Chimica e tecnologia dei materiali - calcestruzzo

LAVORABILITA’:

E’ il lavoro che bisogna spendere per ottenere il massimo grado di compattazione.

Esistono diverse prove per misurare la lavorabilità dei calcestruzzi. La prova più diffusa è la

prova di abbassamento del cono di Abrams: è la più semplice e rapida e può essere fatta

anche in cantiere. Il cono è una forma tronco – conica (30cm di altezza, 20cm diametro

inferiore, 10cm diametro superiore) che viene riempito di calcestruzzo. Sollevando il cono, l’

impasto tende a spandersi sulla base per la gravità. L’ altezza finale del cono sarà minore. Il Δh

si chiama slump e determina la lavorabilità del calcestruzzo. Esistono 5 classi di consistenza in

funzione dell’ abbassamento del cono.

Se lo slump è prossimo allo 0, si utilizza la prova Vébé.

PROPRIETA’ REOLOGICHE:

I liquidi quando sono soggetti a una forza tangenziale (τ), scorrono con una certa velocità (ϔ),

per cui si ha che:

τ = ƞ · ϔ dove: τ è lo sforzo di taglio, ϔ è la velocità, ƞ è la viscosità

La viscosità dipende anche dalla temperatura; esse sono inversamente proporzionali. La

viscosità si misura attraverso i reometri e serve, quindi, per studiare la lavorabilità.

COESIONE:

Il calcestruzzo può avere tendenza a segregare, a separare i costituenti.

Gli aggregati più grossi si separano dai fini, portandosi nel fondo (segregazione). Essa si ha

soprattutto durante il trasporto, l’ impasto, la posa in opera e la vibrazione. La tendenza alla

segregazione aumenta al crescere della viscosità (acqua e additivi superfluidificanti). Le

particelle fini (filler, sabbia) aumentano la coesione dell’ impasto e riducono la segregazione.

Un secondo fenomeno di segregazione è il bleeding, la separazione dell’ acqua d’ impasto.

Sulla superficie si crea un velo d’ acqua. Questo avviene dopo la vibrazione ed ha conseguenze

negative perché nelle zone in cui si concentra l’ acqua si ha un rapporto a/c maggiore rispetto

alle altre zone. Per limitarlo bisogna abbassare a/c oppure aumentare la % di aggregati fini.

RESISTENZA MECCANICA:

Dipende da diversi fattori quali: la stagionatura e il rapporto a/c.

• La stagionatura consiste nella fase di controllo dell’ umidità e della temperatura, per

idratare il cemento e promuovere lo sviluppo delle proprietà meccaniche e di durabilità.

Per i calcoli strutturali, le normative fanno riferimento alla resistenza a compressione

misurata dopo 28 giorni di stagionatura. Esistono 4 classi di stagionatura. I metodi

principali di stagionatura si realizzano prolungando la rimozione delle casseformi,

coprendo il getto con teli impermeabili, innaffiando il getto con acqua in modo tale da

tenere la superficie del calcestruzzo umida.

• Il rapporto a/c è il fattore più importante per la resistenza del calcestruzzo. Abrams nel

1919 ha verificato che a parità di stagionatura, la resistenza a compressione (R ) è

c

legata al rapporto a/c:

2a/c

R = k /k dove k , k sono delle costanti empiriche

c 1 1 2

La resistenza a compressione si determina su provini di forma cubica o cilindrica. Se si

effettuano prove di compressione su diversi provini dello stesso tipo, si ottengono valori

diversi. La distribuzione statistica di questi risultati è definita dalla resistenza media e

dallo scarto quad medio.

DEFORMAZIONI:

Il calcestruzzo subisce diversi tipi di deformazioni si in fase di presa che di indurimento. A

differenza dei materiali metallici, il legame tra sforzo (σ) e deformazione (ε) dipende dal tempo.

