GLI EFFETTI DELLA TEMPERATURA SULLE PROPRIETA DEL CALCESTRUZZO: lavorazione in clima caldo e freddo

Transcript

1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTA DI INGEGNERIA GLI EFFETTI DELLA TEMPERATURA SULLE PROPRIETA DEL CALCESTRUZZO: lavorazione in clima caldo e freddo Prof. Ing. Luigi Coppola

2 PROVE DI LABORATORIO La quasi totalità delle PROVE DI LABORATORIO finalizzate a valutare le prestazioni reologiche ed elastomeccaniche del calcestruzzo vengono condotte in condizioni di temperatura controllate e solitamente comprese nell intervallo C.

3 STRUTTURE REALI Il CONFEZIONAMENTO, la POSA IN OPERA e la MATURAZIONE DEL CALCESTRUZZO, invece, avvengono a temperature che possono oscillare, almeno nei nostri climi: periodo invernale tra 10-5 C; periodo estivo tra C.

4 INFLUENZE PROPRIETÀ DEL CALCESTRUZZO ALLO STATO FRESCO E INDURITO TEMPERATURA DI RIFERIMENTO DI 20 C TEMPERATURA AMBIENTALE

5 INFLUENZE La temperatura ambientale riveste un ruolo significativo durante le fasi di lavorazione del conglomerato in clima caldo e freddo influenzando pesantemente: 1. SCELTA DEGLI INGREDIENTI; 2. COMPOSIZIONE DEL CALCESTRUZZO; 3. MODALITÀ DI LAVORAZIONE; 4. TIPOLOGIA DI CASSERO; 5. PROCEDURE DI MATURAZIONE E PROTEZIONE UMIDA DEI GETTI.

6 GETTI DI MASSA TEMPERATURA DEL CALCESTRUZZO TEMPERATURA AMBIENTALE TEMPERATURA INGREDIENTI SVILUPPO DI CALORE CONSEGUENTE ALLA REAZIONE ESOTERMICA DEL CEMENTO CON ACQUA

7 TEMPERATURA AMBIENTALE DURANTE LA REALIZZAZIONE DELLA STRUTTURA STRUTTURA IN SERVIZIO -TEMPERATURA DEL CALCESTRUZZO -MANTENIMENTO DELLA LAVORABILITÁ -TEMPI DI PRESA - RITIRO PLASTICO -SVILUPPO DELLE RESISTENZE MECCANICHE -TEMPERATURA MASSIMA DELL ELEMENTO STRUTTURALE NEI PRIMI GIORNI SUCCESSIVI AL GETTO GRADIENTI TERMICI DIURNI GRADIENTI TERMICI STAGIONALI GRADIENTI TERMICI ACCIDENTALI (INCENDIO) DEFORMAZIONI QUADRI FESSURATIVI COLLASSO ELEMENTI STRUTTURALI

8 CINETICA DI IDRATAZIONE La temperatura gioca un ruolo di fondamentale importanza sulla cinetica del processo di idratazione del cemento TEMPERATURA VELOCITÀ REAZIONI CHIMICHE DI TUTTI I COSTITUENTI MINERALOGICI DEL CLINKER CON L ACQUA

9 TEMPERATURA / CINETICA DI IDRATAZIONE modifica di alcune importanti proprietà del calcestruzzo sia allo stato fresco che indurito PERDITA DI LAVORABILITÀ durante il trasporto del calcestruzzo dalla centrale di betonaggio al cantiere

10 PERDITA DI LAVORABILITÁ TEMPERATURA PERDITA DI LAVORABILITÁ TEMPERATURA PERDITA DI LAVORABILITÁ

11 LAVORABILITÀ DEL CALCESTRUZZO (CE II/B-LL 32.5; a/c=0.60) in funzione del TEMPO e TEMPERATURA del conglomerato

12 FASI ALLUMINATICHE TEMPERATURA PERDITA DI LAVORABILITÁ ACCELERAZIONE DELLA CINETICA DI IDRATAZIONE DELLE FASI ALLUMINATICHE con il gesso e al conseguente effetto di coagulazione delle particelle di cemento che determina una precoce perdita di plasticità dell impasto.

