Laboratorio di sperimentazione

Laboratorio di sperimentazione

Prof. Livio Pascali

1. Quadro normativo

NTC opere  (Eurocodici) CPR 305/2011
Prodotti da costruzione  (NTC)

L’Europa regolamenta le caratteristiche dei materiali da costruzione per garantire libero commercio tra gli Stati Membri, ma le norme di calcolo (e di sicurezza) sono gestite dai singoli Stati in relazione alle direttive europee.

Si definiscono:

• Prodotti da costruzione: qualsiasi prodotto che viene incorporato stabilmente nell’opera;
• Prodotti da costruzione ad uso strutturale: qualsiasi prodotto da costruzione al quale è richiesta anche una resistenza meccanica e stabilità.

1.1 Materiali e prodotti da costruzione

Identificazione: mediante descrizione del produttore;

Qualificazione: tramite marcatura CE; Se non è presente la marcatura CE, NTC definisce caratteristiche fondamentali da rispettare; materiali innovativi percorso particolare per ottenere certificazione.

Accettazione: controllo da parte del DL delle certificazioni previste ed eventuali prove.

1.2 Designazione

Identifica il prodotto in maniera univoca, basandosi sulle proprie caratteristiche (geometriche e meccaniche) principali. Ogni materiale ha dunque la propria designazione, la propria norma di riferimento (in genere europea), e un sistema di attestazione, relativo cioè a una scala di importanza (1+, 1, 2+, 2, 3, 4).

• 1+: necessita di un maggior controllo in fase di produzione e di prestazione
• 1, 2+, 2: necessario solo il controllo di produzione
• 3, 4: si basano su autocertificazione del produttore

La prima categoria richiede un terzo ente che controlla la qualità, mentre il DL deve solamente controllare le schede dei materiali (DoP – Dichiarazione di Prestazione). La categoria intermedia è invece a carico del DL.

2. Calcestruzzo

Mentre per i componenti del cls esistono norme armoniche (norme europee recepite da tutti gli Stati Membri), per il materiale cls non esiste perché è difficilmente trasportabile (max 20-30 km), quindi generalmente è prodotto in prossimità alla locazione dell’opera. Il cls è gestito solamente da normative nazionali: NTC cap. 11.2, UNI EN 206, UNI 11104.

2.1 Cemento leganti

Organici e inorganici.

• Aerei: calce aerea
• Idraulici: silico-calcarei, alluminosi, gesso, solfoalluminosi, fluoalluminosi

I leganti idraulici utilizzati oggi sono composti principalmente da clinker:

• Calcare + argilla  clinker
• Clinker + gesso  cemento Portland

Il clinker è un minerale artificiale ottenuto per cottura di argilla e calcare, composto da:

• I silicati conferiscono al cls la resistenza meccanica.
• Gli alluminati sono dei fondenti (abbassano la temperatura di cottura); piccole percentuali fanno aumentare la temperatura di cottura per ottenere il clinker, mentre quantità elevate possono creare incrostazioni al forno. Di contro i livelli di resistenza che conferiscono al cls indurito sono pressoché irrilevanti.

2.2 Idratazione del cemento

2.2.1 Presa

La presa inizia quando l’acqua entra a contatto con gli alluminati, che in combinazione con il gesso formano l’ettringite; questa sostanza si dispone come una pellicola attorno alle particelle bloccando la fase di idratazione. Se non ci fosse il gesso, quindi l’ettringite, si avrebbe un’immediata reazione del clinker con relativo indurimento della pasta, rendendo il cls non lavorabile e soprattutto non trasportabile.

Se nell’impasto è presente poco gesso si ha dunque un cemento a presa rapida, mentre se ne è presente in quantità superiore al necessario, questo tende ad assorbire l’acqua (che ha perso in fase di macinazione col clinker) dando origine al fenomeno della falsa presa, in cui la pasta perde lavorabilità e si comporta come se fosse già iniziata la fase di indurimento. Questo fenomeno si riconosce però dalla mancanza di calore emanato dalla miscela, e per rimediare al fenomeno migliorando la lavorabilità basta mescolare più energicamente l’impasto.

2.2.2 Indurimento

Quando svanisce l’effetto di stallo dell’ettringite e l’acqua va a contatto con i silicati, si sviluppa una reazione che produce calce e gel di silice (C-S-H). Il C-S-H è il componente fondamentale che attribuisce la resistenza meccanica desiderata all’impasto, mentre la calce, solubile in acqua, reagisce lasciando il suo posto a vuoti nel cls che minano la durabilità, ma la sua presenza è fondamentale per creare un ambiente fortemente basico a tutela delle armature in acciaio.