Infatti, al crescere del tempo di applicazione del carico, il calcestruzzo si deforma; questo

fenomeno si chiama creep. Il comportamento del CLS è quindi di tipo viscoelastico. Le

deformazioni si possono verificare anche se:

Aumenta la porosità

o Aumenta la temeperatura (ad es. dopo il getto, il CLS è umido ed aumenta la temp. di

o idrat.

Diminuisce la percentuale di aggregati

o COMPORTAMENTO

VISCOELASTICO DEL CALCESTRUZZO :

Diminuisce l’ umidità relativa

o

DEFORMAZIONI NON DIPENDENTI DAL CARICO:

• Ritiro plastico  nelle prime ore dopo la messa in opera, quando la miscela è ancora

plastica, può evaporare dell’ acqua, oppure dell’ acqua viene assorbita dalle casseformi,

quindi si ha una diminuzione dell’ acqua.

• Ritiro igrometrico  è dato da due fattori principalmente: 1) il dosaggio del cemento;

infatti se si aumenta il dosaggio di cemento, diminuisce quello degli aggregati 2) il

rapporto a/c; aumentando tale rapporto si ha un aumento del ritiro, oppure se

diminuisce l’ umidità relativa.

FESSURAZIONE:

Nel calcestruzzo si possono formare delle fessure quando sono presenti degli sforzi di trazione

che superano la resistenza a trazione e, crescono al procedere del’ idratazione. Il parametro

considerato per valutare l’ entità delle fessure è la loro apertura. Questi sforzi sono dovuti a:

a) Variazioni dimensionali

b) Movimenti nel CLS (aggregati che si muovono durante la messa in opera)

c) Tensioni capillari

d) Espansione dei materiali presenti nel CLS (es. ettringite)

e) Carichi esterni eccessivi

f) Corrosione delle armature

DURABILITA’:

E’ legata al degrado, che può essere di tipo fisico (gelo – disgelo), chimico (attacco solfatico,

acque dilavanti), meccanico (erosione).

ATTACCO GELO – DISGELO:

Avviene spesso in climi freddi, in cui l’ acqua nei pori può congelare e, quando passa dallo stato

liquido a solido, aumenta di volume. Il ripetersi di questo ciclo causa un degrado, che inizia con

delle crepe superficiali e poi prosegue fino in profondità.

Bisogna, quindi, ridurre i pori capillari, aumentando la compattezza  riduciamo a/c attraverso

additivi fluidificanti, corretta stagionatura.

ATTACCO SOLFATICO:

Le acque contenenti solfati quando penetrano nel CLS reagiscono con l’ idrossido di calcio per

formare il gesso e con gli alluminati per formare l’ ettringite. Il gesso con l’ umidità risale nella

superficie formando delle efflorescenze saline, mentre l’ ettringite si espande causando degli

sforzi.

Bisogna, quindi, ridurre i pori capillari, aumentando la compattezza  riduciamo a/c attraverso

additivi fluidificanti, corretta stagionatura.

ACQUE DILAVANTI:

Esse si portano via la portlandite e lasciano dei vuoti.

Bisogna, quindi, ridurre i pori capillari, aumentando la compattezza  riduciamo a/c attraverso

additivi fluidificanti, corretta stagionatura.

REAZIONE ALCALI – AGGREGATI:

E’ una reazione che avviene tra gli aggregati e gli alcali (NaOH, KOH) disciolti nel CLS, ed

avviene solo in condizioni di elevata umidità, producendo fessurazione e distacco di frammenti

di pasta cementizia.

Bisogna ridurre il più possibile i dosaggio di cemento.

CORROSIONE DELLE ARMATURE:

Le armature sono in acciaio, una lega ferro – carbonio. Il ferro tende ad ossidarsi perché ha un

potenziale di riduzione basso; quando si ossida si formano degli idrossidi di ferro che tendono

ad espandersi, occupando un volume maggiore e compensando la caduta del copriferro.

