Gelo e disgelo del calcestruzzo
Nel degrado provocato dal gelo (Fig.1), cioè dalla formazione del ghiaccio, e più esattamente dall’aumento del volume (9%) che accompagna questo processo, l’acqua agisce da responsabile diretta del degrado. Infatti, il ghiaccio si forma, e può danneggiare il calcestruzzo, solo se è presente l’acqua all’interno dei pori della matrice cementizia o di quelli dell’aggregato lapideo. Al contrario, il calcestruzzo non si danneggia anche se possiede un certo grado di saturazione (volume di acqua/volume dei pori) purché questo sia inferiore ad una determinata soglia definita “saturazione critica”.
Fig. 1 – Degrado di un’opera stradale per effetto dei cicli di gelo-disgelo
SATURAZIONE CRITICA
Teoricamente la saturazione critica è calcolabile dall’aumento di volume (9%) che accompagna la transizione di stato dell’acqua liquida in ghiaccio. Se in un recipiente chiuso di 100 litri fossero presenti 91.7 litri di acqua liquida (pari cioè al 91.7% del volume totale), la completa formazione di ghiaccio potrebbe avvenire riempiendo tutto il volume disponibile senza provocare teoricamente alcuna tensione nel contenitore:91.7 + 0.09 • 91.7 = 100L’aumento di volume (9% di 91.7 litri), potrebbe, infatti, essere allocato nel volume inizialmente vuoto del contenitore senza alcuna tensione per quest’ultimo. Ancora più sicura potrebbe essere la situazione – in caso di formazione di ghiaccio – se il volume dell’acqua iniziale fosse minore del 91.7%: in questo caso, anche dopo la completa solidificazione dell’acqua, il contenitore non verrebbe completamente riempito dal ghiaccio. Se, invece, in un contenitore da 100 litri l’acqua liquida occupasse un volume maggiore di 91.7 litri (per esempio 95 litri), l’aumento di volume determinato dalla completa formazione di ghiaccio (9% di 95 litri = 8.55 litri) sarebbe maggiore del volume di vuoto inizialmente disponibile (5 litri) con conseguenti tensioni sul contenitore. Da ciò si evince che, nel caso del contenitore, la “saturazione critica” rappresenta la percentuale di volume occupato dall’acqua liquida, rispetto al volume del recipiente, oltre la quale la completa formazione di ghiaccio determina tensioni nel contenitore stesso. La rottura o meno del recipiente dipenderà da altri fattori, che includono le caratteristiche del materiale (resistenza meccanica e rigidità) con cui è costruito il contenitore e la percentuale di riempimento del recipiente con acqua, rispetto al valore della saturazione critica.
IL RUOLO DELLA POROSITA’
Il concetto della saturazione critica – come soglia di rischio in caso di formazione di ghiaccio – può essere esteso, in prima approssimazione, alle strutture costituite con materiali caratterizzati da porosità continua ed aperta, e quindi esposti alla saturazione con acqua, per esempio in caso di pioggia. In questo caso, ovviamente, la saturazione critica andrebbe intesa come volume di acqua riferita non già al volume di tutta la struttura ma a quello dei vuoti in essa distribuiti. In pratica, però, in una struttura di calcestruzzo – anche se il grado di saturazione d’acqua nei pori risultasse inferiore alla saturazione critica del 91.7% – potrebbero insorgere egualmente, in caso di gelo, tensioni provocate dalla formazione di ghiaccio. Ciò potrebbe avvenire se l’acqua fosse distribuita, come spesso avviene nella realtà, in modo disuniforme e quindi in modo da creare localmente una saturazione d’acqua superiore a quella critica, ancorché nella sua globalità – cioè considerando i vuoti di tutta la struttura – la saturazione critica non sia raggiunta.In sostanza, per calarci ancor più nella realtà, in un pavimento o in muro ciò che conta – ai fini del degrado provocato dalle tensioni che insorgono a seguito di una gelata – è la saturazione con acqua della parte corticale. Se in questa zona si è superata la saturazione critica, in seguito ad una pioggia, una eventuale successiva gelata potrà provocare danni per formazione di ghiaccio nei pori della zona corticale ancorché il contenuto d’acqua nella parte più interna del pavimento o del muro risulti inferiore alla saturazione critica. D’altra parte, da un punto di vista pratico occorre considerare che, a differenza di ciò che avviene durante la formazione di ghiaccio dentro un contenitore chiuso, nel caso di strutture in materiale poroso esposte al gelo, l’acqua non ancora congelata viene sospinta, per l’aumento di volume che si determina in quella congelata, verso porosità interne insature di acqua o verso i pori che si affacciano all’esterno. Questa sorta di drenaggio allevia le tensioni che insorgono per la formazione di ghiaccio in una parte localizzata della struttura, ed il fenomeno è favorito dai macropori (quelli con sezione maggiore di 100 mm) ed ostacolato, ovviamente, da pori di minor diametro.