2.3 Cementi compositi

2.3.1 Cemento Portland

I cementi puri sono del tipo cemento Portland, ai quali possono essere inserite delle aggiunte per ottenere un calcestruzzo adeguato alle esigenze. Le varie aggiunte possono essere di pozzolana, loppa d’altoforno, ceneri volanti, fumo di silice, filler calcareo. Vengono utilizzate queste aggiunte anche per limitare i prodotti di scarto derivanti da altre lavorazioni.

2.3.2 Cementi pozzolanici

La pozzolana miscelata nel cemento elimina il CH (calce) che si forma in fase di indurimento, che viene utilizzato per formare C-S-H attribuendo quindi maggior resistenza e una riduzione dei pori; inoltre ha un ridotto sviluppo di calore, perché la secondaria reazione pozzolanica avviene molto lentamente.

2.3.3 Ceneri volanti

Le ceneri che si ottengono dalla combustione del carbone sono simili (per composizione chimica) alla pozzolana. Queste, che vanno in sospensione in aria per l’alta temperatura, vengono raccolte e utilizzate nella pasta cementizia per ottenere un prodotto più duraturo e che sviluppa un minor calore di idratazione.

2.3.4 Fumo di silice

Ottenuto come scarto dalle lavorazioni di silice, è anche questo un materiale a comportamento pozzolanico. Viene utilizzata soprattutto nelle malte di ripristino, raramente nel cls perché molto costoso. Il fumo di silice è estremamente reattivo, portando quindi a una più totale eliminazione del CH ed a elevate resistenze meccaniche.

2.3.5 Loppa d’altoforno

Questo prodotto si ottiene nelle fonderie, e sostanzialmente sono le impurità che restano in sospensione sulla ghisa fusa. A differenza dei precedenti, la loppa ha un comportamento simile al cemento Portland piuttosto che alla pozzolana, e può produrre C-S-H anche in assenza di reazione con il CH. In ogni caso contribuisce ad eliminare il CH, ha un lento e ridotto rilascio di calore, ma le resistenze richiedono un maggior tempo di stagionatura.

2.3.6 Calcare

Il calcare è un’aggiunta del cemento Portland che abbatte i costi di produzione e riduce i pori. Inoltre richiede meno acqua per i processi di idratazione e aumenta la reazione del C S sviluppando più velocemente la resistenza richiesta.

2.4 Fattore di equivalenza

Le aggiunte offrono un aumento delle prestazioni di resistenza; il fattore di equivalenza definisce, statisticamente, il grado di idraulicità: è la capacità idraulica delle aggiunte rapportate a quella del cemento. Attribuito al cemento Portland il valore unitario K=1, alle aggiunte viene attribuito il fattore in rapporto a questo valore di base. Le aggiunte portano a una riduzione della resistenza del cls perché si inserisce meno cemento Portland nella pasta. Poiché le aggiunte si inseriscono in sostituzione o in aggiunta al cemento, per quantità costanti di acqua si ha una variazione del rapporto a/c.

Prendendo 1 mc di cls, si hanno i seguenti 2 casi:

• Cemento: 360 kg/mc
• Acqua: 180 kg/mc
• a/c: 0.5
• Cenere volante: 40 kg/mc
• Cemento: 360 kg/mc
• Acqua: 180 kg/mc
• a/c:

Come indicato, nel rapporto a/c le aggiunte vanno inserite con il cemento, ridotte del fattore di equivalenza K; questo significa che se l’aggiunta è inserita come sostanza ulteriore al cemento, si ha un aumento di resistenza (perché a/c più basso). In genere per le aggiunte K<1, tranne per il fumo di silice, dove K=2. I valori sono ovviamente normati nella UNI EN 206.

2.5 Normativa sui cementi

I cementi sono normati nella UNI EN 197-1, dove vengono definiti i vari tipi di cementi che possono essere prodotti con i relativi intervalli di quantità delle varie aggiunte.

Identificazione: CEM

Designazione: caratteristiche minime che il materiale deve garantire.

