Scienze dei Materiali -domande tipo e risposte-

Attenzione: domande di approfondimento su scienze dei materiali

Questo foglio raccoglie alcune domande approfondite su alcuni argomenti di scienze dei materiali, ma non rappresenta la soluzione definitiva del corso. Serve esclusivamente come approfondimento per lo studio e come domande tipo per l’esame.

Le classi di cemento

I cementi non sono tutti eguali, sorge il problema di classificarli in base alla loro prestazione e composizione. Il numero di cementi normalizzati nell’Unione Europea è di 150. In Italia si calcola che siano presenti sul mercato solo cementi dei 150 UNI-EN 197/1 potenzialmente producibili secondo la normativa. La normativa europea sui cementi è incentrata su due requisiti fondamentali: classe di resistenza ed il tipo di cemento (inteso nella composizione dei suoi ingredienti). Esistono 25 tipi o sottotipi di cemento e 6 diverse classi di resistenza. 25 x 6 = 150!

Classe di resistenza

Le classi di resistenza sono:

• 32,5
• 32,5R
• 42,5
• 42,5R
• 52,5
• 52,5R

Il numero individua la soglia minima di resistenza meccanica a compressione, in N/mm², misurata a 28 giorni secondo una determinata procedura. Il simbolo R sta a significare il comportamento meccanico del cemento alle brevi stagionature (R = Rapido).

Classe di resistenza a compressione (N/mm²) minima garantita a:

Per la determinazione effettiva della resistenza meccanica di un cemento è necessario adottare una “procedura standardizzata”, in base alla quale alcuni parametri, che potrebbero influenzare la resistenza meccanica stessa, siano rigorosamente mantenuti costanti da prova a prova.

Tipi di cemento

La suddivisione dei cementi in base alla loro composizione prevede cinque tipi:

• Cemento Portland: (un solo tipo) con almeno il 95% di clinker.
• Cementi Portland di miscela: (17 sottotipi) dove il clinker è ancora predominante (almeno 79%) e dove gli altri costituenti (escluso il fumo di silice impiegabile solo nell’intervallo 6-10%) possono oscillare entro due intervalli: 21-35% oppure 6-20%. Nel primo caso apparirà nella sigla corrispondente la lettera A, mentre se l’intervallo composizionale è maggiore apparirà la lettera B. La sigla dei cementi è formata da II, seguito dalla lettera A oppure B a seconda della quantità di costituente minerale, ed infine da una lettera che individua lo specifico costituente minerale: S per loppa, P per pozzolana naturale, L per calcare, ecc. La lettera M sta per composito, cioè costituito da più costituenti minerali (loppa, pozzolana, cenere, ecc.). Un esempio sono le sigle II/A-M oppure II/B-M a seconda del contenuto di clinker.
• Cemento d’altoforno: (3 sottotipi), per il quale sono previsti 3 livelli composizionali nel contenuto di loppa che vengono individuati nella sigla del cemento con: A (loppa 36-65%), B (loppa 66-80%), C (loppa 81-95%). Quest’ultimo rappresenta il cemento con il minor contenuto di clinker (che può scendere fino al 5%) e che proprio per questo si caratterizza per il bassissimo calore di idratazione (apprezzato nei getti di massa) oltre che per un’ottima resistenza all’attacco del solfato, dei disgelanti e dell’acqua di mare. Ovviamente questo specifico cemento d’altoforno (con sigla III/C) non potrà essere disponibile nelle classi di resistenza più basse (32,5, o al massimo 32,5R), per carenza del clinker necessario all’ottenimento di una elevata resistenza meccanica alle brevi stagionature.
• Cemento pozzolanico: (2 sottotipi) dove il contenuto di clinker è compreso negli intervalli 65-89% (A) oppure 45-64% (B) e come costituente minerale è presente una miscela di cenere silicea, pozzolana naturale o microsilice industriale. Il cemento pozzolanico (4) propriamente detto come del resto il cemento d’altoforno (3) si distingue rispettivamente dal cemento Portland alla pozzolana (2) e del cemento Portland alla loppa (2) per il minor contenuto di clinker. Quindi, anche per il cemento pozzolanico, soprattutto per quello B con maggior contenuto di pozzolana (36-55%), sarà difficile prevedere la disponibilità nelle classi di resistenza più elevate (42,5R, 52,5, 52,5R).
• Cemento composito: (2 sottotipi), con un contenuto di clinker ridotto (40-64% oppure 20-39%) e con una miscela di loppa, pozzolana e cenere silicica come costituenti minerali. Non va confuso con il cemento Portland composito (II/M) più ricco in clinker e più povero in costituenti minerali.

