Il calcestruzzo armato, parte 2

Effetto parete interno

La presenza di numerose classi di inerti e di diametri differenti garantisce la buona qualità del conglomerato cementizio indurito. Inoltre, un assortimento non ricco, ovvero un pessimo assortimento di aggregati, porta alla formazione sulle superfici della cassaforma dell’effetto parete. Tale effetto si verifica anche tra le diverse classi di aggregati; in questo caso viene definito “effetto parete interno”. Ovvero nelle parti più interne può verificarsi lo stesso meccanismo che si riscontra in prossimità della cassaforma.

Tutto ciò avviene perché l’aggregato misto non è composto da granuli aventi tutti le stesse dimensioni medie, ma da varie classi di inerti. Infatti, per verificare l’effetto parete tra gli inerti e la cassaforma ci si avvaleva di un'unica condizione, cioè che gli inerti avessero tutti lo stesso diametro, condizione questa inverosimile poiché nella realtà dei fatti si avranno inerti di varie classi di diametro.

Formazione di bolle interne

A tal punto, può verificarsi, analogamente a ciò che accadeva tra inerte e cassaforma, anche all’interno della stessa mescola del conglomerato, delle sorte di bolle interne, in cui gli aggregati più grandi faranno da parete agli inerti più piccoli che rimarranno intrappolati all’interno. Di conseguenza, gli inerti di classe inferiore subiranno un effetto parete rispetto agli aggregati della classe superiore. Ovviamente, anche in questo caso, si ha un decadimento delle prestazioni dovute alla minore compattezza del conglomerato.

Definizione dell'effetto parete interno

Con riferimento alla figura di fianco riportata, se si indica con (1) la classe dei granuli più grandi e con (2) quella dei granuli più piccoli, di dimensioni medie rispettivamente d₁ e d₂, si definirà questo tipo di effetto di parete interno ε', effetto che subiscono gli elementi della classe (2), a contatto con le pareti degli elementi di classe (1). Questo effetto risulterà pari a:

S ε’ = f (d₁, d₂) = f (V₁, ρ₁)

Ovvero, sarà uguale al diametro degli inerti soggetti all’effetto parete, moltiplicato per il rapporto tra la superficie del recipiente (ovvero gli inerti più grandi) e il volume stesso del recipiente. Si deve inoltre considerare che ρ₁ altro non è che il raggio medio della cassaforma, pari al rapporto tra volume e superficie (V₁/S₁). Nella prima equazione, quindi, capovolgendo il rapporto superficie/volume, in quello appena descritto, si ottiene al ρ₁ denominatore. Per cui l’effetto parete interno sarà uguale al diametro medio della classe di inerti più piccoli interni, cioè quelli che subiscono l’effetto parete, diviso il raggio medio della cassaforma rappresentata dagli inerti più grandi.

Tipologie di effetto parete

• Effetto parete ε: Si verifica tra il getto di calcestruzzo e le pareti della cassaforma o recipiente.
• Effetto parete interno ε': Si possono verificare all’interno della sezione del conglomerato.

I due casi di effetti parete appena elencati servono a dimostrare come sia necessario un buon assortimento granulometrico. Sostanzialmente questo tipo di dimostrazioni serve a validare ciò che viene rappresentato nella curva granulometrica. Quindi, tanto più saranno maggiori i numeri di diametri che verranno sfruttati nel confezionamento, tanto più sarà ottimale la compattezza e di conseguenza la resa del cemento indurito.

Manifestazioni degli effetti

Le manifestazioni causate all’effetto parete sono i cosiddetti nidi di ghiaia, anche se questi possono essere provocati da altre cause come il disallineamento delle casseforme, o la non chiusura ermetica delle casseforme.

Il diametro massimo dell'aggregato misto

Il dimensionamento e l’assortimento granulometrico parte da quel meccanismo a cascata tra i vari setacci che consentono di quantificare le incidenze o percentuali in peso dei vari diametri di inerti, partendo dal diametro massimo (D_max), e andando poi a scendere con le varie classi e sottoclassi di diametri inferiori.

