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Diagnostica e sperimentazione delle strutture

Capitolo 1a - I costituenti del calcestruzzo (22/02/2022)

Il calcestruzzo è un materiale eterogeneo costituito da uno scheletro di pietre/aggregati di varie dimensioni e queste pietre sono avvolte da una pasta che è fatta da acqua, cemento, additivi e aria; all’interno di questa pasta si possono mettere delle ulteriori aggiunte per conferirgli delle prestazioni e dei requisiti secondari.

Cemento Portland

Il cemento è un legante e nel settore delle costruzioni, con la denominazione “materiali leganti” sono definiti quei prodotti che, mescolati con acqua, danno origine ad impasti che induriscono progressivamente ed acquistano con il tempo consistenza.

La cementeria è l’impianto di produzione del cemento e si può schematizzare come:

• Estrazione delle materie prime dalle cave (all’aperto o in scavi), i rapporti per fare il clinker sono circa il 70-80% di calcare e un 20% di argille;
• Si estraggono questi materiali e si portano all'interno della cementeria dove viene fatta l'omogeneizzazione e l'essiccazione, perché le argille sono dei materiali estremamente igroscopici, quindi quando un terreno è argilloso ha tantissima acqua e per omogeneizzarlo col calcare bisogna essiccare il calcare e l'argilla prima di cuocerli, quando i materiali sono stati essiccati e omogeneizzati non sono più calcare e argilla ma iniziano a chiamarsi “farina cruda”;
• Poi si fa la cottura della farina in dei forni rotanti che raggiungono una temperatura fino ai 1400-1500 °C, in questa fase di cottura si ha tanta emissione della CO₂;
• Il materiale dopo che è stato cotto è diventato clinker quindi la cavo ed è pronto per essere macinato con mulino a sfere, per cui dopo c’è la macinazione del clinker, l'aggiunta delle varie aggiunte e infine la distribuzione del materiale.

Il cemento viene stoccato in dei silos e da questi silos vengono dei mezzi cisternati che poi portano il materiale sfuso ai produttori di calcestruzzo oppure vengono confezionati all’interno di sacchetti. Fondamentalmente per avere un legante idraulico c'è bisogno di un calcare, quindi un carbonato di calcio e del silicio, la forma più semplice e più pura del silicio è l'argilla; il clinker è un prodotto ottenuto per cottura ad alta temperatura di miscele intime di calcare ed argilla. Il calcare contiene prevalentemente carbonato di calcio, l’argilla contiene silice, allumina, ossido di ferro, oltre all’acqua di cristallizzazione.

Quindi combinando calcare e argilla, questi componenti miscelati, omogeneizzati e cotti si scompongono e si ricompongono dando luogo ai 4 prodotti principali da cui è composto il granulo di clinker: il C₃A è un alluminato tricalcico, mentre il C₄AF diventa un ferro alluminato tetracalcico, questi sono i due componenti che hanno la A, quindi l'alluminio che stava nell'argilla, e sono quelli che regolano la presa del cemento; i due componenti che invece danno la resistenza al cemento sono il silicato bicalcico C₂S e il silicato tricalcico C₃S.

I silicati rappresentano circa il 70-80% del granulo, mentre gli alluminati rappresentano il restante 20%. Il clinker è il componente principale del cemento e i cementi con una grande quantità di clinker si chiamano Cementi Portland, però il clinker da solo non è lavorabile, ha dei fenomeni di presa troppo rapidi, quindi viene miscelato con una percentuale di gesso bi-idratato, che è un rapporto abbastanza fisso (5%) e quindi se si ha solo la composizione di clinker e di gesso si ha il Cemento Portland.

Idratazione del cemento Portland

Finora è stato definito sia dal punto di vista industriale che da quello della composizione cos'è il cemento nella sua fase anidra, cioè prima di essere utilizzato, il cemento è un legante idraulico che sviluppa le sue prestazioni e le sue qualità quando viene in contratto con dell'acqua; ma quando il cemento viene a contatto con l'acqua si ha l'idratazione del cemento.

Il processo di idratazione del cemento avviene in due fasi:

• Dissoluzione delle fasi anidre, che sono le fasi secche che non sono ancora entrate in contatto con l'acqua;
• Precipitazione dei composti idrati, è come se il granulo esplodesse e ogni composto avesse una sua reazione.

