CH626035A5 - - Google Patents

Description

La presente invenzione concerne un metodo di produzione di conglomerati cementizi ad alta resistenza.

È noto che i conglomerati cementizi (paste, malte e calcestruzzi) durante l'idratazione del cemento subiscono un ritiro a causa dell'evaporazione dell'acqua e/o della sedimentazione degli inerti.

In talune applicazioni peraltro è necessario evitare tale fenomeno: ciò ad esempio nei lavori di sigillatura per evitare la formazione di fessure e per assicurare la massima aderenza dell'impasto al perimetro di confinamento, e nei lavori di ancoraggio di macchine alle fondazioni, per garantire la massima capacità portante e l'uniforme distribuzione statica dei carichi.

Per raggiungere questo scopo è noto di aggiungere all'impasto cementizio un componente espansivo capace di provocare un aumento di volume di entità all'incirca eguale

0 superiore al valore della contrazione di volume che si verifica durante il ritiro: è così possibile preparare calcestruzzi o malte a ritiro controllato od autoprecompressi.

I noti componenti espansivi normalmente impiegati sono:

— alluminati o solfoalluminati di calcio, capaci di produrre un componente espansivo, l'ettringite, di composizione 3CaO . A1203 . 3CaS04. 32H20, attraverso una reazione di idratazione, quale per esempio:

3CaO . Al20,3 + 3CaS04 . 2H20 + 26H20 _>

3CaO . AIjA# . 3CaS04. 32H.O

dove il composto ottenuto, l'ettringite, occupa un volume maggiore dei solidi reagenti;

— ferro metallico, il quale durante l'indurimento dell'impasto subisce un processo di trasformazione in ossido ferrico, e conseguentemente determina un aumento di volume di tutto l'impasto.

Altri agenti espansivi teoricamente impiegabili sono l'ossido di calcio (CaO) e l'ossido di magnesio (MgO), poiché entrambi per reazione con l'acqua formano i corrispondenti idrossidi con aumento di volume. L'ossido di calcio, in particolare, presenterebbe il vantaggio di essere particolarmente economico perché prodotto su larga scala per altri usi.

Affinché un componente espansivo possa peraltro essere vantaggiosamente impiegato in un calcestruzzo od in una malta, è necessario che l'espansione avvenga entro un certo intervallo ed in un ambiente sufficientemente contrastato e tali circostanze dipendono dal grado di indurimento del legante idraulico, per esempio cemento Portland, con cui il componente espansivo è mescolato.

Se l'espansione infatti avviene troppo in anticipo rispetto al processo di indurimento del calcestruzzo, essa non potrà provocare alcuno «stress» all'interno della struttura, poiché quest'ultima risulterà troppo deformata od addirittura fessurata.

D'altra parte se l'espansione avviene troppo in ritardo rispetto al processo di indurimento del calcestruzzo, quando cioè questo ha raggiunto una elevata resistenza meccanica,

1 risultati saranno parimenti inefficaci (P. Metha e M. Poliv-ka «Expansive Cements»: Act of the VI International Con-gress on Cernent Chemistry, pg. 15, Moscow, Settembre 1974). Inoltre la maggior parte dell'espansione deve terminare entro un periodo relativamente breve, poiché generalmente i periodi di stagionatura in ambiente umido — necessari per far avvenire il processo espansivo — sono generalmente brevi per ragioni pratiche (M. Polivka: «Factors in-fluencing expansion of expansive cement concretes». American Concrets Institute, Special Publication 38, pg. 241).

Finora sia l'ossido di calcio che l'ossido di magnesio non hanno trovato alcuna applicazione su vasta scala a causa della difficoltà di controllare l'idratazione dell'ossido e quindi il processo espansivo in relazione all'indurimento del legante idraulico.

Nel brevetto americano n. 3 649 317, ad esempio, si è tentato di risolvere questo problema ritardando l'espansione

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

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dell'ossido di calcio mediante un pretrattamento dell'agente espansivo con «Vinsol» (solfonato di dodecilbenzene). Tuttavia con questo trattamento non sono stati evitati i sopraindicati inconvenienti relativi ad una stagionatura troppo lunga.

