Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi indicano la resistenza meccanica in MPa a compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF

Premesse (ENCO Journal n.24) Il cls è il materiale che mostra più deviazioni tra le caratteristiche valutate su provini e quelle reali delle strutture in servizio Le ragioni sono: diversa condizioni di stagionatura diversa esposizione igro-termica a lungo termine c) diverso grado di compattazione (gc = ds / dp) (UNI EN 12390/2) fca = fc = 0,80Rc se gc = 1 fca < fc = 0,80Rc se gc < 1 DR = 5 (1-gc) 100 fca=fc [1-5(1-gc)] fca= 0,80 Rc [1-5(1-gc)] DR = 100 (fc-fca)/fc DR = 100 (0,80 Rc-fca)/0,80 Rc fca= 0,80 Rc[1-5(1-0,97)] = 0,80 Rc 0,85 = 0,68 Rc= 0,68 · 37 = 25,2 MPa DR =100 (37-25,2)/37 = 32% fc = 0,80 · 37 = 29,6 MPa DR = 100 (29,6-25,2)/29,6 = 15%

Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini di laboratorio e quelle della struttura: a) non bisogna dipendere dalla modalità di compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti) Self-Compacting Concrete (SCC’) b) non bisogna dipendere dalle modalità di stagionatura (bisogna porre attenzione alla stagionatura umida del calcestruzzo appena scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi asciutti, ventilati e caldi) Self-Curing Concrete (SCC”) c) non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro) Self-Compressing Concrete (SCC”’)

Vantaggi • per il progettista, maggiore affidabilità della struttura indipendentemente dalla difficoltà del getto per la complessità geometrica delle strutture o per la congestione dei ferri di armatura; maggiore rispondenza della struttura reale a quella progettata; • per l’impresa, maggiore facilità di esecuzione indipendentemente dalla qualità della manodopera disponibile (sempre meno qualificata per la durezza del lavoro sui cantieri di costruzione) ; maggiore produttività per la maggiore velocità di esecuzione dei getti, soprattutto in strutture molto armate; • per la committenza, maggiore sicurezza che l’opera sia ben realizzata e priva di difetti visibili, ed in qualche modo contestabili, o insidiosamente invisibili, e per questo non immediatamente contestabili , ma forieri di problemi a lungo termine (scarsa durabilità, maggiore vulnerabilità dal rischio sismico, ecc.).

Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini di laboratorio e quelle della struttura: a) non bisogna dipendere dalla modalità di compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti) Self-Compacting Concrete (SCC’) b) non bisogna dipendere dalle modalità di stagionatura (bisogna porre attenzione alla stagionatura umida del calcestruzzo appena scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi asciutti, ventilati e caldi) Self-Curing Concrete (SCC”) c) non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro) Self-Compressing Concrete (SCC”’)

SCC’ Gli SCC (calcestruzzi autolivellanti o autocompattanti) sono così fluidi da poter essere messi in opera senza richiedere energia di compattazione, ma devono essere anche privi di segregazione: “calcestruzzo reoplastico” il cui indice di reoplasticità è l’inverso della capacità di bleeding Il cls SCC’, caratterizzato da mobilità e coesione, garantisce gc=1 Sono indispensabili per strutture fortemente armate Rapidità di esecuzione

Bisogna modificare il test di lavorabilità Bisogna modificare il test di lavorabilità. La deformabilità è indicata dalla misura dello “slump flow” (diametro max raggiunto dall’impasto: si definisce SCC’ il cls con almeno 550 mm di slump flow senza bleeding e segregazione degli aggregati) mentre la mobilità è indicata dalla velocità con cui lo si raggiunge V-funnell test: tempo di svuotamento

