Uso di cenere volante nei calcestruzzi: fattore di efficienza delle aggiunte minerali pozzolaniche

Transcript

1 Uso di cenere volante nei calcestruzzi: fattore di efficienza delle aggiunte minerali pozzolaniche Michele Valente 1, Michele Vigneri 2, Alessandro Pasqualini 3, Marco Bressan 4, Bianchini Sebastiano 5, Felice M. Liberatore 6 1 Via delle Industrie 14/16, Ponzano Veneto (TV) Italia;mvalente@gageneral.com; A.D. G.A. General Admixtures; 2 Via delle Industrie 14/16, Ponzano Veneto (TV) Italia;mvigneri@gageneral.com; G.A. General Admixtures; 3 Via delle Industrie 14/16, Ponzano Veneto (TV) Italia; apasqualini@gageneral.com; G.A. General Admixtures; 4 Via delle Industrie 14/16, Ponzano Veneto (TV) Italia;mbressan@gageneral.com; G.A. General Admixtures; 5 Via delle Industrie 14/16, Ponzano Veneto (TV) Italia; sbianchini@gageneral.com; G.A. General Admixtures; 6 Via delle Gardenie 40, Vasto (CH) Italia; felice.liberatore@gmail.com; ingegnere civile. SOMMARIO Attraverso l elaborazione del concetto di indice di attività pozzolanica si vuole caratterizzare l efficienza della cenere volante. Il fattore di efficienza, definibile teoricamente con riferimento a tutte le prestazioni di un calcestruzzo, viene, in questo studio, proposto in relazione a due importanti proprietà : la resistenza meccanica a compressione e la resistenza alla penetrazione ai cloruri. Le prove effettuate in questo studio consentono di verificare la relazione tra il coefficiente di efficienza e i seguenti parametri: contenuto di cemento, contenuto di ceneri volanti e tempo di stagionatura del calcestruzzo. INTRODUZIONE La cenere volante è un sottoprodotto minerale derivante dal processo di produzione dell energia elettrica. Si tratta del residuo della combustione del carbone bruciato nelle centrali termoelettriche e raccolto a terra mediante filtri elettrostatici. I costituenti principali della cenere volante sono SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 e CaO. La norma ASTM C618 classifica tali sottoprodotti in due categorie: Classe C e Classe F. Le prime, derivanti da lignite o carbone sub-bituminoso, presentano elevati contenuti di calcio e per questo hanno di per sé proprietà leganti. Le seconde, derivanti dalla combustione di antracite o del carbone bituminoso, sono a basso contenuto di calcio e non possiedono proprietà leganti. Tuttavia, grazie alla struttura amorfa della silice costituente le loro microparticelle, sono capaci della reazione pozzolanica. Ca( OH PFA + H O = C S H ( 1 ) ) Tale reazione, descritta qualitativamente dalla espressione (1), consente alla cenere volante di tipo F di formare, in presenza di Ca(OH) 2, silicati idrati di calcio analoghi a quelli derivanti dall idratazione del