CEM 42.5 R tipo III-B

Con questa sigla si vuole identificare un cemento con resistenza caratteristica a compressione pari a 42.5 MPa a rapido indurimento (R). Con il tipo di cemento si identificano i componenti principali (in questo caso si tratta di un cemento d’altoforno), la cui lettera finale indica l’intervallo di quantità di clinker e loppa.

2.6 Produzione del CLS

In Italia esistono impianti a secco, ad umido con premiscelazione. Gli impianti a secco hanno dei silos con cemento e aggiunte e silos con aggregati, che vengono appositamente convogliati verso la betoniera, che provvede direttamente alla miscelazione. L’impianto a torre (o umido) prevede una premiscelazione con acqua direttamente in fabbrica prima di convogliarlo nella betoniera. Ogni betoniera ha una capacità di circa 8-10 mc, e necessita di 20-30 minuti per la fase di riempimento.

3. Aggregati

Gli aggregati costituiscono il 60-80% del volume del calcestruzzo, e la loro funzione è di costituire lo scheletro del cls, contribuiscono alle caratteristiche meccaniche del cls, si oppongono al ritiro plastico della pasta cementizia, riducono la quantità di cemento necessario, limitando i costi e il calore di idratazione.

Gli aggregati fanno capo alla UNI EN 12620, mentre a livello nazionale esistono vari DAN (documenti di applicazione nazionale) che ritoccano la normativa europea per adeguarli alle diverse caratteristiche degli stati membri. Gli aggregati possono definirsi naturali (alluvionale o di cava di monte), artificiali o riciclati.

Tra gli aggregati naturali ci sono quelli provenienti da estrazione in cava, tramite esplosivo e frantumazione, tipicamente di qualsiasi diametro con forma spigolosa; quelli provenienti dai fiumi hanno dimensioni più grandi rispetto ai precedenti con forma tondeggiante. Gli aggregati artificiali sono fatti in stabilimento e sono trattati termicamente, tipicamente sono argilla espansa, vetro espanso, poliestere espanso; sono utilizzati per realizzare cls leggeri (non strutturali) che garantiscono un adeguato isolamento termico. Gli aggregati da riciclo invece hanno una denominazione a seconda della loro origine.

3.1 Proprietà fisiche

3.1.1 Massa volumica [kg/m³]

La massa volumica si definisce in mucchio (peso per unità di volume dei granuli ammucchiati, circa 1600), saturo superficie asciutta (circa 2400), reale (peso per unità della materia di cui è formato l’aggregato in assenza di vuoti (la cui massa dipende dalle condizioni in cui si trova).

3.1.2 Assorbimento

È la capacità di un materiale di saturare d’acqua i vuoti presenti all’interno del granulo.

3.1.3 Porosità

Indica la % di volume occupata dai vuoti (influisce sulle caratteristiche meccaniche).

3.1.4 Umidità

È la % in peso di acqua presente sia all’interno che all’esterno del granulo, e influisce direttamente sul rapporto a/c. Un aggregato si definisce asciutto se non è presente acqua al suo interno. Parzialmente asciutto invece se contiene dell’acqua assorbita ma non riempie tutti i pori. Saturo a superficie asciutta se tutti i pori sono interamente occupati da acqua. Umido se è presente un film di acqua sulla superficie dell’aggregato.

Per definire l’umidità degli aggregati è necessario calcolare il valore totale.

Siccome l’umidità degli aggregati influenzano la quantità di acqua presente nel cls, è necessario quindi valutare il peso corretto (Pc) in funzione del peso dell’aggregato saturo con superficie asciutta (Pssa) e la sua relativa umidità di assorbimento (Uass) e dell’umidità totale (Utot).

3.1.5 Permeabilità

Rappresenta la capacità di un materiale di farsi attraversare dall’acqua. L’aggregato è un mezzo di trasporto di acqua all’interno del cls, e maggiore è la permeabilità e maggiore sarà il passaggio di acqua. Questa proprietà è legata alla porosità del solido: più pori contiene, facilitato sarà il passaggio di acqua, e più leggero risulta l’aggregato.

3.1.6 Forma

Gli aggregati si classificano in base alla loro forma con 2 parametri: indice di forma (FI) e indice di appiattimento (SI). Gli aggregati spigolosi richiedono una maggior quantità di acqua (a parità di lavorabilità) e tendono a segregarsi nel cls disponendosi parallelamente; per questi motivi l’impiego di aggregati spigolosi è limitato ad un massimo del 20-25%.