Scopo dell'invenzione è di fornire un metodo di produzione di conglomerati cementizi espansivi e straordinariamente resistenti (paste, malte e cementi) usando come agente espansivo l'ossido di calcio e/o di magnesio.

Secondo l'invenzione questo scopo è raggiunto aggiungendo ad un impasto di acqua, cemento ed inerti una miscela contenente:

— ossido di calcio e/o ossido di magnesio, e

— un agente riduttore d'acqua atto a ridurre il rapporto acqua/cemento dell'impasto di almeno il 15% a parità di lavorabilità.

Vantaggiosamente l'agente riduttore d'acqua può essere costituito da un polimero ottenuto per policondensazione di un acido solfonico della serie aromatica, libero o salificato, con formaldeide e/o dal polimero ottenuto per policondensazione della melammina con formaldeide e contenente gruppi solfonici liberi o salificati negli anelli eterociclici.

Vantaggiosamente la miscela secondo l'invenzione può anche comprendere una sostanza additiva per ridurre od eliminare completamente la essudazione dell'impasto.

Secondo l'invenzione la miscela può comprendere silice (Si02) con un'area superficiale specifica non inferiore a io

15

2.104cm2/g determinata mediante adsorbimento isotermo di un gas.

La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita nella sua formulazione generale ed in tre esempi non limitativi con riferimento alle allegate figure, in cui: la fig. 1 mostra l'andamento nel tempo dell'espansione percentuale di campioni preparati con miscela espansiva secondo l'invenzione e, per confronto, di campioni preparati con miscele espansive note, e la fig. 2 mostra l'andamento nel tempo dell'espansione percentuale di campioni preparati con ulteriori miscele espansive secondo l'invenzione e, per confronto, di un campione preparato senza miscela espansiva.

Come detto la miscela secondo l'invenzione contiene in qualsiasi proporzione l'ossido di calcio e/o magnesio ed un agente riduttore d'acqua atto a ridurre il rapporto acqua/ cemento dell'impasto di acqua, cemento ed inerti di almeno il 15 % a parità di lavorabilità.

20 La funzione dell'ossido di calcio e di magnesio è di provocare l'espansione che può essere vantaggiosamente utilizzata anticipando l'indurimento del cemento con una notevole riduzione del rapporto acqua/cemento dell'impasto, grazie alla presenza del sopra menzionato agente riduttore 25 d'acqua. Inoltre è stato trovato che la simultanea presenza dei due componenti provoca un inaspettato e sorprendente effetto sinergistico ai fini della resistenza. La miscela così ottenuta è mescolata con un legante idraulico e con inerti e ciò può avvenire nel luogo di lavoro o, preferibilmente, 30 nel luogo di produzione, allo scopo di fornire all'utilizzatore un prodotto premiscelato di pronto impiego e di composizione rigorosamente costante.

In ogni caso la miscela comprendente il (i) sopraindicato (i) agente (i) espansivo (i) e l'agente riduttore d'acqua, le-35 gante idraulico ed inerti viene impastata con acqua al momento dell'uso.

L'agente riduttore d'acqua secondo l'invenzione può essere, ad esempio; uno dei seguenti composti:

— polimero ottenuto per policondensazione di melam-40 mina con formaldeide e contenente gruppi solfonici liberi o salificati negli anelli eterociclici e rappresentato dalla formula I

i'

/

H0-CH -NH-C C-NH-CH2

N N \/

/

0-C1I -NH-C C-NII-CH

2 I H 2

N N

•/

V

N

/ \

fO-CH^-NH-C C-NH-CH2-0H

n

N N '

v/

NH-CH2-S0^Na

NH-CH2-S0^Na

NH-CH -S0_Na 2 3

6o con n = 1, 2, 3 . ..