A seconda delle caratteristiche dimensionali di una sezione di calcestruzzo si definisce il diametro massimo che dipende da:

• Le dimensioni dell’elemento strutturale
• Le eventuali armature
• L’effetto di parete

Nel conglomerato cementizio armato, il fattore che influenza la scelta di D_max sono gli intraferri ed il raggio medio della cassaforma. Gli intraferri sono appunto le luci nette esistenti tra due ferri dell’armatura, questa caratteristica è specifica del progetto strutturale. Per cui risulta importante conoscere la disposizione e la quantità dei ferri come da calcolo strutturale. Invece, per strutture non armate, il diametro massimo è in funzione dello spessore della struttura e del raggio medio della cassaforma.

Pertanto, rispetto alla figura a lato, che rappresenta la sezione di una trave a T di una struttura in elevazione, che prevede la concentrazione maggiore delle armature nella parte inferiore. Come si sa la funzione dell’acciaio nel calcestruzzo è quella di garantire la resistenza a flessione, invece il conglomerato cementizio stesso garantisce la resistenza a compressione. Grazie allo stesso coefficiente di dilatazione termica tra i due materiali è possibile tale connubio.

Calcolo del raggio medio

Con riferimento a tale figura si può osservare che il raggio medio ρ dev’essere calcolato riferendosi non a tutta la sezione della trave ma solo alla parte più armata, quindi il recipiente individuato sarà quello (come indicato in immagine) con altezza=a e larghezza=b. Quindi, si considera, pertanto, la porzione che contiene la maggior parte delle armature posizionate nella parte inferiore perché tale zona della trave è soggetta a tensione, poiché flettendosi le fibre tese sono quelle inferiori, ed è questa la zona in cui vi deve essere un maggiore infittimento delle armature.

Inoltre, nel calcolo di ρ occorrerà tener conto anche della presenza delle armature metalliche che, in sostanza, si comportano anch’esse come pareti. Nota: la superficie delle armature si comporterà all’interno del conglomerato come delle pareti.

Calcolo dell'effetto parete

Con riferimento ad una lunghezza unitaria (di 1m), l’effetto parete sarà dato dal rapporto tra un volume unitario (costituito appunto da a · b) per la lunghezza 1 metro (lunghezza d’esempio), chiaramente al netto delle superfici delle armature, il tutto fratto per il perimetro (2a+b) aumentato del perimetro delle armature.

Formula dell'effetto parete

Nota: la stessa cosa viene descritta nella slide così:

La formula è quindi la seguente:
a · b · 1 m / 2a+b

Condizioni del diametro massimo

Pertanto, il valore, sulla base di tali caratteristiche, degli D_max inerti che condizionerà tutto l’assortimento granulometrico del conglomerato, dovrà soddisfare la condizione:

S/ρ < D_max

Cioè, il diametro massimo dovrà essere minore del raggio medio della cassaforma. Tutto ciò al fine di contenere l’incidenza negativa dell’effetto di parete in prossimità delle casseforme. In generale, comunque, il dimensionamento del diametro massimo dovrà verificare anche altre condizioni secondo le norme tecniche, come:

• D_max inferiore ai 3/4 della distanza tra i ferri di armatura
• D_max inferiore a 1/3 della piastra di conglomerato
• D_max per piastre sottili pari a 9 mm
• D_max per piastre di medio spessore compreso tra i 19 e i 38 mm
• D_max per strutture imponenti (dighe, ecc.) può arrivare a 150 mm

Bisogna inoltre tenere in considerazione che quanto è più piccolo il diametro scelto tanto maggiore sarà l’incidenza dell’aggregato fine con conseguente aumento della superficie specifica degli aggregati e la necessità di maggiore quantità di pasta di cemento per ricoprirla.

Acqua di impasto

L’acqua di impasto ha un ruolo fondamentale grazie soprattutto alla sua reazione con il cemento che permette o da l’avvio alle reazioni di presa e indurimento. L’acqua d’impasto del calcestruzzo deve essere esente da materiali organici, sostanze argillose, cloruri e solfati. In generale, le acque potabili sono adatte anche alla produzione del conglomerato cementizio, fanno però eccezione le acque sulfuree che (nonostante siano potabili) sono ricche di sali.

