Calcestruzzo e Acciaio - Tecnologia dei materiali

Tecnologia dei materiali

Prof. Tiberio Baccia A.A. 2016-2017

Calcestruzzo

Leganti

Nell’antichità si costruiva usando pietre di grandi dimensioni per mantenere elevato l’attrito. Successivamente si cominciò ad usare pietre più piccole tenute insieme da un legante, ovvero una polvere che mescolata con l’acqua sviluppa dei legami e di conseguenza presa ed indurimento. I leganti si dividono in leganti aerei e leganti idraulici:

• Leganti aerei: reagiscono soltanto a contatto con l’aria e non resistono bene all’acqua, infatti tendono a sciogliersi.
• Leganti idraulici: al contrario, non si sciolgono a contatto con l’acqua.

I leganti aerei più importanti sono il gesso e la calce:

Gesso

Si produce dal solfato di calcio diidrato “CaSO₄·2H₂O -> CaSO₄·0.5H₂O + 1.5H₂O” scaldandolo a 160° per ottenere il gesso emidrato (polvere) “CaSO₄·0.5H₂O + Energia -> CaSO₄·2H₂O”.

Proprietà: si cuoce a basse temperature, si espande quando si secca aumentando il proprio volume (tutti gli altri leganti si ritirano), ha caratteristiche meccaniche migliori della calce, non c’è distinzione fra presa e indurimento, tende ad essere acido (una tubatura in ferro si corroderebbe in una muratura in gesso che presenta umidità).

Calce

Si produce dal carbonato di calcio (insolubile) scaldandolo a 600-900° (decarbonatazione) per ottenere la calce viva o ossido di calcio (solubile e caustica = pericolosa) “CaCO₃ + E -> CaO + CO₂”.

Si fa poi reagire con l’acqua per ottenere la calce spenta o idrossido di calcio “CaO + H₂O -> Ca(OH)₂” ovvero il legante. Dopodiché per usarlo si aggiunge l’acqua per “spalmarlo” e l’anidride carbonica per stabilizzarlo; infatti la presa avverrà con l’evaporazione dell’acqua, l’indurimento avviene per la reazione dell’idrossido di calcio con la CO₂ (carbonatazione) “Ca(OH)₂ + H₂O + CO₂ + sabbia -> CaCO₃ + H₂O”.

Proprietà: Il carbonato di calcio che si ottiene alla fine di tutti questi processi ha una resistenza molto minore di quella che aveva all’inizio, questo poiché durante la carbonatazione, l’evaporazione dell’acqua aumenta la porosità. Per combattere questo problema viene aggiunta della sabbia sia per cercare di riempire i vuoti, ma anche per renderli uniformemente distribuiti e non concentrati (più pericolosi).

Se si aspettasse la fine della carbonatazione la calce sarebbe un legante idraulico perché il carbonato di calcio è insolubile. Tuttavia l’acqua oggigiorno è tendenzialmente acida e quindi riesce a trasformare il CaCO₃ in bicarbonato di calcio, che è solubile.

Leganti idraulici

Comumente chiamati cementi, sono:

• Calce + Pozzolana: la pozzolana o silice reattiva è un legante già preparato e cotto dai vulcani che si forma per rapido raffreddamento. Necessita di un’acqua molto basica per reagire e aggiunta alla calce forma silicato di calcio idrato “Ca(OH)₂ + SiO₂* + H₂O -> C-S-H”
• Calci idrauliche: Nascono dalla necessità di trovare un legante idraulico composto da silicio ricavato da materiali diversi dalla pozzolana. La soluzione a questo problema è l’argilla. Si cuoce insieme alla calce a 1000°. L’argilla però contiene anche altri ossidi oltre alla silice che ne influenzano le sue capacità idrauliche.
• Cemento Portland: formato prevalentemente da ossido di calcio (70%), da silicati (20%) e altri ossidi presenti nell’argilla. Viene cotto a 1500° in un forno apposito. A 600° si ha la decarbonatazione, a temperature più alte la rottura dei legami dei costituenti delle argille e a 900° gli ossidi cominciano a reagire fra di loro. Aumentando la temperatura si forma C₃A e C₄AF i quali prendono il nome di alluminati. A 1200° si forma C₂S e a 1450° il C₃S (entrambi vengono chiamati silicati); quest’ultimo reagisce più velocemente con l’acqua rispetto al C₂S e di conseguenza sviluppa caratteristiche meccaniche in tempi più brevi. All’uscita del forno escono delle palline chiamate clinker formate dai silicati e dagli alluminati. I clinker a causa delle loro dimensioni non reagiscono con l’acqua e vengono quindi macinati in polvere nella quale viene aggiunta anche una piccola percentuale (5%) di gesso. Più fine è la polvere maggiore sarà la superficie esterna dei granuli che reagiranno più velocemente (anche più costosa però).

