Calcestruzzo indurito

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1 Calcestruzzoindurito

2 Proprietàprincipali durabilità proprietà meccaniche scorrimento viscoso(creep) proprietà termiche

3 (a) proprietàmeccaniche la elevata resistenza meccanica del calcestruzzo deriva dalla capacità legante del gelo di cemento, ammasso poroso di prodotti di idratazione (C-S-H) associato a prodotti cristallini e granuli residui di cemento anidro. a causa della elevata superficie specifica, 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. Le proprietà meccaniche del calcestruzzo dipendono anche dall entità del legame tra la pasta e l aggregato.

4 Illegame tragelodicemento eaggregati in malte e calcestruzzi è di vario tipo: meccanico(interlocking, interbloccaggio) dovuto a compenetrazione tra gelo di cemento e micro asperità(rugosità della superficie) dell aggregato. formazione di prodotti di reazione all interfaccia tra aggregato e pasta di cemento

5 La zonaditransizione 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 di15-25 µm. Effetto è particolarmente accentuato per aggregati di dimensioni elevate.

6 La zonaditransizione Queste zone porose dette zone di transizione interfacciali (ITZ) sono caratterizzate anche da una microstruttura diversa dalla pasta di cemento indurita: porosità di maggiori dimensioni, cristalli grossolani di idrossido di calcio ed ettringite. se è alto il contenuto di aggregati grossi si crea un network di ITZ che accresce la permeabilità del conglomerato limitando molto la durabilità del calcestruzzo.

7 La zona di transizione si distingue per : la maggiore dimensione media dei pori la presenza di cristalli grossolani di idrossido di calcio (portlandite) e di bastoncini di ettringite

8 Aggregato grosso

9 Proprietàmeccaniche Il comportamento sotto sollecitazione meccanica del calcestruzzo è strettamente connesso con l esistenza, la formazione e la propagazione di finissime fessure all interfaccia tra la pasta di cemento e le particelle più grosse di aggregato.

10 Proprietàmeccaniche Il cls sottoposto a trazione si frattura per propagazione della cricca più lunga. La cricca più lunga quando raggiunge la lunghezza critica si propaga in modo instabile. La resistenza a trazione del cls è bassa, pari a circa4mpa. Tale resistenza è così bassa che nella pratica il cls viene esclusivamente fatto lavorare a compressione e mai a trazione. In compressione infatti le cricche si propagano in modo stabile ovvero richiedono uno sforzo sempre crescente per aumentare di dimensioni. Quando le cricche che si propagano stabilmente raggiungono dimensioni tali da coalescere tra di loro si verifica il cedimento del materiale.

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12 Proprietàmeccaniche La resistenza del calcestruzzo si misura mediante prove sperimentali; la prova di uso comune è quella di compressione semplice (monoassiale) di provini di forma cilindrica o cubica. La prova di compressione consiste nel posizionare il provino tra ipiatti di acciaio di una pressa aumentando il carico applicato (Norma UNI-EN ) in modo che l incremento dello sforzo di compressione risulti compresotra 0.2e1.0N/(mm 2 s).

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14 Proprietàmeccaniche La forma del provino influenza il valore della resistenza misurata (fc resistenza a compressione provini cilindrici, Rc resistenza a compressione provini cubici) pertanto i campioni devono avere caratteristiche standard. I provini cilindrici generalmente hanno l altezza h = 30 cm edildiametrod=15cm(rapportoh/d=2); i provini cubici normalmente hanno il lato di lunghezza compresatra15e20cm.

15 Proprietàmeccaniche La differenza tra i due valori (fc e Rc) dipende fondamentalmente dal diverso stato tensionale che si genera nel provino durante le prove di compressione, che dipende dal fatto che i provini cubici sono tozzi mentre quelli cilindrici essendo snelli, risentono meno degli sforzi di confinamento esercitati dall'attrito che si sviluppa all'interfaccia tra piastre d acciaio e basi del provino.