Le impurità in quantità eccessive possono influenzare non soltanto il tempo di presa ma anche la resistenza del calcestruzzo, in un certo qual modo condizionano la vera e propria resa ed esecuzione del conglomerato cementizio, nel breve periodo ma allo stesso tempo possono avere un impatto anche nel lungo periodo provocando delle efflorescenze saline oppure la corrosione delle armature.

La quantità di acqua che viene utilizzata nel conglomerato cementizio, svolge prettamente tre funzioni o compiti:

• Acqua di presa (Ap): Svolge appunto la funzione della presa. Ovvero una porzione di acqua entra in combinazione con il cemento dando quindi luogo ai processi chimico-fisici di presa e di indurimento del cemento stesso.
• Acqua di bagnatura (Ab): Svolge in ruolo anche di bagnatura ovvero interagisce con gli aggregati (quindi non solo con il cemento) ricoprendone la superficie con un velo liquido. Garantendo una migliore presa e un migliore incapsulamento dell'aggregato stesso nella matrice cementizia. Infatti, se non fosse prevista l’acqua di bagnatura, la bagnatura degli inerti andrebbe a discapito delle altre quantità di acqua (Ap e Al), e quindi una parte del cemento potrebbe non fare presa e l’impasto risulterebbe meno lavorabile.
• Acqua di lavorabilità (Al): Altra funzione è quella di garantire la lavorabilità dell’impasto; infatti, l’acqua agisce come un lubrificante all’interno del miscuglio, regolando l’attrito tra i vari componenti e migliorandone la fluidità dell’impasto fresco.

Entra nella definizione di tale argomento la prima legge di Férét (1892) la quale afferma che: la quantità di acqua per l’impasto è tanto più grande quanto più i grani dell’inerte sono fini ed è proporzionale alla quantità di inerte. Tale legge riprende le considerazioni affrontate sul calcolo del diametro massimo ovvero che minore è il diametro massimo tanto maggiore sarà la quantità di acqua necessaria, poiché si avrà un assortimento di classi di diametri inferiori. Quindi a parità di volumi di inerti, inerti più fini presentano una maggiore superficie complessiva da ricoprire da parte dell’acqua e del cemento che svolge la funzione di legante.

Nota: Si può quindi dire anche che per la prima legge del Férét: l’acqua necessaria è inversamente proporzionale alle dimensioni degli inerti.

Le caratteristiche del conglomerato fresco

Il conglomerato fresco deve avere delle caratteristiche ed essenzialmente sono quattro ovvero:

Fluidità

Con questa caratteristica si ritorna al ruolo dell’acqua, che nella giusta dose deve consentire la fluidità del composto cioè del conglomerato fresco. Si può definire la fluidità come l’attitudine di un conglomerato a muoversi, con maggiore o minore facilità, quando è portato con una canaletta da un punto all’altro del cantiere, o trasportato con tubazioni in pressione, ovvero quando è distribuito in una cassaforma, affinché questa ne sia riempita. Nota: (definizione presa dalle slide del prof perché lui non ha detto quasi nulla).

Plasticità

La plasticità è la capacità che consente al conglomerato di subire, in misura maggiore o minore, deformazioni o spostamenti senza perdere la sua coesione, compattezza e senza dar luogo a separazioni tra i vari elementi.

Lavorabilità

La lavorabilità è l’attitudine del conglomerato ad essere trasportato, conservando però le caratteristiche di confezionamento e di essere posto in opera in modo da riempire perfettamente le casseforme e penetrare, quando esistono, tra le armature.

Omogeneità

La massa del conglomerato è intesa come omogenea quando la sua composizione è costante in tutti i punti (della sezione del getto).