Dobbiamo immaginare che questi granuli di cemento, che sono 100 volte più piccoli di un millimetro (10μm), incominciano a galleggiare nell'acqua perché inizialmente questi granuli sono raggrumati tra di loro, una volta in acqua incominciano a separarsi ma non è vero che si separano tutti quanti perché alcuni rimangono attaccati tra di loro. Se non c'è la fase iniziale di dissoluzione il sistema acquoso non riesce a bagnare e quindi a idratare le parti che sono ancora raggrumate tra di loro.

I granuli sono raggrumati tra di loro perché questi granuli di cemento derivano da una pietra più grossa che è il clinker, quando nel forno viene frantumato è come se si facesse in tanti pezzettini, la separazione di due elementi che sono uniti crea delle cariche elettrostatiche, quindi questi granuli che prima erano uniti si caricano in maniera negativa o positiva e si creano delle cariche elettrostatiche, che quando sono di segno opposto tendono a riunire quello che la macinazione aveva preparato e allora c’è questo processo di flocculazione che va decisamente evitato.

Va evitato perché una volta che i granuli galleggiano nell'acqua dopo essere stati separati, chiaramente sono tutti bagnati, il primo componente che reagisce è il C₃A e quindi nella prima fase c'è una perdita di lavorabilità perché questi granuli vengono avvolti da una specie di tessuto protettivo, nella seconda fase poi questo tessuto che prima era impermeabile diventa poroso e quindi i componenti che stanno nel granulo cominciano a sviluppare determinati prodotti nell'interazione con l'acqua.

Un singolo granulo man mano che sviluppa i vari prodotti dell’idratazione incomincia ad avere un intreccio con gli altri granuli, chiaramente se tanti granuli sviluppano i vari aculei il sistema di fatto dà una perdita di lavorabilità nella prima fase, poi passa ad uno sviluppo dei prodotti dell’idratazione (dei silicati) e quindi ad una fase di indurimento.

La particella inizialmente è nera per identificare la sua fase anidra mentre nell'ultima fase di indurimento quando si forma il gel di cemento diventa grigio che, come si può notare anche dal disegno, la particella più grande è quella che al suo interno mantiene una parte anidra più grande. La parte nera residua è un cemento che noi non stiamo utilizzando quindi è sprecato, questo è il motivo per cui vogliamo delle particelle più piccole perché così siamo in grado di idratarle tutte.

Nella prima fase che è quella della perdita di lavorabilità entrano in gioco C₃A C₄AF, cioè gli alluminati e l’alluminio di suo è un materiale abbastanza nervoso e instabile, se non ci fosse il gesso ci sarebbe subito un'idratazione del C₃A, questo porterebbe ad una presa istantanea e quindi ad una perdita di lavorabilità. Siccome il cemento è fatto per conferire lavorabilità al calcestruzzo l'operatore ha sempre bisogno di un certo tempo per poter lavorare il suo calcestruzzo, quindi ecco perché si introduce quel 4-5% di gesso che non fa altro che avvolgere quella parte del C₃A che sta all’interno del granulo, bloccando momentaneamente il processo di idratazione e facendo un prodotto che si chiama Ettringite; cioè il C₃A non si combina solo con l'acqua ma si combina anche con il gesso immesso volutamente.

Il prodotto di Ettringite, che prende il nome di Ettringite Primaria, fa sì che un granulo che ha una determinata dimensione subisca un’espansione ed è un fenomeno voluto per rallentare gli altri fenomeni, in sostanza si crea una specie di strato impermeabile per il quale l’acqua va lentamente a contatto con i componenti del clinker, cosicché le vere reazioni di idratazione si creino lentamente. In questo modo si conserva la lavorabilità per il tempo necessario per mettere in opera il calcestruzzo.

Questo fenomeno di Ettringite Primaria, che si sviluppa quando si è ancora nella fase fluida del calcestruzzo, è l’unico fenomeno di Ettringite buono, perché tutti i fenomeni legati a dei processi di non durabilità del calcestruzzo derivano dai fenomeni di Ettringite Secondaria. Quando c’è la forma di cristallizzazione tra i vari granuli, se qualcuno di questi comincia ad avere, oltre ai processi di idratazione anche una sua espansione va in un sistema che ormai è bloccato e quindi ciò porta alla fessurazione, i fenomeni di Ettringite Secondaria sono dei processi espansivi negativi quando il sistema si è stabilizzato e portano alla fessurazione del calcestruzzo.