13 PERIODO DORMIENTE TEMPERATURA ACCORCIAMENTO DEL PERIODO DORMIENTE per effetto di una precoce rottura della pellicola di ettringite che riveste i granuli di cemento anidro e, quindi, UN ACCELERAZIONE DEL PROCESSO DI IDRATAZIONE DEI SILICATI DEL CLINKER che determina una rapida perdita di plasticità responsabile dell accorciamento dei tempi di presa rispetto ad un impasto maturato a temperature più basse

14 Tempi di inizio e fine presa del calcestruzzo (CE II/B-LL 32.5; a/c=0.62; c=290 kg/m 3 ) in funzione della temperatura

15 RESISTENZE MECCANICHE ACCELERAZIONE IDRATAZIONE SILICATI TEMPERATURA ANTICIPO TEMPI DI INDURIMENTO RESISTENZE MECCANICHE A COMPRESSIONE PIÙ ELEVATE ALLE BREVI STAGIONATURE (1 7gg)

16 Resistenza meccanica a compressione in funzione del tempo di calcestruzzi maturati a temperature 5 40 C

17 RESISTENZE MECCANICHE ACCELERAZIONE IDRATAZIONE SILICATI TEMPERATURA ANTICIPO TEMPI DI INDURIMENTO RESISTENZE MECCANICHE A COMPRESSIONE MINORI ALLE LUNGHE STAGIONATURE

18 Resistenza meccanica a compressione in funzione del tempo di calcestruzzi maturati a temperature 5 40 C

19 RAPPORTO GEL/SPAZIO MAGGIORE VELOCITÀ DI FORMAZIONE DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO STRUTTURA DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO (responsabili della resistenza meccanica a compressione del conglomerato) formatisi alle alte temperature risulta PIÙ SCADENTE in quanto caratterizzata da una maggiore porosità rispetto ai prodotti di idratazione sviluppatisi alle temperature più basse, che per la lentezza della reazione sono caratterizzati da un maggior rapporto gel/spazio.

20 GRADO DI IDRATAZIONE SCADENTE STRUTTURA DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO ALTE TEMPERATURE BREVI STAGIONATURE mascherata dalla maggiore percentuale di cemento idratato; LUNGHE STAGIONATURE il grado di idratazione tra impasti maturati a basse ed alte temperature risulta sostanzialmente coincidente.

21 CLIMA CALDO Le principali problematiche che possono presentarsi quando le operazioni di betonaggio vengono effettuate durante il periodo estivo sono rappresentate sostanzialmente da: una ECCESSIVA PERDITA DI LAVORABILITÀ durante il trasporto; un ACCORCIAMENTO DEI TEMPI DI INIZIO PRESA non compatibili con le operazioni di posa in opera e di compattazione dei getti.

22 LAVORAZIONE DEL CALCESTRUZZO IN CLIMA CALDO - ECCESSIVA PERDITA DI LAVORABILITÁ; - ANTICIPO TEMPI DI PRESA INCONVENIENTI RIMEDI - CEMENTI V/B, III/C, V/A, III/B, IV/A, II/B DI CLASSE 32.5 N/R; - RITARDANTI DI PRESA (PR.8-EN 934/2); - SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI A BASE DI NAFTALENSOLFONATO (PR.11-EN 934/2); - SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI DI TIPO ACRILICO. POSSIBILI RIAGGIUNTE DI ACQUA IN BETONIERA E CONSEGUENTE PENALIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DEL CALCESTRUZZO IN OPERA DIFETTI DI COMPATTAZIONE DEL CONGLOMERATO CON ECCESSO DI ARIA INTRAPPOLATA E FORMAZIONE DI VESPAI FORMAZIONE DI GIUNTI FREDDI IN CORRISPONDENZA DELLE RIPRESE DI GETTO

23 RIAGGIUNTE DI ACQUA PERDITA DI LAVORABILITÁ ELEVATO RISCHIO che al momento della consegna del calcestruzzo si AGGIUNGA ACQUA IN BETONIERA per poter conseguire la lavorabilità necessaria per effettuare il getto RAPPORTO a/c RESISTENZA MECCANICHE A COMPRESSIONE