Passaggi per la distribuzione ottimale degli aggregati

Analisi granulometrica

Per la determinazione della distribuzione granulometrica di un aggregato si ricorre alla separazione mediante setacciatura con setacci di diversa luce di maglia ottenendo i pesi delle singole frazioni granulometriche. Questi, espressi percentualmente rispetto al peso di tutto il campione analizzato, consentono di calcolare il materiale passante a ogni setaccio. Riportando in un grafico il materiale passante in funzione dell’apertura del vaglio, si costruisce la cosiddetta curva granulometrica del singolo aggregato.

Distribuzione granulometrica ottimale

Per realizzare un conglomerato con la massima densità possibile, cioè con il minor contenuto di vuoti interstiziali tra i singoli granuli, la curva granulometrica deve seguire l’equazione proposta da Fuller & Thompson:

P = 100 (d/D)^1/2

Dove P è la percentuale di materiale passante allo staccio con apertura d; D è la massima dimensione (“diametro massimo”) dell’elemento lapideo più grosso. Se il sistema cemento + aggregato soddisfa granulometricamente l’equazione, si realizza il massimo assortimento dimensionale, nel quale gli elementi più grossi sono allocati nei vuoti di quelli medi, e questi ultimi si dispongono a loro volta nei vuoti esistenti tra i granuli più fini.

In ogni caso, un calcestruzzo che soddisfa granulometricamente l’equazione, e quindi presenta il massimo impacchettamento possibile per i suoi granuli solidi (cemento + aggregato), non coincide con un sistema che, miscelato con acqua, possa essere facilmente messo in opera. In pratica, un calcestruzzo che granulometricamente soddisfa l’equazione, proprio per il denso impacchettamento dei suoi granuli, si presenta scarsamente lavorabile e richiede, pertanto, mezzi di compattazione molto sofisticati per essere messo in opera.

Per questo motivo, Bolomey ha suggerito di modificare leggermente la curva granulometrica ottimale introducendo un parametro che tiene conto anche della lavorabilità richiesta e del tipo di aggregato disponibile (alluvionale o frantumato). L’equazione di Bolomey:

P = A + (100 - A) * (d/D)^1/2

Coincide con la prima se A = 0. Il parametro A assume i valori crescenti da 8 a 14 se aumenta la lavorabilità del calcestruzzo e se si passa da aggregati alluvionali tondeggianti ad aggregati di frantumazione di forma irregolare.

La scelta di D (diametro massimo) tanto nella prima equazione, quanto nella seconda, deve tener conto dei seguenti vincoli:

• Non deve superare il 25% della sezione minima della struttura (per evitare di aumentare le eterogeneità del materiale);
• Non deve superare la distanza tra i ferri di armatura diminuita di 5mm (per evitare che l’aggregato più grosso ostruisca il flusso del calcestruzzo attraverso i ferri stessi);
• Non deve superare del 30% lo spessore del copriferro (per evitare che tra casseri e ferri di armatura sia ostruito il passaggio del calcestruzzo).

