Bleeding del calcestruzzo: acqua in superficie ma anche sotto

Di Mario Collepardi, Silvia Collepardi, Roberto TroliBleeding, dall’inglese  bleed (pronuncia “blid”) che vuol dire essudare, indica la raccolta di acqua sulla superficie del calcestruzzo. Tipicamente il bleeding si manifesta visivamente nei getti delle pavimentazioni eseguite con calcestruzzo molto fluido, povero di cemento e/o anche surdosato in additivo superfluidificante. Lo specchio d’acqua che si raccoglie, subito dopo il getto, sulla superficie superiore di un lastra è un chiaro sintomo di bleeding. In realtà il bleeding è un fenomeno più complesso che comporta la raccolta d’acqua non solo sulla superficie superiore a vista di una pavimentazione, ma anche il deposito localizzato di acqua all’interno di una struttura in calcestruzzo: questo secondo aspetto del bleeding, non manifesto e per questo più insidioso, comporta la formazione di punti deboli e più in generale di eterogeneità all’interno del materiale.La riduzione del bleeding può essere realizzata impiegando inerti in buona curva granulometrica in modo da evitare risalite d’acqua verso l’alto e adottando un adeguato dosaggio di cemento in modo sa rendere coesivo il calcestruzzo fresco. Esistono, tuttavia, altri due materiali per la riduzione del bleeding: aggiunte minerali e additivi chimici.AGGIUNTE MINERALILe aggiunte minerali impiegate per la riduzione del bleeding nelle sospensioni cementizie, sono sostanzialmente di due tipi: bentonite e fumo di silice. In entrambi i casi, si tratta di prodotti inorganici ad elevatissima area superficiale specifica e quindi in grado di sedimentare molto lentamente in un mezzo acquoso. La elevata area superficiale di questi prodotti fa aumentare la interazione fisica all’interfaccia solido-liquido con beneficio per la stabilità dell’intero sistema. Inoltre, per effetto della piccolissima dimensione di queste particelle (quasi tutte sotto 0.1 mm) si riduce notevolmente la velocità di sedimentazione per effetto della legge di Stokes.In realtà la bentonite ed il fumo di silice si comportano in modo diverso: la bentonite, molto più fine del fumo di silice, tende a formare con l’acqua una sospensione colloidale molto stabile e viscosa nella quale le particelle di cemento sono ostacolate nella loro sedimentazione per effetto della gravità; il fumo di silice, d’altra parte, è in grado di stabilire dei veri e propri legami chimici con le particelle di cemento a seguito della reazione pozzolanica tra la silice amorfa del fumo di silice e la calce di idrolisi del cemento.ADDITIVI CHIMICIGli additivi chimici possono ridurre il fenomeno del bleeding attraverso meccanismi diversi. I superfluidificanti, per esempio, consentono di ridurre l’acqua necessaria per ottenere una predeterminata fluidità della miscela: in presenza di una minore quantità di acqua (fino al 20-30% in meno) il bleeding è fortemente ridotto, poiché, il fenomeno del bleeding è aggravato da un elevato rapporto liquido-solido. Ma i superfluidificanti riducono il bleeding anche per effetto della deflocculazione dei granuli di cemento che – in assenza di additivo – tendono ad agglomerarsi. I superfluidificanti, infatti, vengono adsorbiti sulla superficie delle singole particelle di cemento provocando una reciproca repulsione e riducendo, quindi, la effettiva dimensione particellare. Per effetto della legge di Stokes, le particelle solide più piccole sedimentano con una velocità minore e conseguentemente si riduce la raccolta di acqua di bleeding in superficie.Oltre ai superfluidificanti, possono ridurre il bleeding gli additivi aeranti, cioè quelli capaci di sviluppare gas, gli additivi acceleranti di presa, e gli additivi  addensanti.Gli additivi aeranti sono prodotti liquidi tensioattivi (riducono la tensione superficiale dell’acqua) che provocano la formazione di microbolle d’aria. Queste si attaccano ai granuli di cemento – per effetto di una diversa carica elettrostatica sulla superficie – e ne riducono quindi la sedimentazione per gravità a causa della loro minore massa volumica. Gli additivi che sviluppano gas (per esempio polvere di alluminio capace di reagire con la calce di idrolisi del cemento per generare bolle di idrogeno) funzionano più o meno come gli additivi aeranti. Gli additivi acceleranti riducono il