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Gli additivi per calcestruzzo – Capitolo 10

 

Capitolo X – Additivi idrorepellenti

10.1 PRODOTTI IDROREPELLENTI

Sono definiti idrorepellenti quei prodotti che, applicati sulla superficie di materiali affini all’acqua (come il calcestruzzo, la pietra o il mattone), sono capaci di modificarne radicalmente il carattere da idrofilo in idrofobo. In sostanza, le superfici trattate con prodotti idrorepellenti tendono a respingere l’acqua grazie a una modifica dell’angolo di contatto (θ) tra acqua e materiale da θ < 90° a θ >90° per effetto di uno strato di molecole idrorepellenti depositate sulla superficie come è schematicamente mostrato in Fig. 10.1.

Fig. 10.1 – Conformazione di una goccia d’acqua prima (A) e dopo (B) l’applicazione di un prodotto idrorepellente su un materiale

Fig. 10.1 – Conformazione di una goccia d’acqua prima (A) e dopo (B) l’applicazione di un prodotto idrorepellente su un materiale

Quest’azione risulta particolarmente efficace se il prodotto idrorepellente è applicato non solo sulla superficie ma anche su quella interna dei pori capillari mediante assorbimento da parte del materiale preventivamente asciugato per favorir la suzione capillare del prodotto idro-repellente come è schematicamente mostrato nella Fig. 10.2 (1).

La Fig. 10.3 mostra un esempio pratico della goccia d’acqua applicata sulla superficie di un calcestruzzo normale e su quella trattata con un prodotto idrorepellente grazie al quale la goccia d’acqua assume una conformazione sferica per minimizzare il contatto con il calcestruzzo.

L’azione dei prodotti idrorepellenti nei confronti dell’assorbimento dell’acqua può essere tuttavia modificata se l’acqua a contatto con il calcestruzzo è sottoposta a una pressione che spinge l’acqua dentro i pori del calcestruzzo. Pertanto, il trattamento con idrorepellenti può essere efficace nel bloccare l’ingresso dell’acqua dentro il calcestruzzo se il materiale è in contatto con un terreno umido o è esposto all’azione dell’acqua piovana, ma non è in grado di bloccare  la penetrazione dell’acqua dentro il calcestruzzo se esiste un battente d’acqua che crea una pressione idraulica, come si verifica per esempio in un serbatoio o in una diga. In questi casi, più che un trattamento superficiale con prodotti idrorepellenti, funzionano bene i prodotti capaci di sigillare i pori aperti verso la superficie a vista: sono pertanto preferibili le resine epossidiche o poliuretaniche o anche i rivestimenti bituminosi per impedire l’accesso dell’acqua in pressione dentro una struttura in calcestruzzo.

Fig. 10.2 – Una goccia d’acqua viene naturalmente assorbita (P < 0) dai pori del calcestruzzo (A); la stessa goccia d’acqua è respinta dalla superfi cie trattata con idrorepellente ed occorre applicare una pressione (P> 0) per l’intrusione dell’acqua dentro i pori (B)

Fig. 10.2 – Una goccia d’acqua viene naturalmente assorbita (P < 0) dai pori del calcestruzzo (A); la stessa goccia d’acqua è respinta dalla superfi cie trattata con idrorepellente ed occorre applicare una pressione (P> 0) per l’intrusione dell’acqua dentro i pori (B)

Fig. 10.3 – La goccia d’acqua è assorbita dal calcestruzzo non trattato (a sinistra) e respinta dal calcestruzzo idrofobizzato con un prodotto idrorepellente (a destra)

10.2 ADDITIVI IDROREPELLENTI

Gli stessi prodotti idrorepellenti, applicati sulla superficie del calcestruzzo indurito per mutarne la natura da idrofila in idrofoba, possono essere impiegati come additivi da aggiungere al calcestruzzo fresco insieme agli altri ingredienti (2). Con questo tipo di impiego i prodotti idrorepellenti conferiscono il loro carattere idrofobizzante a tutta la massa del calcestruzzo e non solo alla superficie.

Gli additivi idrorepellenti sono spesso commercialmente presentati in modo improprio come additivi impermeabilizzanti, i quali sono in realtà basati sugli additivi riduttori di acqua (Capitolo II) grazie ai quali si può ridurre l’acqua d’impasto ed il rapporto acqua/cemento (Fig.2.4.B), e quindi diminuire la porosità capillare della pasta di cemento, possibilmente in combinazione con le aggiunte minerali fini come il fumo di silice (Capitolo XIII).

Pertanto, in un calcestruzzo, in classe di esposizione XC4 o XS4 o XF4 – che debba resistere alla penetrazione di agenti aggressivi capaci di corrodere le barre di armatura – deve essere impiegato un additivo impermeabilizzante basato sulla riduzione del rapporto acqua/cemento piuttosto che un additivo idrorepellente. In sostanza, la differenza tra additivo idrorepellente e additivo impermeabilizzante riduttore della porosità grazie al minor rapporto acqua/cemento è la stessa che passa tra trattamento superficiale idrofobizzante e rivestimento con resina epossidica esaminato nel precedente paragrafo.

10.3 MATERIE PRIME PER GLI ADDITIVI IDROREPELLENTI

I principali prodotti impiegati per gli additivi idrorepellenti sono:

• sali di acidi grassi come l’oleico e lo stearico;

• alchil-alcossi-silani o più semplicemente silani.

I sali di acidi grassi, impiegati esclusivamente in passato prima dell’avvento dei silani, sono fissati su un supporto di materiale in polvere (come il talco o sabbia finissima) e pertanto il dosaggio raccomandato dal produttore dipende dalla percentuale di sostanza idrorepellente nella polvere.

Gli additivi idrorepellenti a base di silani sono prevalentemente basati su alchil-metossi-silani con il gruppo alchilico -CnH2n+1 formato dall’etile -C2H5 o dal propile -C3H7. Essi sono impiegati in misura dell’1% sul peso del cemento. Il loro funzionamento è basato sull’idrolisi del gruppo metossico (CH3-O-Si-) che liberaalcol metilico (CH3OH) e forma il gruppo HO-Si- secondo la reazione [10.1]:

Il gruppo HO-Si-CnH2n+1 così formatosi attraverso la reazione [10.1] può essere fissato sulla superficie delle particelle di cemento idratato attraverso il gruppo idrofilo HO-, mentre il gruppo alchilico (–CnH2n+1) idrofobo si orienta sulla parte esterna delle particelle di cemento idratato e respinge il contatto con l’acqua.

I principali limiti o inconvenienti derivanti dall’impiego degli additivi idrorepellenti sono:

– non possono essere impiegati se il calcestruzzo verrà in contatto con acqua in pressione capace di penetrare il materiale ancorché reso idrofobo;

– soprattutto a dosaggi elevati si verificano ritardi nell’idratazione del cemento con conseguenti ritardi nella presa e nell’indurimento iniziale;

– inglobamento di macrobolle d’aria che penalizzano la resistenza meccanica senza alcun giovamento per la resistenza alla formazione di ghiaccio.

Questi inconvenienti possono essere in gran parte superati grazie ad un’accorta formulazione degli additivi che può arrivare anche a stravolgere la semplice azione idrofobizzante.

Per esempio, alcuni produttori disperdono i prodotti silanici in una soluzione acquosa di superfluidificante a base policarbossilica (Capitolo II) per combinare la caratteristica di idrorepellenza con quella di una discreta riduzione nell’acqua d’impasto: in questo caso i prodotti così formulati agiscono da veri e propri additivi impermeabilizzanti. Un effetto analogo può essere raggiunto fissando i prodotti silanici su una polvere pozzolanica, come per esempio la cenere volante (Capitolo XIII), capace di riempire i pori capillari riducendone il volume.

Per contrastare gli effetti di ritardo sulla presa e sull’indurimento iniziale del cemento, i prodotti silanici possono essere mescolati con additivi acceleranti della presa o dell’indurimento (Capitolo IV).

Per annullare la formazione delle macrobolle d’aria i prodotti silanici possono essere mescolati con agenti anti-schiuma a base di siliconi o di polieteri o di tributilfosfato (3).

BIBLIOGRAFIA

(1) M. Collepardi, S. Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot. F. Simonelli e R. Troli, Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A, Edizioni Tintoretto, Villorba, pg. 269, (2010)

(2) N. P. Mailvaganan, Miscellaneous Admixtures, in Chapter 9 of Concrete Admixtures Handbook, Editor V. S. Ramachandran, Noyes Publication, Park Ridge, Second edition,(1995)

(3) G. Mantegazza e A. Gatti, Ruolo dei disaeranti negli additivi a base di policarbossilato applicato al calcestruzzo leggero fibro-rinforzato, Enco Journal N. 49, pp-15-19,(2010)

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 8

L’impiego dell’FRP nel restauro delle opere in C.A.

