La scelta del legante giusto è fondamentale nel settore delle costruzioni. Tra i leganti più antichi e ancora oggi utilizzati, spiccano la calce aerea e la calce idraulica. Entrambe derivano dalla cottura del calcare, ma presentano proprietà, usi e vantaggi significativamente diversi.
Origini e Produzione
Per comprendere appieno le differenze tra calce aerea e calce idraulica, è essenziale esaminare il loro processo di produzione. Entrambe le tipologie di calce hanno origine dalla pietra calcarea, ma il trattamento successivo e la composizione chimica del calcare di partenza determinano le proprietà finali del prodotto.
Calce Aerea (Calce Idrata o Spenta)
Le calci aeree sono il prodotto della cottura, a una temperatura di 900-1000 °C, del carbonato di calcio, costituente fondamentale delle rocce calcaree. Sono presenti sempre altri componenti quali carbonato di magnesio, argilla e composti del ferro. Le calci aeree possono essere magre o grasse, in dipendenza dei materiali di partenza e della insufficiente o troppo spinta cottura.
La calce aerea, nota anche come calce spenta o idrata, si ottiene attraverso un processo in due fasi. Innanzitutto, la pietra calcarea (principalmente carbonato di calcio) viene cotta in forni a temperature elevate, generalmente tra 900°C e 1200°C. Questo processo, chiamato calcinazione, provoca la decomposizione del carbonato di calcio in ossido di calcio (calce viva) e anidride carbonica.
Successivamente, la calce viva viene idratata, ovvero reagisce con l'acqua. Tale sistema era usato soprattutto nel passato. L’acqua è assorbita dalla massa che si gonfia e si screpola, raggiungendo una temperatura di oltre 100 °C. Nel caso in cui l’idratazione sia incompleta, essa continua quando il materiale è in opera, provocando rigonfiamenti localizzati. Questi difetti, noti come bottaccioli o calcinaroli, sono tipici degli intonaci realizzati con calce non perfettamente spenta.
Questa reazione chimica trasforma l'ossido di calcio in idrossido di calcio, la calce spenta. La reazione è esotermica, ovvero produce calore. La calce spenta si presenta come una polvere bianca fine.
La normativa UNI EN 459-1, che riguarda i leganti, classifica le calci aeree secondo la percentuale dell’idrossido o dell’idrato di calcio presenti: CL 70S-PL, CL 80S-PL o CL 90S-PL.
Per essere utilizzata come legante deve essere “spenta”, ossia idratata per aggiunta di un eccesso di acqua. Quando l’acqua assorbita è sufficiente per il completo spegnimento, l’impasto assume l’aspetto di una poltiglia lattiginosa (latte di calce) che, lasciata raffreddare e sedimentare, si trasforma in una massa bianca, plastica e untuosa.
Lo spegnimento si conclude con una stagionatura della massa in apposite vasche, in cui il grassello è ricoperto da sabbia per ridurre il contatto con l’aria, e la susseguente formazione di carbonato.
- Calce viva in zolle: Per essere utilizzata come legante deve essere “spenta”, ossia idratata per aggiunta di un eccesso di acqua.
- Calce idrata in polvere: Si ottiene spegnendo la calce viva in stabilimento con una quantità stechiometrica di acqua, nei cosiddetti idratatori.
- Grassello: È una dispersione in acqua di cristalli di idrossido di calcio.
Calce Idraulica
La calce idraulica, a differenza della calce aerea, si ottiene dalla cottura di calcari che contengono impurità, principalmente argilla (silicati e alluminati). La presenza di queste impurità conferisce alla calce idraulica la capacità di indurire anche in assenza di aria, grazie a reazioni chimiche con l'acqua (idraulicità).
Le calci idrauliche sono ottenute per cottura a 900-1000 °C di miscele di calcari argillosi. Durante la cottura, i silicati e gli alluminati presenti nell'argilla reagiscono con l'ossido di calcio, formando silicati e alluminati di calcio idraulici. Questi composti sono responsabili dell'indurimento idraulico della calce.
Il prodotto ottenuto contiene: CaO, C2S e alluminati. Parte del C2S si ritrova sotto forma di polvere fine. Pertanto, dopo aver allontanato questa frazione, il prodotto rimanente è spento con acqua, in quantità stechiometricamente controllata, in modo da trasformare la CaO in calce idrata.
Per la presenza di prodotti in grado di reagire con l’acqua, lo spegnimento della calce idraulica è eseguito aggiungendo solo la quantità di acqua necessaria a trasformare l’ossido nel corrispondente idrossido di calcio. Se, infatti, anche il silicato e l’alluminato di calcio fossero idratati durante lo spegnimento, essi non potrebbero poi esplicare le loro caratteristiche idrauliche in fase di impiego.
Poiché il comportamento idraulico aumenta con il contenuto di C2S e di alluminati, in altri termini al crescere della quantità di silice e allumina, la calce idraulica è valutata per mezzo dell’indice di idraulicità i, variabile in genere tra 0,1 e 0,5, e definito come rapporto fra le percentuali in peso della silice, dell’allumina e dell’ossido di ferro rispetto a quelle della calce e della magnesia.
