Materiali da costruzione

Presentazione sul tema: "Materiali da costruzione"— Transcript della presentazione:

1 Materiali da costruzione

2 Leganti Materiali capaci di legare insieme materiali “slegati”
Inizialmente si produce una massa fluida più o meno lavorabile La massa fluida subisce nel tempo un irrigidimento Al termine del processo di indurimento, la massa raggiunge elevate resistenze meccaniche Leganti aerei: induriscono a contatto con aria Leganti idraulici: Possono indurire anche a contatto con acqua Caratteristiche comuni: Sono costituiti da polveri fini Le polveri miscelate con acqua formano sospensioni plastiche e fluide La massa solidificata mantiene la forma del getto originario

3 Leganti aerei ed idraulici
Calci aeree, gesso, cemento magnesiaco Leganti idraulici Calci idrauliche, cementi Si distinguono due fasi nel processo di irrigidimento: Presa: il materiale acquisisce proprietà tali da mantenere la forma impartita. La fase dure in genere poche ore Indurimento: il materiale acquisisce le proprietà finali. Può durare mesi o anni

4 Il calcestruzzo Calcestruzzo: materiale composito: Calcestruzzo
Matrice: cemento (legante) Rinforzo: inerte (aggregato) inerte matrice Matrice Ingredienti: Acqua + cemento (legante) Matrice cementizia Inerte Sabbia + ghiaia o pietrisco Aggregato Calcestruzzo Acqua+ legante+inerte

5 Ingredienti del calcestruzzo
Componente Percento in volume Aggregato 60-78 Acqua 14-22 Cemento 7-14 Aria 1-6 Eventuali additivi o prodotti speciali

6 Cemento portland Il cemento portland è il più importante dei cementi.
Il cemento portland è il materiale di base per tutti i tipi di cementi Il cemento portland è ottenuto a partire da clinker e gesso (solfato di calcio bi-idrato CaSO4*2H2O) in proporzione circa 97:3 Il clinker è ottenuto da: Calcare (80% in peso) Argilla (20% in peso) Durante il processo di cottura del clinker, calcare e argilla si dissociano e si ricombinano a dare degli ossidi misti di calcio, silicio, alluminio e ferro

7 Ciclo di produzione del cemento
Clinker + gesso  cemento portland Clinker + gesso + altri ingredienti  cemento di miscela Scorie cava Centrali termoelettriche a carbone altoforno Materie prime cenere loppa gesso calcare Pozzolana naturale Forno rotante argilla calcare Clinker mulino Cementificio Cemento portland Cemento di miscela

8 Ciclo di lavorazione del cemento
Cemento portland Cemento di miscela acqua additivi sabbia cava Aggiunte minerali (fibre) ghiaia pietrisco Frantumazione delle rocce Impianto di betonaggio Impianto di prefabbricazione Trasporto CLS fresco, getto

9 Fabbricazione del clinker
Le materie di partenza sono calcare (ossido di calcio) e argilla (silice, allumina e ossido ferrico) Il processo di fabbricazione prevede le seguenti fasi: Macinazione e miscelazione delle materie prime Cottura Macinazione del clinker ed aggiunta di gesso La macinazione avviene in mulini a palle (rotanti attorno al loro asse, e forniti di corpi macinanti) L’omogeneizzazione avviene in silos in cui viene insufflata aria La farina di clinker viene quindi miscelata con acqua, per avere granuli di dimensioni maggiori da usare nei forni Per la cottura si usano forni rotanti (cilindro il lamiera di acciaio lungo m e diametro 3.5m) Il forno è inclinato e posto in lenta rotazione Il materiale esce dal forno a T=1000°C,e riscalda l’aria che va al bruciatore

10 Macinazione e miscelazione
La macinazione avviene in mulini a palle (rotanti attorno al loro asse, e forniti di corpi macinanti) La caduta delle palle provoca la macinazione della farina L’omogeneizzazione avviene in silos in cui viene insufflata aria La farina di clinker viene quindi miscelata con acqua, per avere granuli di dimensioni maggiori da usare nei forni Farina di clinker Corpo macinante 

11 Cottura del clinker Per la cottura si usano forni rotanti (cilindro il lamiera di acciaio lungo m e diametro 3.5m) Il forno è inclinato e posto in lenta rotazione Il materiale esce dal forno a T=1000°C, e riscalda l’aria che va al bruciatore bruciatore Aria secondaria Griglia di raffreddamento Materiale crudo Aumenta la temperatura Clinker

12 Cottura del clinker Appena entrate nel forno, le sferette di calcare e argilla perdono l’acqua di impasto Sopra i 500°C, i silicati idrati di alluminio dell’argilla si scindono in silice ed allumina amorfe A 700°C comincia la decomposizione del carbonato di calcio A 800°C i vari ossidi cominciano a reagire Si formano: Silicato bicalcico (ca 800°C), Silicato tricalcico (ca 1300°C) Fusione degli alluminati (ca 1300°C) Alluminato tricalcico e alluminoferrito tetracalcico (ca 1500°C)

13 Composizione del clinker
Il clinker di portland,a fine cottura, è composto da ossidi di vario tipo, più altri ossidi derivanti da impurezze Durante la cottura si devono raggiungere delle temperature in cui le forme di ossidi di maggior e interesse, i silicati di calcio, sono stabili Gli ossidi presenti a fine processo di cottura sono: Tutti questi ossidi non sono presenti come ossidi puri, ma formano dei composti tra di loro (ossidi misti) Ossido (formula bruta) Notazione abbreviata CaO C 64-68% SiO2 S 20-23% Al2O3 A 3-8% Fe2O3 F 0.5-5%

14 Macinazione del clinker
Il clinker di portland viene sottoposto ad una ulteriore fase di macinazione, per ridurre le sue dimensioni caratteristiche Infatti, le reazioni che comportano l’indurimento del cemento avvengono sulla superficie delle particelle di cemento solido Più sono piccole le particelle, più è elevata la superficie Quindi le reazioni avvengono più rapidamente, ed si sviluppano più velocemente proprietà meccaniche Diametro m % in peso 2-90 >90 <2 7-9 0-4

15 Chimica del cemento portland
Costituenti principali Silicato tricalcico (alite) C3S Silicato bicalcico (belite) C2S Alluminato tricalcico, C3A Alluminoferrito tetracalcico, C4AF Costituenti minori Ossido di calcio Ossido di magnesio Solfati Cloruri L’idratazione dei componenti principali è responsabile della formazione di composti che conferiscono rigidità al materiale (legante idraulico)

16 Idratazione del cemento portland
Le reazioni di idratazione degli ossidi portano all’ indurimento del cemento portland Le reazioni degli ossidi richiedono la presenza di acqua (legante idraulico) La reazione coinvolge prima gli alluminati e gli alluminoferriti, in seguito i silicati di calcio Le formule C-S-H e C-A-H non indicano dei composti, ma piuttosto delle famiglie di ossidi, a composizione variabile Le reazioni di idratazione sono fortemente esotermiche La velocità delle reazioni dipende dalla superficie di contatto con l’acqua, e quindi dalla finezza delle particelle di clinker

17 Presa ed indurimento Gli alluminati e gli alluminoferriti, reagendo per primi, sono responsabili delle resistenze del cemento ai tempi più brevi (presa) I silicati, reagendo in seguito, sono responsabili delle resistenze del cemento ai tempi più lunghi (indurimento) Le proprietà dei silicati idrati sono maggiori delle proprietà degli alluminati idrati Lo sviluppo delle proprietà meccaniche iniziali (presa del C3A) deve essere rallentato tramite l’aggiunta di gesso Lo sviluppo delle proprietà meccaniche a pochi giorni può essere aumentato aumentando il contenuto di C3S (a discapito di C2S) C3A C4AF C3S C2S Percentuale di materiale idratato ore giorni mesi anni 100 C3A C4AF C3S C2S Resistenza meccanica (Mpa) ore giorni mesi anni

18 Meccanismi di presa ed indurimento
Il cemento idratato è costituito da fibre (lunghe centinaia di nanometri e di spessore di pochi nanometri), che, intrecciandosi, conferiscono le proprietà di resistenza al getto Mescolamento con acqua Inizio presa indurimento cemento non idratato cemento idratato Pori capillari Pori interstiziali

19 Effetto delle dimensioni dalle polveri
Particelle di cemento più piccole portano allo sviluppo più rapido delle proprietà meccaniche

20 Meccanismi di presa ed indurimento
Non tutta l’acqua va a fare parte del reticolo cristallino Una parte dell’acqua evapora Restante parte dell’acqua in eccesso, necessaria a dare buona lavorabilità, è adsorbita sulla superficie delle fibre e all’interno dei pori L’acqua assorbita nei pori evapora durante la fase di stagionatura Acqua assorbita sulla superficie Acqua assorbita nei pori Acqua del reticolo