2 cemento. Durante la reazione di idratazione del cemento oltre ai prodotti principali (C S H) si genera, come prodotto secondario, il Ca(OH) 2. Quest ultimo, in presenza di cenere volante, determina ulteriore produzione di C S H e quindi miglioramento delle prestazioni meccaniche e di durabilità dei conglomerati cementizi. La capacità pozzolanica di una cenere volante viene usualmente misurata attraverso prove di reattività con la CaO. Tale reattività dipende da due proprietà essenziali della cenere volante: la quantità di silice amorfa in essa contenuta e la finezza delle sue particelle. Da un punto di vista pratico risulta più interessante misurare la reattività della cenere volante mediante il concetto di fattore di efficienza k. Tale concetto è usualmente applicato con riferimento alla resistenza a compressione in quanto questa è la prestazione meccanica più importante del calcestruzzo. Tuttavia, il concetto di fattore di efficienza k può essere applicato anche ad altre proprietà del calcestruzzo come la resistenza alla penetrazione dei cloruri. Nello studio presentato è stata esaminata l influenza di una cenere volante di tipo F di produzione italiana su due proprietà del calcestruzzo: resistenza alla compressione ed alla penetrazione dei cloruri. La prima è la più importante quando si parla dell aspetto strutturale del calcestruzzo, la seconda è invece essenziale negli aspetti legati alla durabilità delle strutture esposte all aggressione di cloruri. CEMENTO EQUIVALENTE E COEFFICIENTI DI EFFICIENZA Resistenza a compressione Dato un calcestruzzo confezionato usando una quantità "c" di cemento e "P" di cenere volante, si definisce cemento equivalente c eq, quella quantità di cemento necessaria a produrre lo stesso contributo alla resistenza a compressione dato da P. Il rapporto tra c eq e P rappresenta il fattore di efficienza k della cenere volante riferito alla resistenza a compressione. Il valore c eq sommato al cemento c presente nella miscela determina il contenuto totale di cemento (c tot ). c tot = c + c = c + k P (2 A ) eq La norma europea UNI EN disciplina l utilizzo della cenere volante nel calcestruzzo considerandola una aggiunta pozzolanica. A tale scopo, viene attribuito alla cenere un coefficiente di efficienza k, che può assumere i valori 0,2 o 0,4, e consente quindi di considerare, oltre al cemento contenuto nel calcestruzzo, anche il cemento equivalente k P. I risultati sperimentali ottenuti nel presente studio mostrano che i valori di k indicati dalla citata normativa rappresentano il limite inferiore dei valori che possono realmente assumere, soprattutto se si fa riferimento a stagionature a lungo termine (56 90 ). La resistenza meccanica a compressione di un calcestruzzo dipende da numerosi fattori e questo rende molto difficile modellare analiticamente tale proprietà. Tuttavia i parametri principali sono il rapporto acqua/cemento ed il grado di idratazione (α) del cemento. Il parametro α è di difficile valutazione e pertanto viene comunemente sostituito dal parametro t (tempo di idratazione). Nella ipotesi che durante l idratazione del cemento la temperatura rimanga costante, non vi siano additivi che modificano la cinetica di idratazione e che la stagionatura avvenga in ambiente umido, la resistenza a compressione di un calcestruzzo ad un determinato tempo di idratazione t = t i può esprimersi secondo la (3). R C A2 a = A1 (3) c dove a e c rappresentano rispettivamente l acqua ed il cemento presenti nella miscela. Le costanti A 1 e A 2, da determinare sperimentalmente, dipendono principalmente dal tempo di idratazione e dal tipo di cemento

3 utilizzato. In presenza di cenere volante, l espressione (3) può essere scritta come (4) per tener conto del contributo alla resistenza a compressione da parte dell'aggiunta pozzolanica. R C A2 = a A1 c k P + (4) dove k è il fattore di efficienza della cenere volante relativamente alla resistenza a compressione mentre P è il contenuto di cenere volante. Penetrazione dei cloruri La penetrazione dello ione cloruro nel calcestruzzo avviene attraverso un processo di diffusione generalmente modellato con la seconda legge di Fick (5): c t 2 c = D 2 x (5) dove D è il coefficiente di diffusione apparente. Tale valore dipende sia dai fattori che influenzano la porosità capillare della matrice cementizia (rapporto a/c e grado di idratazione) sia dai fattori che influenzano la capacità dei prodotti di idratazione di legare il cloruro durante il processo di diffusione (tipo di cemento e presenza di aggiunte pozzolaniche). Il fattore di efficienza della cenere volante riferito alla penetrazione degli ioni cloruro (k Cl ) viene definito in maniera analoga a k. c tot = c + c = c + k P (2 B ) eq Cl Data una certa quantità di cenere volante P contenuta nel calcestruzzo, definiamo cemento equivalente c eq a P quella quantità fittizia di cemento che, sostituita a P, determinerebbe la stessa resistenza del calcestruzzo alla penetrazione dei cloruri (stesso D). Valutando i coefficienti di diffusione D di calcestruzzi privi di cenere volante e con diverso rapporto a/c è possibile determinare una funzione del tipo: a D = f (6) c La validità della (6) presuppone che tutti i parametri che possono influire su D rimangano costanti per i calcestruzzi utilizzati per costruire tale relazione. In presenza di cenere volante, la (6) può essere scritta in modo generale come (7). D = a f c + k Cl P (7) I fattori k e k Cl non sono costanti ma variano in funzione di una serie di parametri. Nel presente studio si mettono in evidenza le variazioni di k e k Cl al variare del contenuto di cemento, cenere volante e tempo. ( c, P t) k = k, (8)