8.1 – INTRODUZIONE

I materiali FRP (pronuncia ef-ar-pi), acronimo di Fiber Reinforced Polymer, cioè, “materiali polimerici fibrorinforzati” costituiscono l’ultima frontiera nel settore del restauro e dell’adeguamento statico degli edifici civili e delle opere infrastrutturali.

Gli FRP appartengono alla vasta famiglia dei “compositi strutturali”, ossia, di quei materiali (fra cui anche il cemento armato) costituiti da due o più fasi di cui almeno una – il rinforzo – è presente in forma discontinua ed è caratterizzata da elevate prestazioni meccaniche, mentre l’altra – la matrice – è identificabile come un elemento continuo e, di solito, risulta meccanicamente più debole. La caratteristica peculiare dei compositi strutturali è quella di fornire prestazioni meccaniche migliori o, perlomeno, più “complete” di quelle che sarebbero fornite dalle singole fasi componenti.

Nei compositi a matrice polimerica (gli FRP per l’appunto) la matrice è generalmente costituita da una resina epossidica o al poliestere mentre i rinforzi sono costituiti da fibre in materiali inorganici come il carbonio, il vetro o, meno frequentemente, il boro oppure i materiali polimerici come l’aramide.

Gli FRP non sono materiali di invenzione particolarmente recente. Infatti, la prima barca in vetroresina – materiale capostipite dei compositi strutturali, costituito da fibre di vetro e resina al poliestere – venne realizzata nel 1942, le prime fibre di boro e in carbonio ad alta resistenza sono apparse all’inizio degli anni 60 e il brevetto del Kevlar (nome commerciale delle fibre in aramide), è stato depositato dalla Dupont nel 1973. L’elevato costo di questi materiali, legato soprattutto alla complessità dei processi produttivi, però, ha relegato per molti anni l’uso degli FRP a settori come quello aeronautico, astronautico e militare dove il problema dei costi risulta di secondaria importanza rispetto alla possibilità di utilizzare materiali come gli FRP caratterizzati da una resistenza specifica, (intesa come resistenza meccanica a trazione per unità di peso) così elevata da risultare ineguagliabile da qualsiasi altro materiale.

Tuttavia, la parziale riduzione dei costi, in particolare delle fibre di carbonio, dovuta alla loro maggiore diffusione e ad una ottimizzazione dei processi produttivi, ha fatto sì che, negli ultimi anni, l’utilizzo degli FRP ad alte prestazioni si sia esteso anche a settori caratterizzati storicamente da una tecnologia più “povera” come quello delle costruzioni edili dove la presenza di materiali e sistemi costruttivi più economici ne aveva per anni ostacolato l’ingresso. In particolare, nel settore delle costruzioni edili, si è assistito nell’ultima decade ad un notevole incremento dell’utilizzo di compositi strutturali a matrice polimerica.

Ad esempio in Giappone, paese che per primo ha eseguito sperimentazioni e realizzato applicazioni pratiche di materiali FRP in edilizia, il consumo delle fibre di carbonio per uso strutturale è passato dalle 6 tonnellate del 1993 alle 250 tonnellate del 1997. Analogo andamento è stato registrato negli ultimi anni negli Stati Uniti, altro paese trainante nell’utilizzo degli FRP nel campo delle costruzioni.

L’impiego degli FRP in edilizia riguarda solo in minima parte gli edifici e le infrastrutture di nuova costruzione dove, nonostante la riduzione dei costi, i compositi strutturali non riescono a scalzare la concorrenza dei materiali tradizionali come il calcestruzzo, l’acciaio e il legno decisamente più a buon mercato. Esistono, tuttavia, rari esempi di costruzioni interamente realizzate in composito, come la passerella pedonale di Aberfeldy per la cui costruzione è stato fatto ampio uso di elementi in fibra di vetro, oppure esempi di applicazioni pratiche in cui si è proceduto all’inserimento di armature in composito all’interno di strutture in calcestruzzo di nuova costruzione, in sostituzione delle normali armature metalliche, al fine di aumentarne la durabilità in ambienti particolarmente aggressivi. L’utilizzo maggiore degli FRP nelle costruzioni, invece, riguarda essenzialmente il settore del restauro statico delle strutture degradate o danneggiate e quello dell’adeguamento statico, in particolare in campo antisismico.

Il progressivo invecchiamento delle strutture e infrastrutture in cemento armato costruite per lo più nella seconda metà del secolo appena trascorso, la necessità di provvedere all’adeguamento statico di strutture non progettate o mal progettate per resistere agli eventi sismici oppure di ripristinare quelle che sono state da questi eventi danneggiate, infine l’urgenza di provvedere ad un incremento della portanza di ponti e viadotti per effetto dell’aumento del traffico veicolare e dei relativi carichi, costituiscono un problema di primaria importanza nella società odierna.

In questo settore, le tecniche di intervento basate sull’utilizzo dei materiali tradizionali presentano non poche difficoltà operative e diversi dubbi sulla durabilità futura dell’intervento stesso. In quest’ottica, un intervento di ripristino basato sull’utilizzo di compositi ad alte prestazioni, nonostante il costo più elevato delle materie prime, può risultare più economico se si estende la valutazione economica ai tempi e alle attrezzature necessarie per l’intervento, ai costi derivanti da eventuali interruzioni dell’esercizio della struttura e alla stima della vita utile della struttura stessa a seguito dell’intervento.

I materiali FRP, infatti, grazie alla estrema leggerezza, vengono messi in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature e macchinari, da un numero limitato di operatori, in tempi estremamente brevi e, spesso, senza che risulti necessario interrompere l’esercizio della struttura.

8.2 – LE FIBRE DI CARBONIO

Le fibre di carbonio, apparse sul mercato nei primi anni ’60, sono fibre sintetiche caratterizzate da altissima resistenza meccanica ed altissima rigidità.

Industrialmente le fibre di carbonio vengono prodotte per lavorazione ad alta temperatura di particolari fibre polimeriche dette “precursori”. Il precursore attualmente più utilizzato per la produzione di fibre in carbonio è il poliacrilonitrile (PAN), un materiale di per sé molto utilizzato sia in campo tessile (i ben noti tessuti “acrilici” sono in massima parte costituiti da copolimeri di PAN) che in edilizia (molte delle fibre polimeriche utilizzate per prevenire le fessure da ritiro plastico nelle malte e nei calcestruzzi sono in poliacrilonitrile).

La produzione delle fibre di carbonio, a partire dal poliacrilonitrile, viene effettuata attraverso un processo industriale che prevede tre stadi: Riscaldamento, Ossidazione e Carbonizzazione nel corso dei quali la temperatura viene fatta aumentare fi no a 1300 – 1500°C mentre le fibre del precursore vengono tenute in trazione. Il risultato finale è la formazione di polimeri a struttura grafitica pressoché pura, continua e regolare lungo tutta la lunghezza delle fibre.

Polimero a struttura grafi tica risultante dalla produzione industriale delle fibre di carbonio

La grafite presente in natura è un materiale molto tenero e lavorabile, tant’è che viene utilizzato nelle mine delle matite. Ciò è dovuto al fatto che essa si presenta in natura come un agglomerato di “lamelle”, ossia, di cristalli piani di piccole dimensioni, facilmente sfaldabili tra loro in processi di lavorazione meccanica.

Le fibre di carbonio ottenute artificialmente, invece, sono costituite, come già detto, da veri e propri “polimeri” di grafi te che esibiscono una tenacità senza eguali se sollecitate nella direzione in cui si sviluppa il polimero.

Nella realtà, le fibre in carbonio commercialmente prodotte, al variare dei parametri di processo sopra descritti, sono caratterizzate da una struttura chimica che varia da quella del carbonio allo stato amorfo e quella della grafite cristallina. In dipendenza da ciò, variano anche le caratteristiche fisico-meccaniche delle fibre in carbonio.