Fig. 2 – Matrice cementizia nella quale sono disperse microbolle d’aria.Occorre, infine, tener conto che all’interno dei micropori (con sezioni inferiori a 0.1 mm) i primi nuclei cristallini di ghiaccio non possono formarsi a meno che la temperatura non si abbassi ben al di sotto di 0°C.Da quanto sopra illustrato emerge che i pori “più a rischio”, per quanto attiene il danno provocato dal gelo di un materiale poroso esposto all’acqua, sono quelli con dimensione compresa tra 100 e 0.1 mm ed in particolare quelli con diametro di qualche µm.
Fig.3 – Influenza dello spacing sul fattore di durabilitàIn sostanza, (a causa della complessa influenza della dimensione dei pori sulla formazione di ghiaccio e sulle sue conseguenze) è difficile prevedere il comportamento del calcestruzzo nei confronti del gelo soltanto conoscendo il volume della porosità totale ed il suo grado di saturazione con acqua. Ciò non di meno, esistono principi pratici e precisi – ancorché talvolta di non facile applicazione – per la produzione di calcestruzzi resistenti al gelo e per il controllo preliminare (su calcestruzzo fresco) o postumo (su calcestruzzo indurito) del suo comportamento.
CALCESTRUZZO RESISTENTE AL GELO
Questi principi sono sostanzialmente incentrati su tre regole pratiche: a) ridurre la microporosità capillare (0.1 – 10 mm) della matrice cementizia ponendo un limite nel rapporto acqua-cemento (a/c); b) favorire la presenza di pori a grande dimensione (100-300 mm) in forma di bolle d’aria inglobate nella matrice cementizia; c) impiegare aggregato lapideo non gelivo, cioè capace di per sé, di resistere alla formazione di ghiaccio.
Fig.4 – Provino di calcestruzzo non areato danneggiato dai cicli di gelo-disgelo.Per quanto riguarda la prima regola, essa va nella direzione della durabilità in genere e cioè di ridurre il rapporto a/c per ridurre la porosità capillare, e quindi di ostacolare l’ingresso di acqua piovana dall’ambiente all’interno del calcestruzzo. Un secondo beneficio, che deriva dall’adottare un rapporto a/c relativamente basso, consiste nella riduzione di acqua di impasto che, se eccessiva, rimane all’interno del calcestruzzo indurito ed è quindi potenzialmente congelabile. In pratica, secondo la norma UNI EN 206, il rapporto a/c di un calcestruzzo esposto al gelo non deve superare il valore di 0.55.La seconda regola è quella di inglobare nella matrice cementizia un elevatissimo numero di bolle d’aria del diametro di 100-300 mm (Fig. 2). La regola di inglobare bolle d’aria nel calcestruzzo appare giustificata – oltre che confermata dall’esperienza pratica di oltre mezzo secolo – dal fatto che, in occasione di una gelata, l’acqua non ancora congelata , che riempie i pori capillari, viene sospinta verso le bolle d’aria da parte di quella che si sta trasformando in ghiaccio con conseguente aumento di volume. Rispetto alla microporosità capillare della matrice cementizia, le bolle d’aria si comportano come vaste aree di parcheggio vuote pronte ad ospitare il traffico delle molecole d’acqua che saturano ed intasano il reticolo circostante costituito dalla fitta rete di pori capillari che si comportano come vicoli lunghi e stretti confluenti verso le aree di parcheggio (bolle d’aria). Le bolle d’aria, in sostanza, allentano la tensione che si instaurerebbe nei pori capillari della matrice cementizia per effetto della pressione idraulica generata dall’aumento di volume determinato a sua volta dalla formazione di ghiaccio. Perché le bolle siano funzionali allo scopo, occorre che il tragitto percorso dall’acqua non ancora congelata (attraverso i pori capillari della matrice cementizia fino ad arrivare nelle bolle d’aria) non sia eccessivamente lungo, pena l’aumento della pressione idraulica che cresce con il cammino percorso dall’acqua. Da qui l’esigenza di uno spacing – cioè di una spaziatura tra le bolle – limitato a qualche centinaio di mm.Nella Fig. 3 è mostrata l’influenza dello spacing sul fattore di durabilità di diversi calcestruzzi a parità di aria inglobata. Quando lo spacing, cioè la distanza tra le bolle, aumenta oltre il valore di 400 mm diminuisce fortemente la resistenza ai cicli di gelo-disgelo espressa attraverso il fattore di durabilità.Le bolle d’aria – che rimangono sempre vuote e si riempiono d’acqua solo per effetto della pressione idraulica in occasione della formazione di ghiaccio – fanno