Meccanismi di Indurimento
La principale differenza tra calce aerea e calce idraulica risiede nel loro meccanismo di indurimento. Questa differenza influenza direttamente le loro applicazioni e prestazioni.
Indurimento della Calce Aerea: Carbonatazione
L’indurimento degli impasti, nei quali il legante è costituito da calce idrata o dal grassello, è provocato dalla carbonatazione degli idrossidi ad opera dell’anidride carbonica dell’aria. Il prodotto dell’indurimento è costituito da carbonato di calcio e da carbonato basico di magnesio, se la calce è di tipo dolomitico.
La calce aerea indurisce attraverso un processo chiamato carbonatazione. In questo processo, l'idrossido di calcio (calce spenta) reagisce con l'anidride carbonica presente nell'aria, formando carbonato di calcio. Questa reazione è lenta e richiede la presenza di umidità. La velocità di carbonatazione dipende dalla concentrazione di anidride carbonica nell'aria, dalla temperatura e dall'umidità.
Anche se la composizione della malta è corretta, la resistenza meccanica a compressione del manufatto indurito è soltanto di 0,7-1,5 MPa. La scarsa resistenza delle malte è imputabile alla ridotta penetrazione della carbonatazione. Sull’entità di questa hanno notevole influenza le condizioni ambientali. Quando l’ambiente è molto secco o molto ventilato, o la temperatura esterna è troppo elevata, l’indurimento è scadente.
Poiché la carbonatazione avviene solo in presenza di aria, la calce aerea non può indurire in ambienti sommersi o in profondità all'interno di spessori elevati. Questo limita il suo utilizzo in determinate applicazioni.
Indurimento della Calce Idraulica: Idraulicità
La calce idraulica, grazie alla presenza di silicati e alluminati di calcio idraulici, indurisce sia in presenza che in assenza di aria. Questo è dovuto alla reazione di idratazione dei composti idraulici, che formano silicati e alluminati di calcio idrati, responsabili della presa e dell'indurimento del materiale. Questo processo è simile a quello che avviene nel cemento.
La capacità di indurire in acqua rende la calce idraulica adatta per applicazioni in ambienti umidi, sommersi o in profondità, dove la carbonatazione della calce aerea non sarebbe possibile.
Per una calce eminentemente idraulica, cioè con un indice di idraulicità prossimo a 0,5, i valori della resistenza a compressione dopo 28 giorni sono 5-10 MPa.
Classificazione delle Calci Idrauliche
Le calci idrauliche si classificano in base alla loro resistenza meccanica e al loro contenuto di composti idraulici. La norma europea EN 459-1 definisce tre tipi principali di calce idraulica naturale (NHL):
- NHL 2: Calce idraulica naturale con bassa resistenza meccanica. Adatta per lavori di restauro e per la preparazione di malte leggere.
- NHL 3.5: Calce idraulica naturale con resistenza meccanica media. Adatta per la costruzione di murature portanti e per la preparazione di intonaci.
- NHL 5: Calce idraulica naturale con alta resistenza meccanica. Adatta per la costruzione di fondazioni, murature in ambienti umidi e per la preparazione di malte ad alta resistenza.
Esistono anche calci idrauliche artificiali, ottenute miscelando calce aerea con materiali pozzolanici (come la pozzolana naturale o la cenere volante). Questi materiali reagiscono con l'idrossido di calcio della calce aerea, formando composti idraulici che conferiscono alla miscela la capacità di indurire anche in assenza di aria.
Usi e Applicazioni Specifiche
Le diverse proprietà di calce aerea e calce idraulica ne determinano gli usi specifici in edilizia. La scelta del tipo di calce dipende dalle caratteristiche del progetto, dalle condizioni ambientali e dalle prestazioni richieste.
Calce Aerea: Tradizione e Restauro
La calce aerea è stata utilizzata per secoli in edilizia, in particolare per la costruzione di murature, intonaci e finiture. Affinché la calce idrata possa manifestare le proprietà leganti, occorre che essa sia posta in opera in strati molto sottili e dispersa in una ragguardevole quantità di sabbia. Si impiega perciò sempre in malta sia per lavori di intonaci sia per legare pietre da costruzione. Nella malta il grado di carbonatazione è maggiore e il ritiro è molto ridotto in quanto gli elementi lapidei si contrastano mutuamente.
Grazie alla sua elevata traspirabilità e alla sua capacità di regolare l'umidità, la calce aerea è particolarmente adatta per il restauro di edifici storici. Permette infatti di conservare le caratteristiche originali dei materiali e di prevenire la formazione di condensa e muffe.
La calce aerea è anche utilizzata per la preparazione di stucchi e marmorini, finiture decorative di pregio che conferiscono agli ambienti un aspetto elegante e raffinato.