In Tabella 8.1 sono riportate le caratteristiche meccaniche di tre tra i più comuni tipi di fi bre di carbonio, che vengono identificati come Carbonio ad Alta Resistenza, Carbonio ad Alto Modulo e Carbonio ad Altissimo Modulo, confrontate con quelle dell’acciaio da cemento armato tipo Feb 44K. Come si può notare, il parametro che differenzia più marcatamente le fibre in carbonio dall’acciaio, è la cosiddetta resistenza specifica, ossia, il rapporto tra la resistenza meccanica a trazione e il peso specifico che nelle prime risulta da 10 a 40 volte maggiore che nel secondo. Questa caratteristica rende i composti in fi bra di carbonio particolarmente utili in settori come quello aeronautico o astronautico dove la leggerezza è un parametro essenziale. Nel settore delle costruzioni civili il tipo di fi bre in carbonio maggiormente utilizzato e quello ad Alta Resistenza (E ≈ 230 GPa; ffk ≈ 4000 ÷ 5000 MPa) seguito, a lunga distanza, dal Carbonio ad Alto Modulo (E ≈ 400 GPa; ffk ≈ 3000 MPa).

Il carbonio ad Altissimo Modulo non viene praticamente utilizzato.

Le fibre in Aramide o Aramidiche sono fibre polimeriche ad altissime prestazioni meccaniche ottenute per lavorazione di Poliammidi Aromatiche (in inglese ARomatic polyAMIDes) dalla cui contrazione deriva il nome “Aramid”.

8.3 – LE FIBRE DI ARAMIDE

Le poliammidi sono una famiglia di materiali polimerici ottenuti per policondensazione di diammine e acido dicarbossilico. Esse possono essere caratterizzate da una struttura “lineare” oppure contenere gruppi aromatici.

Si parla di poliammidi a struttura o catena lineare quando i legami tra gli atomi di carbonio e i vari gruppi funzionali si sviluppano prevalentemente lungo una linea. Tra le poliammidi a struttura lineare vale la pena ricordare il Nylon, uno dei primi materiali polimerici ad essere stato sintetizzato (1935). Il Nylon, essendo caratterizzato da una struttura lineare, risulta molto deformabile. Esso, infatti, è caratterizzato da un modulo elastico E intorno a 5 GPa (circa 50000 kg/cm2 ) e possiede una resistenza meccanica a trazione relativamente bassa se confrontata con quella di altri materiali polimerici (500 ÷ 700 MPa). Le caratteristiche meccaniche del Nylon, inoltre, tendono a diminuire in presenza di umidità. Per la scarsa rigidezza e tenacità, il Nylon non trova impiego in ambito strutturale.

Le poliammidi possono contenere nella loro struttura un certo numero di “anelli aromatici”. In chimica organica si dà il nome di anello aromatico alla struttura caratteristica della molecola del benzene costituita da 6 atomi di carbonio posti ai vertici di un esagono regolare e legati tra loro e ad un atomo di idrogeno esterno.

La presenza di anelli aromatici nella molecola di una poliammide (Fig. 8.3b) comporta un incremento delle prestazioni meccaniche rispetto a quelle delle poliammidi lineari, in particolare, del modulo di elasticità. Se il contenuto di anelli aromatici risulta maggiore dell’85% si parla di poliammidi aromatiche e, più propriamente, di ARAMIDI.

Molecola del benzene che contiene un anello aromatico

Le prime fibre aramidiche prodotte risalgono agli anni ‘60 (1961) e sono state commercializzate con la denominazione di NOMEX.

Nel 1971, nei laboratori della Dupont, gli stessi studiosi che avevano inventato Nomex hanno messo a punto e brevettato un processo per ottenere fibre aramidiche caratterizzate da prestazioni meccaniche decisamente superiori a quelle del Nomex e confrontabili con quelle di alcuni tipi di fibre in carbonio. Il materiale ottenuto è stato commercializzato con il nome di Kevlar e rappresenta la quasi totalità delle fibre oggi utilizzate nei compositi a base aramidica.

Esistono in commercio vari tipi di Kevlar che si differenziano tra loro sia per la struttura chimica (in particolare per la lunghezza delle diammine aramidiche utilizzate nei monomeri) che per le prestazioni meccaniche. I più comuni sono il Kevlar 29 e il Kevlar 39. Più recentemente è stata introdotta una nuova formulazione denominata Kevlar 149. Nella Tabella 8.2 sono riportate le caratteristiche meccaniche di questi tre tipi di fi bra aramidica confrontate con quelle dell’acciaio tipo FeB 44K.

Le fibre aramidiche sono caratterizzate da una resistenza meccanica a trazione confrontabile con quella delle più comuni fibre in carbonio ma da un modulo elastico mediamente più basso. Per contro, in ragione del loro peso specifico più basso (1,4 g/cm3 contro 1,8 g/cm3 del carbonio) le fibre aramidiche sono caratterizzate da una più elevata resistenza specifica intesa come resistenza meccanica a trazione rapportata al peso specifico del materiale.

L’elevata resistenza specifica delle fibre aramidiche le rende particolarmente indicate nelle applicazioni aeronautiche mentre la loro notevole resistenza all’impatto ne hanno suggerito l’uso in particolari applicazioni militari. Ad esempio, sono state realizzate in Kevlar parti delle corazze di alcuni carri armati leggeri, mentre sono realizzati in tessuti di Kevlar, sostanzialmente tutti i giubbotti antiproiettili.

Nel settore delle costruzioni civili, l’aramide non trova grande impiego nel restauro delle strutture in cemento armato dove le fibre in carbonio provvedono, a parità di costi, un più alto modulo elastico e, quindi, maggiore capacità di assumere carichi e parità di deformazioni imposte alla struttura rinforzata. L’impiego delle fibre in aramide è, per lo più, indicato nel rinforzo delle strutture in muratura dove un elevato modulo elastico non è necessario e, spesso, può costituire un problema.

8.4 LE FIBRE IN VETRO

Le fibre di vetro sono ottenute per fusione a circa 1500°C di vari ossidi quali: l’ossido di calcio, l’ossido di silicio, l’ossido di magnesio, l’ossido di alluminio, l’ossido di boro. Successivamente alla fusione, la miscela di ossidi viene fatta raffreddare bruscamente fi no a circa 1200 °C e fatta fi lare dal fondo di un contenitore di platino provvisto di centinaia di fori. Le singole fibre vengono, poi, riunite, per mezzo di opportuni collanti, a formare dei fi lamenti con sezione trasversale costituita da circa 200 fili.

Successivamente alla filatura le fibre vengono, normalmente, ricoperte da un appretto che svolge diverse funzioni tra le quali quella di proteggere il vetro dall’azione aggressiva dell’ambiente esterno.

In funzione del tipo e delle proporzioni delle materie prime utilizzate nel processo di fusione si possono ottenere vari tipi di vetro con prestazioni fi siche e meccaniche molto differenti tra loro. Complessivamente sul mercato sono presenti sette tipi diversi di vetro definiti con le lettere A, C, D, E, L, R, S. Fra questi i più diffusi sono il vetro tipo “E”, caratterizzato da costo molto contenuto ma da prestazioni meccaniche relativamente basse e il vetro tipo “S”, prestazionalmente migliore ma caratterizzato da costi più elevati.

L’utilizzo delle fibre di vetro nel rinforzo delle strutture in cemento armato può nascondere, almeno in linea teorica, un problema legato alla scarsa resistenza di questo materiale alle aggressioni promosse da un ambiente fortemente alcalino come quello del calcestruzzo. In presenza di alcali (Na+ e K+ ), infatti, la silice (SiO2 ) in forma amorfa che costituisce la fase principale del vetro, tende a reagire formando dei silicati alcalini idrati in forma gelatinosa. Il risultato di questa reazione è un forte degrado delle fibre in vetro con netta riduzione della sezione resistente complessiva.

Vale la pena far notare, comunque, che il problema della scarsa resistenza agli alcali delle fibre di vetro nelle applicazioni di rinforzo a strutture in cemento armato viene risolto se si procede, come peraltro è necessario anche ai fi ni statici, ad una completa imbibizione delle fibre nella resina che costituisce la matrice e che, nel caso specifico, funge da protezione per le fibre nei confronti dell’attacco promosso dalle sostanze alcaline provenienti dal conglomerato cementizio.

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 7

Intervento a spruzzo o a cazzuola

L’intervento è destinato all’applicazione di malte espansive a consistenza plastica per riparare grandi estensioni superficiali (pareti, volte, soffitti) di spessore relativamente ridotto (in genere da 2 a 4 cm).

L’intervento comprende:

  • preparazione del sottofondo;
  • produzione della malta;
  • applicazione della malta;
  • stagionatura del rivestimento.

Preparazione del sottofondo

In linea di massima è necessario che il sottofondo di calcestruzzo sul quale si deve applicare la malta da restauro si presenti sano, irruvidito e saturo di acqua.