Le prove sul conglomerato fresco

Per valutare la consistenza del conglomerato fresco vi sono differenti prove, tra queste la più utilizzata è nota come prova del “cono di Abrams” o “slump test”. Sostanzialmente, questa prova consiste nel posizionare un recipiente metallico di forma troncoconica che è aperto su due lati, su una tavola. Prima di tutto, si va a riempire tale recipiente col conglomerato fresco e poi lo si alza. Sollevando lo stampo (cioè il recipiente) si andrà a misurare l’abbassamento della parte di conglomerato fresco tramite, appunto, il confronto con il recipiente. La consistenza del conglomerato fresco sarà quindi valutata in funzione dell’abbassamento che subirà, avrà per tale motivo una consistenza:

• Umida: Se l’abbassamento δ = 2 ± 2, ovvero se δ sarà nell’ordine di 2 ± 2, cioè se avremo un abbassamento da 0 a 4 cm.
• Plastica: Se l’abbassamento δ = 7 ± 2, ovvero tra 5 a 9 cm di abbassamento.
• Fluida: Se l’abbassamento δ = 13 ± 3, ovvero tra 10 a 16 cm di abbassamento.

Nella tabella riportata ritroviamo le varie classi di consistenza, ottenute a seconda dell’abbassamento misurato nel momento in cui viene sollevato il cono. La diversa consistenza non determina una scarsa qualità del conglomerato, bensì rappresenta un’idoneità del conglomerato a varie situazioni. Ad esempio, una classe di consistenza bassa, cioè più compatta (penso S1), sarà indicata nell’utilizzo di pavimentazioni industriali (es.) quindi quando vi sarà l’impiego di un conglomerato particolarmente duro. Invece, una consistenza di classe S2, più fluida rispetto a quella precedente, può essere impiegata per strutture circolari con casseforme rampanti, ecc. Insomma, bisogna valutare la consistenza del calcestruzzo fresco, per verificare se il composto risulta idoneo per il tipo di applicazione in cui deve essere impiegato.

Prova della tavola a scosse

Un'altra tipologia di prova che valuta la consistenza del calcestruzzo fresco, però meno impiegata rispetto alla precedente poiché richiede un’attrezzatura sofisticata, è la “prova della tavola a scosse” o “flow test”.

La prova si basa sempre su un meccanismo di una piastra metallica ma che stavolta è fissata su un congegno meccanico che deve essere sottoposto ad un meccanismo sussultorio, ovvero ad una serie di alzate e ricadute. Il conglomerato presenta inizialmente, ovvero quando viene posto sulla piastra, una forma tronco-conica poiché viene prima di tutto versato in un recipiente con tale forma. La consistenza (tramite l’impiego di questo meccanismo) viene quantificata o calcolata in base alla percentuale di spandimento della massa di conglomerato secondo la formula [(D – d)/d] x 100 dove la “d” minuscola è il diametro maggiore della forma e “D” maiuscola rappresenta la media aritmetica (in mm) di tre diametri misurati durante la prova.

Si definisca per effetto di questa prova la consistenza:

• Umida: Quando lo spandimento è pari al 20% rispetto alla sagoma iniziale.
• Plastica: Quando lo spandimento è pari al 50%.
• Fluida: Quando lo spandimento è pari al 70%.

Caratteristiche del conglomerato indurito

Resistenza a compressione

Bisogna prima di tutto ricordare che il ruolo del conglomerato è quello di resistere ad azioni di compressione e non di trazione per la quale vengono adoperati i ferri di armatura. La resa e quindi la resistenza finale è l’esecuzione a perfetta regola d’arte di tutte le fasi precedenti, analizzate e descritte fino a questo punto, a partire dal tipo e dal dosaggio del legante, dal dosaggio d’acqua di impasto, dalla forma e dall’assortimento granulometrico degli inerti. Si ha quindi che la resistenza finale del conglomerato dipende da tutti i fattori che concorrono nel confezionamento del materiale.

Ritroviamo a tal caso la seconda legge del Férét (1892): qualunque siano la natura, la forma e la grandezza degli inerti, ed indipendentemente dalla consistenza e dalla modalità di posa in opera. La sua resistenza a compressione...