21 Idratazione dei costituenti
Le reazioni di idratazione dei costituenti sono esotermiche Lo sviluppo totale di calore è di ca kJ/kg Il composto che emette più calore è C3A, che è anche quello che idrata più velocemente Anche la presenza di C3S contribuisce in maniera significativa al rilascio totale di calore, che però avviene più lentamente Aumentando il contenuto di ferro, non c’è più C3A, e lo sviluppo di calore è molto più basso Però lo sviluppo di resistenze nella fase iniziale è molto minore ossido Contenuto medio Calore di reazione (KJ/Kg) Contributo al calore totale C3S 50 500 250 C2S 25 62 C3A 8 900 72 C4AF 400 32 totale 420 KJ/Kg

22 Riscaldamento del cemento (ritiro)
Velocità di rilascio del calore (KJ/Kgh) Tempo (h) 3h 8h Reazione C3A Reazione C3S In condizioni adiabatiche (no smaltimento di calore) si ha il massimo innalzamento di temperatura Troppo!!!! In condizioni reali una parte del calore viene smaltito verso l’esterno L’aumento di temperatura aumenta con: Il calore totale di reazione La velocità di reazione (meglio avere lo stesso calore rilasciato in un tempo più lungo) Le dimensioni del getto (rapporto A/M basso) E come al solito dovremmo tenere conto del fatto che la parte centrale del getto si riscalda molto di più della superficie!!!!

23 Il ruolo del gesso Il gesso è detto regolatore di presa, perché l’ettringite che si forma rallenta la presa degli alluminati ed alluminoferriti Il gesso consuma una parte degli alluminati, per cui la presa è molto più lenta Inoltre, l’ettringite che si forma impedisce il contatto tra C3A e C4AF con l’acqua, rallentando ulteriormente la presa Inoltre, viene sviluppato molto meno calore

24 Diffusione dell’acqua
Per effetto del gradiente di concentrazione, l’acqua diffonde verso l’esterno del getto L’effetto è una diminuzione del volume dei pori, e quindi una contrazione del getto La contrazione S=L/L0 S=S0f1f2f3f4f5 S0 ritiro standard dipende dai rapporti acqua/cemento ed inerte/cemento fi fattori correttivi

25 Ritiro standard Ritiro standard aumenta:
All’aumentare del rapporto a/c Al diminuire del rapporto i/c 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 200 400 800 600 1000 Acqua/cemento Ritiro *106 1200 0.8 3 4 5 6 7 rapporto inerte/cemento

26 Fessurazione Quando le tensioni dovute al ritiro superano la resistenza maturata dal calcestruzzo, può avvenire fessurazione =E*S>Rt E aumenta La resistenza a trazione aumenta 1 2 3 4 5 6 2.5 7.5 10 =E*S Resistenza a trazione Tempo (mesi) Sforzo (resistenza) (MPa) fessurazione

27 Il ruolo della calce La calce, prodotta per idratazione dei silicati, non contribuisce allo sviluppo della resistenza meccanica Ha morfologia non fibrosa La calce reagisce, con la pozzolana eventualmente aggiunta Inoltre la calce è molto importante per la passivazione dei ferri di armatura

28 Attività pozzolanica La pozzolana naturale, la loppa d’altoforno (scoria della lavorazione dell’acciaio), cenere volante, fumo di silice, scisto calcinato, presentano tutte attività pozzolanica Se miscelate con acqua e calce, conferiscono proprietà meccaniche al cemento Le pozzolane sono minerali (silicati e silico-alluminati) amorfi ad elevata porosità ed area specifica La mancanza di fase cristallina e la elevata superficie specifica contribuiscono ad aumentare le reazioni di idratazione

29 Reazione della pozzolana nei cementi
La pozzolana (minerale a base di silice amorfa, silicati e silico- alluminati) non è di per se un legante Diventa un legante solo in presenza di calce, che si libera dalla reazione di C3S e C2S Pozzolana +acquanessun indurimento Pozzolana + acqua +calce indurimento per formazione di composti chimici insolubili: Silicati di calcio idrati (C-S-H)

30 Reazione della pozzolana nei cementi
Cemento Portland + acqua  C-A-H (alluminati idrati) C-S-H (silicati idrati primari) CH (calce di idrolisi) Cemento Portland + pozzolana + acqua C-S-H (silicati idrati primari del portland) C-S-H*, (silicati idrati secondari, derivanti dalla reazione della pozzolana) H2O Pozzolana/loppa C-S-H*

31 Differenze rispetto al cemento portland
Inizialmente la pozzolana, non reagendo, non contribuisce allo sviluppo delle proprietà meccaniche Quindi i cementi di miscela hanno in genere tempi di indurimento più alti Viceversa, a tempi più lunghi la reazione pozzolanica consuma la Ca(OH)2, che non contribuisce alle proprietà meccaniche A tempi più lunghi le proprietà dei cementi di miscela sono migliori rispetto a quelle del portland Risulta molto diminuito l’aumento di temperature dovuto al calore delle reazioni (la pozzolana si aggiunge per getti massivi o in clima caldo) Resistenza a compressione Cemento portland Cemento pozzolanico 3 giorni 28 giorni 6 mesi 1 anno

32 Differenze rispetto al cemento portland
Nel cemento portland, dopo l’indurimento i pori hanno dimensione piuttosto grande. All’interno dei pori si trovano le particelle di Ca(OH)2 Nei cementi pozzolanici i silicati di calcio secondari si formano all’interno dei pori grandi. Si hanno dei precipitati molto fini La porosità è caratterizzata da dimensioni molto più piccole Questo riduce la diffusività di prodotti aggressivi (durabilità) aggregato Clinker idratato Clinker non idratato Idrossido di calcio aggregato pozzolana Clinker non idratato C-S-H secondari Clinker idratato

33 Materiali pozzolanici
Tutti hanno al loro interno silice amorfa Possono essere di diversa origine: naturale o artificiale Pozzolana naturale: rocce sedimentarie derivanti da eruzioni vulcaniche Ceneri volanti: rifiuto della combustione del carbone nelle centrali termoelettriche (diametro tra 1 e 100 m e area superficiale specifica di m2/Kg) Fumo di silice. Sottoprodotto dell’industria di produzione del silicio (area superficiale specifica di m2/Kg)

34 Loppa d’altoforno E’ costituita da ossidi amorfi di vario tipo
A differenza degli altri tipi di materiali pozzolanici, la loppa contiene non solo la silice, ma anche tutti gli altri ossidi che servono per produrre il clinker Per questo motivo, la loppa può essere utilizzata anche come materia prima per la realizzazione di un cemento, (detto cemento d’altoforno) che al limite non contiene clinker SiO2 30-40% CaO 38-50% Al2O3 6-18% FeO 0.5-1% MnO 0.5-2% S MgO 2-6%

35 Proprietà del cemento Cemento fresco: Slump. Definisce la classe di consistenza Misura della fluidità del materiale Più il materiale è fluido, più il cono si abbassa Più il materiale è fluido, più veloce è la colata, e si possono riempire forme complesse Cemento indurito: Proprietà meccaniche Resistenza a compressione Resistenza a trazione Resistenza a flessione 300mm 200mm slump Fc FT FF

36 Proprietà meccaniche Il calcestruzzo è un materiale fragile
Buona resistenza a compressione Scarsa resistenza a trazione Scarsa resistenza a flessione Fessura=collasso Forza (N) Spostamento(mm) F Fessura passante

37 Le armature Il cemento è molto fragile nella sollecitazioni a trazione
La fessurazione che si forma (cricca) si propaga molto velocemente In presenza di armatura metallica, lo sforzo di trazione viene propagato alla trave metallica, che regge il carico Non cambia molto il carico massimo, ma piuttosto la energia di frattura L’acciaio è invece l’anello debole nei problemi di durabilità Le proprietà del cemento armato sono anche legate alla buona aderenza e uguale dilatazione termica dei due costituenti Copriferro: distanza tra il ferro di armatura e la superficie esposta della gettata Distanza tra i ferri: influenza la qualità del cemento da utilizzare

38 Proprietà meccaniche Il calcestruzzo è un materiale fragile
Buona resistenza a compressione Scarsa resistenza a trazione Scarsa resistenza a flessione Cemento armato: Inserendo travi metalliche, si migliora la resistenza a trazione e flessione Se le travi vengono precompresse, e inserite nel cemento, inducono nel cemento una certa sollecitazione di compressione, che aumenta la resistenza a trazione ed il modulo elastico F Fessura Armatura metallica F Fessura passante Fessura=collasso Forza (N) Spostamento(mm) fessura Armatura lenta Armatura tesa