I ferri di armatura, inoltre, debbono essere privati della loro ruggine incoerente.

Occorre, pertanto:

  • rimuovere, mediante scarifica meccanica o idrodemolizione, il materiale ammalorato fino ad arrivare ad un calcestruzzo meccanicamente resistente e irruvidito: lo spessore di calcestruzzo rimosso deve essere almeno eguale a quello che, in base alle indagini diagnostiche (Capitolo II), risulta essere ormai penetrato dagli agenti aggressivi (cloruro, solfato, ecc.) anche se ancora non completamente danneggiato; i residui di precedenti interventi non perfettamente aderenti, come anche oli, grassi, vernici superficiali, ecc., dovranno essere ugualmente rimossi; un irruvidimento ideale del sottofondo corrisponde ad una superfi cie con asperità di circa 5 mm;
  • pulire i ferri di armatura da polvere e ruggine incoerente mediante sabbiatura ed applicare una rete elettrosaldata o nuovi ferri di armatura eventualmente previsti dal progetto di restauro; la rete elettrosaldata (per spessori di malta fi no a 25 mm) va applicata direttamente sul sottofondo e fissata con chiodi in modo da garantire un copriferro di almeno 15 mm; nel caso di spessori di malta fi no a 50 mm – fermo restando il copriferro di almeno 15 mm – è consigliabile, mediante distanziatori, sistemare la rete elettrosaldata in modo che non sia a diretto contatto del sottofondo (ma disposta simmetricamente nello strato di malta) per utilizzare al massimo l’azione di contrasto della rete stessa nei confronti dell’espansione della malta; ad ogni modo, per spessori maggiori di 25 mm è consigliabile applicare il prodotto a più strati ciascuno dei quali per non più di 25 mm; spessori di malta inferiori a 15 mm possono essere applicati anche in assenza di rete elettrosaldata, purché il contrasto all’espansione della malta sia assicurata dalle asperità (5 mm) del sottofondo in calcestruzzo;
  • saturare di umidità il sottofondo bagnando con acqua a pressione al fine di evitare sottrazione di acqua alla malta da applicare con conseguente perdita delle caratteristiche espansive: una tecnologia ottimale è quella basata sull’ impiego delle macchine per lavaggio ad acqua delle autovetture con rimozione dell’eccesso di acqua mediante aria compressa o stracci per ottenere un sottofondo saturo di acqua a superficie asciutta.

Produzione della malta

Prima di iniziare la produzione della malta è necessario aver predisposto le attrezzature occorrenti (betoniera, macchina intonacatrice, cazzuola, spatola, frattazzo) ed accertare che il quantitativo di prodotto sia sufficiente per l’esecuzione del lavoro (di solito da 1900 a 2000 kg per 1 m3 di malta). Si procede, quindi, alla miscelazione della malta in betoniera seguendo le istruzioni del produttore per quanto concerne la quantità di acqua da impiegare e le modalità operative.

Nel caso di climi caldi (> 35°C) si raccomanda di immagazzinare i prodotti occorrenti alla preparazione della malta in luoghi protetti dalla diretta insolazione, ed in quelli freddi (< 10°C) in ambienti chiusi al riparo dalle intemperie. Questa precauzione evita fenomeni di presa rapida o lenta della malta. Per lo stesso motivo è consigliabile l’impiego di acqua raffreddata (0-10°C) o riscaldata (40-60°C) rispettivamente nei periodi di clima caldo o freddo.

Applicazione della malta

L’applicazione può essere eseguita a cazzuola o, più produttivamente ed efficacemente a spruzzo con macchina intonacatrice. Immediatamente si può procedere, con una spatola di legno, a rendere più o meno planare la superficie rimuovendo la malta dalle zone di maggior accumulo. La finitura finale, (con frattazzo di legno, di ferro o di spugna sintetica) può essere eseguita in un tempo successivo (circa 30-60 min) quando, appoggiando la mano sulla superficie, le dita non affondano ma lasciano solo una leggera impronta. Se la malta ha da poco iniziato la presa l’operazione di frattazzatura superficiale può essere agevolata se è accompagnata dall’applicazione di acqua nebulizzata.

 

Stagionatura

Subito dopo la finitura finale, le superfici della malta applicata debbono essere stagionate con teli costantemente umidi per almeno 24 ore e fino a 2 giorni in ambienti caldi (> 30°C), asciutti (UR < 70%) e ventilati (velocità del vento > 10 km/ora). In alternativa, subito dopo la finitura le superfici possono essere trattate con agente stagionante per creare una pellicola anti-evaporante: questa operazione è sconsigliata se si debbono applicare ulteriori rivestimenti protettivi o vernici, a meno che non si provveda successivamente a rimuovere la pellicola mediante spazzolatura.

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 6

Calcestruzzi speciali per il restauro

6.1 QUANDO IMPIEGARE UN CALCESTRUZZO PER IL RESTAURO

Ancora oggi la stragrande maggioranza degli interventi di restauro delle opere in calcestruzzo armato (c.a.) degradato sono eseguiti con l’impiego di malte cementizie premiscelate e/o di sostanze polimeriche (in forma di liquidi da iniettare o di vernici da applicare in superficie) prodotti e controllati industrialmente che verranno illustrati nel Capitolo VII.
Tuttavia, con l’avvento di nuove tecnologie e di nuove norme sulla classificazione degli ambienti in base al loro grado di aggressione nei confronti delle opere in calcestruzzo, è possibile impiegare calcestruzzi speciali per il restauro delle opere degradate con vantaggi in termini applicativi per la rapidità e l’economia dell’intervento rispetto a quello eseguibile con le malte cementizie premiscelate. L’impiego del calcestruzzo per il restauro delle strutture in c.a. presuppone innanzitutto che, a differenza del calcestruzzo degradato che si va a sostituire per rimozione parziale o totale (Fig. 6.1.), esso sia innanzitutto durabile in relazione all’ambiente dove si va a restaurare. Questo pre-requisito di durabilità (§ 6.2) consiste nel possedere le caratteristiche composizionali e prestazionali in accordo alla normativa europea (1) in relazione  all’ambiente cui l’opera è esposta (classe di esposizione).

Di seguito sono illustrati tre requisiti essenziali di questi calcestruzzi, durabili nell’ambiente cui sono destinati, da impiegare nel restauro delle opere degradate.
Questi requisiti sono così sintetizzabili e rintracciabili nei vari paragrafi che seguono:
• primo requisito -> facilità di getto -> § 6.4-6.5.3
• secondo requisito -> semplicità della stagionatura -> § 6.6.1
• terzo requisito -> assenza di ritiro igrometrico -> § 6.8.2
• coesistenza del primo e secondo requisito -> § 6.6.2
• coesistenza del secondo e terzo requisito -> § 6.9
• coesistenza dei 3 requisiti -> § 6.10-6.11 -> § 6.10-6.11
Nella fase esecutiva del restauro, date le difficoltà operative per la messa in opera del calcestruzzo entro spazi esigui (5-10 cm), spesso congestionati dalla presenza di ferri integrativi accanto a quelli originali, è necessario porre molta attenzione nella posa in opera e nella compattazione del calcestruzzo (§ 6.4) per il restauro di strutture degradate che generalmente presenta difficoltà molto maggiori di quelle che si incontrano nella messa in opera di nuove strutture.
Queste diffi coltà esecutive possono essere agevolmente superate se si adopera un calcestruzzo autocompattante, cioè capace di essere messo in opera senza essere  ompattato per vibrazione, noto anche come Self-Compacting Concrete, SCC (2).
Un secondo requisito essenziale, per la riuscita di un restauro con un nuovo calcestruzzo applicato sul vecchio materiale, riguarda la stagionatura della superficie del calcestruzzo subito dopo la sformatura: l’applicazione di una protezione dall’essiccamento del conglomerato è di fondamentale importanza. Nel caso di questi calcestruzzi speciali destinati al restauro delle opere degradate si può impiegare un additivo capace di ridurre il ritiro noto come Shrinkage-Reducing Admixture, SRA, (3) che, anche in assenza di stagionatura umida, riduce i rischi di fessurazione da ritiro spesso provocati da una disattenta cura delle superfici delle strutture appena scasserate ed esposte alla essiccazione in ambienti asciutti, caldi e ventilati (4). Con l’ausilio di questo additivo si può quindi contare su un calcestruzzo auto-stagionante noto anche come Self-Curing Concrete. Un terzo requisito decisivo per la riuscita di un restauro realizzato mediante getto di calcestruzzo, riguarda la compensazione in tutto o in parte del ritiro;
infatti il ritiro del nuovo calcestruzzo rispetto al vecchio manufatto da restaurare che ha ormai “scontato” ogni forma di ritiro, è fonte di distacco tra vecchio e nuovo calcestruzzo. Per questo motivo il calcestruzzo a ritiro compensato, noto anche come Shrinkage-Compensating Concrete, a base di agenti espansivi è spesso impiegato in fase di restauro. A seguito dell’espansione contrastata dalla presenza dei ferri di armatura il calcestruzzo a ritiro compensato può essere individuato come un calcestruzzo auto-compresso (Self-Compressing Concrete).

