Il nuovo calcestruzzo – Calcestruzzo polimero-impregnato (PIC)

Capitolo XXIII – Calcestruzzo polimero-impregnato (PIC)

23.1 INTRODUZIONE E DEFINIZIONI

In chimica, il monomero indica un composto (solitamente liquido o gassoso) formato da molecole singole (per esempio: CH2= CH2, etilene che è un gas o CH3―CH=CH―COOCH3 metilmetacrilato che è un liquido); la polimerizzazione consiste nel formare una lunga catena (lineare o ramificata) delle varie molecole di monomero per produrre un polimero (solido):

Il calcestruzzo polimero-impregnato, più noto come PIC (Polymer-Impregnated Concrete), è un materiale composito molto speciale che si ottiene:
a) impregnando il conglomerato cementizio (precedentemente essiccato) con un liquido monomerico, di solito metil-metacrilato (MMA) o anche stirolo, che riempie quasi tutte le cavità entro il calcestruzzo;
b) facendo polimerizzare il monomero all’interno del calcestruzzo e formando così un solido a porosità trascurabile o nulla, e quindi con capacità notevoli di
resistere agli agenti aggressivi, inclusi gli acidi, ma soprattutto con prestazioni meccaniche così straordinarie da poter essere lavorato e rifinito con operazioni meccaniche tipiche dei materiali metallici (Fig. 23.1).

Il processo di trasformazione da tante molecole di monomero (per esempio: metil-metacrilato, liquido) in poche macromolecole polimeriche (polimetil-metacrilato, solido) è solitamente molto lento, quasi nullo, al punto che il composto può persistere nello stato monomerico anche per un tempo molto lungo a temperatura ambiente.

Fig. 23.1 – Prototipo di contenitore con coperchio avvitabile per dimostrare le possibilità di lavorazione con il PIC (Arturo Rio)

Tuttavia il processo di polimerizzazione, come quello sopra mostrato esemplificativamente in [23.1] può avvenire in tempi molto brevi, soprattutto a temperature maggiori di quella ambientale, se si adotta uno dei due seguenti accorgimenti:
• esposizione alle radiazioni gamma del cobalto 60 (60Co);
• aggiunta di un catalizzatore (tipo benzoil-perossido o azo-bis-butirronitrile) che, per definizione, accelera una reazione chimica come è appunto un processo
di polimerizzazione

23.2 IL PROCESSO PRODUTTIVO

Il processo produttivo, schematicamente illustrato in Fig. 23.2, include una prima parte che coincide con la produzione convenzionale del calcestruzzo (A e B), ed una seconda parte più tipica e specifi ca della produzione del PIC (C, D, E, F).

Il calcestruzzo è un tipico conglomerato prodotto in un impianto di betonaggio convenzionale (A in Fig. 23.2) con cemento Portland (circa 350 kg/m3), a/c di circa 0,50, diametro massimo dell’inerte di circa 20 mm. A meno che non si adoperi il processo di maturazione a vapore ad alta temperatura, non si consiglia l’impiego di pozzolana, cenere volante o loppa che, a temperatura ambiente, richiederebbero una lunga stagionatura prima di essere coinvolte nella produzione di C-S-H* secondario (§ 3.6).

Nella maturazione (B) si preferisce una stagionatura a vapore (§11.4) a quella eseguita a temperatura ambiente in linea con una produzione accelerata e quindi industrializzata del PIC. Le migliori prestazioni si ottengono con un trattamento a vapore ad alta pressione, cioè a temperatura maggiore di 100°C (solitamente a circa 175°C per 3 ore) e quindi con una pressione del vapore ben maggiore di quella atmosferica, che comporta l’impiego di un’autoclave. I conglomerati così ottenuti, detti calcestruzzi autoclavati, sono quindi riscaldati con aria calda a 110-150 °C per rimuovere l’acqua libera (stadio C in Fig. 23.2).