39 Tipi di cemento I cementi sono divisi in base alla loro composizione ed alla loro resistenza a compressione 25 tipi di cemento 6 classi di resistenza 150 tipi di cemento! (non tutti utilizzati) Cementi di miscela: aggiunta di materiali pozzolanici e non: pozzolane naturali fumo di silice ceneri volanti loppa d’altoforno loppe non ferrose scisti calcinati calcari Tutte le pozzolane, antiche o moderne, artificiali o naturali, sono materiali di natura silico-alluminosa, amorfi La pozzolane non induriscono in acqua La pozzolane, in presenza di calce, induriscono a dare prodotti chimici insolubili

40 Tipi di cemento Cemento Portland- CEM I- (un solo tipo) con almeno il 95% di clinker Cementi Portland di miscela- CEM II- (17 sottotipi) con almeno il 65% di clinker. Se i costituenti secondari sono presenti in quantità pari al: 6-20%CEM II A 21-35%CEM II B Cemento d’altoforno - CEM III- (3 sottotipi). Se la loppa è presente al: loppa 36-65%  CEM III A loppa 66-80%  CEM III B loppa 81-95%  CEM III C Cemento pozzolanico - CEM IV- (2 sottotipi) costituenti minerali 11-35%  CEM IV A costituenti minerali 36-55%  CEM IV B Cemento composito - CEM V - (2 sottotipi) costituenti minerali 36-60%  CEM V A costituenti minerali 61-80%  CEM V B

41 Tipi di cemento Tipi di cemento Denominazione Sigla Clinker K
Loppa d’altoforno granulata S Micro silice D Pozzolana Cenere volante Scisto calcinato T Calcare L Costituenti secondari Naturale P Industriale Q Silicica V Calcica W I Cemento Portland 95-100 - 0-5 II Cemento Portland alla loppa II-A/S 80-94 6-20 II-B/S 65-79 21-35 Cemento Portland alla microsilice II-A/D 90-94 6-10 Cemento Portland alla pozzolana II-A/P II-B/P II-A/Q II-B/Q Cemento Portland alla cenere volante II-A/V II-B/V II-A/W II-B/W Cemento Portland allo scisto calcinato II-A/T II-B/T Cemento Portland al calcare II-A/L II-B/L Cemento Portland composito II-A/M   II-B/M   III Cemento d’altoforno III-A 35-64 36-65 III-B 20-34 66-80 III-C 5-19 81-95 IV Cemento pozzolanico IV-A 65-89   IV-B 45-64   V Cemento composito V-A 40-64 18-30   V-B 20-39 31-50  

42 Classi di resistenza Ciascun cemento può essere in una delle seguenti classi di resistenza: 32.5N, 32.5R. 42.5N, 42.5R, 52.5N, 52.5R Il numero (32.5, 42.5, 52.5) rappresenta la minima Rmc (MPa) a 28 giorni di maturazione su provini confezionati in condizioni standard; La lettera N o R è indicativa delle prestazioni meccaniche alle brevi stagionature Classe di resistenza (sigla) Resistenza a compressione minima (N/mm2) 2 giorni 7 giorni 28 giorni 32.5N --- 16 32.5 32.5R 10 42.5N 42.5 42.5R 20 52.5N 52.5 52.5R 30 Procedura standard provini in malta cementizia: a/c (acqua/cemento)=0.5 s/c (sabbia/cemento)=3 Stagionatura a T=20°C e U.R. 95%

43 Classi di resistenza RC(28 gg)>52.5 RC(2 gg)>30
RC (MPa) 2 giorni 28 giorni 10 20 30 32.5 42.5 52.5 52.5N 52.5R 42.5N RC(28 gg)>52.5 RC(2 gg)>30 20<RC(2 gg)<30 10<RC(2 gg)<20

44 Porosità Nel calcestruzzo sono presenti tre tipi di porosità, caratterizzati da diverse dimensioni caratteristiche Porosità interstiziali: sono molto piccole (pochi nm) e occupano fino al 28-30% del volume. Le loro piccole dimensioni fanno si che abbiano poca influenza sulle caratteristiche meccaniche e fisiche Porosità capillari: pori presenti tra i prodotti di idratazione. Hanno dimensioni tra nm fino a 5 m e hanno un’influenza molto significativa sulle proprietà del cemento Bolle d’aria: pori molto grandi (qualche mm) conseguenza di bassa lavorabilità. In alcuni casi possono essere aggiunte attraverso agenti aeranti per migliorare la resistenza ai cicli di gelo/disgelo Acqua adsorbita Pori capillari Pori interstiziali Acqua interstrati

45 Pori capillari La porosità capillare dipende dal rapporto acqua cemento (a/c) e dal tempo di stagionatura (grado di idratazione) Grado di idratazione, 

46 Valutazione della porosità
Ipotesi: Non varia il volume delle specie presenti (il volume dei prodotti è pari al volume dei reagenti) Il volume dei prodotti di idratazione (VCI+VPI) è circa il doppio del volume del cemento (2.13 volte) Va volume acqua Vc Volume cemento VVC capillari vuoti Vcni Volume cemento non idratato Vci Volume cemento idratato Vpi Volume porosità interstiziale Vac Volume capillari pieni di acqua Non idratato Idratato

47 Pori capillari Per unità di massa: Relazione di Powers
Volume dei pori capillari (litri) per Kg di cemento La porosità capillare aumenta all’aumentare del rapporto a/c e diminuisce all’aumentare del grado di idratazione Per unità di massa: Relazione di Powers

48 Effetto della stagionatura e del contenuto di acqua
Effetto del contenuto di acqua

49 Effetto del contenuto di acqua e della stagionatura
t=7 gg t=28 gg a/c=0.4 t=0 t=7 gg t=28 gg a/c=0.6

50 Pori capillari e resistenza
All’aumentare della porosità, diminuisce la resistenza meccanica del cemento. L’aumento delle proprietà meccaniche nel tempo è legato all’aumento di 

51 Pori capillari e diffusività
All’aumentare della porosità, aumenta la diffusività di specie liquide o gassose (agenti aggressivi) La diffusività dipende molto anche dalla natura dei pori: Porosità aperta: diffusività alta. Si formano dei percorsi in cui il gas può circolare liberamente (aumento tortuosità). Il gas non attraversa la pasta cementizia Porosità chiusa: diffusività ridotta. Il gas viaggia sia nei pori (velocemente) che attraverso la pasta (molto più lentamente) Segmentazione dei pori: formazione di una porosità chiusa

52 Gli aggregati o inerti Sostanze minerali che vengono aggiunte al calcestruzzo con diverse finalità: Migliorare le proprietà di rigidezza Abbassare i costi Ridurre i fenomeni di ritiro e riscaldamento Il loro contenuto può essere aumentato entro certi limiti Diversa natura: Aggregati naturali: Rocce eruttive, Rocce sedimentarie, Rocce metamorfiche Aggregati artificiali Aggregati riciclati Dimensioni Sabbia D  4 mm Aggregato fine Ghiaia d  4 mm Aggregato grosso di cava Pietrisco Aggregato grosso di frantumazione Filler D< 0,063 mm Aggregato finissimo d = dimensione più piccola D = dimensione più grande

53 Proprietà particellari dell’aggregato
FORMA (fattore di sfericita’, angolarità): in genere forme più regolari permettono di avere un maggiore riempimento del volume e migliore lavorabilità TESSITURA SUPERFICIALE: particelle più rugose hanno migliori proprietà meccaniche (aumenta l’aderenza con la matrice) ma richiedono più acqua per avere la stessa lavorabilità DIMENSIONI ED ASSORTIMENTO DIMENSIONALE POROSITA’. Determina l’assorbimento d’acqua del calcestruzzo, e quindi anche la sua resistenza ai cicli di gelo-disgelo DENSITA’: importante per il proporzionamento del calcestruzzo CARATTERISTICHE MECCANICHE ASSORBIMENTO DI ACQUA: determina il quantitativo di acqua da aggiungere alla miscela (parte dell’acqua viene assorbita dall’inerte)

54 Altre proprietà dell’aggregato
CARATTERISTICHE CHIMICO-MINERALOGICHE Alcune sostanze devono essere mantenute entro certi limiti, perché riducono la durabilità del calcestruzzo. Le sostanze indesiderate possono: Rallentare le reazioni di idratazione (sostanze organiche) Depositarsi sulla superficie degli aggregati riducendo l’adesione alla matrice (argille) Avere scarse caratteristiche meccaniche (carbone, mica) Causare reazioni espansive (solfati o silici reattive ad alcali) Causare problemi di corrosione (cloruri) CARATTERISTICHE TERMICHE determinano l’innalzamento della temperatura durante le fasi di presa ed indurimento, e l’entità di sollecitazioni residue nel calcestruzzo (CTE diversi per cemento ed inerte) COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA LINEARE (CTE) CALORE SPECIFICO CONDUCIBILITA’ TERMICA

