La malta di calce è una malta per muratura composta da calce, un aggregato come la sabbia e acqua. Le malte e gli intonaci a base di calce costituiscono alcuni dei più antichi leganti impiegati nell'architettura: l'uso di calci ad alto contenuto di calcio è attestato in Medio Oriente almeno dall'VIII millennio a.C.
Con la diffusione del cemento Portland nel XIX secolo, l'impiego della malta di calce nelle nuove costruzioni diminuì progressivamente. Le malte cementizie sono in genere più rigide e meno porose delle malte tradizionali ad alto contenuto di calce; negli interventi su murature storiche la malta di sostituzione deve quindi essere scelta in funzione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali esistenti, evitando miscele eccessivamente resistenti o poco permeabili che possano accelerarne il deterioramento.
Storia
L'impiego della calce come legante precede di millenni le civiltà classiche, con attestazioni nel Medio Oriente risalenti almeno all'8000 a.C. Nell'Antico Egitto furono ampiamente usate malte a base di gesso per le costruzioni in pietra; analisi archeometriche di malte provenienti dalle piramidi di Giza e dalla Sfinge hanno inoltre rilevato, in proporzioni variabili, gesso, calcite e silice.
Nel mondo greco l'impiego di calce in intonaci e malte è attestato già nella preistoria; analisi di siti greci hanno identificato materiali a base di calce e tecniche di miscelazione a caldo, mentre per le epoche successive l'uso di malte aeree e di aggiunte pozzolaniche risulta ben documentato.
Nell'Asia meridionale sono documentate costruzioni in malta di calce risalenti a oltre 4 000 anni fa, fra cui Mohenjo-daro, centro della civiltà della valle dell'Indo nell'attuale Pakistan.
Nel mondo romano le malte a base di calce erano di uso comune; il De architectura descrive la preparazione della calce, i rapporti fra calce e sabbia e l'aggiunta di materiale laterizio, dedicando inoltre un capitolo alla pozzolana, mescolata con calce e pietrame per ottenere composti capaci di indurire anche sott'acqua.
Molte tecniche tradizionali rimasero a lungo fondate sull'esperienza di cantiere; dalla fine del XX secolo le proprietà delle malte di calce sono state oggetto di programmi sistematici di ricerca, rivolti in particolare a durabilità, compatibilità, porosità, meccanismi di presa e tecniche storiche di produzione.
Utilizzi
La malta di calce è impiegata soprattutto nel restauro e nella manutenzione di edifici storici costruiti originariamente con malte analoghe, oltre che in nuove costruzioni nelle quali ne siano richieste le proprietà specifiche. La composizione comprende principalmente calce, idraulica o non idraulica, acqua e un aggregato, generalmente sabbia. Negli interventi su murature storiche la compatibilità fra malta e materiali preesistenti dipende da resistenza, porosità, permeabilità e comportamento all'umidità; una malta di riparazione eccessivamente resistente rispetto ai mattoni o alla pietra può trasferire le sollecitazioni alla muratura e favorirne il deterioramento, perciò la scelta della miscela deve tener conto della composizione e delle prestazioni della malta originaria senza ridursi alla contrapposizione fra calce e cemento Portland. Nelle malte storiche la sabbia proveniva spesso da fonti locali, contribuendo insieme agli altri componenti e alle tecniche di lavorazione all'aspetto e alle proprietà del materiale.
La sabbia, che costituisce la componente volumetricamente prevalente della malta, ne determina in larga misura colore e tessitura; per questo l'impiego storico di sabbie locali può produrre variazioni visibili fra edifici o aree diverse. Per gli interventi di ristilatura sono disponibili anche malte di calce premiscelate, comprese formulazioni preparate per riprodurre colore e granulometria di una malta storica, purché risultino compatibili con la muratura per resistenza e permeabilità.