— polimero ottenuto per policondensazione di formaldeide con un acido solfonico aromatico, libero o salificato, scelto da almeno uno del gruppo comprendente gli acidi naftalinsolfonici, gli acidi fenolsolfonici, gli acidi benzensol-65 fonici, gli acidi metilbenzensolfonici; preferibilmente questo polimero è ottenuto per policondensazione dell'acido ß-nafta-linsolfonico libero o salificato con formaldeide e rappresentato dalla formula II

626035

4

CH Cil CH CH

/ \ __ / \ ,

CH C CH. C C H

\ / \ / \ / \

CH CH CH J3H "

\ / \ /

CH C CH C

I I

SO Ha SO Na n i y conn = 1, 2, 3 .. .

Come detto, le miscele secondo l'invenzione vengono mescolate per l'uso con un legante idraulico e con inerti. Il legante idraulico è preferibilmente costituito da cemento Portland, ma al posto di questo può essere impiegato anche il cemento pozzolanico o di altoforno od alluminoso.

La percentuale di miscela espansiva rispetto al peso di legante idraulico da impiegare per la confezione di una pasta o di una malta o di un calcestruzzo può variare da un minimo di 0,5% ad un massimo del 40%, in dipendenza dell'espansione o della resistenza che si vuole ottenere.

Gli inerti possono essere naturali (ad esempio sabbia) oppure metallici a base di ferro, e la scelta dell'uno o dell'altro tipo dipende da diverse fattori ed in particolare dalle caratteristiche che il conglomerato cementizio dovrà presentare. Così se ad esempio sono richieste caratteristiche antiurto, è preferibile usare inerti metallici, mentre se sono richieste caratteristiche antiusura possono essere usati inerti naturali, i quali tra l'altro hanno costi inferiori.

Nei casi in cui sia richiesto un impasto molto fluido,

nella miscela contenente ossido di calcio e/o di magnesio e l'agente riduttore d'acqua, può essere impiegata silice ad elevata area superficiale specifica. In questa miscela ternaria, la cui composizione ponderale è in generale compresa entro i margini seguenti:

— ossido di calcio e/o ossido di magnesio 45-65%

— silice (con un'area superficiale specifica non inferiore a 2.104cm2/g, determinata mediante adsorbimento isotermico di un gas) 30-50%

— agente riduttore d'acqua 1-12%

l'ossido di calcio o di magnesio reagisce con l'acqua dell'impasto per dar luogo alla formazione dell'idrossido, il quale a sua volta reagisce con l'acqua e con la silice per dar luogo alla formazione di silicato idrato di calcio o di magnesio, secondo le reazioni:

CaO + H20 Ca(OH)2

xCa(OH)2 + Si02 + yH20 xCa(OH)2. Si02. yHaO

in cui «x» varia tra 0,8 e 2 «y» varia tra 0 e 9.

L'introduzione della silice nella miscela espansiva e la conseguente trasformazione dell'idrossido di calcio in silicato idrato di calcio in base alle reazioni sopra riportate consentono di impiegare vantaggiosamente l'ossido di calcio, quale agente espansivo, e ciò in quanto:

— mentre l'idrossido di calcio è dotato di scarse proprietà cementanti, il silicato idrato di calcio avente rapporto molare Ca0/Si02 compreso tra 0,8 e 2, e simile cioè a quello ottenuto nella idratazione del cemento Portland, ha eccellenti caratteristiche leganti;

— mentre l'idrossido di calcio è facilmente dilavabile da parte dell'acqua, specialmente se questa contiene anidride carbonica aggressiva, il silicato idrato di calcio è notevolmente meno solubile e quindi più resistente all'azione dell'acqua.

Al posto della silice può anche essere impiegato un materiale naturale od artificiale ad elevata area superficiale specifica, del quale la silice è il composto predominante.

La miscela ternaria contenente l'ossido di calcio o di magnesio, l'agente riduttore d'acqua e la silice può essere usata per l'ancoraggio di macchine (rotanti, pulsanti, vibranti) a fondazioni, per l'ancoraggio di perni, per la sigillatura di basamento di colonne, per la sigillatura di piastre, di giunti e di tubazioni, per il riempimento di cavità e lesioni, per la posa in opera di mattonelle, piastrelle e marmette, per l'ancoraggio di maglie di ferro per pavimenti, per la riparazione di buche.