24 RIAGGIUNTA D ACQUA E LAVORABILITÀ FINALE CONSEGUITA IN FUNZIONE DELLA CLASSE DI CONSISTENZA INIZIALE DEL CONGLOMERATO CLASSE DI CONSISTENZA INIZIALE RIAGGIUNTA DI ACQUA (Kg/m 3 ) CLASSE DI CONSISTENZA FINALE S S3 S S4 S3 6 8 S4 S S5 S4 4 5 S5

25 PENALIZZAZIONE RESISTENZA

26 VESPAI E NIDI DI GHIAIA LAVORABILITÁ MINORE DELLA RICHIESTA RISCHIO che il cassero non venga completamente riempito o la compattazione risulti difficile al punto da determinare un RESIDUO DI ARIA INTRAPPOLATA maggiore di quello fisiologico PRESTAZIONI MECCANICHE

27 RIPRESE DI GETTO PERDITA DI LAVORABILITÁ REALIZZAZIONE STRUTTURE CON ELEVATI VOLUMI DI CALCESTRUZZO c è la possibilità che si CREINO GIUNTI FREDDI se intercorre troppo tempo tra l arrivo delle betoniere

28 TEMPO DI TRASPORTO (min) PERDITA DI LAVORABILITÀ ΔL (cm di slump) TEMPERATURA ( C ) <

29 CEMENTI LENTI Per ovviare alla comparsa di questi inconvenienti È NECESSARIO IMPIEGARE CEMENTI CON UNA LENTA CINETICA DI IDRATAZIONE: cementi di classe 32.5 N; a parità di classe, i cementi poveri di clinker (cementi tipo III, V e IV)

30 Tipo di cemento PERDITA DI LAVORABILITA Classe di cemento Aumento della perdita di lavorabilità (in cm di slump) V/B; III/C 32.5N; 32.5R -3 V/A; III/B 32.5N; 32.5R -2 IV/B; III/A 32.5N; 32.5R -1 IV/A; II/B 32.5N; 32.5R 0 II/A 32.5N; 32.5R 1 I 32.5N; 32.5R 1 V/B; III/C 42.5N; 42.5R -1 V/A; III/B 42.5N; 42.5R 0 IV/B; III/A 42.5N; 42.5R 1 IV/A; II/B 42.5N; 42.5R 2 II/A 42.5N; 42.5R 3 I 42.5N; 42.5R 3 I 52.5N; 52.5R 5

31 ADDITIVI In mancanza di questi cementi si può ricorrere: all impiego di ADDITIVI RITARDANTI DI PRESA o ai SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI ed, in particolare, a quelli di TIPO ACRILICO In particolari contesti impiegare nel confezionamento del conglomerato CHIPS DI GHIACCIO in parziale sostituzione dell acqua di impasto.

32 RIDUZIONE PERDITA DI LAVORABILITA PER IMPIEGO DI ADDITIVI Dosaggio % sul CEM RIDUZIONE di ΔL (%) TIPO DI ADDITIVO R FR SR SA SN

33 LAVORABILITÁ NEL TEMPO

34 RITIRO PLASTICO PERIODO CALDO GIORNATE VENTOSE E ASCIUTTE la velocità di evaporazione dell acqua dalla superfici non casserate può superare quella che si accumula per effetto del bleeding esasperazione dei fenomeni di ritiro ed assestamento plastico che possono produrre una intensa fessurazione del calcestruzzo

35 RITIRO PLASTICO applicare agenti stagionanti che formano film antievaporanti subito dopo il getto e la eventuale finitura superficiale; proteggere con teli impermeabili subito dopo il getto e la eventuale finitura superficiale; proteggere con geotessili bagnati ad intermittenza (ogni 24 ore circa)

36 RITIRO PLASTICO

37 RESISTENZE MECCANICHE RALLENTAMENTO PROCESSO DI IDRATAZIONE DEL CEMENTO TEMPERATURA ALLUNGAMENTO TEMPI DI PRESA MANTENIMENTO DELLA LAVORABILITÀ DEL CALCESTRUZZO DURANTE IL TRASPORTO

38 FASE SUCCESSIVA ALLA POSA IN OPERA TEMPERATURA PROBLEMATICHE NELLE FASI IMMEDIATAMENTE SUCCESSIVE ALLA POSA IN OPERA DEL CALCESTRUZZO.