diminuire il grado di saturazione del calcestruzzo prima della gelata ad un livello inferiore alla saturazione critica. Nel periodo del disgelo, l’acqua ripercorre all’inverso il suo cammino per effetto della suzione capillare, portandosi dalle bolle di maggiore dimensione (100-300 mm) verso i micropori (0.01-10 mm) della matrice cementizia. Le bolle d’aria svuotatesi dall’acqua nel periodo del disgelo sono così pronte ad ospitare altra acqua nel successivo rigelo. In realtà, in questo andirivieni c’è il rischio che alcune particelle solide incoerenti, presenti nei pori capillari, vengano trascinate all’interno delle bolle d’aria riducendone progressivamente ed irreversibilmente la dimensione e quindi l’efficacia. Il volume totale delle bolle d’aria rispetto a quello del calcestruzzo deve essere di almeno il 4-6% per aggregati con diametro massimo di 50-20 mm ed il volume d’aria deve essere ancora maggiore (fino all’8%) per aggregati di minor dimensione.Da un punto di vista pratico, la formazione delle bolle d’aria avviene introducendo, nel calcestruzzo fresco, degli additivi capaci di modificare la tensione superficiale dell’acqua (tensioattivi) e di favorire la formazione delle bolle d’aria a seguito dell’agitazione dell’impasto in betoniera (agenti aeranti). Sempre dal punto di vista pratico, poiché è ormai consolidato il risultato di ottenere (con determinati agenti aeranti) bolle con dimensione e spaziatura adeguate, ci si può limitare solo al controllo dell’aria totale mediante porosimetri da campo per verificare, al momento sia della miscelazione che del getto, se il suo volume sia compreso o meno nell’intervallo richiesto (generalmente 4-6%). Se il volume d’aria fosse minore di quello programmato (cioè se il numero di bolle fosse inadeguato) la resistenza al gelo potrebbe essere compromessa. Se, d’altra parte, fosse maggiore un eccesso d’aria potrebbe provocare riduzioni impreviste nella resistenza meccanica, ma di questo si riparlerà più avanti.
Fig.5 – Resistenza caratteristica in funzione del rapporto acqua/cemento di calcestruzzi con e senza aria inglobata
La terza regola impone l’impiego di aggregati di per sé non gelivi. Infatti, le bolle d’aria, che vengono inglobate e disperse solo nella matrice cementizia al momento della miscelazione del calcestruzzo fresco, non possono alleviare ovviamente le tensioni generate dalla eventuale formazione di ghiaccio nella porosità presente dentro gli aggregati.
IL CONTROLLO DELLA RESISTENZA AL GELOIl controllo preliminare che le suddette tre regole siano rispettate – in particolare che il calcestruzzo al momento del getto possegga il volume di aria richiesto – è essenziale per la produzione di un conglomerato resistente al gelo. Esiste, tuttavia, un metodo più diretto ancorché più laborioso per valutare a posteriori il comportamento del calcestruzzo indurito nei confronti dei cicli di gelo-disgelo (UNI 7087). Esso consiste nel misurare il modulo elastico dinamico (E) del calcestruzzo, attraverso la determinazione della velocità delle onde ultrasoniche nel materiale. Il valore di E viene registrato su un provino di calcestruzzo stagionato ma non ancora esposto al gelo (Eo), e viene rimisurato sistematicamente dopo aver esposto il calcestruzzo ad un certo numero di cicli (n) di gelo-disgelo (tra +5°C e -25°C). Il valore del modulo elastico (En) dopo n cicli, rispetto al valore iniziale Eo, dà un’indicazione del comportamento del calcestruzzo quando è esposto a cicli di gelo-disgelo. In particolare, il comportamento al gelo viene valutato attraverso il cosiddetto fattore di durabilità (fd) così definito:fd = (En/Eo) 100 (n/300)Il comportamento ai cicli gelo-disgelo è considerato accettabile se con n=300 (cioè dopo 300 cicli) il modulo elastico finale E300 conserva almeno l’80% del valore iniziale Eo. Per esempio, se dopo 300 cicli il modulo elastico è di 27000 N/mm2 contro il valore iniziale (Eo) di 30000 N/mm2, il fattore di durabilità sarà:fd = (27000/30000) 100 (300/300) = 90%In alcuni casi il provino è così degradato (Fig. 4) da dover interrompere la prova prima di arrivare al trecentesimo ciclo. In questi casi, la prova viene interrotta quando il valore En si riduce al 60% di Eo, ed il fattore di durabilità diventa:fd = 60 · (n/300)se ciò avviene, per esempio, in un calcestruzzo non aerato dopo 150 cicli (n=150) il valore di fd è pari a 30.