Il vantaggio di usare silice ad elevata area superficiale specifica consiste nel fatto che essa riduce considerevolmente la essudazione quando l'impasto è ancora fresco. L'assenza di bleeding è particolarmente importante in tutti gli impieghi sopraindicati.

I seguenti esempi non limitativi illustrano ulteriormente le caratteristiche delle miscele espansive preparate secondo l'invenzione e degli impasti con queste ottenuti.

Esempio 1

Quest'esempio mostra il sorprendente effetto sinergistico della miscela secondo l'invenzione sulla resistenza. Inoltre solo nella miscela secondo l'invenzione l'idratazione dell'ossido di calcio può essere vantaggiosamente utilizzata quando l'espansione avviene in un ambiente fortemente contrastato.

È stata preparata una miscela contenente il 40% di cemento Portland, il 56% di sabbia ed il 4% di miscela A, B, C secondo la tabella 1.

TABELLA 1 Resistenza ed. espansione delle malte

Composizione della miscela

A

B

C

Espansione (%)

0,10

0,00

0,06

Resistenza Flessione

9

17

60

(kg/cm2) Compressione

77

108

402

A = 100% di CaO

B = 100% di polimero ottenuto per policondensazione del sale sodico dell'acido ß-naftalinsolfonico con formaldeide C = 82% di CaO e 18% del polimero indicato in B.

Tutte le malte sono state impastate con una quantità di acqua sufficiente ad ottenere la stessa lavorabilità valutata mediante la misura dello spandimento alla tavola a scosse (140 mm). Le percentuali dell'acqua di impasto erano 22,0%, 13,0% e 13,5% per gli impasti contenenti le miscele A, B e C rispettivamente. Le malte fresche sono state colate in cilindri metallici alti 10 cm ed aventi il diametro di 5 cm,

allo scopo di misurare le variazioni dimensionali dei provini secondo le norme del Corp of Eingineering Standard CRD--C-589-70.

I valori di espansione indicati in tabella 1 corrispondono alla misura della variazione dell'altezza dei provini a partire dal momento della fine della presa — valutata mediante la prova denominata «Soil Test» — un giorno dopo da quando non si è verificata alcuna espansione apprezzabile.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

626035

La resistenza è stata misurata su provini prismatici (4X4X16 cm) stagionati a 20°C per un giorno.

I risultati riportati in tabella 1 mostrano:

— l'effetto sinergistico sulla resistenza della miscela C secondo l'invenzione,

— solo nella miscela C secondo l'invenzione l'idratazione dell'ossido di calcio è vantaggiosamente utilizzata quando l'espansione avviene in un ambiente fortemente contrastato, grazie all'effetto sinergistico sulla resistenza.

Esempio 2

È stata preparata una miscela avente la seguente composizione ponderale;

— calce commerciale (diametro massimo 0,15 mm) 55%

— silice amorfa (con area superficiale specifica di

15.IO4 cm2/g) 35%

— polimero ottenuto per policondensazione di formaldeide con melammina solfonata 10%

Sono stati quindi preparati dei campioni mescolando cemento Portland, la miscela sopra indicata, sabbia e/o particelle di ferro metallico come indicato in tabella 2.

TABELLA 2

Composizione percentuale in peso dei campioni preparati

Campione

Cemento

Miscela

Sabbia

Ferro

1

46,3

—

53,7

—

2

42,3

4,0

53,7

—

3

38,3

8,0

53,7

—

4

46,3

—

24,3

29,4

5

42,3

4,0

24,3

29,4

6

38,3

8,0

24,3

29,4

Il cemento Portland è di tipo ad alta resistenza meccanica (425 kg/cm2 a 28 giorni) secondo le norme taliane sui leganti idraulici. La sabbia è di tipo siliceo con granulometria massima di 1,2 mm. Anche la granulometria massima dell'inerte metallico è di 1,2 mm.

I campioni indicati in tabella 2 sono stati mescolati con acqua per preparare malte aventi tutte le stessa lavorabilità, valutata mediante la misura dello spandimento alla tavola a scosse (140 mm).

