Calce aerea: reazioni, spegnimento
La calce aerea è un legante aereo ovvero un legante che dà luogo al fenomeno di presa e indurimento solo quando è esposto all’aria.
La calce è uno dei leganti di cui si ha documentazione dell’uso da più vecchia data: era infatti impiegata in tutte le civiltà antiche tra cui quella egiziana, mesopotamica, etrusca ellenica e romana.
Da un punto di vista chimico, la calce è costituita da idrossido di calcio Ca(OH)2 a sua volta ottenuto a partire dal carbonato di calcio CaCO3 che è il principale costituente delle pietre calcaree.
Calci magre e calci grasse
Il prodotto di partenza deve essere relativamente puro, soprattutto deve presentarsi in più possibile esente da carbonato di magnesio MgCO3: calci con contenuto trascurabile di prodotto magnesiaco si dicono calci grasse e sono quelle di migliore qualità; calci con contenuto massimo di carbonato di magnesio del 5% sono dette calci magre. Calce contenente carbonato di magnesio superiore a detto limite sono di tipo scadente e, in ogni caso, se la percentuale è superiore al 10% il calcare è completamente inadatto a dare calce.
Reazioni
Le reazioni relative alla trasformazione del calcare in calce spenta, cioè nel prodotto idrato sono le seguenti:
CaCO3(s) + 42.5 kcal → CaO (s) + CO2(g)
Questa prima reazione che trasforma il carbonato di calcio in ossido di calcio (calce viva) è endotermica ed ha una resa teorica del 56%.
CaO (s) + H2O (l) → Ca(OH)2 (s) + 15.1 kcal
Questa seconda reazione di idratazione della calce viva che porta alla formazione di calce spenta è esotermica.
La calcinazione del calcare avviene in appositi forni a forma di tino detti fornaci da calce.
Alla temperatura di esercizio 1100-1200 °C la reazione di decomposizione è rapida e completa per cui è scaricato dalla parte bassa del forno un prodotto in cui tutto il carbonato è stato trasformato in ossido di calcio, mentre il biossido di carbonio è trascinato dal flusso d’aria che attraversa il forno con una concentrazione di circa il 30% in volume.
La calce viva così ottenuta non può essere conservata a lungo all’aria: essa infatti ne assorbe sia H2O, idratandosi, che CO ricarbonatandosi. Infatti, la pressione parziale di CO2 nell’aria è ben superiore alla pressione di equilibrio nel sistema CaCO3/CaO/CO2 alla temperatura ambiente.
Ne segue che CO2 è fissato da CaO finché la sua pressione parziale non si riduce fino al valore della tensione di decomposizione di CaCO3.
Spegnimento
La reazione di spegnimento della calce viva deve essere portata a completezza, perché la persistenza di CaO nel legante dopo la messa in opera comporta il pericolo di una lenta idratazione di quest’ultimo con la conseguenza di un aumento locale di volume e quindi la formazione di crepe nel materiale.
L’operazione di spegnimento della calce viva consiste nell’idratazione di CaO con formazione di idrossido. Come si è visto è una reazione esotermica , tuttavia non esiste modo di recuperare il calore prodotto, ma sorge il problema di smaltirlo operando con le dovute precauzioni dal momento che si tratta di un composto molto caustico.
La quantità stechiometrica di acqua che occorre aggiungere a 1 quintale di carbonato di calcio corrisponde a circa 32 kg .
Lo spegnimento della calce viva può essere effettuata sulla base del rapporto stechiometrico, nel qual caso il prodotto finale è la calce idrata, oppure impiegando una quantità di acqua in eccesso ( fino a 3 volte il peso di CaO): si ottiene in questo caso un prodotto pastoso, untuoso al tatto detto grassello. La calce spenta sbattuta con notevole quantità di acqua dà una sospensione bianca lattescente, denominata appunto latte di calce, molto usata fino a poco tempo fa come pigmento bianco per la tinteggiatura di muri e pareti.
Calce idrata
La calce idrata, in relazione alla sua composizione si può distinguere in:
- Fiore di calce idrata quando il contenuto complessivo di idrossidi di calcio e magnesio supera il 91% e il materiale è molto fine
- Calce idrata da costruzione quando il contenuto di idrossido di calcio e idrossido di magnesio è compreso tra l’82 e il 91 %
Essa è usata per ottenere il grassello, oppure per formare impasti con sabbia, detti malte, nel rapporto variabile da 1:5 a 1:10. Le malte aeree sono impasti di calce spenta con sabbia, con una quantità di acqua dosata in modo da rendere semifluida la massa.
Il rapporto calce/sabbia è molto basso con una netta prevalenza dell’inerte. La ragione di ciò risiede nel meccanismo di presa della malta aerea. Esso comporta, infatti, un forte aumento di densità della parte attiva del legante (la calce) e quindi un sensibile ritiro dopo la messa in opera. Gli effetti di questo ritiro sono ammortizzati quindi con l’impiego di forti quantità di inerti che non subiscono variazioni di volume.
Presa
La presa delle malte aeree avviene in due stadi:
- Iniziale evaporazione dell’acqua dall’impasto con cristallizzazione dell’idrossido di calcio
- Reazione dell’idrossido di calcio con il biossido di carbonio presente nell’atmosfera con conseguente formazione del carbonato di calcio secondo la reazione:
Ca(OH)2(s) + CO2(g) → CaCO3(s) + H2O (g)
Questa reazione, abbastanza rapida in superficie, dove la malta è a contatto diretto con CO2 atmosferico procede con lentezza. Essa può risultare secolare nell’interno dove, sia l’ingresso di CO2 che la fuoruscita di H2O sono affidati a un processo di diffusione notoriamente lento.
Le trasformazioni che determinano la presa comportano una contrazione di volume sia per la:
- perdita di acqua
- la maggiore densità del carbonato di calcio rispetto all’idrossido di calcio.
Il processo di presa è ostacolato e rallentato da una forte presenza di umidità e dalle basse temperature: entrambi i fattori impediscono infatti una rapida evaporazione dell’acqua. Se la temperatura scende anche di poco al di sotto dello zero, si ha solidificazione dell’acqua con relativo aumento di volume e disgregazione dell’impasto legante. Le malte aeree presentano caratteristiche meccaniche piuttosto modeste per cui il loro impiego rimane limitato a parti interne e intonaci.
Le prove che si effettuano sulle calci aeree sono di tipo chimico-analitico e di tipo tecnico. Tra le prove chimiche assumono particolare importanza:
- Determinazione del calcio e del magnesio il cui risultato è espresso come CaO e MgO nel caso di calce in zolle e come Ca(OH)2 e Mg(OH)2 nel caso di calce idrata.
- Determinazione dell’umidità che si effettua pesando due volte il campione: prima e dopo essiccamento in stufa termoregolata a 110°C. la differenza è rapportata al peso iniziale del campione ed espressa in percento