Velocità di idratazione e sviluppo delle proprietà meccaniche

I vari componenti del cemento hanno caratteristiche diverse. Dal primo grafico si nota che gli alluminati si idratano troppo velocemente al contrario dei silicati, quindi si aggiunge il gesso per far sì che si possa lavorare con il cemento prima che si indurisca; infatti quest’ultimo reagisce con gli alluminati e con l’acqua formando un sale estremamente espansivo chiamato ettringite, che avvolge la superficie degli alluminati, in modo da farli reagire solo dopo un certo tempo. Esistono due tipi di ettringite:

• Quella primaria che si forma quando il cemento è ancora fresco.
• Quella secondaria invece si forma una volta che il cemento ha fatto presa ed è dannosa per via dell’aumento di volume che sviluppa.

Dal secondo grafico invece si nota come gli alluminati sviluppino caratteristiche meccaniche molto velocemente ma di scarso valore. I silicati al contrario si idratano e sviluppano caratteristiche meccaniche più lentamente ma con valori molto più elevati. In particolare il C₃S si idrata più velocemente e sviluppa le caratteristiche meccaniche prima del C₂S.

Riassumendo:

• Gli alluminati si occupano della presa del cemento e sviluppano velocemente scarse capacità meccaniche.
• I silicati sviluppano l’indurimento del cemento, sviluppando capacità meccaniche elevate più lentamente.
• Un cemento più macinato o con alto contenuto di C₃S (in entrambi i casi più costoso) si indurisce prima.

Durante l’indurimento, l’idratazione del cemento forma degli aghi attorno alle sue particelle; da questo fenomeno si ha la spiegazione per cui il cemento resiste di più a sforzi di compressione invece che di trazione: infatti durante la compressione gli aghi si intersecano ancora di più aumentando gli attriti e il contatto, al contrario durante la trazione si allontanano con conseguente perdita di resistenza.

Altri cementi

• Cementi pozzolanici: è possibile far reagire il cemento Portland con rocce come la pozzolana tritate. La pozzolana è ricca di ossidi del cemento ma è carente di CaO e necessita un ambiente basico per reagire e formare C-S-H: entrambi i problemi sono risolti dal Ca(OH)₂ presente nel cemento Portland. A differenza da quest’ultimo, i cementi pozzolanici hanno caratteristiche meccaniche migliori, ci mette più tempo a indurirsi e richiede più acqua per le reazioni.
• Cemento + Loppe: la loppa è uno scarto dell’altoforno che come la pozzolana si raffredda velocemente e contiene i suoi stessi componenti, con la differenza che contiene una percentuale maggiore di CaO. Indurisce più velocemente del cemento pozzolanico, quasi quanto il Portland, ma viene usato poco in Italia perché ci sono pochi altiforni e perché c’è il rischio che contenga altri scarti come metalli pesanti.

Le reazioni del cemento sono spontanee e quindi esotermiche: il cemento durante l’indurimento produce calore. Ogni sua componente ne produce in quantità e velocità diverse. Questo può essere un problema grave soprattutto in costruzioni con grandi quantità di cemento poiché le zone all’interno saranno sottoposte ad un calore maggiore dell’esterno e con una differenza maggiore dei 20° fra zone interne ed esterne si può incorrere in rotture per ritiro.

A seconda dell’utilizzo esistono 25 tipi di cemento di cui ognuno disponibile in 6 classi di resistenza, di cui 3 classi normali (32.5, 42.5 e 52.5 ovvero i valori delle resistenze) + 3 classi corrispondenti alle prime ma a presa rapida (32.5R, 42.5R e 52.5R). Sebbene quindi esistano 150 tipi di cemento, a seconda della zona sono presenti solo alcuni di questi.