4 SPERIMENTAZIONE Materiali Le miscele di calcestruzzo sono state realizzate con cemento Portland tipo CEM I 42,5R rispondente ai requisiti della norma europea UNI EN Sono state utilizzate tre tipologie di aggregati alluvionali: due aggregati naturali del diametro massimo di 31,5 mm e 16 mm e una sabbia naturale con diametro massimo di 4 mm e modulo di finezza pari a 3,04. L utilizzo di un additivo superfluidificante acrilico ha garantito, per tutte le miscele, l ottenimento della stessa classe di consistenza con il medesimo quantitativo di acqua efficace. La lavorabilità degli impasti è stata valutata mediante il cono di Abrams secondo le specifiche della norma europea UNI EN L additivo superfluidificante è stato dosato in percentuale sul peso del legante, cioè della somma del cemento e della cenere volante. La cenere volante utilizzata è di produzione italiana e risponde ai requisiti della norma europea UNI EN Sulla base di tale norma è stato preventivamene valutato l indice di attività pozzolanica della cenere volante in oggetto ottenendo un risultato pari all 85% dopo 7 di stagionatura e al 98% dopo 28 di stagionatura. In Tabella 1 sono riportati i costituenti principali della cenere volante utilizzata. La cenere utilizzata rientra nella tipologia F definita dalla norma ASTM C618. Tabella 1. Analisi chimica della cenere volante utilizzata Elementi (%) SiO 2 50,27 Al 2 O 3 26,57 Fe 2 O 3 5,82 CaO 5,27 Componenti secondari 6,96 l.o.i. 5,11 Proporzionamento delle miscele, preparazione e stagionatura dei provini Sono state realizzate complessivamente 24 miscele di calcestruzzo. Quattro miscele sono state confezionate senza cenere volante e con diversi valori di rapporto acqua/cemento. Le rimanenti 20 sono state realizzate con quattro diversi contenuti di cemento e contenuti variabili di cenere volante. Per ogni miscela di calcestruzzo sono stati confezionati una serie di provini cubici con lato 150 mm utilizzati poi per la determinazione della resistenza a compressione e della profondità di penetrazione dello ione cloruro. Tutti i campioni sono stati confezionati e stagionati secondo le modalità della norma europea UNI EN In Tabella 2 sono riassunte le caratteristiche composizionali delle miscele realizzate con i valori della consistenza ottenuta.

5 MIX Tabella 2. Composizione dei calcestruzzi Cenere Acqua Volante [ kg/m 3 [ kg/m 3 ] ] [ % ] Cemento [ kg/m 3 ] Additivo Superfluidificante Slump [ cm ] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,70 21 Risultati La resistenza a compressione è stata determinata a diversi gradi di stagionatura secondo le disposizioni della norma europea UNI EN Il coefficiente di diffusione dello ione cloro è stato determinato dopo una stagionatura umida dei provini di 90. Dopo tale stagionatura, i provini sono stati immersi per 20 in soluzione contenente il 3,5% di NaCl. Il profilo di concentrazione dello ione cloruro è stato costruito secondo le indicazioni fornite dalla norma italiana UNI Prima dell immersione dei provini nella soluzione salina, per ciascuno di essi è stato determinato il contenuto iniziale di cloruri. Il coefficiente di diffusione è stato successivamente ricavato dalla equazione (9) che rappresenta la soluzione di Cranck della seconda legge di Fick: x C( x) Ci = ( CS Ci ) 1 erf (9) 2 D t dove C(x) è la concentrazione di NaCl nel calcestruzzo ad una profondità x, C S è la concentrazione della soluzione di NaCl, C i è la concentrazione iniziale dei cloruri nel calcestruzzo prima del contatto con la soluzione ed erf è la funzione errore. In Tabella 3 vengono riportate, per le diverse miscele realizzate e per i diversi tempi di stagionatura, le resistenze a compressione ed il valore del coefficiente di diffusione dei cloruri determinato dopo 90 di stagionatura. Con i valori delle resistenze a compressione dei calcestruzzi di riferimento (senza cenere volante) sono state costruite, per tutti i tempi di stagionatura considerati, le curve di correlazione (3) tra la resistenza a compressione ed il rapporto acqua/cemento. Tali