Calce idraulica e non idraulica
La distinzione fra calce idraulica e calce idratata riguarda caratteristiche diverse. Il termine idraulica indica la capacità di alcuni tipi di calce di fare presa mediante reazioni con l'acqua; idratata descrive invece il prodotto ottenuto dalla reazione della calce viva con acqua durante lo spegnimento.
La calce idraulica contiene composti, in particolare silicati e alluminati di calcio, che reagendo con l'acqua contribuiscono alla presa iniziale; la calce non idraulica indurisce invece prevalentemente per carbonatazione, reagendo con l'anidride carbonica dell'aria. Le calci idrauliche naturali sono ottenute da calcari contenenti quantità sufficienti di componenti argillose; proprietà idrauliche possono essere conferite anche a una calce non idraulica mediante materiali pozzolanici.
La calce non idraulica è prodotta da materie prime ricche di carbonato di calcio, come calcari ad elevata purezza o conchiglie; il gesso, costituito da solfato di calcio biidrato (CaSO4·2H2O), non appartiene a questa categoria.
Calce non idraulica La calce non idraulica contiene principalmente idrossido di calcio, Ca(OH)2. Si ottiene mediante calcinazione di materie prime ricche di carbonato di calcio, con produzione di calce viva (ossido di calcio), seguita dallo spegnimento con acqua. Se durante lo spegnimento viene impiegata acqua in eccesso si ottiene un materiale pastoso, il grassello di calce; con una quantità più limitata di acqua si può ottenere calce idrata in polvere.
Nella produzione tradizionale la cottura avveniva in fornaci da calce; prove sperimentali su calcari destinati alla produzione di calce indicano intorno a 900 °C una temperatura capace di produrre calce viva molto reattiva, mentre temperature più elevate possono modificarne microstruttura e reattività. Lo spegnimento della calce viva è una reazione esotermica e, quando viene condotto con acqua in eccesso, produce il grassello.
L'idrossido di calcio indurisce progressivamente reagendo con l'anidride carbonica dell'aria e trasformandosi nuovamente in carbonato di calcio; questa sequenza di trasformazioni costituisce il cosiddetto ciclo della calce. Storicamente il grassello veniva lasciato maturare in fosse o contenitori per periodi da alcune settimane fino a un anno e può essere conservato anche molto più a lungo se protetto dall'aria e dall'essiccazione. La maturazione modifica la microstruttura e le proprietà reologiche del grassello, potendo aumentarne plasticità e tensione di snervamento; il comportamento può comprendere fenomeni di tissotropia o reopectia, la cui entità dipende anche dalla cottura e dallo sviluppo microstrutturale. Oltre alle calci ad alto contenuto di calcio esistono calci dolomitiche, ricavate da materie prime contenenti anche carbonato di magnesio.
I termini idraulico e idratato indicano proprietà diverse: una calce idratata è il prodotto dello spegnimento della calce viva, mentre una calce idraulica si distingue per la capacità di indurire attraverso reazioni con l'acqua. La calce idrata in polvere può essere nuovamente dispersa in acqua, ma non è equivalente in ogni proprietà a un grassello ottenuto per spegnimento umido: prove comparative mostrano differenze nella velocità di carbonatazione, nella distribuzione dei pori, nell'assorbimento capillare e nella resistenza a compressione delle malte ottenute con i due leganti. La calce non idraulica indurisce più lentamente delle calci idrauliche e richiede condizioni che consentano la carbonatazione; nelle applicazioni in cantiere la velocità di essiccazione e l'esposizione agli agenti atmosferici devono essere controllate per evitare difetti di presa e fessurazioni. Nelle ristilature ad alto contenuto di calce l'essiccazione troppo rapida può produrre sfarinamento, cattiva adesione e minore durabilità; la protezione iniziale può comprendere nebulizzazione d'acqua e teli di iuta mantenuti umidi nei primi giorni.