Una combinazione di tutti e tre i requisiti fondamentali sopra menzionati (autocompattazione, stagionatura umida e compensazione del ritiro) è realizzabile
con il cosiddetto 3SC inteso come 3-Self-Concrete: Self-Compacting Concrete; Self-Curing Concrete; Self-Compressing Concrete (4). L’impiego del 3SC nel
restauro delle opere degradate verrà esaminato nel § 6.10.

Posa in opera di un calcestruzzo per il restauro delle pile di un ponte autostradale

6.2 PRE-REQUISITO PER L’IMPIEGO DI UN CALCESTRUZZO NEL RESTAURO: DURABILITA’ NEGLI AMBIENTI AGGRESSIVI

Nei paragrafi che seguono vengono illustrati i criteri per una corretta progettazione ed esecuzione delle opere in calcestruzzo normale, armato e precompresso
di adeguata durabilità in relazione alle condizioni aggressive dell’ambiente, in accordo alla norma europea UNI-EN 206 (1).
Per una corretta progettazione ed esecuzione delle strutture in calcestruzzo verranno presi in considerazione i seguenti elementi (5):
1) classe di esposizione: individua la categoria dell’ambiente in base al grado di aggressione nei confronti del calcestruzzo e/o dei ferri di armatura;
2) limite composizionale: individua i vincoli nella composizione del calcestruzzo ed in particolare nel massimo rapporto a/c.;
3) limite prestazionale: individua i vincoli nella prestazione corrispondente alla resistenza caratteristica (Rck) minima dettata da ragioni di durabilità da confrontare
con la Rck del progetto desunta solo in base a considerazioni di carattere statico;
4) limite del copriferro (secondo Eurocodice 2: UNI EN 1992-1-1): individua lo spessore minimo di copriferro adeguato a garantire la protezione delle armature
in relazione alla classe di esposizione;
5) classe di consistenza: individua la lavorabilità richiesta per una corretta posa in opera mirata ad una completa compattazione del conglomerato;
6) stagionatura: individua la durata minima per la protezione dei getti in relazione alle condizioni termo-igrometriche dell’ambiente al momento del getto
ed allo sviluppo della resistenza del calcestruzzo;
7) idoneità degli ingredienti con particolare riferimento agli aggregati che debbono essere innanzitutto non alcali-reattivi, privi di cloruri e solfati, e non gelivi
quando sono impiegati per calcestruzzi esposti ai cicli di gelo-disgelo (Appendice I -> § I/7.1).
Il primo e fondamentale elemento è quello di stabilire l’ambiente nel quale l’opera dovrà sorgere. La norma UNI-EN 206 stabilisce le varie classi di esposizione
ambientale (Tabella 6.1). A seconda della classe individuata per la specifica opera da costruire, vengono fi ssati alcuni limiti riguardanti i parametri del
calcestruzzo il più importante dei quali è il massimo rapporto acqua-cemento, a/c (Tabella 6.2).

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 5

DIAGNOSI DEL DEGRADO NELLE STRUTTURE IN CALCESTRUZZO

 

5.4 PROVE IN SITU

Le prove in situ (§ 2.3-2.3.10) sono quelle, a carattere non distruttivo, effettuate sulle strutture per una delle seguenti ragioni (Tabella 5.3):
● rilevare la presenza di difetti interni non visibili esternamente (fessure, fratture, ecc.) su una estensione considerevole delle strutture senza ricorrere, in
alternativa, ad un numero considerevole di carotaggi: ciò può essere eseguito misurando la velocità delle onde soniche o ultrasoniche che, come è noto, dipende
dalla continuità o meno del materiale attraversato dalle onde;
● raccogliere informazioni preliminari di carattere comparativo circa la omogeneità del materiale sulla superficie: per esempio le prove sclerometriche
eseguite su una pavimentazione o lungo un pilastro possono evidenziare aree localizzate di minor durezza superficiale (e quindi di minor resistenza meccanica)
rispetto ad altre, così da individuare in modo preciso le zone della struttura da sottoporre ad eventuali prelievi per le successive prove in laboratorio;
● verificare il posizionamento dei ferri di armatura ed il relativo spessore di copriferro mediante misure magnetometriche;
● stabilire l’andamento temporale dello spessore e della lunghezza nelle eventuali fessure attraverso un monitoraggio continuo al fi ne di accertare se il
processo fessurativo è stabilizzato o ancora in atto.

 

Esempi di dati “storici” utili per la emissione della diagnosi

L’esecuzione delle prove in situ nel loro insieme possono essere meglio organizzate non solo dopo aver esaminato l’aspetto visivo del degrado, ma anche dopo
aver valutato criticamente i dati “storici”. Questa fase intermedia della diagnosi consente, inoltre, di predisporre un piano fi nale di prove sperimentali basate su
pochi prelievi di campioni (calcestruzzo, ferri, ruggine) e su alcune determinazioni analitiche in laboratorio ben mirate all’obiettivo fi nale della diagnosi.

5.5 PROVE DI LABORATORIO

Prima di procedere al prelievo ed alle relative prove di laboratorio (§ 2.4- 2.4.8) è opportuno valutare l’insieme dei dati emersi nelle fasi precedenti
(esame visivi, raccolta dei dati “storici”, e prove in situ) al fine di interpretarli possibilmente sulla base di tutte le possibili cause di degrado. In sostanza, è
consigliabile disporre di più ipotesi in alternativa tra loro, che possono giustificare il degrado registrato . In queste condizioni i prelievi e le relative prove di
laboratorio dovranno essere finalizzati a sciogliere gli eventuali dubbi circa le ipotesi tra loro alternative ed a consolidare il meccanismo di degrado soprattutto
in relazione alla sequenza ed alla complementarità delle varie cause.
A solo titolo di esempio, si può prendere in considerazione il caso di una soletta da ponte che presenta all’esame visivo in corrispondenza dell’intradosso:
● macchie di ruggine;
● fessure spaziate con regolarità.
Si supponga che dalla raccolta dei dati “storici” sia emerso che:
● il calcestruzzo impiegato era di media qualità (Rck = 30 MPa);
● l’opera è stata realizzata da 8 anni;
● le fessurazioni e le macchie di ruggine sono state osservate recentemente;
● i carichi dinamici ai quali il ponte è sottoposto sono stimati di modesta entità o comunque sono compatibili con le sezioni e l’armatura della soletta;
● l’opera si trova in area con clima temperato e non sono mai state effettuate “salature” per sciogliere il ghiaccio. Si supponga, inoltre, che dalle prove in situ (attraverso, per esempio, misure magnetometriche) risulta che:
● il copriferro si presenta con spessore uniforme di circa 25 mm.

L’esame critico di tutti questi dati può portare a due ipotesi (nel seguito indicate A e B) la prima delle quali è sicuramente più probabile. L’ipotesi A si basa in sintesi sul seguente meccanismo:
a) carbonatazione uniforme del copriferro;
b) ossidazione (e rigonfi amento) dei ferri;
c) fessurazione del copriferro di calcestruzzo in corrispondenza dei ferri;
d) trasporto della ruggine in superfi cie (macchie).
L’ipotesi B, meno probabile ma che non può essere esclusa, si basa invece sul seguente meccanismo:
a) fessurazione del copriferro all’intradosso per effetto dei carichi dinamici provocati dal passaggio dei mezzi di trasporto;
b) ossidazione dei ferri in corrispondenza delle zone fessurate accompagnata da carbonatazione localizzata;
c) trasporto della ruggine in superficie (macchie).
Per emettere la diagnosi definitiva (da cui evidentemente dipende il successivo intervento di restauro) è necessario mirare i prelievi e fi nalizzare le prove di
laboratorio per stabilire quale delle due ipotesi A e B risulti la più attendibile. A questo scopo è suffi ciente determinare il profi lo della carbonatazione all’interno
del calcestruzzo in corrispondenza dell’intradosso:
● Ipotesi A: profondità di carbonatazione uniforme e maggiore dello spessore di copriferro (Fig. 5.2);
● Ipotesi B: profondità di carbonatazione irregolare ed eguale allo spessore di copriferro solo in corrispondenza delle fessure (Fig. 5.3);
● Ipotesi B’: profondità di carbonatazione irregolare e maggiore dello spessore di copriferro solo in corrispondenza delle fessure (Fig. 5.4).
Val la pena sottolineare che, nel caso sia l’ipotesi B la causa che ha promosso il degrado, il profi lo della carbonatazione, pur irregolare e più profondo in corrispondenza
delle fessure, potrebbe presentarsi ovunque maggiore dello spessore di copriferro a causa di un prelievo effettuato tardivamente rispetto all’innesco del degrado in atto (Fig. 5.4).

