fresco, ma peggiora tutte le prestazioni del calcestruzzo indurito: la resistenza meccanica, la durabilità in quanto è aumentata la porosità della matrice cementizia.

3. una riduzione della sabbia a favore dell'aggregato grosso, a parità di rapporto pasta cementizia/aggregato, fa aumentare la tendenza del calcestruzzo all'essudazione dell'acqua in superficie (bleeding) ed alla segregazione. Si viene cosi' a creare la possibilità che si producano vuoti localizzati nella struttura messa in opera (vespai e nidr di ghiaia) al momento del disanno.

Schema a blocchi del sistema produttivo del calcestruzzo