Sono state inoltre esaminate tre malte espansive commerciali, qui indicate con Ml, H2 e M3. Anche queste sono state preparate con la quantità d'acqua necessaria per ottenere uno spandimento di 140 mm.

I valori di espansione e di resistenza sono stati ottenuti con i metodi descritti nell'esempio 1.

I risultati di espansione sono indicati in fig. 1, dove in ordinata è indicata l'espansione percentuale ed in ascissa il tempo in ore. I risultati delle prove indicano che le malte preparate con i campioni n. 2, 3, 5, 6 di tabella 2, tutti secondo l'invenzione, si comportano come malte espansive.

I risultati relativi alla resistenza sono riportati in tabella 3.

Questi risultati indicano che le malte preparate con i campioni n. 2, 5 e 6 di tabella 2, tutti secondo l'invenzione, presentano una resistenza notevolmente superiore sia rispetto a quella delle malte prive di miscela espansiva (Campioni n. 1

e 4), sia rispetto a quella delle malte Ml, M2 e M3, disponibili in commercio. Per esempio alla stagionatura di un giorno la resistenza delle malte preparate con le miscele secondo l'invenzione è da due a tre volte superiore rispetto a quella di tutte le altre malte.

TABELLA 3

Resistenza a flessione (F) ed a compressione (C) delle malte preparate con i campioni indicati in tabella 2 e con alcuni prodotti disponibili in commercio

Resistenza

1 giorno 3 giorni 7 giorni 28 giorni FCFCF CF C

Campione

1

26

98

58

296

75

434

88

536

Campione

2

70

317

85

632

88

805

101

1009

Campione

3

71

318

85

463

89

600

95

702

Campione

4

25

101

56

290

77

480

91

609

Campione

5

78

339

98

663

118

830

131

1020

Campione

6

67

254

95

580

115

670

120

980

M 1

26

93

62

320

68

489

104

671

M 2

26

105

56

284

74

444

88

570

M 3

44

178

82

447

75

559

90

708

Esempio 3

Sono state preparate quattro miscele espansive aventi la composizione indicata in tabella 4 ed impieganti i materiali descritti nell'esempio 2 per quanto riguarda la calce, la silice ed il polimero B, e nell'esempio 1 per quanto riguarda il polimero A.

TABELLA 4

Composizione percentuale in peso delle miscele impiegate per i calcestruzzi descritti nell'esempio 3

Miscela espansiva

1

2

3

4

Calce

40

55

80

58

Silice

50

35

10

38

Polimero A

10

—

—

—

Polimero B

—

10

10

4

Polimero A: Polimero ottenuto per policondensazione di un sale di sodio dell'acido ß-naftalinsolfonico con formaldeide

Polimero B: Polimero ottenuto per policondensazione di melammina con formaldeide e contenente gruppi solfonici liberi o salificati negli anelli eterociclici

Con le miscele espansive sono stati preparati calcestruzzi aventi la seguente composizione:

— cemento Portland normale 300 kg/m3

— miscela espansiva 30 kg/m3

— inerti con diametro massimo di 2,5 cm e contenenti il 40% in peso di sabbia 1900 kg/m3

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

626035

6

È stato preparato anche un analogo calcestruzzo privo di miscela espansiva e contenente 350 kg/m3 dello stesso cemento Portland normale. L'acqua di impasto impiegata è stata tale da ottenere la stessa lavorabilità (slump 8 cm) per tutti i calcestruzzi. Con questi calcestruzzi sono stati preparati provini prismatici di 5X5X30 cm. Ogni provino presentava due punti di riferimento distanti circa 25 cm per consentire la misura della variazione percentuale di lunghezza. Sono stati anche preparati provini cubici (15 cm di lato) per la misura della resistenza a compressione alle stagionature di 1, 7, 28 giorni. Metà dei provini prismatici e tutti i provini cubici sono stati conservati a 20°C in un ambiente saturo di umidità (umidità relativa 100%). L'altra metà di provini prismatici è stata conservata per 7 giorni nelle condizioni sopra descritte e per i tempi successivi a 20°C e con umidità relativa del 50%.