Inerti

Gli inerti prendono il nome dal fatto che non reagiscono e costituiscono in percentuale il componente principale del calcestruzzo. Si usano gli inerti per diminuire il costo del calcestruzzo (se fosse composto solo da cemento costerebbe troppo) e per dargli certe proprietà. Si dividono in:

• Classi: rocce ignee (la classe migliore), rocce sedimentarie e rocce metamorfiche.
• Forma: Arrotondata come la ghiaia (naturale e + lavorabilità) o irregolare come il pietrisco (artificiale, - lavorabilità ma + resistenza a flessione).
• Dimensioni e Granulometria: La grandezza dei granuli dell’inerte è molto importante e ne determina molte caratteristiche.

Il problema dell’assortimento granulometrico è composto da 3 aspetti:

• Il metodo utilizzato per l’analisi granulometrica.
• Il modello granulometrico ideale scelto.
• L’assortimento granulometrico reale.

L’analisi granulometrica si conduce attraverso un processo chiamato vagliatura, ovvero si impilano uno sopra l’altro tanti vagli (setacci) in modo che quelli più in alto lascino passare granelli sempre più grossi e si posiziona il tutto sopra una base vibrante. Così facendo al di sotto di ogni vaglio si troverà la percentuale di inerte composta da granuli più fini della misura di quel setaccio.

I modelli ideali sono rappresentati da delle curve e l’assortimento reale non deve distaccarsi troppo da queste. Esistono vari modelli granulometrici, fra i più importanti ci sono quello di Fuller e quello di Bolomey.

Modello di Fuller

Si usa quando lo scopo è di riempire il maggior volume possibile e quindi di diminuire la porosità del calcestruzzo. Fissato D_max come il valore del diametro del granulo più grande, la curva di Fuller ideale si trova con l’equazione in funzione di d (diametro dei granuli):

P = (d/D_max)ⁿ

P è la percentuale di granuli, quindi ogni punto della curva rappresenta la percentuale di inerte più sottile del valore d corrispondente. A seconda del D_max il grafico si allarga o si restringe, ma la curva ideale ha sempre lo stesso aspetto. Se si tiene conto anche del cemento l’equazione diventa:

P = (d/D_max)ⁿ - c

dove c è la percentuale di cemento nel calcestruzzo.

Problema: se sono presenti più inerti nel calcestruzzo con range di diametro diversi, come rispetto la curva di Fuller? Soluzione: Traccio la verticale dal D_max dell’inerte più fino e leggo il valore della percentuale all’intersezione fra questa e la curva di Fuller. Questo valore sarà la percentuale dell’inerte fino che dovrò mettere, mentre la percentuale dell’altro inerte sarà quella complementare.

Modello di Bolomey

Il modello di Fuller si interessa solo a diminuire la porosità ma ha come contro anche una diminuzione della lavorabilità del calcestruzzo, infatti viene usato solo in grosse casseforme e quando i ferri delle armature sono abbastanza distanziati. Il modello di Bolomey risolve questo problema aggiungendo un parametro A legato proprio alla lavorabilità (dipende dal tipo di inerte):

P = (d/D_max)ⁿ + A

Se A=0, si ritrova l’equazione di Fuller. Con A più grandi la lavorabilità aumenta ma aumenta pure la porosità. La lavorabilità infatti si ottiene con un equilibrio fra granuli grossi e granuli piccoli: un inerte composto da soli granuli grossi avrebbe poca mobilità poiché si incastrerebbero fra di loro. Un inerte composto da soli granuli piccoli scorrerebbe facilmente ma visto il drastico aumento di superficie esterna servirebbe molta più acqua per bagnarli. Un giusto bilanciamento fra i due permette di avere lavorabilità poiché i granuli grossi scorrono su quelli piccoli.

Oltre alla granulometria anche la scelta del D_max influenza la lavorabilità: infatti a parità di granulometria, con un D_max maggiore si aumenta la lavorabilità. Nonostante ciò però la scelta del D_max è vincolata da alcune normative:

1. Il D_max non deve superare il 25% della sezione minima della struttura.
2. Il D_max non deve superare la distanza minima tra i ferri d’armatura diminuita di 5mm.
3. Il D_max non deve superare del 30% lo spessore del copriferro.