Malta a base di gusci d'ostrica
Nella regione delle maree del Maryland e della Virginia, durante il periodo coloniale, i gusci delle ostriche venivano utilizzati come materia prima per produrre calce: come altri materiali ricchi di carbonato di calcio, venivano calcinati e il prodotto ottenuto poteva quindi essere spento per ottenere grassello di calce. In area coloniale la cottura dei gusci poteva avvenire anche in cataste o fornaci alimentate a legna; ricostruzioni storiche della Colonial Williamsburg Foundation documentano la combustione dei gusci per ottenere calce viva, successivamente spenta con acqua. Le malte ottenute da questa calce si riconoscono talvolta per la presenza di piccoli frammenti di conchiglia nel giunto esposto; nel restauro della muratura, tuttavia, l'aggiunta intenzionale di frammenti per imitare l'aspetto di malte storiche non garantisce la compatibilità della miscela con la muratura esistente, che dipende dall'intera composizione e dalle sue proprietà fisiche e meccaniche.
Calce idraulica
La calce idraulica fa presa mediante reazioni di idratazione. Quando una calce contiene composti idraulici, l'acqua reagisce con silicati e alluminati di calcio formando prodotti idrati che contribuiscono all'indurimento iniziale.
Le proprietà idrauliche derivano dalla composizione naturale del calcare oppure dall'aggiunta di materiali pozzolanici, fra i quali materiali vulcanici, laterizi macinati e argille trattate termicamente; nelle formulazioni moderne possono essere impiegati anche ceneri volanti, scorie e fumi di silice. L'intensità della reazione idraulica varia con la composizione della miscela.
Nel calcare argilloso sottoposto a cottura si possono formare silicati di calcio, fra i quali il silicato dicalcico, che durante l'idratazione contribuisce alle proprietà di presa della calce idraulica. Nelle calci idrauliche naturali la belite rappresenta in genere la fase idraulica predominante; il silicato tricalcico può comunque comparire in quantità minori, insieme ad alluminati e altre fasi, secondo composizione della materia prima e condizioni di cottura.
Durante la produzione delle calci idrauliche naturali lo spegnimento viene controllato in modo da idratare soprattutto l'ossido di calcio libero, limitando la reazione prematura dei silicati e degli alluminati che dovranno contribuire successivamente alla presa della malta; per questo lo spegnimento sotto acqua, adatto invece alla produzione del grassello di calce aerea, non viene impiegato nella produzione delle NHL.
La norma europea EN 459-1:2015 distingue le calci idrauliche naturali in tre classi determinate dalla resistenza a compressione dopo 28 giorni: NHL 2, da 2 a 7 MPa; NHL 3,5, da 3,5 a 10 MPa; NHL 5, da 5 a 15 MPa, con per quest'ultima una resistenza minima di 2 MPa già dopo 7 giorni. Le classi NHL 2, NHL 3,5 e NHL 5 sono basate sulla resistenza a compressione a 28 giorni e le loro proprietà possono sovrapporsi ampiamente; la classificazione moderna non coincide quindi con le denominazioni storiche "debolmente", "moderatamente" ed "eminentemente idraulica". Nel XVIII secolo John Smeaton e, all'inizio del XIX, Louis Vicat contribuirono a chiarire il comportamento delle calci idrauliche, già impiegate empiricamente in epoche precedenti.
Il gruppo Vicat produce tuttora cemento naturale e, attraverso la propria attività nei materiali formulati, malte premiscelate per edilizia.
Miscela
La malta di calce tradizionale è una combinazione di grassello di calce e aggregato, generalmente sabbia. Nelle formulazioni moderne a base di grassello ricorre spesso il rapporto volumetrico di 1 parte di legante e 3 parti di sabbia; una sabbia ben graduata presenta in genere circa il 30% di vuoti in volume, dato compatibile con il rapporto 1:3 fra legante e sabbia. Al posto della sabbia possono essere impiegati anche altri aggregati, in funzione delle caratteristiche richieste alla malta.