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 4

Il degrado del calcestruzzo 

4.4.5 REAZIONE ALCALI-AGGREGATO

In teoria, qualsiasi forma di silice, anche quella cristallina come il quarzo, la tridimite e la cristobalite, possono interagire con il sodio ed il potassio per dar luogo ad una sorta di silicato alcalino gelatinoso capace di rigonfi arsi in ambiente umido. Tuttavia, la capacità di produrre silicato sodico aumenta al diminuire del grado di cristallinità della silice e diventa massima se la silice è amorfa come in alcune forme di minerali silicei (opale e calcedonio).

La reazione alcali-aggregato comporta un rigonfi amento localizzato degli aggregati reattivi che si manifesta nel tempo con fessurazioni di forma irregolare (Fig. 4.31) dalle quali fuoriesce un liquido gelatinoso e biancastro (silicato sodico) oppure in sollevamenti di conetti di calcestruzzo, noti come pop-out, soprattutto nei pavimenti industriali rinforzati in superfi cie con cemento e quarzo (Fig. 6.10 e 6.11). Alla fessurazione segue solitamente il distacco superfi ciale del calcestruzzo a causa dell’azione dirompente provocata dal rigonfi amento degli aggregati. Poiché il decorso della reazione alcali-aggregato richiede in genere tempi molto lunghi (da qualche mese a qualche decina d’anni), il fenomeno si presenta molto insidioso in quanto comporta il degrado della struttura quando essa è ormai da tempo in pieno servizio.

Per quanto l’esatto meccanismo della reazione alcali-aggregato non sia stato del tutto chiarito, sono stati individuati alcuni parametri fondamentali che concorrono al decorso del fenomeno distruttivo: la reazione alcali-aggregato si manifesta tanto più velocemente ed intensamente quanto più aumentano:

a) il contenuto di sodio e di potassio nella fase acquosa che riempie i pori capillari della pasta cementizia;

b) la quantità degli aggregati silicei mal cristallizzati ed amorfi ;

c) l’umidità relativa dell’ambiente.

E’ sufficiente che manchi una delle tre suddette condizioni perché il fenomeno non si manifesti o si manifesti senza danni apparenti: per esempio, in ambienti secchi gli aggregati reattivi possono coesistere con gli alcali del cemento senza alcun danno per il calcestruzzo. D’altra parte in ambienti umidi e con cementi ricchi di alcali la reazione alcali-aggregato può decorrere con gravi danni anche se la silice degli aggregati è scarsamente amorfa e per lo più ben cristallizzata.

Ciò si verifi ca soprattutto nei pavimenti industriali rinforzati superfi cialmente da uno “spolvero” di cemento (40%) e inerte fi ne molto duro come corindone o quarzo (60%). A causa della elevata quantità di cemento presente nello strato corticale anche il contenuto di alcali è molto elevato; esso può raggiungere valori così elevati da rendere reattivo un aggregato lapideo, presente senza problemi di alcali- reattività nel substrato di calcestruzzo, ma che diventa reattivo nella zona di transizione tra calcestruzzo e strato corticale (Fig. 4.32).

La presenza di cloruro di sodio in un ambiente umido circostante le strutture in calcestruzzo (come si verifi ca nelle opere marittime ed in quelle autostradali esposte ai trattamento con NaCl nei periodi invernali) può provocare un grave peggioramento nello stato di salute del materiale: in questo caso è lo ione sodio, e non il cloruro, che congiuntamente all’acqua crea le condizioni per un grave degrado del conglomerato. Ovviamente anche la penetrazione e

Fig. 4.32 – Sollevamento dello strato corticale (pop-out) a seguitio della reazione tra gli alcali dello strato corticale e l’aggregato lapideo nel calcestruzzo

la concomitante azione corrosiva del cloruro sui ferri delle strutture armate, è fortemente favorita quando il copriferro viene fessurato ed in parte rimosso dalla reazione alcali-aggregato. Rimane il fatto che il cloruro di sodio è in grado di danneggiare sia i ferri di armatura (attraverso il cloruro) come è stato illustrato nel § 4.4.3.2, sia il calcestruzzo (attraverso il sodio) nel caso in cui quest’ultimo contenga degli aggregati potenzialmente reattivi.

L’azione aggressiva del cloruro di sodio sul calcestruzzo − per effetto della reazione del sodio con gli aggregati silicei − è stata per lungo tempo mascherata dalla concomitante azione corrosiva del cloruro sulle armature: in sostanza, la permeazione ed il distacco del copriferro sono provocati tanto dal rigonfi amento del ferro che si ossida quanto, ed ancor di più, dal rigonfi amento degli aggregati reattivi. La coesistenza dei due fenomeni è stata accertata per la prima volta da Chatterji (27) che ha evidenziato il grave danno subito dal calcestruzzo non armato, contenente aggregati reattivi, quando è in contatto con soluzioni acquose di cloruro di sodio.

L’azione aggressiva del cloruro di sodio su calcestruzzi contenenti aggregati reattivi, ancorché privi di alcali provenienti dal cemento, si può manifestare nelle opere marittime ed in quelle esposte nella stagione invernale ai trattamenti con sali disgelanti a base di NaCl. Le prevenzioni da attivare in queste circostanze sono fondamentalmente due:

● non impiegare aggregati reattivi sulla base delle prove descritte nella norma UNI 8520 parte 22^;

● impiegare cementi pozzolanici o d’altoforno, oppure aggiungere al cemento Portland materiali pozzolanici quali la cenere volante o il fumo di silice (26).

L’esclusione degli aggregati reattivi dalla produzione del calcestruzzo sarebbe, ovviamente, la misura preventiva più effi cace e defi nitiva. Tuttavia, i metodi di controllo sulla reattività degli aggregati con gli alcali presentano alcune diffi coltà legate alla laboriosità delle prove, all’incertezza dei risultati e soprattutto alla discontinuità del fenomeno: quest’ultimo aspetto del problema riguarda il fatto, per esempio, che in una grossa partita di aggregati, gli elementi lapidei reattivi sono localizzati in alcuni granuli e non in altri; se il prelievo del campione − solitamente esiguo − da sottoporre a prova non è rappresentativo di tutta la partita, il test può risultare non signifi cativo per la mancanza dei granuli reattivi nel campione analizzato, ma non nella partita. In altre parole un test di alcali-reattività degli aggregati è certamente signifi cativo se è positivo, ma non altrettanto se è negativo.

La presenza di pozzolana fi nemente suddivisa in un calcestruzzo contenente aggregati potenzialmente reattivi è, allo stato attuale delle conoscenze, la misura più effi cace, semplice e praticabile per la prevenzione dei danni provocati dalla reazione alcali-aggregato (§ 5.11.2). La pozzolana può essere introdotta nel calcestruzzo impiegando un cemento pozzolanico (miscela di cemento Portland e pozzolana) o aggiungendo pozzolana fi nemente suddivisa (cenere volante e fumo di silice) agli altri ingredienti del conglomerato. Anche la loppa granulata d’altoforno, aggiunta come ingrediente separato (50%) o attraverso il cemento d’altoforno (miscela di cemento Portland e loppa), si è dimostrata efficace nel prevenire la reazione alcali-aggregato.

Paradossalmente, la loppa, ma soprattutto la pozzolana, sono materiali costituiti in gran parte da silice amorfa e quindi potenzialmente capaci di reagire con gli alcali così come gli aggregati reattivi.