39 LAVORAZIONE DEL CALCESTRUZZO IN CLIMA FREDDO ALLUNGAMENTO DEI TEMPI DI PRESA E DI INDURIMENTO INCONVENIENTI POSSIBILE DISGREGAZIONE DEL CALCESTRUZZO PER EFFETTO DELL ABBASSAMENTO DELLA TEMPERATURA AL DI SOTTO DI 0 C NELLE ORE IMMEDIATAMENTE SUCCESSIVE ALLA POSA IN OPERA POSTICIPO DELLE OPERAZIONI DI SCASSERO E DISARMO PROVVEDIMENTI: -RISCALDAMENTO DELL ACQUA DI IMPASTO -IMPIEGO DI CASSERI E PROTEZIONI TERMOISOLANTI -GETTO NELLE ORE CENTRALI DEL GIORNO -IMPIEGO DI CE I o II/A DI CLASSE 42.5 R -ACCELERANTI DI INDURIMENTO -SUPERFLUIDIFICANTI ACCELERANTI A BASE NAFTALINICA, MELAMMINICA O ACRILICA

40 ABBASSAMENTO DELLA TEMPERATURA AL DI SOTTO DI 0 C TEMPERATURA < 0 C NELLE ORE IMMEDIATAMENTE SUCCESSIVE AL GETTO INCONVENIENTE PIÙ GRAVE

41 DISINTEGRAZIONE TEMPERATURA < 0 C CALCESTRUZZO NON HA SUFFICIENTE RESISTENZA SI DISINTEGRA per effetto delle tensioni che insorgono a seguito della trasformazione in ghiaccio dell acqua contenuta all interno della matrice cementizia e degli aggregati.

42 MANIFESTAZIONI DEL DISSESTO rilevanti DEFORMAZIONI PLASTICHE del calcestruzzo (dell ordine dell %); fenomeni di SCAGLIATURA SUPERFICIALE (soprattutto sulle superfici non casserate di elementi a sviluppo orizzontale, quali solette e pavimenti); INTENSA FESSURAZIONE che interessa l intimo degli elementi strutturali, soprattutto se di modesto spessore (inferiore a 30 cm) che non beneficiano del riscaldamento prodotto dallo sviluppo di calore a seguito della reazione esotermica del cemento con l acqua.

43 DEMOLIZIONE Generalmente, a questi inconvenienti è difficile rimediare e nella maggior parte dei casi si deve procedere alla DEMOLIZIONE E RICOSTRUZIONE EX NOVO dell elemento dissestato.

44 CRITERIO PRATICO PREVENIRE I FENOMENI DI DISSESTO calcestruzzo DEVE POSSEDERE QUANDO T < 0 C una resistenza a compressione di almeno R c 3.5 N/mm 2

45 DIMINUZIONE ACQUA CONGELABILE Si impedisce il degrado del materiale perché: 1. la resistenza del calcestruzzo > tensioni indotte dalla formazione del ghiaccio 2. una buona aliquota dell acqua è stata impegnata nel processo di idratazione del cemento, pertanto si riduce la quantità di acqua libera potenzialmente congelabile.

46 CEMENTI RAPIDI Al fine di poter conseguire in tempi brevi la resistenza meccanica a compressione di 3.5 N/mm 2 occorre impiegare È NECESSARIO: IMPIEGARE cementi di classe 42.5 R a rapido indurimento caratterizzati da un elevato contenuto di clinker; AGGIUNGERE acceleranti di indurimento; adottare rapporti a/c relativamente bassi.

47 Tempo necessario per raggiungere la resistenza a compressione di 3.5 N/mm 2 al variare di a/c e della T per calcestruzzi confezionati con cemento CE II/A-LL 42.5R con e senza acceleranti di indurimento a/c Accelerante di indurimento (p.7 / UNI-EN 934/2) t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 5 C t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 10 C R ck (T=20 C) % massa del cemento % massa del cemento % massa del cemento

48 TEMPERATURA ESTERNA 10 C TEMPERATURA 10 C CALCESTRUZZO con: 1. a/c = 0.50; 2. accelerante di indurimento t < 10 ore R c 3.5 N/mm 2

49 TARDA MATTINATA EFFETTUARE IL GETTO NELLA TARDA MATTINATA si può conseguire il valore della resistenza desiderato in tarda serata, prima che la temperatura si abbassi al di sotto di 0 C.