6 relazioni, riformulate sotto forma di (4) hanno consentito di calcolare i valori dei cementi equivalenti c eq e dei fattori di efficienza k relativi alla resistenza a compressione (Tabelle 4 e 5). Tabella 3. Resistenza a compressione e coefficiente di diffusione dei cloruri D Resistenza a compressione [ N/mm 2 Coefficiente di ] diffusione dei MIX cloruri D [m 2 /s] 1 20,22 30,31 32,53 36,49 40,12 43,64 1, ,10 41,39 43,25 44,02 48,17 56,24 1, ,42 48,35 52,25 54,95 58,16 62,87 1, ,14 53,12 55,90 60,96 65,12 72,36 1, ,42 25,12 29,58 30,90 34,02 37,16 1, ,71 26,02 30,11 32,49 35,17 43,76 1, ,57 26,39 31,14 36,97 42,11 46,13 1, ,30 26,96 32,13 36,62 43,63 47,51 1, ,55 27,52 33,95 39,93 46,19 50,82 1, ,20 34,37 38,37 39,60 44,73 50,62 1, ,56 35,97 39,78 42,13 47,19 55,29 1, ,05 38,47 42,47 47,38 52,74 58,69 1, ,51 38,91 43,35 50,12 55,97 62,80 1, ,64 41,04 46,68 53,08 59,34 64,94 1, ,86 43,05 45,23 51,71 56,28 60,98 1, ,26 43,77 47,17 52,73 57,84 65,94 1, ,51 44,95 50,11 55,23 61,02 69,04 1, ,46 46,38 52,78 58,34 63,97 72,27 1, ,96 47,80 55,86 61,61 66,93 74,29 1, ,55 47,30 54,45 56,73 62,19 71,62 1, ,33 49,69 56,53 62,12 65,47 73,29 1, ,81 53,78 57,92 65,07 69,85 77,16 1, ,98 54,27 58,97 66,45 71,12 79,33 1, ,29 55,40 61,08 68,14 74,75 85,62 1, La curva (6) è stata determinata sulla base dei coefficienti D trovati per i calcestruzzi di riferimento. Tale relazione, riformulata sotto forma di (7) ha consentito di calcolare valori dei cementi equivalenti c eq e dei fattori di efficienza k Cl relativi alla penetrazione dello ione cloruro (Tabella 6). I risultati riportati in Tabella 4 mostrano che, per ciascuno dei dosaggi di cemento considerati, all aumentare del contenuto di cenere volante il quantitativo di cemento equivalente tende ad aumentare. Essendo il contenuto di acqua costante per tutte le miscele confezionate, un aumento del cemento equivalente ha comportato una riduzione del rapporto acqua/cemento totale. Tutte le miscele con uguale contenuto di cemento presentano, all'aumentare del dosaggio di cenere volante, un incremento delle resistenze meccaniche di compressione.

7 Tabella 4. Cemento Equivalente c eq riferito alla resistenza a compressione Cemento Equivalente riferito alla resistenza a compressione MIX Tabella 5. Fattore di Efficienza k riferito alla resistenza a compressione Fattore di Efficienza riferito alla resistenza a compressione MIX ,14 0,98 0,53 0,42 0,68 6 0,13 0,22 0,57 0,51 0,67 1,00 7 0,20 0,19 0,49 0,78 0,92 0,87 8 0,21 0,19 0,44 0,56 0,80 0,74 9 0,17 0,16 0,39 0,53 0,65 0, ,26 0,42 0,75 0,41 0,67 0, ,32 0,45 0,62 0,54 0,68 0, ,24 0,47 0,58 0,71 0,81 0, ,20 0,36 0,47 0,65 0,75 0, ,21 0,38 0,50 0,63 0,72 0, ,31 0,87 0,80 1,27 1,36 1, ,34 0,65 0,71 0,94 1,05 1, ,28 0,46 0,60 0,70 0,80 0, ,25 0,42 0,57 0,67 0,74 0, ,26 0,39 0,56 0,65 0,70 0, ,48 0,79 1,26 1,17 1,33 1, ,42 0,66 0,93 1,09 1,06 1, ,38 0,63 0,68 0,85 0,90 0, ,36 0,54 0,60 0,76 0,79 0, ,32 0,50 0,58 0,70 0,79 0,85

