PROPRIETA DEL CALCESTRUZZO INDURITO

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1 PROPRIETA DEL CALCESTRUZZO INDURITO

2 Proprietà principali durabilità proprietà meccaniche scorrimento viscoso (creep) proprietà termiche

3 PROPRIETA MECCANICHE DEL CALCESTRUZZO INDURITO Le proprietà meccaniche del calcestruzzo derivano dalla capacità legante della pasta di cemento, ammasso poroso di prodotti di idratazione (C-S-H) associato a prodotti cristallini e granuli residui di cemento anidro. Tra le particelle di gelo di cemento si instaurano numerosi legami deboli o secondari (idrogeno e Van der Waals) responsabili della resistenza meccanica della pasta di cemento indurita. Tale valore è per questo molto superiore a quello tipico di altri leganti quali gesso e calce. Il livello di resistenza raggiunto dalla pasta di cemento e dal conglomerato cementizio pertanto è ben lontano da quelli tipici dei solidi aventi legami principali, come i metalli e molti solidi di tipo ionico o covalente. La porosità e la presenza d acqua fra le particelle sono fattori di indebolimento della pasta cementizia, mentre il grande numero di legami fra le particelle di gelo di cemento, correlabile all elevatissima superficie specifica di questo materiale, è il motivo per cui si ottengono resistenze di livello molto alto, rispetto ad altri leganti come calce e gesso.

4 La zona di transizione Di particolare importanza ai fini della resistenza è la zona di transizione che corrisponde alla interfaccia tra la pasta di cemento e gli elementi di aggregato, la cui presenza nel calcestruzzo induce notevoli variazioni nella struttura porosa della pasta indurita formando attorno agli elementi di aggregato regioni porose aggiuntive. Effetto è particolarmente accentuato per aggregati di dimensioni elevate.

5 PROPRIETA MECCANICHE DEL CALCESTRUZZO INDURITO Il comportamento sotto sollecitazione meccanica del calcestruzzo è strettamente connesso all esistenza, la formazione, la propagazione di finissime fessure all interfaccia tra la pasta di cemento e le particelle più grosse di aggregato, con conseguenti fenomeni noti di intensificazione degli sforzi. Nel calcestruzzo le microfessure esistono sempre, a causa : - del fatto che la pasta legante a differenza dell inerte ha delle variazioni dimensionali dovute al ritiro; - della presenza di piccoli ristagni di acqua di bleeding al di sotto degli elementi di aggregato - della disomogenea rigidezza di pasta di cemento e aggregati

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7 Curva sforzo/deformazione e modulo elastico del calcestruzzo Nella Figura è mostrata la tipica curva sforzo monoassiale/deformazione di un calcestruzzo sottoposto a carico di compressione crescente e velocità di deformazione costante (prova di compressione e prova di trazione). trazione compressione Il comportamento a trazione e a compressione sono analoghi, ma il carico massimo a trazione è circa 10 volte più piccolo di quello a compressione. Gli elementi che compongono il calcestruzzo hanno comportamento elastico lineare (seguono la legge di Hooke), mentre il calcestruzzo non ha un comportamento elastico lineare, ma non elastico e non lineare. Si può dire che ha un comportamento pseudoplastico, cioè plastico ma con deformazioni molto piccole (0,2-0,3%), tipiche di materiale fragile.

8 Modulo elastico del calcestruzzo In Mancanza di un vero comportamento elastico lineare, il modulo di Young si determina con il metodo mostrato in figura: - Modulo tangente iniziale σ t - Modulo tangente ad un valore definito del carico. - Modulo secante (passa per un certo valore di carico e per l origine). Secondo Hansen (applicando la teoria dei materiali compositi): il valore del modulo elastico dipende dai moduli della pasta (Ep) e dell aggregato (Ea), in base alla relazione, ove Va e Vp sono rispettivamente le frazioni volumiche di aggregato e pasta: 1/E = (Vp/Ep) + (Va/Ea) Il modulo della pasta di cemento,aumenta al diminuire del rapporto a/c, e varia circa tra 7000 e N/mm 2