tempo di presa e quindi il periodo durante il quale può avvenire la sedimentazione delle particelle solide e la raccolta d’acqua in superficie. Gli additivi addensanti (a base di metil-cellulosa e derivati) hanno lo scopo di aumentare la viscosità del mezzo fluido (acqua) e quindi di ridurre la sedimentazione delle particelle solide.MODALITA’ DI MISCELAZIONEMiscelatori capaci di favorire la massima dispersione delle particelle di cemento riducono il bleeding. In sostanza, una miscelazione efficace – basata sull’applicazione di elevati sforzi di taglio, piuttosto che sulla semplice agitazione per rotazione – è in grado di disaggregare meccanicamente gli agglomerati particellari di cemento favorendone  la dispersione in granuli individuali di minore dimensione.In sostanza, la miscelazione basata sull’applicazione di alti sforzi di taglio ha lo stesso effetto dell’aggiunta di un superfluidificante nel favorire la dispersione dei grossi agglomerati particellari in particelle di cemento di minor dimensione. Ovviamente, la combinazione di miscelatori ad alto sforzo di taglio con l’aggiunta di additivi superfluidificanti (effetto meccanico-chimico) favorisce la massima stabilità della sospensione ed una forte riduzione del bleeding. 

Fig. 1 – Rappresentazione schematica di una zona di transizione tra aggregato e matrice cementizia (Materiali cementizi innovativi: dagli HPC verso gli RPC. Parte I: i calcestruzzi ad alte prestazioni – L’Industria Italiana del Cemento – Marzo 1995).

IL BLEEDING NELLE MALTE: APPLICAZIONI NELL’ANCORAGGIO DI MACCHINE E NEL RIEMPIMENTO DI SCAVILe principali applicazioni pratiche di malte fluide prive di bleeding riguardano gli ancoraggi di macchine ed il riempimento di scavi in terra per la posa di cavi elettrici e telefonici o di tubazioni per gas e acqua.MALTE DA ANCORAGGIONel caso degli ancoraggi di macchinari (grouting, in inglese), il problema del bleeding comporta la raccolta preferenziale di acqua al di sotto di parti metalliche (per esempio il basamento di un macchinario) con conseguente riduzione della superficie d’appoggio della macchina alla sua fondazione.Per la eliminazione del bleeding nelle malte di ancoraggio – per le quali si richiede anche un elevata resistenza meccanica per resistere alle sollecitazioni derivanti dalle sue vibrazioni in servizio – si ricorre all’impiego combinato di cementi fini (ma non microfini), di additivi superfluidificanti e di fumi di silice grazie ai quali è anche possibile migliorare notevolmente le prestazioni meccaniche adottando rapporti acqua-cemento bassi (circa 0.4-0.5).MALTE DI RIEMPIMENTO NEGLI SCAVINel riempimento degli scavi, invece, la situazione è pressoché capovolta rispetto alle malte di ancoraggio. Infatti, in questo caso, si richiede una malta molto fluida per il completo riempimento dello scavo, che sia però dotata di una resistenza meccanica e di un modulo elastico – in genere molto bassi – paragonabili a quelli del terreno circostante. Questa scelta dipende da due considerazioni distinte.Da una parte si vuole sostituire la terra scavata con una malta di pari rigidità rispetto al terreno circostante e sottostante (per evitare che i carichi dinamici del traffico in servizio possano provocare un assestamento della malta rispetto alla quota del manto stradale). Dall’altra, si vuole garantire la possibilità di rimuovere facilmente la malta gettata nello scavo, in caso di manutenzione dei servizi pre-allocati nello scavo.La fluidità molto spinta che si richiede nelle malte di riempimento (per far aderire al massimo il getto al profilo dello scavo e ridurre quindi le concentrazioni di sforzo ) comporta rapporti acqua-cemento elevatissimi (circa 1) compatibili con le basse resistenze meccaniche richieste (1-2 N/mm2 a compressione e 0.1-0.3 N/mm2 a flessione). In queste condizioni, però, il fenomeno del bleeding risulta tanto esasperato per l’elevato rapporto acqua-cemento, quanto indesiderato per le conseguenze negative sul successo del riempimento. Il problema del bleeding viene risolto, in questo caso, adottando quei metodi, sopra illustrati, compatibili con un basso modulo elastico: soprattutto additivi aeranti ed addensanti e, se necessario, bentonite o cenere volante in luogo del più costoso fumo di silice. La riduzione della pezzatura dell’aggregato grosso