Regole da tenere presente nella procedura di mix-design per produrre un buon SCC’ La prima regola concerne la scelta dell’aggregato grosso (>5 mm) che deve essere dimensionalmente piccolo (Dmax <25 mm; preferibilmente <16 mm) ed in volume (Vg) minore rispetto al calcestruzzo tradizionale (Vg<340 L/m3) : Esempio1 massavolumica inerte =2,65 kg/L --> massa aggregato grosso = 340x2,65 = 900 kg/m3; Esempio2 massa volumica inerte leggero =1,80 kg/L --> massa aggregato grosso leggero = 340x1,80 =610 kg/m3. La seconda regola riguarda il volume dei materiali fini (con dimensioni minori di 0,075 mm): 170 <Volumemateriali fini< 200 L/m3; esso risulta maggiore di quello presente in un tradizionale calcestruzzo ed ha la funzione di “lubrificare” gli aggregati, in particolare quelli più grossi. Al di sotto si avrebbe segregazione, al di sopra diventa troppo viscoso e difficile da movimentare nella pompa, negli scivoli, dentro i casseri, ecc. La terza regola attiene al rapporto in volume acqua-materiali fini che deve essere circa 1 e compreso tra 0,85 e 1,20. La quarta regola concerne l’impiego dell’additivo superfluidificante e di quello viscosizzante (Viscosity Modifiyng Agent, VMA). Ancora una volta, occorre trovare un giusto equilibrio tra mobilità con l’impiego dell’additivo superfluidificante e coesione con l’utilizzo di agente viscosizzante. Con l’additivo superfluidificante si riesce ad ottenere un conglomerato molto mobile. Con l’agente viscosizzante si stabilizza il conglomerato, cioè si evita la segregazione ed il bleeding, nel momento in cui l’SCC’, ormai messo in opera, tenderebbe a separarsi nei suoi componenti più grossi e pesanti sul fondo, con una raccolta d’acqua in superficie (bleeding) e con conseguente perdita di uniformità del materiale dentro la struttura.

Alta fluidità: superfluidificanti Bassa segregazione : coesivizzanti o VMA=Viscosity Modifying Agents I tipo Fumo di silice e silice colloidale (UFACS Ultra Fine Amorphous Colloidal Silica,  50-100 nm)

II tipo Biopolimeri: polisaccaridi (Welan, Pullulano, Carragenano, Carbossimetilcellulosa ….)

Regole per la messa in opera di SCC’: Modifiche delle tecnologie esecutive: geometria e resistenza dei casseri. Le casseforme devono essere: a) a tenuta per evitare perdite di malta o boiacca attraverso le imperfette connessioni; b) adeguatamente rinforzate per contrastare la elevata spinta idraulica, soprattutto se si superano i 3 metri in altezza, dovuta al comportamento “quasi-liquido” del conglomerato. Il getto non deve avvenire in caduta libera, con inevitabile intrappolamento dell’aria schiacciata dal getto stesso sul fondo della struttura, da una pompa all’interno di una casseratura chiusa e circoscritta, ma il boccaglio deve essere posto in basso all’interno della cassaforma immerso nel calcestruzzo.

Riducono l’influenza ed il costo del personale addetto, incrementendo nel contempo la affidabilità che il materiale prescritto sia correttamente messo in opera senza deviazioni significative tra teoria e pratica. Miglioramento delle condizioni di lavoro, soprattuto in prefabbricazione Migliore organizzazione del cantiere

Regole per la prescrizione di SCC’ norma UNI 11040 2003: Miglioramento del faccia a vista Facciavista marmorizzato. Confronto tra calcestruzzo S5 (a sinistra) ed SCC (a destra) entrambi gettati senza vibrazione

Minori restrizioni al progetto

Miglioramento del faccia a vista Facciavista marmorizzato. Confronto tra calcestruzzo S5 (a sinistra) ed SCC (a destra) entrambi gettati senza vibrazione

Esempio di modifiche del mix-design: Ponte Calatrava a Venezia

Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini di laboratorio e quelle della struttura: a) non bisogna dipendere dalla modalità di compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti) Self-Compacting Concrete (SCC’) b) non bisogna dipendere dalle modalità di stagionatura (bisogna porre attenzione alla stagionatura umida del calcestruzzo appena scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi asciutti, ventilati e caldi) Self-Curing Concrete (SCC”) c) non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro) Self-Compressing Concrete (SCC”’)

“Early curing” "The early bird gets the worm" - spruzzare acqua nebulizzata; - coprire con teli impermeabili; - proteggere con teli di iuta bagnati; - applicare una membrana anti-evaporante con l’ausilio di un agente stagionante (curing compound). Tuttavia, il suo intervento complica e rallenta comunque il processo produttivo sul cantiere dovendosi utilizzare, subito dopo la rimozione dei casseri, delle impalcature dalle quali appunto si procede all’ applicazione della membrana anti-evaporante. D’altra parte la stagionatura non potrà essere mai apprezzata fino a quando, in assenza di un accurato controllo immediato dello stato fessurativo, non ci si renderà conto della sua importanza ai fini della durabilità delle opere. Pertanto, a meno che la stagionatura non venga specificamente prescritta, controllata, e rimborsata, con un costo ad hoc previsto in capitolato e disgiunto dagli altri costi esecutivi, la stagionatura viene di fatto ignorata. Le cause dalle mancata stagionatura sono in sostanza imputabili alla complicazione esecutiva, al mancato riconoscimento del costo, ed all’assenza di controllo da parte della Direzione Lavori.