9 Resistenza a compressione Dosaggio: la quantità dei componenti del calcestruzzo, oltre alla qualità, ne determina le caratteristiche. Dmax, diametro massimo dell aggregato: a pari lavorabilità e dosaggio di cemento, un aumento di Dmax comporta riduzione di acqua, minore rapporto acqua/cemento, ed aumento di resistenza a compressione. Condizioni di stagionatura: se umidità relativa è minore del 95 %, la pasta di cemento perde, per evaporazione, acqua della porosità capillare che non è più quindi disponibile per l ulteriore idratazione del cemento e lo sviluppo delle resistenze. Occorre mantenere i manufatti umidi per più tempo possibile per proteggerli dall evaporazione, soprattutto in ambienti ventilati e a bassa U.R.

10 Resistenza a compressione vs. Dmax Per valori elevati di rapporto a/c la resistenza a compressione è indipendente da Dmax, il grosso della pasta ha Rc paragonabile a quello della zona di transizione. Per bassi valori a/c il grosso della pasta indurita ha Rc molto maggiore delle regioni di transizioni che diventano il punto debole del conglomerato, quindi aumentando Dmax crescono le zone di transizione con forte riduzione della Rc.

11 Durabilità Capacità di mantenere nel tempo le sue caratteristiche funzionali al livello richiesto. A seguito di azioni dell ambiente, in particolari condizioni di esercizio, o per cause intrinseche al conglomerato si può manifestare in tempi più o meno lunghi la degradazione del manufatto, cioè alterazioni che ne riducono le caratteristiche funzionali fino a richiedere interventi di ripristino o la messa fuori servizio.

12 Cause esterne - penetrazione di sostanze che causano la corrosione delle armature - penetrazione di sostanze che causano il degrado della pasta di cemento (attacchi chimici) -attacchi fisico-meccanici dovuti all ambiente Cause intrinseche -Porosità e fessure - sostanze nocive negli aggregati - cloruri nel calcestruzzo armato Cause della degradazione La penetrazione di aggressivi dipende fortemente dalla porosità e una delle proprietà più importanti del calcestruzzo è la sua permeabilità. E rilevante per quei manufatti destinati al contenimento di liquidi (serbatoi o condotte). Prevenzione con controllo della modalità di maturazione.

13 GLI ATTACCHI CHIMICI Azione per acido carbonico in acque dolci: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca HCO - 3 l fenomeno di degrado dovuto all attacco da parte delle acque contenenti anidride carbonica è strettamente legato alla qualità e quantità dei sali e dei gas presenti nell acqua stessa; in altre parole non è solamente il contenuto di anidride carbonica che determina l evoluzione della reazione di dissoluzione del carbonato di calcio, ma intervengono anche il contenuto di bicarbonati e di altri sali solubili, il ph, la temperatura, la concentrazione del calcio. Potrebbe al limite accadere che in acque contenenti anidride carbonica la reazione sopra indicata si svolga in senso opposto a quello indicato e si abbia quindi precipitazione di carbonato di calcio anziché la sua dissoluzione.

14 Per prevenire l attacco da parte delle acque aggressive occorre confezionare un calcestruzzo quanto meno poroso possibile e/o utilizzare cementi di scoria o pozzolanici che fissano l idrossido di calcio sotto forma di silicati di calcio idrati che non reagiscono con l anidride carbonica. GLI ATTACCHI CHIMICI Sono stati definiti numerosi indici per valutare il grado di aggressività delle acque nei riguardi del carbonato di calcio e quindi del calcestruzzo. Il più antico di essi, sempre valido, è l indice di Langelier: I = ph phs che molto semplicemente mette a confronto il ph naturale dell acqua con il ph che essa assume una volta messa a contatto per un certo tempo con del carbonato di calcio (CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO 3-, phs, prova del marmo). Se il phs è > del ph naturale (indice I negativo) ciò significa che l acidità è diminuita a seguito del consumo dell acido carbonico e l acqua deve essere considerata aggressiva. Se avviene l opposto (indice I positivo) l acqua è definita incrostante e se non vi è variazione di ph l acqua è detta stabile.