Dopo un certo lasso di tempo l’Ettringite ridiventa permeabile e quindi l'acqua riprende ad idratare gli Alluminati e a questo punto avviene quello che chiamiamo il fenomeno della presa, cioè il cls assume una forma definita con proprietà meccaniche quasi nulle ma non è più lavorabile.

In sostanza C₃A e C₄AF hanno un ruolo fondamentale nel passaggio tra la lavorabilità, la fine presa e la primissima fase di indurimento, se non si equilibra bene il gesso si possono avere dei fenomeni di Falsa Presa. Il gesso aggiunto al clinker è un gesso bi-idratato, cioè ha la sua acqua ed è stabile, però durante la macinazione col mulino a sfere si alza la temperatura e quindi a volte può succedere che il gesso perda parte della sua acqua. Il gesso carente d’acqua a questo se la va a riprendere e quindi quando entra a contatto con l'acqua può avvenire quello che è il fenomeno della falsa presa, cioè si ha l'idratazione del gesso e non degli Alluminati, che sta si sta riappropriando dell'acqua che gli serve però a questo punto il gesso indurisce e perde la lavorabilità perché diventa un solido.

In questo caso se si riscontra una falsa presa è sufficiente rimescolare energeticamente l'impasto perché così facendo rompiamo quelle che sono le molecole di gesso bi-idratato e ritorna la lavorabilità (NON VA MAI AGGIUNTA DELL’ACQUA).

Come si riconosce se è falsa presa oppure se sia una presa vera?

La differenza sta nella temperatura, quando il gesso reagisce a sorpresa la temperatura dell'impasto non aumenta in maniera rilevante invece nel processo di presa vero e proprio quando reagiscono gli Alluminati quella reazione chimica è esotermica quindi si ha un grande sviluppo di calore.

Una volta che sono terminati i primi fenomeni e che quindi c’è stata una perdita di lavorabilità della pasta cementizia ed è avvenuta la presa, nella seconda fase incominciano ad essere idratati anche gli altri 2 componenti C₂S e C₃S, cioè i silicati; idratandosi sviluppano gli aculei che irrigidiscono e danno resistenza al cemento e quindi al calcestruzzo stesso.

Da questa reazione chimica si ottiene principalmente la formazione di un gel di cemento C-S-H, un composto cristallino che ha come componenti la calce, i silicati e l'acqua, che è responsabile delle proprietà meccaniche del calcestruzzo. Oltre a questo gel si forma anche la Portlandite, cioè l'idrossido di calcio, questo prodotto secondario apparentemente non è utile perché non è l'elemento resistente è più debole del gel quindi preferiamo avere molto più gel rispetto che a Portlandite, però dall'altra parte questa componente è responsabile attraverso gli ioni OH dell'ambiente basico che si forma dentro la pasta di cemento idratato.

L'ambiente basico permette di avere un Ph>13 ed è fondamentale per il cemento armato perché fornisce la protezione delle barre di armatura dalla corrosione, cioè finché il Ph rimane alto (>13) inibisce la corrosione quindi in definitiva questa Portlandite ha la sua importanza.

Quindi la seconda fase di idratazione è più lenta rispetto alla prima cioè l'acqua entra a contatto con i silicati, forma il gel di cemento nel tempo, e più gel si forma più le proprietà meccaniche aumentano perché si sta realizzando un prodotto che resiste e che meccanicamente è efficace.

Ecco spiegato perché il calcestruzzo non è come l'acciaio che ha delle proprietà meccaniche costanti nel tempo ma che evolvono nel tempo ed il responsabile di questa evoluzione sono i silicati perché si idratano lentamente nel tempo.

Sviluppo di resistenza a compressione

In questa fase di indurimento i principali responsabili sono i silicati e si vuole andare a vedere a livello meccanico chi è il maggiore responsabile delle proprietà meccaniche cioè sostanzialmente della resistenza, ma ognuno dei quattro elementi dà un contributo alla resistenza complessiva del calcestruzzo.