RESISTENZA AL GELO E RESISTENZA MECCANICA
La presenza delle bolle d’aria – nei quantitativi (4-6% in volume) previsti per la resistenza al gelo – comporta una riduzione della resistenza meccanica di circa il 20% rispetto al corrispondente calcestruzzo senza agente aerante. La Fig. 5 illustra come varia la resistenza meccanica caratteristica (Rck) del calcestruzzo (con cemento di classe 32.5) in funzione del rapporto a/c in assenza ed in presenza di un agente aerante. Nel secondo caso la curva Rck– a/c risulta inferiore del 20% rispetto a quella del calcestruzzo senza aria inglobata. Si può notare che, con il cemento di classe 32.5 adottato, il valore di Rck, rispettando la prima e seconda regola per produrre calcestruzzo resistente al gelo (a/c = 0.55; aria = 4÷6%), è di circa 25 N/mm2. Se questo valore dovesse risultare inadeguato rispetto a quello richiesto dal progetto (per esempio Rck = 35 N/mm2) sarà sufficiente abbassare il rapporto a/c fino a quel valore (a/c=0.45) che – nonostante la perdita di resistenza (20%) provocata dalla presenza delle bolle d’aria – consente egualmente di conseguire l’obiettivo di Rck richiesto.In sostanza, in un calcestruzzo resistente al gelo per la presenza delle bolle d’aria il potenziale abbattimento di Rck rispetto al corrispondente calcestruzzo non aerato viene compensato rinforzando la matrice cementizia attraverso una riduzione nel rapporto a/c. Ciò comporta, in pratica, che a pari Rck un calcestruzzo aerato (resistente al gelo) richiede circa 30 Kg/m3 in più di cemento rispetto al corrispondente calcestruzzo non aerato (e non resistente al gelo). Il maggior costo del calcestruzzo aerato (non solo per l’agente aerante e per il 30 Kg/m3 di cemento, ma anche per la maggior cura richiesta nel controllo dell’aria inglobata) è largamente ricompensato dalla maggiore durabilità e quindi dai minori costi manutentivi in servizio. Tuttavia, per diverse ragioni, l’impiego di calcestruzzo aerato – ampiamente adottato in paesi con climi più freddi del nostro -dal Canada alla Svezia – trova difficoltà ad essere accettato nel nostro paese.
IL CALCESTRUZZO RESISTENTE AL GELO IN ITALIA
A guardare i dati sui consumi di agente aerante e quindi di produzione di calcestruzzo resistente al gelo in Italia (presumibilmente meno dell’1% di tutta la produzione), si dovrebbe concludere che il nostro paese sia dovunque e permanentemente ’O paese d’o sole. Forse lo è a Napoli, ma non certo a Bologna o a Torino, e tanto meno a Trento, Bolzano, L’Aquila o Potenza. A conferma di questa situazione è sufficiente notare le temperature invernali nelle varie regioni, e soprattutto registrare i consumi imponenti di sali disgelanti per sciogliere il ghiaccio sulla superficie delle nostre strade, autostrade, piste aeroportuali e pavimentazioni in genere. E allora perché questa disattenzione verso il calcestruzzo aerato resistente al gelo? I progettisti (nonostante le raccomandazioni della nuova normativa nazionale (UNI EN 206) per lo più lo ignorano e taluni lo rifiutano categoricamente. I produttori di calcestruzzo lo vedono come un maggiore onere nel controllo, che deve essere attento e costante e rinunciano a promuoverlo con impegno. Le imprese, se non viene prescritto, non sono disposte ovviamente a pagarne l’extra-costo. E così, per non spendere qualche euro in più sul calcestruzzo in opera, se ne spenderanno molti di più per il restauro. Che sia questa la vera spiegazione della idiosincrasia italiana per il calcestruzzo resistente al gelo?