Calce Idraulica: Versatilità e Resistenza
La calce idraulica, grazie alla sua capacità di indurire anche in acqua, è adatta per applicazioni in ambienti umidi o a contatto con l'acqua, come la costruzione di fondazioni, murature interrate, canali e opere idrauliche. La sua resistenza meccanica la rende adatta anche per la costruzione di murature portanti e per la preparazione di malte ad alta resistenza.
Le calci idrauliche danno malte grasse e plastiche, facili da mettere in opera. Le malte diventano impermeabili a tempi lunghi per stagionatura in ambienti umidi o quando sono immerse in acqua.
La calce idraulica è anche utilizzata per la realizzazione di massetti e pavimenti, in particolare in ambienti soggetti a umidità o a sollecitazioni meccaniche. La sua flessibilità e la sua capacità di assorbire le deformazioni la rendono adatta per la realizzazione di pavimenti radianti.
Vantaggi e Svantaggi a Confronto
Sia la calce aerea che la calce idraulica presentano vantaggi e svantaggi specifici. La scelta del tipo di calce dipende dalle esigenze del progetto e dalle priorità del costruttore.
Calce Aerea: Vantaggi e Limiti
Vantaggi:
- Elevata traspirabilità e capacità di regolare l'umidità.
- Compatibilità con i materiali tradizionali.
- Basso impatto ambientale (se prodotta con processi a basso consumo energetico).
- Aspetto estetico gradevole e naturale.
Svantaggi:
- Indurimento lento e dipendente dalle condizioni ambientali.
- Bassa resistenza meccanica.
- Non adatta per applicazioni in ambienti umidi o a contatto con l'acqua.
- Sensibilità agli agenti atmosferici (gelo, pioggia).
Calce Idraulica: Punti di Forza e Debolezze
Vantaggi:
- Indurimento anche in assenza di aria.
- Resistenza meccanica superiore alla calce aerea.
- Adatta per applicazioni in ambienti umidi o a contatto con l'acqua.
- Buona durabilità.
Svantaggi:
- Minore traspirabilità rispetto alla calce aerea.
- Compatibilità meno elevata con i materiali tradizionali.
- Costo generalmente superiore alla calce aerea.
- Possibile presenza di sali solubili che possono causare efflorescenze.
Considerazioni Ambientali e Sostenibilità
La scelta del legante giusto può avere un impatto significativo sull'impatto ambientale di un edificio. Sia la calce aerea che la calce idraulica, se prodotte con processi a basso consumo energetico e utilizzando materie prime locali, possono rappresentare una scelta sostenibile.
La calce aerea, in particolare, presenta un ciclo di vita a basse emissioni di carbonio. Durante la carbonatazione, la calce aerea assorbe anidride carbonica dall'atmosfera, compensando in parte le emissioni prodotte durante il processo di calcinazione.
La calce idraulica, d'altra parte, può richiedere un maggiore consumo di energia durante la produzione, a causa delle temperature di cottura più elevate. Tuttavia, la sua maggiore durabilità e la sua resistenza agli agenti atmosferici possono ridurre la necessità di manutenzione e riparazioni, contribuendo a ridurre l'impatto ambientale a lungo termine.
Applicazioni Innovative e Ricerca Futura
La ricerca nel campo dei leganti a base di calce è in continua evoluzione. Nuove formulazioni e tecniche di produzione stanno aprendo nuove prospettive per l'utilizzo della calce aerea e della calce idraulica in edilizia.
Ad esempio, sono in fase di sviluppo calci aeree modificate con aggiunte pozzolaniche, che ne migliorano la resistenza meccanica e la durabilità. Allo stesso modo, sono in fase di studio calci idrauliche a basso impatto ambientale, prodotte con processi a basso consumo energetico e utilizzando materiali di riciclo.
Le nanotecnologie offrono anche nuove opportunità per migliorare le proprietà dei leganti a base di calce. L'aggiunta di nanoparticelle di silice o di altri materiali può aumentare la resistenza meccanica, la durabilità e la resistenza agli agenti atmosferici delle malte e degli intonaci a base di calce.
Consigli Pratici per la Scelta e l'Utilizzo
La scelta del tipo di calce e la sua corretta applicazione sono fondamentali per garantire la durabilità e le prestazioni di un edificio. Ecco alcuni consigli pratici:
- Valutare attentamente le caratteristiche del progetto e le condizioni ambientali.
- Consultare un esperto per scegliere il tipo di calce più adatto alle proprie esigenze.
- Utilizzare calce di alta qualità, prodotta secondo le norme europee.
- Seguire attentamente le istruzioni del produttore per la preparazione e l'applicazione della malta.
- Proteggere la malta dalla pioggia e dal gelo durante la fase di indurimento.
- Evitare l'utilizzo di additivi non compatibili con la calce.
La calce aerea e la calce idraulica sono due leganti versatili e sostenibili, con proprietà e usi diversi. La scelta del tipo di calce dipende dalle caratteristiche del progetto, dalle condizioni ambientali e dalle prestazioni richieste.
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