50 Tempo necessario per raggiungere la resistenza a compressione di 3.5 N/mm 2 al variare di a/c e della T per calcestruzzi confezionati con cemento CE II/A-LL 42.5R con e senza acceleranti di indurimento a/c Accelerante di indurimento (p.7 / UNI-EN 934/2) t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 5 C t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 10 C R ck (T=20 C) % massa del cemento % massa del cemento % massa del cemento

51 ECONOMICITÁ TEMPERATURA 10 C CALCESTRUZZO con: 1. a/c = 0.40; t < 10 ore R c 3.5 N/mm 2 Soluzione molto più costosa - per la maggiore resistenza caratteristica (C40/50)

52 TEMPERATURA ESTERNA 5 C TEMPERATURA 5 C l impiego di un rapporto a/c molto basso (0.40) unitamente all accelerante di indurimento richiede all incirca 12 ore per conseguire una resistenza di 3.5 N/mm 2.

53 Tempo necessario per raggiungere la resistenza a compressione di 3.5 N/mm 2 al variare di a/c e della T per calcestruzzi confezionati con cemento CE II/A-LL 42.5R con e senza acceleranti di indurimento a/c Accelerante di indurimento (p.7 / UNI-EN 934/2) t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 5 C t (ore) per raggiungere R c 3.5 N/mm 2 T = 10 C R ck (T=20 C) % massa del cemento % massa del cemento % massa del cemento

54 RISCHIO DI GELATA TEMPERATURA 5 C DURANTE IL GIORNO la gelata può sopraggiungere nelle prime ore della sera Il TEMPO che intercorre tra il getto del calcestruzzo (che non può avvenire nelle prime ore del mattino in quanto la temperatura potrebbe risultare inferiore a 0 C) e la possibile gelata NON È SUFFICIENTE PER CONSEGUIRE IL VALORE MINIMO DELLA RESISTENZA a compressione necessario per evitare il degrado del conglomerato.

55 CALORE GENERATO E DISSIPATO SOLUZIONE 1. Garantire che la temperatura del calcestruzzo all interno del cassero subito dopo la posa in opera risulti di almeno 10 C; 2. Ridurre la dissipazione del calore prodotto dall idratazione del cemento verso l ambiente esterno; UTILIZZO DI CASSERI TERMO-ISOLANTI E COPRENDO LE SUPERFICI NON CASSERATE CON MATERASSINI DI POLISTIROLO O DI POLISTIRENE ESTRUSO

56 INDIPENDEZA DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI Il calcestruzzo all interno del cassero, maturando alla temperatura di 10 C, non è interessato dal congelamento dell acqua e gli elementi strutturali possono essere scasserati e disarmati in tempi relativamente brevi (3 7 giorni).

57 GELO DURANTE L ESECUZIONE E IN SERVIZIO A conclusione è opportuno evidenziare come gli accorgimenti da adottare per i getti eseguiti in periodi dell anno con alto rischio che la temperatura si abbassi al di sotto di 0 C sono completamente diversi da quelli necessari per rendere la struttura resistente ai cicli alternati di gelo-disgelo quando l opera, ormai ultimata (indipendentemente dal periodo in cui è stata realizzata), è già in servizio.

58 CICLI DI GELO/DISGELO IN SERVIZIO DURANTE L ESECUZIONE DEI GETTI PROVVEDIMENTI: -BASSO a/c -ADDITIVI AERANTI -AGGREGATI NON GELIVI -SMALTIMENTO ACQUE PROVVEDIMENTI: -BASSO a/c -CEMENTI A RAPIDO INDURIMENTO -ADDITIVI ACCELERANTI -RISCALDAMENTO INGREDIENTI -ISOLAMENTO TERMICO DEI GETTI