15 GLI ATTACCHI CHIMICI Attacco solfatico Quando il calcestruzzo è in contatto con acque o terreni contenenti solfati oppure con atmosfere ricche di anidride solforosa o solforica, queste sostanze possono diffondere al suo interno e reagire con alcuni dei prodotti presenti nella pasta cementizia. Le reazioni più comuni che si possono svolgere sono le seguenti: Ca(OH) 2 + SO 4 = + 2 H 2 O CaSO 4 2H 2 O (gesso biidrato) + 2OH - C 4 A 13H 2 O + 3 SO Ca(OH) H 2 O C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O (ettringite) + 6OH - 2Ca(OH) 2 + CO 2 + SO CaSiO 3 H 2 O + 12H 2 O CaCO 3 CaSO 4 CaSiO 3 15H 2 O (thaumasite) + 2 OH - Le tre reazioni sopra riportate producono prodotti finali più voluminosi di quelli di partenza (non sempre per la thaumasite); in questo caso causano fenomeni espansivi.

16 GLI ATTACCHI CHIMICI Attacco solfatico La formazione di gesso biidrato e di ettringite avviene in tutti gli ambienti contenenti solfati. Invece, la thaumasite si produce solo in particolari condizioni di temperatura (poco superiore a 0 C), di umidità (>95%) e a contatto con acque contenenti anidride carbonica in quantità notevole. Se il degrado del calcestruzzo provocato dalle reazioni che portano alla formazione di gesso biidrato e ettringite è da considerarsi preoccupante per la catena di eventi che si verificano al passare del tempo ( rigonfiamento, fessurazione e/o disgregazione, corrosione dell armatura se presente), l attacco solfatico che produce thaumasite comporta rammollimento del calcestruzzo, il quale diventa del tutto incoerente e si disgrega completamente. Per prevenire l attacco solfatico occorre preventivamente conoscere l aggressività potenziale dell ambiente e operare di conseguenza; tipicamente si cercherà di realizzare una bassa porosità e un basso contenuto di C 3 A.

17 GLI ATTACCHI CHIMICI Anche lo ione Mg 2+ è aggressivo nei confronti del calcestruzzo perché sostituisce il calcio nella calce di idrolisi, essendo Mg(OH) 2 più insolubile. Tale idrossido comporta perciò un ph di equilibrio inferiore a 12.5 (pari a 11.3), che induce la decomposizione dell ettringite (effetto disgregante) e rende meno stabile il silicato di calcio idrato (gelo del cemento). In presenza di solfato di magnesio l effetto disgregante è particolarmente frorte: MgSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O Mg(OH) 2 + CaSO 4 2H 2 O Infatti si ha anche l effetto espansivo dovuto alla formazione del gesso biidrato. L aggressività delle acque marine a contatto con il calcestruzzo è soprattutto legata a questo sale, presente in concentrazione attorno a 3 g/l.

18 GLI ATTACCHI CHIMICI Attacco da solfuri I solfuri sono per lo più presenti nei terreni, ad esempio come solfuro di ferro FeS 2, o nelle acque di scarico. Le acque di scarico che contengono idrogeno solforato provocano un attacco del tutto simile in quanto l H 2 S si trasforma in acido solforico, grazie all ossigeno dell aria e questo è il motivo per cui il danneggiamento avviene prevalentemente alla superficie di separazione acqua/aria. Attacco da cloruri Si riscontra soprattutto quando il sale viene utilizzato come antigelo.