Fig. 23.2 – Schematizzazione del processo produttivo di PIC

La rimozione dell’acqua libera del calcestruzzo, eventualmente accelerata con un riscaldamento sotto vuoto nello stadio C, è seguita dall’immersione in liquido monomerico (solitamente MMA) per circa 20 minuti al fine di impregnare il calcestruzzo saturandone tutta la porosità interna e superficiale (stadio D in
Fig. 23.2).
Il processo di polimerizzazione può avvenire (stadio E in Fig. 23.2) riscaldando il manufatto di calcestruzzo impregnato con monomero e catalizzatore (processo
termo-catalitico), oppure esponendo il manufatto alle radiazioni gamma del 60Co. Il processo termo-catalitico si realizza molto semplicemente immergendo il manufatto in un bagno di acqua calda (50 cm di altezza) a 75°C preliminarmente saturata con il monomero MMA: questo accorgimento evita che durante il riscaldamento a circa 75°C, necessario per la polimerizzazione in tempi relativamente brevi, il monomero situato nella parte corticale del calcestruzzo possa parzialmente evaporare prima ancora di polimerizzare. La presenza di acqua, satura essa stessa di monomero, impedisce a quello che si trova nel calcestruzzo di fuoriuscire e si realizza pertanto una completa polimerizzazione soprattutto nella parte corticale più attaccabile dalle azioni aggressive alle quali il manufatto sarà esposto in servizio.
Lo stadio finale di lavorazione e finitura superficiale con le tecniche tradizionalidi tornitura, trafilatura, ecc. tipiche dei materiali metallici (stadio E in Fig. 23.2) è di fondamentale importanza per ottenere manufatti funzionali oltre che esteticamente molto pregevoli (Fig. 23.1).

23.3 CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI DEL PIC

La principale caratteristica prestazionale del PIC è la elevata resistenza meccanica a compressione che varia da 100 MPa, se il calcestruzzo è confezionato con aggregati porosi fino a circa 180 MPa, con calcestruzzi contenenti aggregati ordinari e maturazione a vapore ordinaria.

Un ulteriore incremento fi no a circa 200 MPa può essere ottenuto se si impiegano i calcestruzzi “autoclavati” che comportano, però, costi più elevati non sempre giustificati dal miglioramento prestazionale.

Miglioramenti prestazionali (da calcestruzzo ordinario a quello polimero-impregnato) del 200-300% sono conseguibili anche nella resistenza meccanica a trazione e flessione.
Il modulo elastico, invece, aumenta solo di circa il 70-80% con forte estensione del comportamento elastico-lineare fi no a circa il 50-70% del carico di rottura di tipo fragile (Fig. 23.3).
Miglioramenti altrettanto significativi quanto quelli relativi alle prestazioni meccaniche, e anch’essi correlati con l’annullamento pressoché totale della porosità capillare della matrice cementizia (§ 8.5), sono stati registrati per la durabilità. Oltre a resistere alle più severe condizioni di aggressioni convenzionali per le opere dell’ingegneria civile (§ 10.5) quali il gelo-disgelo o l’attacco solfatico (§ 10.3), il PIC resiste particolarmente bene all’azione dilavante di acqua demineralizzata ed all’attacco di acque acide.

Fig. 23.3 – Curva sforzo-deformazione per un calcestruzzo prima e dopo l’impregnazione con MMA

23.4 APPLICAZIONI DEL PIC

Le applicazioni del PIC sono tutte applicazioni di “nicchia” e quasi sempre destinate a settori dell’ingegneria industriale o a rivestimenti per costruzioni di grande valore architettonico per l’aspetto tipo-marmo che si riesce ad ottenere (Fig. 23.1).

Un’altra importante applicazione riguarda il settore delle tubazioni. Tubi in PIC senza armature metalliche si comportano molto meglio delle corrispondenti tubazioni in calcestruzzo armato non solo per quanto concerne la pressione idrostatica che possono sopportare ma anche, e soprattutto, per la migliore resistenza all’attacco chimico di carattere acido come, per esempio, quelle di acque reflue-domestiche ed industriali.
Rivestimenti in PIC possono essere utilizzati per proteggere il substrato in calcestruzzo in molte applicazioni industriali esposte a sollecitazioni di carattere
straordinario.
Applicazioni per il pregevole aspetto del PIC vanno da elementi decorativi per giardino, pavimentazioni a mosaico e moduli per posto-barca attrezzato in porti turistici e, perfino, statue di rilevante pregio artistico.
Il PIC presenta, invece una scarsa durabilità se è messo in contatto con acque contenenti cloruro (opere marittime e autostradali esposte a sali decongelanti nei periodi invernali). Il cloruro provoca infatti la de-polimerizzazione del PMMA (cioè riduce il polimero solido in monomero liquido) con conseguente penetrazione dell’acqua contenente cloruri (M. Collepardi, L. Coppola, F. Manari e G. Moriconi; “Polymer-Impregnated Concrete Behaviour Under Sea-Water”; Proceedings of the International Conference “Innovative Marine Materials and Technology” La Spezia (1992); disponibile su www.encosrl.it Pubblicazioni
scientifiche  Corrosione e protezione delle armature nelle strutture in c.a. Articolo N. 13).

Bibliografia consigliata

• “Polymers in Concrete”; Publication SP-40; American Concrete Institute; Detroit (USA); 1973
• A. Rio e S. Biagini; “Process of Tecnology and Performances of Polymer Impegnated Concretes”; Convegno BIBM, Stresa (Italia), 1975