riduce la sedimentazione degli elementi lapidei e pertanto una malta viene generalmente preferita, rispetto al calcestruzzo, anche per favorire la mobilità del riempimento all’interno dello scavo al momento del getto.IL BLEEDING NEL CALCESTRUZZOSi è già accennato, nella parte introduttiva, alla manifestazione del bleeding nelle pavimentazioni in calcestruzzo. Ma il bleeding comporta alcuni inconvenienti anche in altre tipologie costruttive: riprese di getto, aderenza e protezione dei ferri nelle opere armate, riduzione del giunto adesivo tra pasta di cemento ed aggregati lapidei.IL BLEEDING NEI PAVIMENTI IN CALCESTRUZZOLa raccolta d’acqua sulla superficie a vista di un pavimento comporta l’instaurarsi di un rapporto acqua/cemento eccessivo – e quindi di una bassa prestazione meccanica – proprio sulla parte del manufatto maggiormente esposta alle sollecitazioni meccaniche, fisiche e chimiche in servizio: abrasioni, urti, esposizione agli agenti atmosferici (pioggia, aria, ghiaccio, ecc.)Questa considerazione ha portato in passato all’impiego di calcestruzzi asciutti per la produzione dei pavimenti proprio per prevenire alla radice il fenomeno del bleeding. Successivamente, a metà degli anni ‘50 si è sviluppata la tecnologia dei getti in calcestruzzo fluido (molto più semplice da mettere in opera) rinforzati superficialmente con uno “spolvero” di cemento e quarzo asciutti. L’applicazione dello “spolvero”, ed in particolare del cemento, sulla superficie del calcestruzzo in fase di presa ma non ancora indurito, ha proprio la funzione di rimediare agli inconvenienti provocati dal bleeding. L’apporto di cemento – ristabilisce un rapporto acqua/cemento più basso ed elimina, quindi gli inconvenienti connessi con le scarse prestazioni meccaniche e di inadeguata durabilità provocate dal bleeding sulla superficie del pavimento.La corretta applicazione dello “spolvero” richiede, però, che esso venga incorporato monoliticamente al sottostante getto in calcestruzzo. Questo risultato viene conseguito mediante frattazzatura meccanica dello strato superficiale dopo l’applicazione dello “spolvero” entro un intervallo di tempo critico: infatti, se la frattazzatura viene eseguita tardivamente, quando il substrato in calcestruzzo è ormai indurito, si rischia di non poter incorporare monoliticamente lo “spolvero” superficiale al calcestruzzo; se, d’altra parte, lo “spolvero” viene applicato e frattazzato prematuramente, quando il bleeding non si è ancora esaurito, la risalita d’acqua viene bloccata al di sotto dello strato corticale densificato per effetto della frattazzatura. Ciò provoca la formazione di una sorta di lente d’acqua – più o meno diffusa – al di sotto dello strato di “spolvero” indurito. Con il tempo, a seguito dell’evaporazione o dell’assorbimento dell’acqua da parte del circostante materiale, si viene a creare un vuoto proprio al di sotto dello strato densificato superficiale che risulta così destinato al distacco.IL BLEEDING E L’ADESIONE FERRO-CALCESTRUZZOL’acqua che risale per effetto del bleeding può trovare lungo il suo cammino verticale una serie di ostacoli: i ferri di armatura e gli aggregati lapidei. In particolare, se l’acqua di bleeding rimane al di sotto dei ferri di armatura disposti ortogonalmente rispetto alla direzione di risalita, una parte di acqua rimane intrappolata riducendo la superficie di contatto tra ferri di armatura e calcestruzzo. In seguito, per l’evaporazione e la migrazione di quest’acqua, si crea di fatto un vuoto che corre lungo i ferri disposti orizzontalmente. Conseguentemente, sia l’aderenza tra ferro e calcestruzzo può essere ridotta, sia la protezione dalla corrosione delle armature metalliche può essere compromessa per il facile accesso degli agenti aggressivi (aria e umidità).IL BLEEDING E LA ZONA DI TRANSIZIONELa zona di transizione è quella parte della pasta cementizia (spessa qualche µm o decina di µm) che si trova a diretto contatto con l’aggregato lapideo. La Fig. 1 illustra schematicamente una zona di transizione sostanzialmente più porosa della matrice cementizia adiacente e più distante dall’aggregato. Il principale contributo alla porosità della zona di transizione proviene dall’acqua di bleeding che, durante la risalita, rimane parzialmente intrappolata sotto gli aggregati lapidei più grossi.