3.1.7 Granulometria

Gli aggregati hanno diverse dimensioni, e sono distinti a seconda del loro diametro. Le classi granulometriche d/D, contenute nei cls sono indicate come d dove indica il diametro nominale inferiore mentre il diametro D nominale massimo (es. 4/16; 4/32…). Questa indicazione però non definisce la composizione granulometrica contenuta all’interno dell’intervallo. Prendendo come esempio aggregati 4/8, con la sigla Gc 85/20 si vuole stabilire che massimo il 20% abbia diametro inferiore di 4, e almeno l’85% abbia un diametro inferiore a 8.

Nella progettazione del mix design si deve definire inoltre il diametro massimo dell’aggregato (D_max). Il diametro massimo è funzione della dimensione dell’elemento strutturale, del copriferro e dell’interferro. Definito questo valore è possibile individuare la curva di distribuzione ideale per garantire lavorabilità e compattezza.

3.2 Proprietà chimiche

3.2.1 Presenza di sostanza organiche

Possono ridurre l’adesione con la pasta cementizia, rallentare il processo di idratazione, provocare reazioni chimiche degradanti, abbassare la resistenza del cls e facilitare l’ingresso ad agenti inquinanti.

3.2.2 Presenza di sostanze dannose

Sono sostanze quali cloruri, solfati, sostanze argillose e silice reattiva. I cloruri corrodono i ferri di armatura, i solfati provocano effetti espansivi legati alla formazione di gesso ed ettringite, le sostanze argillose pregiudicano l’adesione tra pasta ed aggregati, la silice provoca fessurazioni interne.

3.3 Proprietà meccaniche

Le caratteristiche meccaniche che gli aggregati devono garantire sono la resistenza a compressione (devono garantire una resistenza superiore a quella della pasta di cemento), resistenza all’abrasione (importante per pavimentazioni o strutture idrauliche) e la resistenza al gelo/disgelo (se è presente troppa acqua nell’aggregato l’aumento di volume del ghiaccio potrebbe provocare la spaccatura dell’aggregato).

3.4 Distribuzione granulometrica

Gli aggregati devono essere ben assortiti in modo da riempire tutti i vuoti lasciati dagli aggregati più grandi. L’assortimento granulometrico prevede 3 diverse fasi: analisi granulometrica, curva ideale e metodo di calcolo.

3.4.1 Granulometria

Esistono diverse analisi granulometriche, legate a formule empiriche approssimative, che garantiscono diverse funzioni. La curva granulometrica di Fuller garantisce un miglior riempimento dei vuoti, mentre quella di Bolomey garantisce una migliore lavorabilità.

• FULLER: '100 *+= 100
• BOLOMEY: = +,,-

Dove P è la massa del passante al setaccio di diametro d. Avere aggregati più compatti garantisce meno vuoti tra le particelle, quindi una maggior resistenza (e un peso più elevato). Gli aggregati costituiscono il 70-80% del volume del cls, quindi aggregati di diametro elevato comportano scarsa lavorabilità e modesta scorrevolezza, mentre una prevalenza di aggregati fini richiede una maggior quantità di acqua.

3.4.2 Le curve ideali

La determinazione delle percentuali d’impiego dei singoli aggregati può essere realizzata graficamente (sullo stesso diagramma si riportano le distribuzioni reali degli inerti) o in maniera informatica (le percentuali vengono calcolate tramite software che ottimizzano la curva granulometrica). Con il metodo grafico si riportano le analisi granulometriche di ogni singola fase e si tracciano le linee che uniscono il diametro massimo della fase precedente con il diametro minimo della fase successiva. In seguito si traccia la curva di Fuller e si legge dove le linee che definiscono le fasi intrecciano la curva ideale: questi punti definiscono i valori percentuali di ogni fase.

3.5 Aggregati di riciclo

Si suddividono in pre-consumer (recuperato durante la loro lavorazione) e post-consumer (recuperato dopo essere stato impiegato in altre lavorazioni, quindi recuperato e frantumato). Per la sostenibilità del cls per alcune opere è richiesta una percentuale di aggregati di riciclo, derivanti da altre lavorazioni o altre opere, e a seconda della loro origine sono identificate con una sigla.

4. Additivi

Sono prodotti che, se aggiunti al cls in piccole quantità, inducono le richieste modifiche delle proprietà del cls. Sono utilizzati per migliorare determinate caratteristiche del cls, sia allo stato fresco che indurito; consentono di adattare il materiale alle specifiche esigenze progettuali.