55 Umidità Asciutto Bagnato Ssa
Un inerte ha al suo interno dei pori, sia aperti che chiusi. Per le proprietà di lavorabilità sono molto importanti i pori aperti Un inerte può essere: Asciutto o insaturo, se i suoi pori aperti sono completamente o parzialmente privi di acqua Bagnato, se tutti i pori aperti sono pieni di acqua e la superficie è ricoperta di acqua Saturo a superficie asciutta (ssa), se i suoi pori aperti sono completamente pieni di acqua, e la superficie è asciutta Assorbimento: contenuto di umidità nell’inerte che determina la condizione di ssa Asciutto Bagnato Ssa

56 Aggregato secco Una parte dell’acqua aggiunta viene assorbita dall’inerte, riducendo la lavorabilità del calcestruzzo Assorbimento =1% MC=300 Kg/m3, Ma 150 l/m3, Mi=2000 Kg/m3 Aggiungendo i quantitativi nominali, l’inerte assorbirà un quantitativo di acqua pari a: Maa=0.01*2000=20 Kg/m3 Il calcestruzzo sarà composta da: MC=300 Kg/m3, Ma=150-20=130 l/m3, Mi= =2020 Kg/m3 Perde in lavorabilità rispetto alle specifiche!!! Allora bisogna ridurre il contenuto di inerte umido: di 20Kg!!! I 20 Kg che verranno assorbiti dall’inerte devono essere aggiunti aumentando il contenuto di acqua Il calcestruzzo sarà composta da: MC=300 Kg/m3, Ma=150+20=170 l/m3, Mi= =1980 Kg/m3 l’inerte assorbirà un quantitativo di acqua pari a Maa=0.01*1980=19.8 Kg/m3 Il calcestruzzo sarà composta da: MC=300 Kg/m3, Ma= =150.2 l/m3, Mi= = Kg/m3

57 Aggregato bagnato Oltre all’acqua aggiunta, altra acqua viene rilasciata dall’inerte, aumentando la porosità e riducendo le caratteristiche meccaniche e fisiche Assorbimento =1%, umidità 3% Acqua rilasciata: 2% Aggiungendo i quantitativi nominali: 200 Kg di inerte cederanno alla malta 40 Kg di acqua MC=300 Kg/m3, Ma=150+40=190 l/m3, Mi= =1960 Kg/m3 Aumento il rapporto a/c, diminuiscono le caratteristiche meccaniche Quindi bisogna ridurre il contenuto di acqua di circa 40 l Il calcestruzzo sarà composto da: MC=300 Kg/m3, Ma=150-40=110 l/m3, Mi= =2040 Kg/m3 L’inerte rilascerà: 0.02*2040=40.8 Kg di acqua E quindi la miscela sarà effettivamente costituita da: MC=300 Kg/m3, Ma=150.8 l/m3, Mi= Kg/m3

58 Aggregato SSA In questo caso se la ricetta del calcestruzzo prevede determinati valori del contenuto di acqua, cemento ed inerte, la malta deve essere realizzata aggiungendo esattamente i quantitativi previsti Situazione ideale!!!! Assorbimento Condizione inerte Mc (Kg/m3) Di progetto Ma (l/m3) Mi (Kg/m3) effettivi 1% Ssa 300 150 2000 Competamente secco 170 1980 Umidità del 3% 110 2040

59 Assortimento granulometrico dell’inerte
L’inerte deve essere ben assortito: le diverse frazioni (pezzature), dalle più piccole alle più grandi, devono essere presenti nelle dovute proporzioni Massimo impacchettamento Migliore lavorabilità

60 Setacciatura Si posizionano dei setacci con apertura (W) decrescente andando verso il basso Su ciascun setaccio di apertura Wi passano gli inerti che hanno diametro d<Wi e restano bloccati gli inerti per cui d>Wi Su ciascun setaccio i viene raccolta una massa Mi di inerti per cui Wi<d<Wi-1 Il percento trattenuto parziale è Il percento trattenuto cumulativo è d>W1 W2<d<W1 W3<d<W2 d<W3 w1 W2 W3

61 Setacciatura Il percento passante per ciascun valore di Wi rappresenta la percentuale di inerte che ha diametro tale che d<Wi Apertura setaccio (mm) Peso (g) trattenuto Percento trattenuto parziale Percento trattenuto cumulativo Percento passante 9.520 0.0 100 4.760 60 2.0 2 98 2.380 310 10.1 12.1 87.9 1.190 300 9.8 21.9 78.1 0.595 590 19.2 41.1 58.9 0.297 1070 34.9 76 24 0.149 530 17.3 93.3 6.7 P. a 0.149 210 Totale 3070 246

62 Aggregati alluvionali
Distribuzioni ideali A Terra umida Plastica semifluida Fluida-superfluida Aggregati alluvionali 8 10 12 Aggregati frantumati 14 Nel definire una distribuzione granulometrica ottimale degli inerti si possono considerare due obiettivi: Minimizzare il volume dei vuoti tra le particelle di inerte, in modo da rendere minimo il contenuto di cemento Garantire la massima lavorabilità del calcestruzzo fresco Massimo impacchettamento:curva di FULLER. Calcestruzzi molto asciutti Migliore lavorabilità: curva di BOLOMEY Il parametro A tiene conto della lavorabilità Per avere una maggiore lavorabilità, si aumenta A A parità di lavorabilità, A è maggiore per aggregati frantumati

63 Confronto tra distribuzioni ideali
La distribuzione di Bolomey prevede aggregati più fini Fuller P=0d=0 Bolomey P=0 mai! (d=0P=A) In genere nella progettazione le curve di distribuzione sono riferite ai soli inerti

64 Diametro massimo Aumentare il diametro massimo dell’inerte è vantaggioso perché a parità di contenuto di inerte è richiesta meno acqua per avere la stessa lavorabilità (e quindi la resistenza meccanica è migliore) Nella progettazione bisogna tenere conto che il diametro massimo dell’inerte non deve superare: il 30% dello spessore del copriferro il 25% della sezione minima la distanza tra i ferri diminuita di 5mm

65 Additivi Migliorano specifiche proprietà del getto in base a determinate esigenze Acceleranti Migliorano lo sviluppo delle proprietà a tempi brevi. Il genere, non hanno influenza sulle proprietà a lungo termine. Applicazioni tipiche: getti in clima freddo. Acceleranti di presa: è richiesto che il tempo di inizio presa a 5°C sia pari al massimo al 60% del cemento senza additivo. Il tempo di inizio presa a 20°C deve comunque essere maggiore di 30 minuti Acceleranti di indurimento: trietanolammina, formiato di calcio. La resistenza dopo 24 ore a 20°C deve essere il 20% in più rispetto al calcestruzzo senza additivo. Dopo 48 ore a 5°C deve essere il 30% in più. Dato che in genere la loro presenza comporta una riduzione della resistenza finale, si richiede che la resistenza dopo 28 giorni sia pari almeno al 90% del cemento senza additivo Ritardanti di presa Hanno funzione opposta rispetto agli acceleranti. Utilizzati per getti massivi o in clima caldo. Viene richiesto che il tempo di inizio e fine presa siano 90 minuti e 4 ore maggiori rispetto a quelli di un cemento senza additivo

66 Additivi Aeranti Fluidificanti / superfluidificanti
Formano bolle d’aria all’interno della malta indurita, migliorando la resistenza ai cicli di gelo-disgelo La presenza di bolle d’aria favorisce la lavorabilità Fluidificanti / superfluidificanti A parità di contenuto di acqua, aumentano le proprietà di flusso del materiale A parità di lavorabilità, riducono il contenuto di acqua Diventano possibili anche getti di forme molto complesse e sezioni sottili Sono in genere polimeri, assorbiti sulla superficie delle particelle, aumentando le forze repulsive tra particelle, impedendone l’aggregazione

67 Lavorabilità E’ la proprietà più importante del calcestruzzo fresco
Definisce la capacità del calcestruzzo di fluire (viscosità) Si misura con la prova di abbassamento del cono di Abrams (di dimensioni e forma standard) Il cono si abbassa per effetto della gravità Le norma definiscono 5 classi di consistenza in funzione dello slump 300mm 200mm slump 100mm Classe di consistenza Slump (mm) denominazione S1 10-40 Terra umida S2 50-90 Plastica S3 Semi-fluida S4 Fluida S5 >220 Super-fluida

68 Flusso del calcestruzzo fresco
Per un fluido Newtoniano vale la legge di Newton: I cementi presentano uno sforzo di soglia, al di sotto del quale il fluido non scorre (fluido di Bingham)  B 1/ Newton Bingham