Tuttavia, esistono due aspetti signifi cativi che possono giustifi care il buon comportamento dei calcestruzzi con pozzolana o loppa nei confronti della reazione alcali-aggregato. Il primo riguarda la ridotta dimensione delle particelle di pozzolana (o di loppa) nei confronti dei granuli molto più grossi degli aggregati: in assenza di pozzolana, l’azione degli alcali si concentra sui pochi elementi lapidei reattivi presenti negli aggregati, provocando effetti dirompenti localizzati molto intensi; in presenza di pozzolana, invece, l’azione degli alcali è ripartita su un numero molto più elevato di particelle piccolissime contenenti silice amorfa, con la conseguenza che gli effetti rigonfi anti sono localmente molto attenuati, se non annullati.

Il secondo aspetto coinvolge il diverso rapporto alcali/silice amorfa che, in presenza di pozzolana, diviene molto più basso e probabilmente meno favorevole alla formazione dei silicati alcalini responsabili del processo distruttivo.

4.4.6 ATTACCO DA SALI AMMONIACALI E MAGNESICI

L’attacco degli ioni NH4+ ed Mg++ è basato su un processo di decalcifi cazione. La decalcifi cazione consiste nella rimozione del calcio dal prodotto “collante” C-S-H cui si deve sostanzialmente l’effetto legante dei cementi Portland o di miscela. A causa della perdita del calcio, il C-S-H si trasforma in prodotti progressivamente meno leganti fi no a diventare, nel caso limite di totale perdita del calcio, in un prodotto sostanzialmente formato da silice amorfa (S-H) priva di qualsiasi potere legante. Il meccanismo della decalcifi cazione si esplica attraverso il trasferimento del calcio che si trova nel C-S-H ad un complesso o prodotto privo di potere legante.

Nel caso dei sali magnesiaci si verifica:

LA VITA UTILE DELLE COSTRUZIONI IN C.A. – Mario Collepardi, ACI Honorary Member

Nella trasmissione di “otto e mezzo” del 23 ottobre 2018 il grande Massimiliano Fuxas (che ammiro molto come architetto) ha detto una cosa impropria sulle costruzioni in “cemento” (più propriamente in calcestruzzo). Ha affermato impropriamente che queste costruzioni durano solo 30 anni. Sotto riporto la Tabella 1 desunta dalle Norme Tecniche delle Costruzioni vigenti in Itala per le opere in calcestruzzo armato: la vita nominale di progetto (Vn) può variare da meno di 10 anni per le opere provvisorie e le strutture in fase costruttiva e deve arrivare a oltre 100 anni per le grandi opere come un ponte di grande importanza strategica.

Per raggiungere questo obiettivo (ed evitare un crollo prematuro come è avvenuto nel ponte Morandi a Genova) il progettista (architetto o ingegnere) deve rispettare le attuali Norme Europee (EN 206) vigenti anche in Italia che tengono conto dell’aggressività dell’ambiente (mare, cicli di gelo-disgelo, applicazione del sale per sciogliere il ghiaccio sul manto stradale, ecc.). Queste Norme Europee, che evidentemente l’Architetto Fuxas non conosce, precisano come deve essere confezionato il calcestruzzo per evitarne un prematuro degrado, mentre l’Eurocodice 2 precisa quale deve essere lo spessore di calcestruzzo (copriferro) che deve proteggere i ferri di armatura dalla corrosione a seconda della vita nominale di progetto che si vuole garantire.

Purtroppo queste Norme, tutte frutto della recente collaborazione tra i Paesi dell’Unione Europea, non erano conosciute quando sono state progettate e costruite le opere negli anni ’60 quando ancora vigeva il Regio Decreto del 1939 ! Si valuta che, a causa di questa situazione, ci siano in Italia oltre 2000 ponti autostradali a rischio di crollo.

Per una progettazione “durabile” che garantisca una vita nominale di almeno 100 anni secondo l’ attuale Norma Europea EN 206, integrata con la UNI 11104 e con la UNI EN 1992-2 per i valori di copriferro, si possono riassumere le principali caratteristiche del calcestruzzo per le strutture in c.a e c.a.p. per una struttura in prossimità del mare, come per esempio nel Ponte Morandi di Genova:

strutture in c.a. > classe di esposizione:XS1; rapporto acqua/cemento ≤ 0,50; classe di consistenza:S5; Rck ≥ 40 MPa; copriferro ≥ 45 mm; cemento nei tipi contenenti aggiunte minerali pozzolaniche in maggiori quantità (es. CEM IV , V o III);

strutture in c.a.p. > classe di esposizione:XS1;rapporto acqua/cemento ≤ 0,50; classe di consistenza:S5; Rck ≥ 40 MPa;  copriferro ≥ 55 mm;  cemento nei tipi contenenti aggiunte minerali pozzolaniche in maggiori quantità (es. CEM IV , V o III).

Linea Ferroviaria Cortina-Venezia: studio del calcestruzzo

Il Governatore del Veneto Luca Zaia ha proposto di costruire nei prossimi anni una ferrovia per collegare in sole tre ore Venezia con Cortina. Trovo questa proposta molto interessante: un turista in visita a Venezia può fare un rapido e comodo salto a Cortina per visitare le nostre Dolomiti. Così pure i turisti presenti a Cortina per sciare potranno ammirare la Serenissima con un rapido viaggio in treno.

Io mi proverò a proporre per questa opera di grande valore sociale un materiale da costruzione durabile almeno 100 anni secondo le norme europee: un calcestruzzo armato capace di resistere al clima marino di Venezia e ai cicli di gelo-disgelo dell’alta montagna. Tra i due tratti (mare e monti) possiamo immaginare di impiegare un calcestruzzo armato esposto alla carbonatazione con conseguente rischio di corrosione dei ferri di armatura.

 

CALCESTRUZZO ESPOSTO AL TRASCINAMENTO EOLICO DELLA SALSEDINE MARINA

Nel tratto che grosso modo va dalla Stazione di Santa Lucia a Venezia alla Stazione di Mestre possiamo immaginare di costruire l’opera con un calcestruzzo non lontano dal mare esposto cioè alla classe di esposizione XS1.

Per le opere in calcestruzzo armato (c.a.) le Norme Europee prevedono un rapporto acqua/ cemento non superiore a 0,50 che, con un cemento pozzolanico (resistente all’acqua di mare) in classe di resistenza 42.5 N, corrisponde ad una resistenza caratteristica (controllo di tipo B) di 40 MPa. Inoltre, in vista di una durabilità dell’opera di 100 anni, si richiede uno spessore di copriferro di almeno 55 mm per proteggere i ferri di armatura dalla corrosione. La messa in opera può essere agevolata impiegando un calcestruzzo autocompattante con un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

Per le opere in calcestruzzo armato precompresso (c.a.p) è necessario ridurre il massimo rapporto acqua/cemento a circa 0,45 per raggiungere una resistenza caratteristica di 50 MPa (controllo B) con lo stesso cemento impiegato per le opere in c.a. Il copriferro per garantire una durabilità di 100 anni diventa 65 mm. Si raccomanda anche per queste strutture un calcestruzzo autocompattante con un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

 

CALCESTRUZZO ESPOSTO ALLA CARBONATAZIONE

Nel tratto che grosso modo va da Mestre a Vittorio Veneto il calcestruzzo non è esposto né alla salsedine marina, né ai cicli di gelo-disgelo. Tuttavia esiste il rischio di corrosione dei ferri di armatura per effetto della carbonatazione essendo il materiale esposto all’aria ed alla pioggia: esso si trova quindi nella classe di esposizione XC4.

Per le strutture in c.a. il rapporto acqua/cemento massimo è 0,50 che, con un cemento al calcare CEM II A-L 42.5 R, corrisponde ad una resistenza caratteristica di 40 MPa con un controllo B. Per garantire una durabilità di 100 anni occorre adottare un copriferro di almeno 40 mm. Per agevolare la messa in opera si può impiegare un calcestruzzo autocompattante e un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

Per le strutture in c.a.p. il rapporto acqua/cemento massimo è di 0,49 che con un CEM II A-L 42.5 R corrisponde ad una resistenza caratteristica di 45 MPa con un controllo B. Per garantire una durabilità di 100 anni occorre adoperare un copriferro di almeno 50 mm. Per agevolare la messa in opera si può impiegare un calcestruzzo autocompattante con un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

 

CALCESTRUZZO ESPOSTO AI CICLI DI GELO-DISGELO

Nel tratto che grosso modo va da Vittorio Veneto a Cortina esiste il rischio che il calcestruzzo si degradi a causa della formazione di ghiaccio nei pori capillari della pasta cementizia e nei vuoti presenti negli inerti. Per evitare questo danno occorre adottare un additivo aerante capace di allentare la tensione causata dalla formazione di ghiaccio grazie alla formazione di microbolle disperse nella pasta cementizia. Occorre, inoltre, impiegare inerti non-gelivi capaci di resistere ai cicli di gelo-disgelo nell’ambiente Occorre, infine, tener conto dell’esposizione all’aria e quindi al rischio di carbonatazione e di corrosione dei ferri di armatura. Pertanto, l’ambiente risulta essere in classe di esposizione XC4  + XF3.