19 CAUSE MECCANICHE DI DEGRADO Il calcestruzzo può in taluni casi essere soggetto a degrado di natura meccanica qualora sia soggetto ad usura o ad urti. Lo sfregamento superficiale dovuto al passaggio continuo di oggetti più duri del calcestruzzo comporta l abrasione con asportazione di materiale. Urti ripetuti portano a fessurazione e rottura del calcestruzzo, che di per sé è un materiale relativamente fragile. Il contatto con acqua in movimento, caso tipico dei pluviali mal progettati, è causa di erosione, in particolare quando l acqua contiene particelle in sospensione. Per diminuire al massimo la tendenza a subire degrado meccanico, il calcestruzzo deve possedere caratteristiche di resistenza meccanica le più elevate possibile e ciò può essere ottenuto con rapporti acqua/cemento bassi e con l aggiunta di fibre (calcestruzzi fibrorinforzati).

20 CAUSE FISICHE DI DEGRADO Gelo-disgelo Il degrado del calcestruzzo esposto a temperature molto basse si verifica solamente in presenza di elevata umidità all interno del conglomerato. Il meccanismo fondamentale che governa questo tipo di degrado riguarda l aumento di volume, circa 9%, che si ha quando l acqua passa dallo stato liquido a quello solido (ghiaccio); se ciò avviene in uno spazio di dimensioni limitate, le zone circostanti sono soggette a pressione e quando il carico di rottura a trazione viene superato, si ha formazione di fessure, di sfaldamenti e distacchi superficiali. Cicli ripetuti di gelo e disgelo inducono inoltre un fenomeno di fatica che provoca ulteriore danno al conglomerato. La presenza di aria nei pori capillari riduce la pressione, funzionando da camera di espansione e quindi un appropriato contenuto di aria e una bassa porosità sfavoriscono il fenomeno.

21 ADDITIVI PER CALCESTRUZZO Diverse classi di sostanze: - acceleranti - ritardanti - aeranti - inibitori di corrosione - idrofobizzanti - superfluidificanti (e fluidificanti)

22 ADDITIVI PER CALCESTRUZZO Gli additivi acceleranti accrescono la velocità di indurimento della pasta di cemento e dei conglomerati cementizi. La maggiore velocità di indurimento è correlata alla maggiore velocità di idratazione ed è naturale che anche i tempi di presa siano più brevi se si usa un accelerante. L effetto accelerante è comunque confinato a pochi giorni dal getto e non influenza la resistenza meccanica del calcestruzzo alle lunghe stagionature, cioè in servizio. Additivi ritardanti: funzione di rallentare le reazioni di idratazione nelle prime ore. Usati in climi caldi, dove l alta temperatura determina una perdita di lavorabilità assai rapida e ostacola le operazioni di trasporto, getto e finitura.

23 ADDITIVI PER CALCESTRUZZO Aeranti: impiegati soprattutto per migliorare la resistenza a gelo/disgelo o per produrre calcestruzzi leggeri cellulari. Inibitori di corrosione: nitrito di calcio ( Ca(NO 2 ) 2 ), ma anche dicicloesilammonio nitrito, alcanolammine, monofluorofosfato di sodio (Na 2 PO 3 F), benzoati, sali di acidi bicarbossilici. Il loro uso non ha a tutt oggi una comprovata efficacia. Additivi idrofobizzanti: alchilsilossani monomeri o oligomeri, usati anche per la protezione di materiali lapidei naturali, in grado di idrofobizzare anche la superficie del calcestruzzo, impedendo la penetrazione delle soluzioni acquose contenenti aggressivi (1% in peso di cemento, ma più spesso applicati in superficie). Additivi superfluidificanti e fluidificanti: Si chiamano fluidificanti quelle sostanze che a parità di slump consentono una riduzione almeno del 5% dell acqua. Sono superfluidificanti quelli che consentono una riduzione di almeno il 12% di acqua; nella pratica consentono riduzioni fino al 25 %. Esistono attualmente anche degli iperfluidificanti che consentono riduzioni di acqua fino al 35%.