69 L’acqua L’aggiunta di acqua è necessaria per le reazioni di idratazione del cemento L’acqua in eccesso rispetto al rapporto stechiometrico conferisce lavorabilità al cemento La lavorabilità aumenta all’aumentare del rapporto a/c (legge di Lyse) La resistenza diminuisce all’aumentare del rapporto a/c Legge di Abrams K1 e K2 sono costanti dipendenti dal tempo e la temperatura di stagionatura, e dal tipo di cemento

70 Lavorabilità e acqua Un calcestruzzo più fluido richiede più acqua
A parità di fluidità, è richiesto un contenuto di acqua maggiore per aggregati più fini (maggiore superficie di interfaccia e quindi maggiore attrito tra particelle) Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150

71 Lavorabilità e acqua Un calcestruzzo più fluido richiede più acqua (si legge sulle righe) A parità di fluidità, è richiesto un contenuto di acqua maggiore per aggregati più fini (maggiore superficie di interfaccia e quindi maggiore attrito tra particelle) Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150

72 Lavorabilità e acqua Un calcestruzzo più fluido richiede più acqua
A parità di fluidità, è richiesto un contenuto di acqua maggiore per aggregati più fini (maggiore superficie di interfaccia e quindi maggiore attrito tra particelle) (si legge sulle colonne) Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150

73 Lavorabilità e acqua Per lo stesso motivo, a parità di fluidità, aggregati frantumanti (maggiore superficie di interfaccia) richiedono un contenuto di acqua maggiore rispetto ad aggregati tondeggianti (minore superficie di interfaccia)

74 Importanza della lavorabilità
Se viene prescritta solo la resistenza, si possono avere delle lavorabilità troppo basse durante la posa in opera R=25 MPa dato progetto Utilizzo una miscela dosata con: MC=280 Kg/m3 Ma=180 l/m3 Mi=1900 Kg/m3 Dmax=20 mm CEM II/B-L 32.5R Rapporto a/c=0.64 R=30 MPa resistenza effettiva della miscela (determinata sperimentalmente per quel cemento) Lavorabilità bassa!!! (S1) Allora aumento il contenuto di acqua per arrivare ad una classe di consistenza S3 (30 l/m3 in più) Rapporto a/c=0.75 Diminuzione proprietà meccaniche a 21MPa<25MPa

75 Lavorabilità e affidabilità
La lavorabilità del calcestruzzo influenza non solo la capacità di riempire forme più o meno complesse, ma anche: Affidabilità: capacità di assicurare buoni risultati nel calcestruzzo gettato indipendentemente dalla qualità della messa in opera Compattabilità: espulsione dell’aria intrappolata dal calcestruzzo fresco per raggiungere la massima densità possibile Grado di compattazione:

76 Lavorabilità e affidabilità
Il materiale più fluido riesce a compattarsi in minore tempo Assicura migliori prestazioni già a tempi più brevi La qualità del calcestruzzo è meno dipendente dall’affidabilità della mano d’opera Consistenza del cls Classe di consistenza Slump (mm) (gc) min-max Plastica S2 50-90 0,90-0,93 Semi-fluida S3 0,93-0,95 Fluida S4 0,95-0,97 Super-fluida S5 > 210 0,97-0,98 Auto compattante SCC ? 0,99-1,00

77 Aggiunta di fluidificanti
MC=360 Kg/m3 Ma=180 l/m3 Mi=1850 Kg/m3 Dmax=30 mm CEM II/A-L 32.5R Aggiunta fluidificante che consente di mantenere la stessa lavorabilità con il 20% di acqua in meno Senza fluidificante: a/c=0.5 R=43MPa (determinata sperimentalmente per il tipo di cemento utilizzato) Se aggiungo il fluidificante e mantengo lo stesso dosaggio, dal punto di vista della fluidità il contenuto di acqua equivalente vale Ma=180/(1-0.2)=225 l/m3 Che da una classe di consistenza S5!!!! Senza modificare il rapporto a/c e le proprietà meccaniche

78 Aggiunta di fluidificanti
MC=360 Kg/m3 Ma=180 l/m3 Mi=1850 Kg/m3 Dmax=30 mm Senza fluidificante: a/c=0.5 R=43MPa (determinata sperimentalmente per il tipo di cemento utilizzato) Se invece mantengo la stessa lavorabilità il contenuto di acqua può essere ridotto a: Ma=180*(1-0.2)=144 l/m3 a/c=0.4, migliorano le proprietà meccaniche(R=57 MPa) Oppure:riduco il contenuto di acqua e mantengo costante a/c Ma=144 l/m3 MC=288 Kg/m3 Risparmio 36 l di acqua e 72 Kg di cemento Posso aggiungere più inerte (mantenendo costante il volume totale)!!!! 36 l di acqua corrispondono a 36dm3*2Kg/dm3=72 Kg di inerte Se hanno la stessa densità, 72 Kg di cemento corrispondono a 72 Kg di inerte Mi=2000 Kg/m3 Riduco costo (da valutare il costo aggiuntivo del fludificante) Riduco riscaldamento del getto e ritiro

79 Proprietà meccaniche La proprietà più importante per i calcestruzzi è la resistenza a compressione Rc Il parametro che influenza in maniera più significativa la RC è il rapporto a/c Legge di Abrams K1 e K2 sono costanti dipendenti dal tempo e la temperatura di stagionatura, e dal tipo di cemento Gli inerti hanno poca influenza sulla resistenza a compressione, dato che in genere il calcestruzzo si rompe in corrispondenza della fase cementizia (resistenza degli inerti maggiore di quella del cemento)

80 Stagionatura E’ la fase di presa ed indurimento in cui temperatura ed umidità del cemento sono controllate, in modo da ottimizzare la proprietà meccaniche e fisiche del calcestruzzo Aumentando la T, aumenta la velocità della reazione di idratazione secondo una legge di tipo Arrhenius : v = Aexp –Q/RT Insieme alle velocità aumetano i riscaldamenti del getto (problemi in fase di ritiro) (Resistenza a compressione)/Rmax (%) tempo Temperatura Le norme prescrivono 4 classi di stagionatura 12 h Viene raggiunto il 35% della resistenza a compressione caratteristica (misurata a 28 gg in condizioni standard) Viene raggiunto il 50% Viene raggiunto il 70%

81 Prove di compressione Vengono effettuate su provini di forma e dimensioni standard (cubici da 150 mm di lato o cilindrici 150mm diametro e 300 mm altezza) Mantenuti in condizioni standard: 20°C UR>95% In genere la resistenza di provini cubici è maggiore della resistenza di provini cilindrici di un fattore 0.25   RC Tratto lineare <0.3 RC

82 Analisi statistica dei test di compressione
Effettuando dei test NT di compressione su molti provini, si otterranno dei risultati diversi di resistenza a compressione frazione RC (MPa) RCj fj

83 Analisi statistica dei test di compressione
La distribuzione discreta (a barre) viene rappresentata attraverso una distribuzione continua (curva rossa) detta distribuzione gaussiana f Resistenza a compressione (MPa)

84 Analisi statistica dei test di compressione
La resistenza caratteristica è il valore della resistenza al di sotto del quale cade il 5% dell’area sottesa dalla curva (quinto percentile)

85 Analisi statistica dei test di compressione
La resistenza caratteristica è il valore della resistenza al di sotto del quale cade il 5% dell’area sottesa dalla curva (quinto percentile)

86 Normativa Affinché un cemento rientri in una determinata classe di resistenza (individuata da un valore caratteristico di RCK )è necessario che: Controllo tipo A. Per getti di volume inferiore a 300 m3 siano effettuati almeno tre prelievi e la resistenza media Rm e minima Rmin determinata nei test siano tali che: Controllo tipo B. Per getti di volume superiore a 1500 m3 bisogna effettuare almeno 15 prelievi e fare l’analisi statistica

87 Normativa Le considerazioni fatte valgono sia per la classificazione del cemento nella opportuna classe di resistenza, che nella fase di progettazione Un cemento per cui nella fase di caratterizzazione delle malte standard si sia ottenuto: Potrà essere classificato come cemento 32.5 Al contrario, un cemento per cui nella fase di caratterizzazione delle malte standard si sia ottenuto: Potrà essere classificato come cemento 42.5 Importanza dell’affidabilità!!! (riduzione della deviazione standard)

88 Normativa Nella fase di progettazione, se il dato di progetto prescrive Immaginando di eseguire un controllo di tipo A, sarà necessario avere: Con conseguente riduzione del rapporto a/c

89 Modulo elastico del calcestruzzo
Il calcestruzzo è un materiale composito, in cui il modulo dipende dai moduli di matrice (cemento), rinforzo (inerte) e percentuali relative di due componenti Per i compositi (si veda capitolo relativo) il modulo è compreso tra due valori estremi: Una buona approssimazione è data:   Inerte Cemento Calcestruzzo