Per le strutture in c.a. il rapporto acqua/cemento di 0,50 unitamente ad un volume di aria inglobata del 6% corrisponde ad una resistenza caratteristica di 35 MPa con un controllo B. Lo spessore di copriferro per garantire una durabilità di 100 anni deve essere almeno 40 mm. Per evitare la perdita di aria inglobata si raccomanda di non impiegare un calcestruzzo autocompattante ma di adottare una classe di consistenza superfluida S5 con un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

Per le strutture in c.a.p. il rapporto acqua/cemento di 0,42 unitamente ad un volume di aria inglobata del 6% corrisponde ad una resistenza caratteristica di 45 MPa con un controllo B. Lo spessore di copriferro per garantire una durabilità di 100 anni deve essere almeno 50 mm. Per evitare la perdita di aria inglobata si raccomanda di non impiegare un calcestruzzo autocompattante ma di adottare una classe di consistenza superfluida S5 con un diametro massimo di 20 mm per l’inerte.

 

CONCLUSIONI

Per la costruzione della ferrovia da Venezia a Cortina, proposta dal Presidente del Veneto Luca Zaia, occorre prevedere tre ambienti -che corrispondono alle classi di esposizione XS1, XC4 e XF3- e due tipi di calcestruzzo (c.a e c.a.p.) per un totale di 6 miscele capaci di garantire una durabilità di almeno 100 anni in ambiente marino (come quello vicino a Venezia), di montagna (come quello vicino a Cortina), ed intermedio (come quello compreso tra Mestre e Vittorio Veneto).

Norme Tecniche per le Costruzioni 2018

In occasione dell’entrata in vigore dal prossimo 22 marzo delle nuove Norme Tecniche per le Costruzioni emanate con DM del 17-01-2018, vogliamo porre alla vostra attenzione alcune importanti novità introdotte nell’ambito dei controlli di accettazione in cantiere sui materiali, obbligatoriamente da parte di un laboratorio ufficiale di cui all’art. 59 del DPR n. 380/2001.

CALCESTRUZZI (§11.2.5-11.2.6)

La Rck dovrà essere valutata su provini sottoposti a prova tra il 28° e 30° giorno dal getto e comunque entro 45gg dal confezionamento.ATTENZIONE: Il mancato rispetto di tali termini comporterà il ricorso al controllo della resistenza in opera di cui al §11.2.6 (carotaggi), sempre ad opera di un laboratorio ufficiale. In caso di verifiche in opera, sia su strutture nuove nei casi di non conformità o dubbi elencati al § 11.2.6 sia per la caratterizzazione dei materiali di cui al § 8.5.3 per le verifiche strutturali di edifici esistenti, dovrà essere un laboratorio ufficiale ad eseguire anche il prelievo delle carote oltre che le prove sulle stesse.

MURATURA PORTANTE (§11.10.2)

Sono stati da un lato incrementati i controlli sugli elementi resistenti, dall’altro introdotti i prelievi sulla malta di allettamento prima non previsti.Per gli elementi della muratura dovranno essere eseguiti controlli di accettazione sulla resistenza a compressione di almeno un campione (costituito da almeno 6 elementi) per ogni 350 m3 di fornitura per elementi di Categoria II e per ogni 650 m3 per elementi di Categoria I.ATTENZIONE: per le malte di allettamento con funzione strutturale, sia nel caso di prodotti preconfezionati/premiscelati già con obbligo di marcatura CE sia per malte prodotte in cantiere, è stato introdotto l’obbligo di prelievi in cantiere per la verifica della resistenza a flessione e a compressione come già per i calcestruzzi. Per ogni miscela omogenea il controllo di accettazione andrà eseguito su almeno 3 provini prismatici 40 x 40 x 160 mm ogni 350 m3 di muratura nel caso di malte a composizione prescritta o prodotte in cantiere, oppure ogni 700 m3 di muratura nel caso di malte a prestazione garantita.

ACCIAIO DA C.A. (§11.3.2.12) E DA C.A.P (§11.3.3.5.4)

Rimante confermato l’obbligo dei controlli di accettazione in cantiere entro 30 giorni dalla data di consegna in ragione di 3 campioni dello stesso diametro e tipologia di acciaio ogni 30 t di acciaio dallo stesso stabilimento, anche se raggiunte con forniture successive (novità). La circolare esplicativa alle NTC raccomanda il prelievo di almeno tre diversi diametri opportunamente differenziati nell’ambito di ciascun lotto di spedizione.Si ricorda che, oltre alla prova di trazione, per le barre è OBBLIGATORIA ANCHE quella di PIEGA, mentre per reti o tralicci quella dello STRAPPO DEL NODO.Si rammenta che suddetti controlli di accettazione in cantiere NON POSSONO ASSOLUTAMENTE ESSERE SOSTITUITI DAI CERTIFICATI DEI CONTROLLI DI PRODUZIONE dell’acciaieria o del centro di trasformazione.

ACCIAIO PER CARPENTERIA METALLICA (§11.3.4.11.3 )

Viene confermato, prima della posa in opera, l’obbligo della prova di trazione e di resilienza su almeno 3 provini per tutte le forniture di elementi e/o prodotti, qualunque sia la loro provenienza e la tipologia di qualificazione. Sono, tuttavia, cambiate le frequenze di prova, distinte per tipologie di prodotti (es. ogni 90 ton per elementi di Carpenteria Metallica, ogni 15 ton per Lamiere grecate e profili formati a freddo).

INDICAZIONE GENERALE PER TUTTI I MATERIALI 

Per tutti i controlli di accettazione, il DL o il collaudatore possono delegare ai prelievi lo stesso laboratorio ufficiale incaricato della esecuzione delle prove.

Norme tecniche per le costruzioni

Le Norme Tecniche per le Costruzioni sono state approvate con il D.M. 14 gennaio 2008 e pubblicate sulla Gazzetta Ufficiale n. 29 del 4 febbraio 2008 (S.O. n. 30).

Azioni Sismiche

Le norme accantonano il concetto di “Zona Sismica” ai fini della definizione delle azioni sismiche.
Le accelerazioni ag vengono calcolate nell’effettiva posizione geografica del sito e non sono più valutate genericamente sulla base dell’appartenenza ad una zona sismica del comune in cui realizzare l’opera.
Gerarchia delle Resistenze
Per quanto riguarda le strutture in calcestruzzo armato, il rispetto della gerarchia delle resistenze è un obbligo pressoché generalizzato, anche per le strutture classificate di duttilità bassa. In fase di progettazione per il disegno dei ferri d’armo e lo studio dell’armatura devono essere utilizzati degli strumenti di progettazione integrata.

Verifiche di duttilità

P per tutti gli edifici ad eccezione di quelli realizzati in zona 4, è obbligatoria la verifica di duttilità. La verifica di duttilità consiste nel controllare che il rapporto delle duttilità allo SLU e allo snervamento sia maggiore dei valori riportati al punto 7.4.4 della normativa.

Fondazioni

Per le opere di fondazione sono obbligatorie verifiche di tipo geotecnico e strutturale differenziate in basse alla tipologia di fondazioni: dirette (superficiali) e indirette (profonde).
All’interno della normativa sono inseriti diversi coefficienti di sicurezza specializzati per tipologia di fondazione e di verifica, gli stati limite ultimi di tipo geotecnica e gli stati limite ultimi di tipo strutturale caratterizzati da diverse combinazioni delle azioni.

Circolare applicativa

La Circolare n. 617/CSLLPP del 2 febbraio 2009, contenente le “istruzioni per l’applicazione delle nuove norme tecniche per le costruzioni”, è stata pubblicata nel Supplemento ordinario alla “Gazzetta Ufficiale” n. 47 del 26 febbraio 2009.
Con la pubblicazione della circolare “si completa l’innovativo percorso normativo previsto dal DM 14 gennaio 2008, sulle “nuove norme tecniche per le costruzioni” che rappresentano la più avanzata espressione normativa a tutela della pubblica incolumità nel settore delle costruzioni.

Di seguito le norme tecniche N.T. per le Costruzioni nella edizione del 14.01.2008 attualmente in vigore ma di prossima revisione.

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