Le variazioni dimensionali dei provini prismatici in funzione del tempo sono mostrate in fig. 2. Le curve tratteggiate si riferiscono ai provini conservati all'aria con umidità relativa del 50%, mentre le curve a tratto continuo si riferiscono ai provini conservati in ambiente saturo di vapore. I risultati mostrano che durante i primi 7 giorni con umidità relativa del 100% i calcestruzzi contenenti le miscele espansive della tabella 4, tutte secondo l'invenzione, presentano un'espansione maggiore del calcestruzzo privo di miscela espansiva. Dopo i primi 7 giorni, a causa dell'evaporazione dell'acqua, si verifica una contrazione di tutti i calcestruzzi; tuttavia quelli contenenti la miscela espansiva, a causa della maggiore espansione verificatasi durante la stagionatura a umido, hanno conservato una dimensione maggiore di quella iniziale, cosicché non si è verificato alcun ritiro durante l'evaporazione. Ciò è indicato dalla permanenza delle curve al di sopra della linea di zero. Il calcestruzzo privo di miscela espansiva invece subisce una contrazione tale che già dopo un giorno dall'inizio dell'evaporazione 5 si verifica un ritiro del materiale.

I risultati relativi alla resistenza a compressione dei calcestruzzi sono riportati in tabella 5.

TABELLA 5

io

Resistenza a compressione (kg/cm-) dei calcestruzzi impieganti le miscele espansive di tabella 4

Miscela espansiva

Stagionatura

usata

1 giorno

7 giorni

28 giorni

—

94

311

438

1

139

400

540

2

168

412

570

3

149

401

530

4

103

320

444

Questi risultati mostrano che con le miscele espansive secondo l'invenzione è possibile preparare calcestruzzi che sono espansivi e che hanno una resistenza a compressione 30 maggiore di quella dell'analogo calcestruzzo privo di miscela espansiva.

v

1 foglio disegni

Claims (11)

626035

1. Metodo di produzione di conglomerati cementizi espansivi e ad alta resistenza caratterizzato dal fatto che si aggiunge ad un impasto di acqua, cemento ed inerti, una miscela contenente:

— ossido di calcio e/o ossido di magnesio, e

— un agente riduttore d'acqua atto a ridurre il rapporto acqua/cemento dell'impasto di almeno il 15% a parità di lavorabilità.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che alla miscela si aggiunge una sostanza additiva per ridurre od eliminare completamente la essudazione dell'impasto.

2

RIVENDICAZIONI

3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione di un acido sol-fonico della serie aromatica, libero o salificato, con formaldeide.

4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione di melammina con formaldeide e contenente gruppi solfonici liberi o salificati negli anelli eterociclici.

5. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione dell'acido ß-naf-talinsolfonico libero o salificato con formaldeide.

6. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione dell'acido fenol-solfonico, libero o salificato con formaldeide.

7. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione dell'acido benzensolfonico, libero o salificato, con formaldeide.

8. Metodo secondo le rivendicazionida 1 a 3 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione di un acido metil-benzen solfonico, libero o salificato, con formaldeide.

9. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 3 caratterizzato dal fatto che l'agente riduttore d'acqua è costituito da un polimero ottenuto per policondensazione di un sale di sodio di un acido solfonico della serie aromatica con formaldeide.

10. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 9 caratterizzato dal fatto che si aggiunge alla miscela, contenente ossido di calcio e/o di magnesio e l'agente riduttore d'acqua, una sostanza naturale od artificiale avente un'area superficiale specifica non inferiore a 2.104cm2/g, determinata mediante adsorbimento isotermo di un gas, e contenente silice almeno come composto predominante.

11. Metodo secondo le rivendicazioni da 1 a 10 caratterizzato dal fatto che la miscela ternaria ha la seguente composizione ponderale:

— ossido di calcio 45-65%

— silice con un'area superficiale specifica non in feriore a 2.104cm2/g, determinata mediante adsorbimento isotermo di un gas 30-50%

— agente riduttore d'acqua 1-12%