La soluzione al problema della stagionatura iniziale (early curing) più gradita dalle imprese - per il minor intralcio delle fasi esecutive - appare l’impiego di additivi capaci di ridurre il ritiro, noti come Shrinkage Reducing Admixture o SRA, a base di eteri poliglicoli, da aggiungere nell’impasto e non da applicare sulla superficie.

Si ha riduzione del ritiro da essiccamento senza, però, ridurre l’essiccamento stesso del calcestruzzo. L’effetto dell’SRA è dovuto alla riduzione della contrazione (er) a seguito della diminuzione della tensione superficiale dell’acqua che rimane nei pori capillari. E’ noto che a seguito della perdita di acqua in ambienti insaturi di vapore con U.R. < 95%, si formano i menischi di acqua responsabili dell’ attrazione tra le superfici del solido, costituito prevalentemente da fibre di C-S-H. L’attrazione - e quindi la contrazione da ritiro - riguarda soprattutto i pori con diametro tra 2,5 e 50 nm, ed è tanto maggiore quanto maggiore è la tensione superficiale.

Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini di laboratorio e quelle della struttura: a) non bisogna dipendere dalla modalità di compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti) Self-Compacting Concrete (SCC’) b) non bisogna dipendere dalle modalità di stagionatura (bisogna porre attenzione alla stagionatura umida del calcestruzzo appena scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi asciutti, ventilati e caldi) Self-Curing Concrete (SCC”) c) non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro) Self-Compressing Concrete (SCC”’)

Anche in cls nel quale sia stata accurata l’ early curing si possono avere fenomeni termo-igrometrici per le naturali escursioni tra periodi secchi e caldi e periodi piovosi e freddi Ciò è tanto più vero laddove ci sono più vincoli al movimento e grande rapporto superficie/volume: es. le pavimentazioni esterne. E’ necessario che siano segmentate in lastre di non più di 100 m2 Una soluzione alternativa al problema del ritiro può essere risolta coll’uso di agenti espansivi. Esistono fondamentalmente due tipi di agenti espansivi, dosati a circa il 10% in massa sul cemento. a)Quelli a base di calce: CaO + H2O = Ca(OH)2 b) Quelli a base di solfoalluminato calcico: 4CaO·3Al2O3·SO3+6 CaO+ 8 CaSO4+ 96 H2O ==> 3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) La differenza è nella cinetica di espansione

L’impiego degli agenti espansivi deve avvenire in un conglomerato che contenga ferri di armatura capaci di contrastare l’espansione e di trasformarla utilmente in uno stato di co-azione: di compressione per il calcestruzzo e di trazione per i ferri, proprio come avviene in un calcestruzzo pre-compresso, anche se di minore intensità rispetto a quest’ultimo. Affinché i fenomeni espansivi, contrastati dai ferri di armatura, possano tramutarsi in un’utile stato di co-azione, è necessario che avvengano in sintonia con lo sviluppo della resistenza meccanica del calcestruzzo e quindi dell’adesione ai ferri di armatura. Come si può vedere, per completare l’ espansione occorrono 1-2 giorni se si impiega come agente espansivo il CaO, ed oltre 5 giorni se si impiega il 4CaO·3Al2O3·SO3·CaO.

Nel caso di uno sviluppo meccanico molto rapido (caso A), entrambi i processi espansivi - quello del CaO e quello del 4CaO·3Al2O3·SO3 - si verificano in un sistema già indurito e quindi capace di generare compressione nel calcestruzzo e trazione nelle barre di armatura. Al contrario, con uno sviluppo esageratamente lento della resistenza meccanica (caso C) la maggior parte dell’espansione avviene quando il calcestruzzo è ancora plastico e qundi incapace di aderire ai ferri; in altre parole, non tutta l’espansione è tramutata in uno stato di co-azione Nel caso B si verifica una situazione intermedia per la quale l’espansione del CaO non è adatta, perchè troppo in anticipo rispetto all’indurimento del calcestruzzo, mentre quella del 4CaO·3Al2O3·SO3 è in sintonia con lo sviluppo della prestazione meccanica. Questi esempi spiegano perchè l’unico agente espansivo realmente impiegato, in quei pochi casi di calcestruzzi a ritiro compensato o auto-compresso, sia stato quello basato sulla produzione di ettringite più congruente con lo sviluppo della prestazione meccanica, che il CaO.