16 Curvasforzo-deformazione

17 Curvasforzo-deformazione Il comportamento a compressione della pasta di cemento e dell aggregato separati è di tipo elastico lineare (obbedisce cioè alla legge di Hooke e rende possibile la misura di un vero modulo elastico). assenza di un vero tratto a comportamento lineare per il cls; la curvatura aumenta gradualmente fin quando la curva raggiunge l ordinata massima fc (Rc) il cui valore definisce la resistenza a compressione del calcestruzzo. Il comportamento non lineare del cls è dovuto alla presenza di microfessure all interfaccia pasta-aggregato che si propagano sotto l applicazione di un carico. In corrispondenza delle microfessure si ha un intensificazione locale dello sforzo.

18 Curvasforzo-deformazione Quando il materiale è sollecitato fino a rottura, durante la prova per la determinazione della resistenza meccanica, le microfessure già esistenti subiscono un aumento di spessore e lunghezza, propagandosi preferibilmente nella zona di transizione e successivamente nella matrice cementizia. Le deformazioni del cls aumentano molto più rapidamente con il progressivo incremento della sollecitazione proprio per il propagarsi delle microfessure già esistenti nella zona di transizione.

19 Modulo elasticodel calcestruzzo Per rappresentare le proprietà elastiche del calcestruzzo, si fa riferimento a due valori del modulo: Modulo elastico tangente E tang : pendenza della tangente all'origine della curva σ/ε. Tale valore ben rappresenta il comportamento elastico del calcestruzzo a compressione per bassi valori di sforzo(prossimi allo zero). Per i campi di lavoro ordinari tale valore risulta poco significativo (troppo elevato) poiché la curva presenta una marcata diminuzione di pendenza al crescere del valore dello sforzo; Modulo elastico secante E sec, che corrisponde alla pendenza della secante passante per l'origine e per il punto di ordinata 0,4 f c 0,33 R c. (Resistenza a compressione: R c per provini cubici o f c per quelli cilindrici)

20 Modulo elasticodel calcestruzzo Modulo Elastico Tangente e Secante Per cls: E sec è il modulo secante in corrispondenza dello sforzo0,4fc 0,33R c

21 Modulo elasticodel calcestruzzo Il comportamento del calcestruzzo può essere approssimato dalla legge di Hooke se soggetto a sforzi di compressione di breve durata e di intensità non superiore al 40% della sua resistenza a compressione se riferita a f c, se riferita a R c la percentualeèpariacircail30%essendof c 0,83R c In queste condizioni la curva sforzo-deformazione si discosta molto poco dalla retta elastico-lineare in quanto i microdifetti restano confinati nella zona di transizione (I microdifetti non si sono ancora propagati nella matrice cementizia).

22 Valoredel modulo elastico Il valore del modulo elastico del cls dipende dai moduli della pasta (Ep) e dell aggregato (Ea), e dalle frazioni volumiche di aggregato(va) e pasta(vp). Il modulo della pasta di cemento, aumenta al diminuire del rapporto a/c, e varia circa tra: 7000e28000N/mm 2 Il modulo elastico degli aggregati è compreso tra GPa.

23 Resistenzaa compressione Dosaggio Dmax, diametro massimo dell aggregato condizioni di stagionatura

24 Dosaggio quantità e tipo dei componenti del calcestruzzo ne determinano le caratteristiche meccaniche Relazione di Feret R c =kλλ 2 λ=c/(c+a+v)=1/(1+a/c+v/c) Rc(resistenzaa compressione), a (volume acqua), c (volume cemento), v (volume aria inglobata), k (costante dipende tipo cemento, tempo modalità stagionatura, caratteristiche aggregato)

25 Rcvsrapportoa/c

26 Un determinato volume V di calcestruzzo è costituito da a(acqua), c(cemento), v(aria), i(inerte): V=a+c+v+i R c inversamente proporzionale al quadrato del volume di calcestruzzo non occupato dall aggregato eparia(v-i) 2 su questo si basa la ricerca di una distribuzione granulometrica ottimale dell aggregato caratterizzata dal massimo peso specifico. Come già detto oltre alla compattezza occore tenere conto della lavorabilità degli impasti. La migliore curva granulometrica è quella che fornisce la migliore combinazione delle due proprietà