Proprietà meccaniche dell’inerte

• Evita il ritiro del cemento durante la fase di indurimento che comporta sforzi di trazione all’interno del calcestruzzo, aggiungendo l’inerte infatti questo diminuisce di molto poiché l’inerte non si ritira.
• Diminuisce la porosità del calcestruzzo, infatti il cemento durante la presa sviluppa una forte porosità.
• Peggiora le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo se l’attaccatura fra l’inerte e il cemento non è perfetta.
• Peggiora la lavorabilità del calcestruzzo: se ci fosse solo cemento la lavorabilità sarebbe massima.

Proprietà fisiche

• Gelività: in presenza di freddo e umidità elevata negli inerti abbastanza porosi si possono verificare cicli di gelo-disgelo dell’acqua nelle loro cavità, che provocano a loro volta cicli di espansione e ritiro con conseguenti rotture. Se un inerte resiste senza fratturarsi a 300 cicli si dice non gelivo.

Proprietà chimiche

• Non deve presentare sostanze organiche in superficie.
• Non deve presentare sostanze argillose (rendono difficile l’adesione fra inerte e legante).
• Non deve contenere una percentuale di solfati maggiore dello 0,2% (poiché si potrebbe formare ettringite secondaria).
• Non può contenere una percentuale di cloruri maggiore del 0,05% se si tratta di calcestruzzo armato (poiché corrodono le armature).
• Non deve contenere silice alcali-reattiva (può reagire con il sodio e il potassio anche 10 anni dopo la presa).

Porosità

Si suddivide in due tipi:

• Porosità chiusa: riferita ai vuoti non comunicanti con l’esterno (non pericolosa).
• Porosità aperta: data dai vuoti comunicanti con l’esterno e che quindi possono riempirsi di acqua con umidità elevate. La porosità aperta è un dato importante poiché inerti molto porosi possono trasportare acqua all’interno del calcestruzzo.

Gli inerti si possono presentare in vari modi:

• Asciutto: tende ad acquistare acqua dal calcestruzzo, u=0.
• Insaturo: contiene meno umidità di quella che può contenere, u<u₀.
• Saturo a superficie bagnata: tende ad aggiungere acqua al calcestruzzo, u>u₀.
• Saturo a superficie asciutta (s.s.a.): non acquista e non cede acqua, u=u₀.

Dove u è l’umidità (m₀ è la massa asciutta e m=m₀ + massa dell’acqua):

u = ((m - m₀) / m₀) x 100

e A₀ è l’assorbimento (dove è la massa dell’inerte saturo a superficie asciutta)

A₀ = ((m_ssa - m₀) / m₀) x 100

Per convenzione nel mix design le pesate degli inerti devono riferirsi ad una condizione di s.s.a. Se l’inerte non si trova in questa condizione influenzerà le caratteristiche del calcestruzzo:

• Inerte bagnato (u>u₀) -> aumenta a/c -> più lavorabilità, meno resistenza (R_ck diminuisce).
• Inerte insaturo o asciutto (u<u₀) -> diminuisce a/c -> meno lavorabilità, più resistenza (R_ck aumenta).

Acqua

L’acqua è la componente del calcestruzzo che permette di far reagire il cemento e di modellare il calcestruzzo fresco all’interno delle casseforme. Anche l’acqua deve soddisfare certe caratteristiche per poter essere usata: non deve contenere sostanze organiche, solfati, cloruri e non deve essere né acida né torbida. Tuttavia, il problema principale dell’acqua è aggiungerla nella giusta quantità poiché modifica le proprietà del calcestruzzo. La lavorabilità è una di queste, infatti aumentando la quantità d’acqua otterremo un calcestruzzo più fluido.

Il test della lavorabilità viene fatto mettendo del calcestruzzo fresco dentro un tronco di cono chiamato cono di Abrams che viene poi rimosso facendo “crollare” il calcestruzzo. La differenza di altezza fra il livello nel cono di Abrams e il punto più alto del calcestruzzo che si è abbassato prende il nome di slump ed è tanto maggiore al crescere della lavorabilità.

Effettuata la prova, siamo in grado di classificare la lavorabilità del calcestruzzo confrontando il valore dello slump con una serie di intervalli predefiniti classi di consistenza:

• S1 0-40 mm
• S2 50-90 mm