8 Tabella 6. Cemento Equivalente e Fattore di Efficienza k Cl riferiti alla penetrazione dei cloruri MIX Cemento Equivalente ( kg/m 3 ) Fattore di Efficienza , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,78 Relativamente alla resistenza a compressione, i valori sperimentali del cemento equivalente risultano ben interpolati dalle relazioni logaritmiche (10). ( ceq ) A3 ln( P) + A4 S = (10) dove A 3 ed A 4 sono costanti che dipendono dal contenuto di cemento nella miscela. La Figura 1 riporta le curve di correlazione c tot cenere volante relative ai calcestruzzi esaminati per tempi di stagionatura di 28 e 90. Assieme ai punti sperimentali sono riportate le relative linee di tendenza. Andamenti analoghi sono stati verificati per tutti i gradi di stagionatura considerati. Per tutti i calcestruzzi esaminati, a parità di contenuto di cemento reale (c) e di cenere volante, la quantità di cemento totale (c tot ) aumenta all aumentare del tempo di stagionatura. Questo risultato è dovuto all incremento del fattore di efficienza k con il tempo. A parità di dosaggio di cemento reale (c) e tempo di stagionatura, il fattore di efficienza k all aumentare della cenere volante inizialmente aumenta e poi diminuisce. Nelle Figure 2 e 3 sono riportati i valori del fattore di efficienza k ottenuti per tempi di stagionatura rispettivamente di 28 e 90. Assieme ai punti sperimentali è stato riportato l andamento teorico del fattore k coerente con la ipotesi di validità della relazione logaritmica (9). A parità di stagionatura e di contenuto di cenere volante il fattore di efficienza k aumenta all aumentare del contenuto di cemento. I valori sperimentali dei fattori di efficienza k risultano superiori ai valori indicati nelle norme di riferimento. In particolare questi ultimi valori sono stati raggiunti dopo soli due di stagionatura. A 28 di stagionatura sono stati trovati valori di k variabili tra 0.40 e 1.17 circa, a seconda del dosaggio di cemento e di cenere volante.

9 Figura 1. Cemento totale c tot per contenuto di ceneri riferito alla resistenza a compressione Dopo 90 di stagionatura i valori di k sono aumentati ulteriormente fino a valori compresi tra 0,63 e 1,56 circa. Figura 2. Fattore di Efficienza k per contenuto di ceneri riferito alla resistenza a compressione a 28 di maturazione

10 Figura 3. Fattore di Efficienza k per contenuto di ceneri volanti riferito alla resistenza a compressione a 90 di maturazione I risultati riportati in Tabella 6 mostrano che, per ciascuno dei dosaggi di cemento considerati, all aumentare del contenuto di cenere volante il quantitativo di (c eq ) Cl tende ad aumentare ( Figura 4). Figura 4. Cemento Equivalente c eq per contenuto di ceneri volanti riferito alla penetrazione dei cloruri a 90 di maturazione

11 I (c eq ) Cl trovati sperimentalmente risultano ben interpolati dalle relazioni (11). A ( c ) A P 6 eq Cl = (11) 5 dove A5 e A6 sono costanti che dipendono dal contenuto di cemento (c). Assumendo tale relazione tra cemento equivalente e contenuto di cenere volante, la conseguente relazione tra il fattore di efficienza k Cl ed il contenuto di cenere volante risulta essere descritta dalla equazione (12). ( A 1) 6 k Cl = A5 P (12) In Figura 5 sono riportati, per i vari contenuti di cemento, i valori dei fattori di efficienza k Cl in funzione del contenuto di cenere. Figura 5. Fattore di efficienza k Cl per contenuto di ceneri volanti riferito alla penetrazione dei cloruri a 90 di maturazione Assieme ai punti sperimentali è stato riportato l andamento teorico del fattore k Cl coerente con la ipotesi di validità delle relazione (11). Diversamente da quanto trovato per il fattore di efficienza k relativo alla resistenza a compressione, il fattore k Cl relativo alla resistenza alla penetrazione del cloruro aumenta all aumentare del dosaggio di cenere volante. Ai 90 di maturazione il valore di k Cl è compreso tra 1,34 e 3,26 in funzione del contenuto di cemento e cenere volante. CONCLUSIONI Gli effetti delle ceneri volanti sul calcestruzzo sono stati descritti attraverso il concetto di fattore di efficienza. In questo studio il fattore di efficienza delle ceneri volanti è stato riferito a due importanti proprietà del calcestruzzo: resistenza a compressione e permeabilità ai cloruri. La variabilità dei suddetti fattori di efficienza dipende dal contenuto di cemento, di ceneri volanti e dal grado di stagionatura. I dati sperimentali ottenuti mostrano che i fattori di efficienza suggeriti dalla normativa europea sono molto cautelativi soprattutto se riferiti a gradi di stagionatura di

12 BIBLIOGRAFIA Oner, A., Akyuz S., Yildiz R. (2004) An experimental study on strength development of concrete containing fly ash and optimum usage of fly ash in concrete, Cement and Concrete Research 35 (2005) Papadakis V.G., Tsimas S. (2002) Supplementary cementing materials in concrete Part I: efficiency and design, Cement and Concrete Research 32 (2002) Papadakis V.G., Antiohos S., Tsimas S. (2002) Supplementary cementing materials in concrete Part II: A fundamental estimation of the efficiency factor, Cement and Concrete Research 32 (2002)