Tuttavia, questa situazione è cambiata con l’avvento dei superfluidificanti, che consente di ridurre adeguatamente il rapporto a/c al fine di raggiungere sempre una resistenza meccanica iniziale congruente con il processo espansivo del CaO con i seguenti vantaggi: il CaO è molto più economico per la minore temperatura di cottura (solitamente 900°C) e per la semplicità del processo produttivo potendo essere prodotto in una tradizionale fornace a calce; si richiede una stagionatura umida solo di 1-2 giorni - che di fatto coincide con il tempo di scasseratura nella maggior parte dei cantieri - contro i 5-7 giorni richiesti per il solfoalluminato per il quale, quindi, occorre una protezione aggiuntiva di altri 4-5 giorni, dopo la rimozione delle casseforme, della superficie del calcestruzzo e quindi con un maggiore impegno da parte dell’impresa; si può modulare la velocità di espansione modificando la velocità di trasformazione del CaO in Ca(OH)2 attraverso il cambiamento della temperatura di cottura del calcare (con temperature più alte che favoriscono la sinterizzazione della calce e quindi una più lenta cinetica di trasformazione in idrossido di calcio) e della finezza di macinazione del CaO (con prodotti più fini che diventano più reattivi.

I risultati della espansione degli SCC’’’ a base di solfoalluminato, sformati a 8 ore e conservati nelle condizioni indicate sono fortemente influenzati dalla modalità di stagionatura: l’espansione si dimezza rispetto a quella standard se si conserva il calcestruzzo per circa 4 giorni protetto da teli impermeabili (come si potrebbe verificare per strutture pur così a lungo stagionate dentro i casseri), e si annulla completamente in assenza di stagionatura dopo la sformatura a 8 ore (come si potrebbe in pratica verificare in una pavimentazione esposta all’aria, dopo il getto e la lavorazione superficiale, senza un’adeguata stagionatura umida). Per realizzare una qualche effettiva espansione occorre almeno lasciar maturare il calcestruzzo nelle casseforme per 4 giorni o applicare teli impermeabili per 2-3 giorni dopo la scasseratura a 1-2 giorni. Entrambe le soluzioni sono troppo gravose per la pratica di cantiere e di fatto completamente disattese.

L’impiego di agenti espansivi a base di CaO può ridurre i tempi di sformatura degli SCC’’’ rispetto a quelli che occorre adottare per un corrispondente calcestruzzo a ritiro compensato a base di solfoalluminato. Anche per il calcestruzzo con CaO, l’espansione che si realizza maturando l’SCC’’’ dentro i casseri (o protetto con teli impermeabili) si dimezza rispetto a quella teorica conseguibile per immersione del calcestruzzo sotto acqua dopo la sua sformatura a circa 6 ore. Inoltre, poichè dopo la scasseratura e l’esposizione all’aria insatura di vapore subentra inevitabilmente il ritiro igrometrico, che tende a ridurre o ad annullare l’espansione precedentemente “accumulata”, è di fondamentale importanza che l’espansione accumulata nella fase iniziale sia la più elevata possibile, ma soprattutto che sia riproducibile con la massima semplicità possibile per l’organizzazione del cantiere.

La combinazione di SCC'' con SCC''’ consente di produrre conglomerati molto più vantaggiosi, per efficacia prestazionale e semplicità realizzativa, rispetto a quanto si sarebbe potuto prevedere dalla semplice somma dei due processi: effetto sinergico. Nella Figura sono mostrate le curve e-t dei provini di quattro calcestruzzi sformati a 6 ore, confezionati con a/c = 0,50 di consistenza semi-fluida (S3), contenenti un agente espansivo a base di CaO (30 kg/m3): il calcestruzzo immerso sotto acqua fino a 36 ore dal getto, quindi lasciato all’aria con U.R. del 65%; lo stesso calcestruzzo avvolto da una pellicola impermeabile rimossa dopo 36 ore dal getto, e quindi lasciato all’aria con U.R. del 65% (questo trattamento simula il comportamento realistico del calcestruzzo conservato all’interno di un cassero per 36 ore prima dell’esposizione al ritiro in aria insatura); lo stesso calcestruzzo lasciato all’aria con U.R. del 65%; il calcestruzzo contenente, oltre all’agente espansivo, anche l’SRA, avvolto in una pellicola impermeabile rimossa dopo 36 ore dal getto - per simulare una stagionatura entro casseri - e quindi lasciato all’aria. Nella combinazione di SRA con agenti espansivi, ci si sarebbe dovuto attendere solo una riduzione del ritiro durante la fase discendente dopo l’espansione iniziale.