Poiché le due equazioni rappresentano le distribuzioni granulometriche ottimali del sistema aggregato + cemento, esse possono essere riferite al solo aggregato normalizzando i valori di P se si conosce la percentuale di cemento (C) riferita al peso di tutti i solidi (aggregato + cemento). Le equazioni seguenti rappresentano rispettivamente le curve granulometriche ottimali di Fuller e di Bolomey riferite al solo aggregato:

P = [100(d/D)^1/2 - C / 100 C] * 100

P = [A + (100 - A)(d/D)^1/2 C / 100 C] * 100

Metodi di calcolo per la combinazione degli aggregati

In pratica è difficile reperire aggregati che, insieme al cemento, siano granulometricamente conformi alle prime due equazioni precedenti, oppure che, senza cemento, siano conformi alle due ultime equazioni. Gli aggregati normalmente reperibili risultano o eccessivamente fini (sabbie) o eccessivamente grossi (ghiaia e pietrisco) per poter da soli soddisfare ai requisiti granulometrici dell’aggregato ottimale. Tuttavia, combinando più aggregati reali, purché granulometricamente diversi (per esempio una sabbia e una ghiaia), è spesso possibile “costruire” un aggregato misto molto più vicino, rispetto ai singoli aggregati, a quello ottimale.

Il calcestruzzo allo stato fresco

Il calcestruzzo fresco è il calcestruzzo nella fase plastica nelle prime ore di vita. Una delle principali caratteristiche importanti del calcestruzzo fresco da tenere in considerazione è la lavorabilità, ovvero l’attitudine di un calcestruzzo ad essere impastato, trasportato, posto in opera, compattato, rifinito senza che si verifichino segregazioni (lavorabilità = caratteristica che indica la capacità del calcestruzzo fresco a muoversi ed a compattarsi).

La lavorabilità è una proprietà tipica del calcestruzzo fresco che condiziona anche le prestazioni del calcestruzzo in servizio. Tuttavia, spesso la prescrizione è disattesa in sede di progetto e in cantiere con penalizzanti ed improprie aggiunte di acqua.

• I fattori che influenzano la lavorabilità sono: caratteristiche degli aggregati (distribuzione granulometrica, Dmax, forma, tessitura), quantità ed acqua di impasto, dosaggio del cemento.
• Raramente l’aggregato a disposizione rientra nei fusi richiesti dalle norme, è quindi necessario combinare più aggregati in modo che nel complesso rientri nel fuso granulometrico consigliato.

Nel calcolo degli impasti, stabilire la corretta composizione di un impasto in termini di quantità dei componenti necessari è imperativo alla preparazione di 1 metro cubo di calcestruzzo dotato delle proprietà ottimali:

Procedura dell’American Concrete Institute (ACI)

• Fissato Dmax, la lavorabilità dipende dalla quantità di acqua. Perciò la si determina dalla tabella, necessaria a fornire la lavorabilità desiderata (classe di consistenza) con l’inerte a disposizione.
• In funzione di Rc (resistenza a compressione) desiderata dai grafici ACI, si individua il rapporto a/c.
• Noto rapporto a/c, si calcola il dosaggio cemento.
• Sulle tabelle ACI si determina volume solido di inerte grosso da impiegare con la sabbia per metro cubo di calcestruzzo.
• Noti volumi di acqua, cemento e aggregato grosso si determina per differenza il volume della sabbia.

Slump test

Il principale test che si attua per determinare la lavorabilità di un calcestruzzo fresco è lo Slump test: si misura l’abbassamento (slump) del calcestruzzo sformato da un tronco di cono metallico (detto anche cono di Abrams) con costipazione manuale. Quando la forma viene sollevata, l’impasto, non più sostenuto, si abbassa. La diminuzione di altezza in cm è il risultato della prova.

In base al valore di slump si definiscono 5 classi di consistenza, individuata dalla lettera S seguita da un numero da 1 a 5 che corrisponde ad un impasto sempre più fluido. In base al diametro massimo dell’aggregato, si determina la quantità di acqua d’impasto per ottenere la classe di consistenza desiderata. La consistenza è una caratteristica che viene indicata in progetto.

• Generalmente per getti verticali (pilastri e plinti) è possibile utilizzare impasti di classe S3-S4, mentre per getti orizzontali o molto armati può essere necessario usare classi superiori.