La barra di acciaio teoricamente non dovrebbe corrodersi perché ha un PH>13, tuttavia quando

il PH del calcestruzzo diminuisce oppure entrano dei cloruri, avviene la corrosione. Quindi vi

sono 2 tipi di corrosione:

Corrosione da carbonatazione o diffusa: avviene a causa della reazione dell’ anidride

 carbonica presente nell’ aria con i costituenti alcalini del CLS (carbonatazione). Essa

avviene dapprima in superficie e poi avanza in profondità. Il PH scende al di sotto di 9.

KOH + CO  K CO NaOH + CO  Na CO Ca(OH) + CO  CaCO

2 2 3 2 2 3 2 2 3

Corrosione da cloruri o di vaiolatura: avviene in ambienti marini oppure su strutture che

 vengono cosparse di Sali antigelo. I cloruri penetrano nel CLS e le armature vengono

attaccate rapidamente.

Per prevenire il degrado e la corrosione, normalmente si realizza un CLS poco poroso, compatto

 a/c dosato correttamente, corretta stagionatura, cementi di miscela. Inoltre dovranno essere

prescritti dei copriferro, oppure l’ uso di armature zincate o inossidabili.

CALCESTRUZZI SPECIALI :

1. LEGGERI  con densità compresa tra 200 e 2000 Kg/m . Ottenuti aumentando i vuoti; quindi

3

utilizzando aggregati leggeri come la pietra pomice, oppure additivi aeranti, oppure solo aggregati

grossi. L’ aumento dei vuoti porta ad una minore resistenza. Hanno un costo superiore.

2. AD ALTA RESISTENZA  hanno a/c basso <0,3; quindi la lavorabilità è difficoltosa e, per questo

si usano additivi superfluidivicanti. Ciò porta a dei costi elevati. In compenso la resistenza

meccanica è elevata.

3. AD ELEVATA LAVORABILITA’  noti come CLS compattanti, sono in grado di riempire tutti gli

spazi nelle casseformi, di espellere l’ aria intrappolata, di resistere alla segregazione. Tale

comportamento può essere raggiunto con elevato dosaggio di superfluidificanti, con riduzione

della dimensione degli aggregati. Ad una elevata lavorabilità segue una scarsa resistenza

meccanica.

4. A RITIRO COMPENSATO  contengono sostanze, come l’ ossido di calcio, che sono in grado di

espandere dopo la presa, generando degli sforzi di compressione che prevengono la fessurazione

da ritiro igrometrico.

5. RINFORZATI CON FIBRE  contengono fibre metalliche, polimeriche, di vetro, disperse nel CLS

che si oppongono alla formazione e alla propagazione delle microcricche, aumentando la

resistenza a trazione.

6. IMPERMEABILI  si sostituisce parte dell’ acqua d’ impasto con lattice, oppure si inietta nei pori

capillari un monomero.

7. PESANTI  con densità elevate, viene utilizzato il piombo e, per questo, è adatto alle costruzioni

di bunker o strutture radioattive.

MIX DESIGN : | 300Kg di CEMENTO

1m di CALCESTRUZZO | 0,4 m di SABBIA

3 3

| 0,8 m di GHIAIA/PIETRISCO

3

I fattori in gioco per una esatta procedura sono:

1) Resistenza meccanica

2) Lavorabilità

3) Durabilità

4) Clima

Il 4) gioca un ruolo fondamentale perché: per climi caldi il calore di idratazione è basso e si usano additivi

deceleranti, per climi freddi il calore di idratazione è alto e si usano additivi acceleranti, in ambienti con

gelo – disgelo si usano additivi aeranti, in ambienti aggressivi si usano cementi speciali.

E’ importante, anche, studiare la granulometria attraverso l’ equazione di Bolomay, utilizzando:

LA COMBINAZIONE

GRAFICA DEGLI AGGREGATI:

1) Si prende l’ estremo superiore con l’ estremo