90 Modulo elastico del calcestruzzo
Pur derivando da due materiali che hanno comportamento elastico lineare (materiali fragili) il calcestruzzo ha comportamento fortemente non lineare Ciò è dovuto alla presenza di microfessure all’interfaccia tra le due fasi Si definiscono due tipi di modulo Modulo tangente= tan() Modulo secante= tan()   0.4 RC  

91 Creep del calcestruzzo
Il creep a compressione nel calcestruzzo è legato al movimento dell’acqua nella malta cementizia Aumentando il valore del carico applicato, il materiale si rompe per valori più bassi della deformazione e per tempi minori Un altro fenomeno rilevante è il recupero (rimozione dello sforzo), che comporta il recupero istantaneo e completo della deformazione elastica ed un recupero lento e parziale della deformazione viscosa  t el Recupero elastico =el Recupero viscoso< deformazione viscosa Deformazione residua deformazione elastica deformazione viscosa t1

92 Corrosione nei calcestruzzi: Passivazione
Se il pH del cemento è maggiore di , si forma uno strato protettivo di ossido sulla superficie dell’armatura di acciaio (passivazione) Questa è la situazione più comune nei cementi Per la presenza di calce pH=13 copriferro armatura calcestruzzo Film protettivo passivante pH13 Aria O2/H2O

93 Corrosione nei calcestruzzi: depassivazione
La perdita di passività (depassivazione) si può ricondurre ad attacchi di agenti esterni La depassivazione avviene se il pH scende a valori inferiori a 11.5, lo strato di film si rompe Il pH scende quando diminuisce il tenore di idrossido di calcio Depassivazione per carbonatazione o per cloruri copriferro armatura calcestruzzo Film protettivo passivante pH<11.5 Aria O2/H2O pH13 CO2/ cloruri

94 Corrosione nei calcestruzzi
Una volta che il pH è sceso ad un valore inferiore a 11.5, il metallo va incontro a corrosione L’aria umida trasporta ossigeno e acqua, che causano la corrosione La ruggine è 5-6 volte più voluminosa del ferro di partenza Il copriferro viene prima fessurato e poi espulso copriferro armatura calcestruzzo Film protettivo passivante pH<11.5 Aria O2/H2O pH13 ruggine fessura

95 Cinetica di corrosione
tempo Penetrazione della corrosione innesco della corrosione fessurazione Distacco del CLS Stato limite ultimo Collasso della struttura

96 Carbonatazione Copriferro depassivato xD Copriferro passivato x
La velocità di carbonatazione dipende dalle condizioni ambientali e dalle proprietà del cemento Copriferro depassivato c>ccr pH<11.5 Copriferro passivato x xD c<ccr pH>11.5

97 Carbonatazione Lo strato depassivato è xD=Kt1/2
K aumenta all’aumentare di D (e quindi del rapporto a/c) e dell’umidità relativa

98 Carbonatazione La corrosione si innesca quando xD=xCF (spessore del copriferro)

99 Corrosione da cloruri Nel caso della corrosione da cloruri la velocità di corrosione è tanto elevata che il tempo di propagazione si assume nullo, e la vita utile coincide con il tempo di innesco La corrosione da cloruri favorisce il fenomeno di pitting, per cui la velocità di corrosione è elevatissima Il coefficiente di diffusione D diminuisce: Al diminuire di a/c (minore porosità) All’aumentare del grado di compattazione Passando dal cemento portland al pozzolanico a/c D (m2/s) 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 10-13 10-12 10-11 CEM I (portland) CEM IV/A (pozzolanico CEM III/B (con loppa)

100 Altra forme di degrado dei calcestruzzi
Oltre alla corrosione dovuta alla presenza delle armature di acciaio, altri fenomeni possono essere alla base dei processi di degrado dei calcestruzzi: attacco solfatico della matrice cementizia reazione alcali-silice degli inerti formazione di ghiaccio nella matrice cementizia e negli inerti dilavamento della superficie del calcestruzzo da parte di acque acide microfessurazione indotta da variazioni igro-termiche e da sollecitazione in servizio

101 Attacco solfatico Dovuto alla formazione di ettringite dopo che la malta cementizia è indurita L’ettringite è molto più voluminosa dei composti di partenza Se la formazione di ettringite avviene quando la pasta cementizia è indurita, si possono provocare fessurazioni all’interno della massa di cemento Si deve fare distinzione tra l’ettringite formatasi nei primi stadi dell’idratazione e quella che si forma negli stadi successivi Si distingue in due tipi: Attacco solfatico esterno: lo ione SO4= è presente nei terreni o nelle acque a contatto con la struttura Attacco solfatico interno: lo ione SO4= è presente nell’aggregato o come gesso in eccesso aggiunto come regolatore di presa

102 Il gesso Il gesso nel cemento viene spesso introdotto in dosi controllate Reagendo con i prodotti di idratazione del cemento, rallenta l’indurimento del cemento. Viene detto regolatore di presa L’ettringite che si forma in questo caso è detta primaria (EEF, early ettringite formation) L’ettringite primaria si forma quando il cemento è allo stato fluido, a bassissimo modulo elastico (si generano bassissime tensioni) L’ettringite da solfati si forma in una seconda fase (DEF, delayed ettringite formation), quando il getto è indurito e ad alto modulo. Le tensioni possono essere molto alte Le cause sono principalmente 2: Le particelle di inerte possono avere al loro interno del gesso, che impiega un certo tempo per venire a contatto con i prodotti di idratazione La distribuzione del gesso non è uniforme, lo stato tensionale è eterogeneo

103 Reazione alcali-silice
Na+ H2O N-S-H L’effetto è dovuto alla presenza di silice amorfa reattiva Anche in questo caso, l’effetto espansivo può essere molto dannoso Ancora una volta, si deve fare distinzione tra i silicati aggiunti di proposito e silicati presenti come impurezze Distribuzione e area specifica sono i parametri che discriminano tra i due tipi di silice L’utilizzo di cementi di miscela permette di migliorare la durabilità La silice infatti reagisce quasi subito con gli alcali, e viene meno il carattere distruttivo dell’espansione

104 Formazione di ghiaccio
Il ghiaccio si forma solo se nei pori del calcestruzzo è presente acqua La formazione di ghiaccio è accompagnata da un’espansione pari a circa il 9% Questa espansione può portare a carichi di compressione eccessivi sul calcestruzzo Il calcestruzzo non è sottoposto a compressioni se il grado di saturazione (volume di acqua/volume dei pori) è inferiore alla “saturazione critica” La effettiva rottura poi del calcestruzzo dipende dalla sua resistenza La durabilità rispetto alla formazione di ghiaccio si migliora: Riducendo il rapporto a/c: si diminuisce la porosità capillare (0.1-10m) e quindi l’ingresso di acqua piovana nei pori Aumentando la frazione di pori a grande dimensione ( m), che accolgono l’acqua gelata

105 Le normative sui cementi
Le norme UNI-EN 206 sono finalizzate ad assicurare la durabilità dei cementi Fissano la composizione ottimale del cemento in funzione delle condizioni ambientali La classe di esposizione indica la tipologia di rischio a cui è esposto un calcestruzzo Classe di esposizione Descrizione Tipo di struttura Numero di sottoclassi XO Nessun rischio di degrado Armata e non armata 1 XC Corrosione delle armature dovuta alla carbonatazione armata 4 XD Corrosione delle armature dovuta a cloruri (esclusi quelli presenti acqua marina) 3 XS Corrosione delle armature dovuta a cloruri presenti in acqua marina XF Degrado dovuto ai cicli di gelo-disgelo XA Attacco chimico del calcestruzzo

106 Classe XO La classe di esposizione XO riguarda ambienti (interni di edifici molto asciutti) in cui non esiste nessun rischio di degrado indipendentemente dalla composizione Lo spessore del copriferro deve essere 15mm per strutture in c.a. e 20mm in c.a.p.

