Il nuovo calcestruzzo – il calcestruzzo a ritiro compensato

 Capitolo XXI

 

21.1 AGENTI ESPANSIVI

Il calcestruzzo a ritiro compensato è un conglomerato cementizio speciale, contenente un particolare ingrediente (agente espansivo) grazie al quale il
ritiro (§ 15.6), che subisce normalmente un calcestruzzo ordinario in ambienti insaturi di vapore (UR<95%), è in parte compensato da un fenomeno espansivo controllato nella durata e nella sua entità (M. Collepardi, M. Corradi e M. Valente, “Superplasticized shrinkage compensating concrete”, Proceedings of the 2nd International Conference on Superplasticizers in Concrete, Canada Centre for Mineral and Energy Technology and American Concrete Institute, Ottawa, Giugno, (1981); disponibile su www.encosrl.it -> Pubblicazioni scientifi che -> Additivi per malte e calcestruzzi -> Articolo N. 17).
Gli agenti espansivi normalmente impiegati per il calcestruzzo a ritiro compensato sono di due tipi: il primo comprende l’ossido di magnesio e soprattutto
l’ossido di calcio che aumentano il volume dell’impasto trasformandosi, per reazione con l’acqua, nei corrispondenti idrossidi come risulta dalle seguenti
reazioni:

CaO + H2O -> Ca(OH)2                          

MgO + H2O -> Mg(OH)2         

Il secondo tipo di agente espansivo per calcestruzzo a ritiro compensato è fondamentalmente basato sulla trasformazione – per reazione con l’acqua – di
alcuni alluminati in un sale complesso denominato ettringite.

I processi chimici specifi ci attraverso i quali può avvenire questa trasformazione sono numerosi. Il più noto si basa sull’impiego di un solfoalluminato di
composizione 4CaO·3Al2O3·SO3 (C4A3S) che in presenza di calce (CH) e gesso (CS·H2) reagisce nel modo seguente:

I processi chimici specifi ci attraverso i quali può avvenire questa trasformazione sono numerosi. Il più noto si basa sull’impiego di un solfo alluminato di composizione 4CaO·3Al2O3·SO3 (C4A3 S) che in presenza di calce (CH) e gesso

(CS·H2) reagisce nel modo seguente:

C4A3 S + 6CH + 8CS · H2 + 96H2O -> 3(C3A·3CaSO4·32H2O)              [21.3]

In linea di massima gli agenti espansivi basati sulle reazioni [21.1] e [21.2] sono più rapidi nel reagire e quindi nell’espandere che non gli agenti espansivi basati sulla reazione [21.3] consistente nella produzione di ettringite. Gli altri parametri che possono infl uire sulla velocità del fenomeno espansivo sono la granulometria e la porosità dell’agente espansivo. Poiché la reazione che provoca l’espansione avviene all’interfaccia acqua-solido (agente espansivo) è evidente che, riducendo la dimensione delle particelle solide di agente espansivo, si aumenta la superficie esposta all’azione dell’acqua e quindi si accelera il processo riducendo la durata dell’espansione. Analogamente, un agente espansivo sotto forma di granuli porosi diventa più facilmente penetrabile dall’acqua. La porosità dei granuli di agente espansivo – in particolare quello basato sul CaO – può essere regolata dal produttore mediante la temperatura di cottura della materia prima (calcare o dolomite); temperature più alte portano ad un prodotto compatto per effetto della sinterizzazione favorita dalle alte temperature.

Fig. 21.1 – Esempio di andamento nel tempo dell’espansione di due calcestruzzi contenenti due diversi agenti espansivi in fase di indurimento

 

Come si vede, basandosi sulla composizione chimica, sulla granulometria e sulla porosità dell’agente espansivo si può regolare il tempo che occorre a far
reagire con l’acqua tutto l’agente espansivo presente nella malta o nel calcestruzzo, e conseguentemente si può regolare la durata del processo espansivo
durante il quale occorre garantire una stagionatura umida.
La Fig. 21.1 mostra l’andamento dell’espansione in funzione del tempo impiegando due diversi agenti espansivi commerciali: quello a base di ossido di calcio completa la sua trasformazione in idrossido di calcio (e quindi la sua espansione) in 1-2 giorni; l’agente espansivo basato sull’idratazione del solfoalluminato richiede, invece, 5-7 giorni per arrivare a completare la reazione portando il calcestruzzo ad un livello di espansione (nel caso specifi co circa 1100 μm/m) paragonabile a quello che l’agente espansivo a base di calce raggiunge in un paio di giorni.
Fermo restando che la stagionatura umida (§ 21.3) giova sempre all’idratazione del cemento ed alle proprietà del calcestruzzo, e che essa è tanto più efficace quanto più è prolungata, è evidente come l’arresto precoce della stagionatura (per esempio scasseratura ad 1 giorno dal getto senza ulteriore protezione delle superfi ci esposte) possa limitare signifi cativamente il processo espansivo di un calcestruzzo a ritiro compensato contenente un agente espansivo che richieda 7 giorni di stagionatura, mentre infl uenza molto meno l’espansione di un calcestruzzo a ritiro compensato a base di un prodotto che in 1-2 giorni esaurisce il suo processo espansivo.
• la particolare composizione del calcestruzzo espansivo della quale è responsabile il produttore;
• la modalità di stagionatura raccomandata che deve essere messa in atto dall’impresa;
• la percentuale di armatura metallica disposta, come contrasto all’espansione,
dal progettista.
Nei paragrafi che seguono sono esaminati questi tre importanti aspetti.