Dal grafico si può vedere come al tempo t=0 (miscelazione) dopo una decina di minuti si ha la presa perché l’Ettringite si è dissolta e iniziano a svilupparsi piano piano le proprietà meccaniche quindi l'indurimento. In un primo momento si può vedere come gli alluminati dopo un'ora danno una piccola resistenza però molto scadente, poi se guardiamo cosa fanno nelle settimane e nei mesi questi alluminati la loro resistenza non aumenta, cioè danno un piccolo contributo iniziale e poi sono stabili, quindi gli alluminati contribuiscono ben poco alla resistenza del materiale.

Se consideriamo i silicati separatamente, il C₃S è quello che riesce ad idratarsi più rapidamente e a sviluppare nei primi giorni una rilevante resistenza responsabile prevalente della resistenza alle brevi e medie stagionature. Infatti, si può vedere come a 28 giorni il maggiore responsabile della resistenza del calcestruzzo del provino che siamo andati a testare è il C₃S.

Se andiamo avanti nei mesi dopo una rapida idratazione il C₃S tende a stabilizzarsi per cui darà degli ulteriori contributi molto ridotti, viceversa il C₂S ha una curva di crescita molto regolare parte piano ma mantiene il passo nei mesi e se andiamo a vedere gli effetti dopo un anno la faccenda cambia. Quindi dopo un anno i responsabili della resistenza sono sia il C₃S che il C₂S in quanto danno un contributo paragonabile in termini di resistenza.

Per arrivare prima all'idratazione e quindi conferire maggiore resistenza si devono produrre dei granuli più piccoli, in modo che il fenomeno di idratazione che entra nel granulo di cemento ha un percorso più piccolo da fare; in sostanza è meglio avere una finezza di macinazione del granulo di cemento che deriva dalla rottura del clinker.

Un'altra cosa da tenere in conto è che questi fenomeni di idratazione del C₂S e C₃S sono dei fenomeni che avvengono con uno sviluppo eccessivo di calore. Ci sono dei prodotti che lo sviluppano tutti insieme in poche ore, quelli non vanno bene e il C₃A, per esempio, è uno che dà subito un quantitativo importante di calore (calore di idratazione) legato appunto alla reazione chimica, ma ci sono degli altri prodotti quali C₂S che per esempio, sviluppano meno nelle loro fasi di idratazione e lo sviluppano in un tempo più allungato.

Quindi si può scegliere la composizione del cemento che ha quantità di componenti diversi e ci si deve ricordare che il C₂S è la componente buona che si sviluppa e si idrata lentamente con conseguente limitazione del ritiro e meno calore di idratazione, cioè viene rilasciato più lentamente.

Porosità nel calcestruzzo

Il concetto di calcestruzzo più o meno resistente e durabile è semplicemente legato alla presenza di vuoti, come concetto generale meno vuoti ci sono e più abbiamo dei prodotti che hanno delle capacità di resistere a compressione fondamentalmente maggiori, ma non solo a compressione. Si ha una macroporosità, cioè la porosità dei vuoti tra i granuli che sono distanti tra di loro e cominciano a idratarsi facendo dei processi di idratazione, ma oltre ad esserci questa macroporosità c'è una porosità che sta proprio all'interno di questi aculei, cioè le lamelle al loro interno hanno una loro porosità; quindi abbiamo diversi tipi di porosità che dobbiamo andare a valutare. Quello in figura è un modello che non fa altro che parlare di questi rapporti tra questi processi di idratazione: esiste una macroporosità tra i granuli di cemento, una porosità capillare tra i prodotti di idratazione e poi un’ulteriore porosità che è ancora più piccola e che è all'interno dei pori del gel C-S-H.

Quindi all'interno della pasta cementizia si ha un’amplissima famiglia di vuoti che spazia da 10^-9 a 10^-3, cioè si hanno vuoti che differiscono di dimensione di sei ordini di grandezza. Però di tutti questi vuoti a noi interessano soprattutto quelle della famiglia dei pori capillari perché sono tanti e sono coloro che possono farsi attraversare dalle sostanze aggressive (acqua, ossigeno, anidride carbonica, acidi, cloruri) che una volta entrate nel calcestruzzo possono danneggiare il calcestruzzo e soprattutto le barre di armatura. Invece, i vuoti troppo piccoli non sono responsabili dei fenomeni di trasporto e sono così piccoli che poi quello che c'è all'inizio ci rimarrà per sempre o non c'è niente e rimarranno vuoti o se c'è dell'acqua quella rimarrà lì per sempre quindi sono stabili.