107 Classe XC Sono presenti 4 sottoclassi in ordine crescente di rischio di degrado Quando le condizioni diventano più severe, deve diminuire il rapporto a/c, aumentare la resistenza, il dosaggio di cemento, lo spessore di copriferro In strutture precompresse, lo spessore di copriferro è maggiore. In queste condizioni, i potenziali di corrosione aumentano Classe di esposizione Ambiente Esempi a/c MAX RCK MIN Dosaggio di cemento (Kg/m3) MIN Spessore copriferro (mm) c.a. c.a.p XC1 Asciutto Interni di edifici 0.65 25 260 15 XC2 Bagnato, raramente asciutto Strutture idrauliche Strutture interrate 0.60 30 280 35 XC3 Moderatamente umido Interni di edifici con UR elevata Strutture esterne non esposte alla pioggia 0.55 37 XC4 Ciclicamente bagnato ed asciutto Strutture esterne esposte all’acqua piovana 0.50 320 40

108 Scelta del cemento In una stessa struttura, diverse zone possono essere esposte a diverse condizioni di attacco da carbonatazione In questo caso, si devono prevedere diversi tipi di cemento per le diverse zone Fondazioni (XC2) Salotto (X0) Cucina (XC1) Patio (XC3) Parte esterna (XC4)

109 Classe XD Le condizioni bagnato/asciutto sono le più critiche, perché la corrosione avviene se acqua e aria arrivano alternativamente sul ferro Lo spessore del copriferro è maggiore rispetto al caso della carbonatazione, perché nella corrosione da cloruri il tempo di vita coincide con il tempo di innesco Classe di esposizione Ambiente Esempi a/c MAX RCK MIN Dosaggio di cemento (Kg/m3) Spessore copriferro (mm) c.a. c.a.p XD1 Moderatamente umido Strutture raramente a contatto con spruzzi di acqua 0.55 37 300 45 55 XD2 Bagnato, raramente asciutto Piscine Vasche di trattamento di acque con cloruri XD3 Ciclicamente asciutto e baganto Pavimentazioni esposti ad acque salate 0.45 320

110 Classe XS Le condizioni sono ancora più restrittive
E’ presente anche l’azione fisica di dilavamento o solubilizzazione Classe di esposizione Ambiente Esempi a/c MAX RCK MIN Dosaggio di cemento (Kg/m3) MIN Spessore copriferro (mm) c.a. c.a.p XS1 Moderatamente umido Strutture esposte al trascinamento eolio dell’acqua 0.50 37 300 45 55 XS2 Bagnato, raramente asciutto Strutture completamente sotto il livello dell’acqua marina 0.45 320 XS3 Ciclicamente asciutto e baganto Strutture esposte discontinumante all’acqua marina (bassa marea) 340

111 Classe XF In questo caso è previsto anche un tenore minimo di vuoti all’interno della struttura, che permetta di assorbire le variazioni dimensionali dei componenti Per quanto riguarda la XF4, la presenza di sali disgelanti a base di cloruri (NaCl o CaCl2) pone delle condizioni ancora più restrittive Classe di esposizione Ambiente Esempi Volume minimo di aria (%) a/c MAX RCK MIN Dosaggio di cemento (Kg/m3) Spessore copriferro (mm) c.a. c.a.p XF1 Moderata saturazione di acqua senza agenti disgelanti Superfici verticali esposte a pioggia e gelo 0.55 37 300 30 40 XF2 Moderata saturazione di acqua in presenza di agenti disgelanti Superfici verticali esposte a pioggia, gelo e spruzzi di sali disgelanti 4 45 55 XF3 Elevata saturazione di acqua senza agenti disgelanti Superfici orizzontali esposte a pioggia e gelo 0.50 320 XF4 Elevata saturazione di acqua in presenza di agenti disgelanti Superfici orizzontali esposte a pioggia e gelo e Sali disgelanti 0.45 340

112 Terreni chimicamente aggressivi
Classe di esposizione Descrizione dell’ambiente TERRENO Massimo rapporto a/c Minima Rck (N/mm2) Dosaggio minimo di cemento (Kg/m3) Spessore di copriferro (mm) Acidità SO4= (mg/Kg) c.a. c.a.p. XA1 >200 >2000 <3000 0.55 37 300 25 35 XA2 ------ >3000 <12000 0.50 320 XA3 >12000 <24000 0.45 45 360

113 Acque chimicamente aggressive
Classe di esposizione Descrizione dell’ambiente ACQUA Massimo rapporto a/c Minima Rck (N/mm2) Dosaggio minimo di cemento (Kg/m3) Spessore di copriferro (mm) SO4= (mg/l) pH CO2 NH4+ Mg++ c.a. c.a.p. XA1 >200 <600 <6.5 >5.5 >15 <40 <30 >300 <1000 0.55 37 300 25 35 XA2 >600 <3000 <5.5 >4.5 >40 <100 >30 <60 >1000 0.50 320 XA3 >3000 <6000 <4.5 >4.0 >100 >60 0.45 45 360 L’attacco aggressivo dei prodotti chimici di tabella può essere suddiviso in due tipi: Decalcificazione del C-S-H Espansione differenziale e fessurazione

114 Aggressione delle acque
La decalcificazione consiste nella rimozione del calcio dal prodotto collante C-S-H, cui si deve l’effetto collante del cemento Il C-S-H si trasforma in specie via via meno collanti, fino a diventare nel caso di totale perdita di calcio, in S-H, silice amorfa totalmente priva di effetto legante La decalcificazione coinvolge anche Ca(OH)2, che però ha una debole azione legante, ed il risultato non è così dannoso come per la decalcificazione di C-S-H

115 Durabilità e mix design

116 Durabilità e mix design
Selezionata la classe di esposizione ambientale della struttura di cemento, la norma prescrive un valore massimo di a/c, (a/c)MAX,D Inoltre un valore massimo di a/c, (a/c)MAX,R deriva dallo step precedente e dal tipo di cemento scelto (per via grafica) In ogni caso si deve scegliere un valore di a/c tale che: In pratica sui sceglie il valore più basso tra i due (a/c)

117 Durabilità e mix design
Calcolato il contenuto di acqua dai requisiti sulla lavorabilità e dal rapporto a/c (calcolato nello step precedente), si ottiene un valore del contenuto di cemento, cMIN,R Inoltre un valore minimo di c, (c)MIN,D deriva dai requisiti sulla durabilità In pratica sui sceglie il valore più alto tra i due (c)

118 Mix design Il mix design può essere effettuato
E’ la fase di progettazione delle miscele, per rendere il calcestruzzo idoneo alle specifiche del progettista Il mix design deve tenere conto di: Caratteristiche meccaniche Lavorabilità Durabilità Il mix design può essere effettuato Dal progettista (prescrizione a composizione) Dal responsabile di cantiere (prescrizione a prestazione garantita) In generale, requisiti sulle proprietà meccaniche e sulla durabilità fissano il tipo ed il quantitativo minimo di cemento Requisiti sulla lavorabilità determinano il contenuto di acqua Il contenuto di inerti è fissato come differenza Si fa sempre riferimento ad 1m3 di calcestruzzo

119 Determinazione della quantità di cemento e di a/c
Classe di esposizione Requisiti progettuali Classe di resistenza (RCK) Controllo qualità Resistenza media (Rm) Contenuto minimo di cemento (cmin) Tipo di cemento Rapporto a/cD Contenuto minimo di aria Rapporto a/cR Rapporto a/c

120 Determinazione della quantità di acqua
Dimensione massima e proprietà aggregati Classe di consistenza Acqua di impasto Additivi fluidificanti Additivi aeranti

121 Determinazione della quantità di inerti
Densità degli aggregati Massa degli aggregati Volume di aria Volume occupato dagli aggregati Acqua di impasto a a/c Contenuto di cemento Volume occupato dal cemento Contenuto di cemento effettivo Contenuto di cemento minimo

122 Applicazioni del mix design (A-1)
Dati del progetto Resistenza meccanica: RCK=37 MPa Classe di consistenza: S3 Classe di esposizione: XC2 (a/cD=0.6; RCK=30 MPa; cmin=280Kg/m3) Dmax=25 mm Cemento II/A-L 42.5 R

123 Applicazioni del mix design (A-2)
Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150 Dmax=25 mm, S3a=210 Kg/m3 c=210/0.53=396 Kg/m3 Classe di esposizione: XC2 (cmin=280Kg/m3) c>cmin E successivamente si deve fare l’assortimento granulometrico dell’inerte

124 Applicazioni del mix design (B-1)
Dati del progetto Resistenza meccanica: RCK=25 MPa Classe di consistenza: S3 Classe di esposizione: XC4 (a/cD=0.5; RCK=37 MPa; cmin=300Kg/m3) Dmax=25 mm Dmax=25 mm, S3a=210 Kg/m3 c=210/0.5=420 Kg/m3 Classe di esposizione: XC4 (cmin=300Kg/m3) c>cmin

125 Applicazioni del mix design ( 1 ottimizzazione di B-1)
La miscela come realizzata nella slide precedenti soddisfa tutti i requisiti, ma non è una miscelazione «intelligente» Infatti, la miscela può essere ottimizzata in diversi modi Osservazione 1: E dovendo comunque scegliere il valore più alto, cioè 37 (MPa) otterrò un calcestruzzo notevolmente sovradimensionato dal punto di vista della resistenza meccanica Ricordando che Aumento (RCK)R portandola ad un valore quanto più possibile vicino a (RCK)D riducendo la sezione (e quindi risparmiando quantitativo di materiale utilizzato) Va rivista la fase di progettazione!!!!!