Fig. 2 – Pilastro fortemente segregato e successivamente degradato per mancanza di cemento e parti fini.

L’indebolimento della zona di transizione assume una particolare importanza pratica nella produzione di calcestruzzi ad alta ed altissima resistenza meccanica (Rc = 60-100 MPa). Infatti, in questi casi si riduce il rapporto acqua-cemento a valori bassissimi (0.30-0.40) per conseguire una microstruttura della matrice cementizia paragonabile a quella dell’aggregato lapideo. Se, però, la zona di transizione rimane porosa per effetto del bleeding, essa diventa l’anello debole della catena: la rottura del calcestruzzo avviene, localizzata nella zona di transizione, senza che si possa trarre completo giovamento da una diminuzione nel rapporto acqua-cemento.COME RIDURRE IL BLEEDING NEL CALCESTRUZZOSolo una parte dei fattori già menzionati per governare il bleeding delle paste cementizie, può essere presa in considerazione per tenere sotto controllo l’insorgere del bleeding nel calcestruzzo e le conseguenze negative sopra riportate. In particolare non può essere utilizzato un miscelatore ad alto sforzo di taglio, che è invece impiegabile per le boiacche cementizie.  Né è possibile utilizzare la bentonite, gli additivi addensanti e gli acceleranti di presa per le difficoltà che si introdurrebbero in fase di trasporto e di getto. Sono invece largamente utilizzati, per produrre calcestruzzi con bleeding ridotto, il fumo di silice, i fluidificanti ed i superfluidificanti per ridurre l’acqua di impasto, e gli aeranti laddove si richiede anche un calcestruzzo resistente al ghiaccio. Ma i fattori predominanti per controllare il bleeding del calcestruzzo sono il dosaggio di cemento e la combinazione degli aggregati per realizzare un assortimento granulometrico ottimale (Fuller, Bolomey, ecc.)Occorre precisare un altro aspetto complementare del bleeding che assume un’importanza rilevante nel calcestruzzo, mentre è nulla nelle paste e trascurabile nelle malte: la sedimentazione sul fondo degli aggregati lapidei più grossi.L’insieme dei due fenomeni – sedimentazione degli aggregati lapidei ed il bleeding dell’acqua prende il nome di segregazione del calcestruzzo. La segregazione è accentuata da una carenza di cemento e da un mancato assortimento granulometrico, in particolare da una carenza di parti fini nell’aggregato (Fig. 2).Laddove si manifesta la segregazione occorre intervenire nell’aumentare il dosaggio di cemento e la frazione di sabbia fine. Molto spesso, si ricorre alla utilizzazione di cenere volante (che possiede una funzione paragonabile a quella del cemento) proprio per correggere i difetti della segregazione senza necessariamente impiegare più cemento o sabbie fini non sempre disponibili.Quest’approccio alla soluzione del problema segregazione-bleeding viene spesso adottato soprattutto per poter pompare calcestruzzi magri, cioè poveri in cemento in quanto non dotati di resistenze meccaniche elevate