L’effetto dell’SRA sia nell’aumento dell’espansione del CaO, sia sulla diminuzione del ritiro dopo la rimozione della pellicola impermeabile (equivalente alla rimozione dei casseri), lascia di fatto nel calcestruzzo una co-azione equivalente ad una espansione contrastata di circa 300-400 mm/m che mette la struttura al riparo dalla fessurazione provocata da eventuali ritiri igrometrici a lungo termine (che poco probabilmente possono raggiungere questa entità) o da raffreddamenti, in servizio a lungo termine, pari a circa 30-40 °C anch’essi poco probabili. Si possono progettare stati di co-azione anche maggiori di 300-400 mm/m in condizioni climatiche più avverse per le variazioni termo-igrometriche. Per completare il quadro di questa tecnologia, val la pena di sottolineare che l’aggiunta di SRA, in un calcestruzzo auto-compresso a base di solfoalluminato, si limita a ridurre il ritiro igrometrico dopo la rimozione della cassaforma o della pellicola protettiva ma non aggiunge, nella fase della stagionatura iniziale dentro il cassero, l’aumento di espansione contrastata registrato con l’ossido di calcio. Questo è un altro decisivo vantaggio per l’agente espansivo base di CaO, rispetto a quello a base di solfoalluminato. (SCC'')+(SCC''')

(SCC’)+(SCC'')+(SCC''') = 3SC La produzione di un SCC’’+SCC’’’, cioè privo di ritiro e con una espansione contrastata residua di 300-400 m/m in servizio, non è facilmente coniugabile con i vincoli produttivi di un calcestruzzo auto-compattante, SCC’. Tuttavia, laddove questa combinazione sia possibile si ha il calcestruzzo tre-volte-self (3-Self-Concrete, 3SC) che non richiede compattazione, stagionatura e giunti anti-ritiro da parte dell’impresa. La maggior difficoltà consistono nel sintonizzare il processo espansivo del CaO con la conservazione della fluidità richiesta per un SCC’, (slump-flow di almeno 600 mm al momento del getto). Un calcestruzzo di questo tipo difficilmente potrà indurire ed aderire ai ferri di armatura (per instaurare lo stato di co-azione richiesti: compressione nel calcestruzzo e trazione nell’acciaio) prima di 12-16 ore dal getto; ciò comporta che si perda una buona parte dell’espansione (tra 8 e 16 ore) del CaO che invece è indispensabile per mantenere lo stato di co-azione in servizio equivalente a 300-400 mm/m di espansione controllata. D’altra parte impiegando un tipo di CaO leggermente più lento nel processo espansivo e quindi maggiormente in sintonia con il processo di indurimento.

CONCLUSIONI L’impiego di additivi SRA nel SCC'' o quello degli agenti espansivi nel SCC’’’ possono rispettivamente attenuare il ritiro iniziale o compensare quello in servizio. Con nessuna delle due tecnologie si riesce tuttavia ad eliminare completamente gli stati tensionali, collegati con l’asciugamento ed il raffreddamento del calcestruzzo in servizio, che sono fonte di fessurazioni con grave pregiudizio per la durabilità dell’opera. Se l’additivo SRA è impiegato congiuntamente con un agente espansivo a base di CaO, si ottiene sorprendentemente un’espansione più efficace ed una conservazione di uno stato di co-azione (compressione del calcestruzzo e trazione dell’armatura metallica) che equivale ad una espansione contrastata residua di 300-400 mm/m. Questa particolare tecnologia (SRA + CaO) può essere combinata con quella del Self-Compacting Concrete (SCC’) per ottenere il 3-Self-Concrete (3SC), un calcestruzzo che si compatta, si stagione e si comprime da solo, purchè il tipo di CaO impiegato sia adeguatamente selezionato per sincronizzare la sua espansione con l’indurimento del calcestruzzo dopo la presa.