126 Applicazioni del mix design ( 2 ottimizzazione di B-1)
Osservazione 2: E dovendo comunque scegliere il valore più basso, cioè 0.5 otterrò un calcestruzzo notevolmente sovradimensionato dal punto di vista della resistenza

127 Applicazioni del mix design ( 2 ottimizzazione di B-1)
Dati del progetto Rm=40.5 MPa Utilizzo un cemento meno performante (32.5 R) a=210 Kg/m3 c=210/0.48=437 Kg/m3 Consumando solo 17 Kg in più rispetto a quelli che utilizzavo di cemento 42.5R Classe di esposizione: XC4 (cmin=300Kg/m3) c>cmin

128 Applicazioni del mix design ( 3 ottimizzazione di B-1)
Osservazione 3: Aggiunta di un fluidificante che riduce il contenuto di acqua del 20% a=0.8*210 Kg/m3=168 Kg/m3, c=168/0.48=350 Kg/m3,>300Kg/m3 Risparmio acqua, cemento (e metto più inerte) ma devo considerare i costi aggiuntivi legati all’aggiunta di superfluidificante

129 Applicazioni del mix design (C-1)
Dati del progetto Resistenza meccanica: RCK=37 MPa Classe di consistenza: S4 Classe di esposizione: XS3 (a/cD=0.45; RCK=45 MPa; cmin=340Kg/m3) Dmax=30 mm

130 Applicazioni del mix design (C-2)
Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150 a=210 kg/m3 c=466 Kg/m3>>cmin=340Kg/m3 Aggiunta di un fluidificante che riduce il contenuto di acqua del 15% a=0.85*210 l/m3=178 l/m3, c=178/0.45=396 Kg/m3>340Kg/m3 E successivamente si deve fare l’assortimento granulometrico dell’inerte

131 Applicazioni del mix design (D-1)
Dati del progetto Resistenza meccanica: RCK=37 MPa Classe di consistenza: S4 Classe di esposizione: XF4 (a/cD=0.45; RCK=37 Mpa; cmin=340Kg/m3, aria=4%) Dmax=30 mm In assenza di dati sperimentali

132 Applicazioni del mix design (D-2)
Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150 a=210 kg/m3 Aggiunta del 4% di aria: -13 Kg/m3 di acqua a=197 Kg/m3 c=438 Kg/m3>>cmin=340Kg/m3 E successivamente si deve fare l’assortimento granulometrico dell’inerte

133 Applicazioni del mix design (E-1)
Dati del progetto Resistenza meccanica: RCK=57 MPa Classe di consistenza: S1 Classe di esposizione: XA3 (a/cD=0.45 cmin=360Kg/m3 RCK=45 MPa) Dmax=160 mm Controllo tipo A RM=57+3.5=60.5 MPa Diametro dell’inerte (mm) Richiesta d’acqua (Kg/m3) S1 S2 S3 S4 S5 8 195 210 230 250 255 16 185 200 220 240 245 20 180 215 225 25 175 190 32 165 63 140 155 125 170 160 120 135 150 a=120 Kg/m3 c=272 Kg/m3<cmin=360Kg/m3 Quindi il contenuto di cemento deve almeno essere pari a 360 a/c=120/360=0.35 per forza!!!! a/c soddisfa a/cD Guardare la resistenza enorme!!! Utilizzo di un cemento meno performante

134 Applicazioni del mix design (E-1)
a/c=0.35 Utilizzo di un cemento meno performante Non va bene. Rivedere i dati strutturali??

135 Riassunto Mix-Design Contenuto minimo di cemento
Class>e di esposizione (durabilità) Rapporto a/c Contenuto di cemento c Requisiti progettuali lavorabilità Contenuto di acqua (a) Diametro massimo inerte Additivi (aeranti e fluidificanti) Contenuto di inerte

136 Calcestruzzi speciali
Sono stati progettai e sviluppati per soddisfare alcuni dei limiti principali dei calcestruzzi tradizionali: Bassa resistenza specifica Calcestruzzi leggeri strutturali Calcestruzzi ad alte prestazioni Aumentare la lavorabilità Calcestruzzi autocompattanti

137 Calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC)
Sono caratterizzati da una frazione di vuoti estremamente bassa Sono ottenuti a partire da cemento portland con aggiunte pozzolaniche e di loppa Inoltre vengono aggiunti 5-15% di fumo di silice Il rapporto a/c è estremamente basso ( ) La porosità capillare è ridotta notevolmente Il fumo di silice occupa gli spazi tra i grani i cemento A causa della elevatissima resistenza della malta cementizia, diventano molto importanti anche le proprietà dell’aggregato La rottura può avvenire nelle particelle di aggregato Ridurre ulteriormente a/c diventa inutile (si aumenta la resistenza della matrice ma la rottura avverrà nell’inerte) E’ sempre necessario aggiungere un additivo superfludificante Dati i piccoli quantitativi di acqua, è molto importante il controllo dell’umidità dell’aggregato

138 Composizione di HPC Ingredienti (Kg/m3) A B C D E F G H
Cemento portland 534 500 315 513 163 228 425 450 Fumo di silice 40 30 36 43 54 46 45 Ceneri volanti 59 Loppa 137 325 182 Aggregato fine 623 700 745 685 730 800 755 736 Aggregato grosso 1069 1100 1130 1080 1045 1118 Acqua 139 143 150 136 138 175 Rapporto a/c 0.22 0.27 0.31 0.25 0.30 0.38 0.29 Slump(mm) 255 200 220 230 Resistenza (MPa) a 28 gg 124 93 83 119 114 105 95 111

139 Calcestruzzi leggeri In genere, il calcestruzzo comune è caratterizzato da una densità di Kg/m3 Ridurre la densità è abbastanza semplice, se i requisiti strutturali non sono stringenti La riduzione della densità è estremamente critica in applicazioni strutturali, perché non deve compromettere le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo I calcestruzzi leggeri hanno densità minore di Kg/m3 il che viene ottenuto aumentando la frazione di vuoti a discapito della frazione di pieno: Aggregati leggeri (argilla espansa) che hanno una elevata frazione di pori al loro interno Additivi aeranti, per ottenere calcestruzzi cellulari Utilizzo di solo aggregato grosso, in modo che l’assenza di aggregato fine provochi una elevata frazione di vuoti interstiziali (calcestruzzi alveolari) In genere al diminuire della densità si riducono le caratteristiche meccaniche Aumentano le proprietà di isolamento (termico e acustico)

140 Tipi di calcestruzzi leggeri
Le norma fanno riferimento a calcestruzzi leggeri ottenuti con aggregati leggeri: In genere la porosità dell’aggregato fa si che l’assorbimento di acqua sia molto alto L’elevata porosità influisce negativamente sulla durabilità Aggregato leggero Densità di massa dell’aggregato (Kg/m3) Densità del calcestruzzo (Kg/m3) Resistenza a compressione (Mpa) applicazione Argilla espansa Loppa espansa 15-40 Calcestruzzi leggeri strutturali Scoria Pomice 5-15 43 Vermiculite perlite 0.7-5 Riempimento/isolamento

141 Calcestruzzi autocompattanti
Sono caratterizzati da elevatissima lavorabilità, maggiore della classe di consistenza S5 Riempie facilmente le casseforme, anche di forma complesse e sezioni di passaggio ristrette, ed elimina l’aria senza necessità di vibrazione Ha elevata resistenza alla segregazione, quindi la sospensione acqua/cemento presenta una elevata stabilità nel tempo Prevedono l’utilizzo di: Elevati dosaggi di additivi fluidificanti acrilici (riducono lo sforzo critico e la viscosità, vedi legge di Bingham) Utilizzo di materiali fini (cemento, pozzolane, inerti) fino a Kg/m3, che garantiscono la stabilità alla segregazione Ridotta dimensione massima dell’aggregato

142 Altri tipi di calcestruzzi speciali
Calcestruzzi a ritiro compensato: Presentano l’aggiunta di agenti (ossido di calcio) che si espandono dopo la presa, generando nella matrice l’insorgenza di sforzi di compressione che bilanciano gli sforzi di trazione conseguenti al ritiro igrometrico Calcestruzzi fibrorinforzati L’aggiunta di fibre di vetro o carbonio consente di migliorare le proprietà meccaniche. L’aggiunta di fibre è abbastanza bassa da non comportare il miglioramento di rigidezza e resistenza. Piuttosto, la presenza di fibre si oppone alla propagazione delle cricche( miglioramento di resistenza a trazione, tenacità, resistenza agli urti) Calcestruzzi polimerici Sono caratterizzati da bassissima porosità, ottenuta sostituendo al cemento una resina termoindurente, oppure sostituendo parte dell’acqua con un latex oppure impregnando i pori con resina post-indurimento Calcestruzzi a bassa resistenza controllata Sono caratterizzati da elevata lavorabilità (slump >20 cm) e basse caratteristiche meccaniche (0.3-2 MPa) per riempimenti (facile rimozione). Sono caratterizzati da bassissimi contenuti di cemento ( Kg/m3) a alti rapporti a/c fino a 2