27 Dmax Per valori elevati di rapporto a/c la resistenza è costante indipendentemente 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 transizione che diventano il punto debole del conglomerato, quindi aumentando Dmax crescono le zone di transizione con forte riduzione della Rc

28 RcvsDmax

29 Condizionidistagionatura Condizioni termoigrometriche dell ambiente influiscono fortementesullosviluppodelleresistenzemeccanichedel calcestruzzo. se umiditàrelativaè minoredel 95 %, la pasta dicementoperde per evaporazione acqua della porosità capillare che non è più quindidisponibileper l ulterioreidratazionedel cementoe lo sviluppo delle resistenze. La normauni 9858 indicaperiodiminimidimaturazioneumidadel calcestruzzo in funzione delle condizioni ambientali e del tipo di sviluppodiresistenzadel conglomerato. (es. calcestruzzoa lento indurimento a 5-10 C, tempo secco e soleggiato, maturazione umidafinoa 10 giorni; calcestruzzoa rapidoindurimento, a 15 C, maturazione umida minima 1 giorno)

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31 Creep Deformazionechesimanifestaprogressivamenteneltempo sotto carico costante. Un carico costante produce su di un provino di calcestruzzo una deformazione elastica istantanea seguita da una deformazione progressivaneltempo non completamenterecuperabile. Per unosforzoditrazioneilcreep è un allungamentoper unodi compressioneè unacontrazione. Per il calcestruzzo il creep avviene a T ambiente Il creep può essere considerato positivo poichè capace di ridurre lo stato di tensione di una struttura.

32 Creep

33 Rimuovendo il carico applicato dopo un tempo abbastanza lungo (6 mesi-1 anno): la deformazione elastica viene recuperata istantaneamente, ma il recupero elastico non coincide con la deformazione elastica iniziale ma è minore perchè il modulo elastico del calcestruzzo nel frattempo è aumentato per effetto della stagionatura, ad un aumento di E corrisponde una diminuzione della deformazione elastica! una parte della deformazione da creep viene recuperata lentamente(recupero viscoso) rimane una deformazione residua permanente

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

35 Cause didegradazioni azione esterna penetrazione di sostanze che causano la corrosione delle armature attacchichimicia caricodel calcestruzzodaparte dell ambiente attacchi fisico-meccanici dovuto all ambiente o al tipo di esercizio cause intrinseche, conglomerato non progettato per essere durevole porosità, fessure, sostanze nocive negli aggregati

36 Permeabilità Rilevante per quei manufatti che destinati a contenere liquidi. Prevenzione con controllo della modalità di maturazione. es per un cls ben stagionato con a/c 0.45 bassa permeabilità m/s; lo stesso cls lasciato stagionare all aria avrà permeabilità moltomaggiorefinoa10-9 m/s

37 Attacchichimici La pasta di cemento ha scarsa resistenza all azione di acidi, quindi deve essere protetta dalla loro azione. Acido solforico che si forma dalla dissoluzione in acqua delle corrispondentianidridi(so 2 e SO 3 ) provenientidagas discarico, forma solfato di calcio! Acido carbonico: Anche leacque molto purecome quelle derivanti dallo scioglimento dei ghiacci, ricche di CO 2 e povere di sali possono essere pericolose: In questo caso si forma acido carbonico (H 2 CO 3 ) e il ph scende sotto 6. Inizialmente si ha carbonatazione della calce libera che viene poi solubilizzata come bicarbonato: Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 = CaCO H 2 O CaCO 3 + H 2 CO 3 = Ca(HCO 3 ) 2

38 Aggressivitàdiun acqua

39 Attacchifisico-meccanici Cicligeloe disgelo, congelamentoavvienecon incrementodivolume dicirca il10% azioni meccaniche che possono danneggiare il cls a seguito di sollecitazioni limitate alla superficie dei manufatti.