 

21.2 LA COMPOSIZIONE DEL CALCESTRUZZO A RITIRO COMPENSATO

La particolarità della composizione di questo calcestruzzo consiste, non solo, nella presenza di un certo quantitativo di agente espansivo (a base di CaO o di 4CaO·Al2O3·SO3 capaci di reagire con l’acqua di impasto e produrre espansione nel manufatto), ma anche nel rapporto acqua/cemento generalmente adottato (≤ 0,50).
Il rapporto acqua/cemento non è superiore solitamente a 0,50 in quanto è necessario un contrasto meccanico all’espansione (§ 21.4) e, pertanto, una Rck
di almeno 35 MPa (M. Collepardi, S. Monosi, M. Pauri, “L’infl uenza dei superfl uidifi canti sui calcestruzzi a ritiro compensato”, Atti delle Giornate AICAP 1983, Bari 26-29 maggio (1983); disponibile su www.encosrl.it  Pubblicazioni scientifi che  Tecnologia del calcestruzzo  Articolo N. 27).

21.3 STAGIONATURA DEL CALCESTRUZZO A RITIRO COMPENSATO

L’appropriata composizione del calcestruzzo espansivo è condizione necessaria, ma non sufficiente, per realizzare manufatti in c.a. con ritiro compensato
al fi ne di ridurre il rischio di fessurazione, o di facilitare l’aderenza a strutture pre-esistenti, o per altri scopi ancora (A. Borsoi, P. Birane, W. Parente e M. Collepardi, “Il calcestruzzo a ritiro compensato o nullo” Enco Journal N. 29, 2005; disponibile su www.enco-journal.com  Gli ultimi numeri  N. 29).
Un aspetto molto importante per l’applicazione di successo di questo calcestruzzo è la stagionatura umida che deve essere garantita per almeno 4 giorni
dal getto (incluso il tempo eventualmente trascorso entro i casseri).
Nella Fig. 21.3 è rappresentato l’andamento nel tempo della espansione libera, cioè priva di contrasti in forma di barre metalliche (§ 21.4), del calcestruzzo espansivo in funzione dei vari trattamenti di stagionatura: il più efficace è basato sulla bagnatura con acqua nebulizzata o l’applicazione di sacchi tipo iuta mantenuti bagnati; in questa condizione, come si vede in Fig. 21.3, l’espansione del conglomerato raggiunge circa lo 0,05 – 0,07% (cioè 500-700 μm/m) nel giro di qualche giorno.
L’aggiunta di additivo SRA (§ 13.9) del calcestruzzo a ritiro compensato ritarda l’evaporazione di acqua dal conglomerato e consente di ottenere risultati di espansione più che accettabili senza dover impegnare manodopera nella continua nebulizzazione di acqua sulle superfi ci. Nella Fig. 13.9 si vede l’effetto della presenza o meno dell’additivo SRA nel calcestruzzo accanto all’agente espansivo.
La conservazione dentro casseforme, ancorché impegnativa economicamente per il ritardo nel riuso dei casseri, è ancora suffi cientemente effi cace tanto
quanto la più economica protezione con teli impermeabili a diretto contatto
con la superfi cie delle strutture appena scasserate.
È accettabile anche l’adozione di membrane anti-evaporanti, realizzate mediante applicazione a spruzzo di prodotti fi lmogeni (agenti stagionanti, curing
compunds) sulla superfi cie dei manufatti appena sformati: tuttavia, in queste condizioni l’espansione iniziale si riduce a circa 0,02%, ma si conserva meglio nei tempi successivi.

Fig. 21.3 – Influenza della stagionatura iniziale sulla curva “variazione dimensionale-tempo”

 

Non è invece assolutamente accettabile l’assenza di stagionatura (cioè esposizione all’aria aperta) in sostituzione di una delle tre precedenti misure; infatti, soprattutto in climi insaturi di vapore come può accadere dopo il getto (nel caso di una pavimentazione) o dopo la scasseratura (di strutture entro casseforme), l’evaporazione dell’umidità dalla superfi cie del calcestruzzo impedisce lo sviluppo del fenomeno espansivo (che richiede invece la presenza di umidità per potersi manifestare) e si possono realizzare condizioni di ritiro immediato nonostante l’impiego di un agente espansivo (Fig. 21.3).
In queste condizioni, di ritiro sulla superfi cie essiccata e di espansione nello strato sub-corticale per presenza di umidità (in quanto non ancora coinvolto
dall’essiccamento) , è possibile che si formino microfessurazioni sullo strato corticale sottoposto a sollecitazioni di trazione.

 

21.4 MISURA DELL’ESPANSIONE DI UN CALCESTRUZZO A RITIRO COMPENSATO

Nella Fig. 21.4 è mostrato il rinforzo metallico (costituto da una barretta in acciaio fi lettata e lunga 280 mm saldata a due piastre metalliche) all’interno
di una cassaforma (lunga 240 mm con sezione da 40 mm) utilizzata per confezionare un provino in calcestruzzo armato prismatico. Non appena il provino in calcestruzzo armato può essere sformato (quando cioè è avvenuta la presa dopo circa 6 ore) si controlla la lunghezza iniziale della barretta metallica. La funzione della barretta metallica è quella di contrastare l’espansione del calcestruzzo espansivo così come avverrebbe nelle strutture reali per la presenza delle barre di armatura.

 

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