Giunti e ritiri La progettazione di una pavimentazione in calcestruzzo consiste fondamentalmente di due operazioni distinte: il calcolo dello

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1 Giunti e ritiri La progettazione di una pavimentazione in calcestruzzo consiste fondamentalmente di due operazioni distinte: il calcolo dello spessore della lastra (basato sulle caratteristiche di portanza del terreno, sulla resistenza a flessione del calcestruzzo, sulla natura e sull'entità delle sollecitazioni cui la pavimentazione è soggetta) e il dimensionamento dei giunti. I giunti sono realizzati nella lastra di pavimentazione allo scopo di assecondarne le deformazioni e le variazioni dimensionali rispetto al terreno e ad altri elementi strutturali, assicurando nel contempo una corretta trasmissione delle sollecitazioni. Tre sono i tipi di giunto comunemente usati nelle pavimentazioni in calcestruzzo:. 1 giunti di contrazione o di controllo;. 2 giunti d isolamento o d espansione;. 3 giunti di costruzione. I giunti di contrazione e i giunti d isolamento sono eseguiti per consentire i movimenti differenziali che si generano nel pavimento per effetto delle variazioni di volume dovute al ritiro plastico, igrometrico o alle variazioni di temperatura. Infatti, se le deformazioni sono impedite dalla presenza di vincoli, s instaura una sollecitazione di trazione che può superare la resistenza sviluppata fino a quel momento dal calcestruzzo. A parità di deformazione lo sforzo indotto (σ=εε) è tanto più grande quanto più elevato è il modulo elastico. Ne consegue che la sollecitazione che si genera durante il ritiro plastico è sempre minore di quella per ritiro igrometrico, a parità di deformazione. Nelle pavimentazioni realizzate in calcestruzzo ordinario (cioè non a ritiro compensato) non e' possibile impedire la comparsa delle fessure, ma solo controllarne sia la formazione che l'ampiezza in modo che la soluzione di continuità generatasi non determini problemi di carattere funzionale. Questa condizione viene raggiunta praticando un taglio con una sega a disco diamantato dopo l'indurimento del conglomerato cementizio (giunto di contrazione), pari ad almeno un quarto dell'altezza del pavimento: ad esempio, una lastra di calcestruzzo di spessore pari a 10 cm deve essere interessata da un taglio profondo circa 2,5 cm. La riduzione della sezione resistente conseguente al taglio indebolisce la parte superficiale e provoca - proprio in corrispondenza della sezione di giunto un aumento delle tensioni di trazione (rispetto a quelle agenti nella sezione di pavimento "intera") e le fessure si formano quindi proprio al di sotto del taglio effettuato. Gli intagli effettuati nel pavimento devono essere sufficientemente profondi per assicurare che la sezione di giunto sia effettivamente la più debole e, quindi, quella destinata a fessurarsi.

2 I pavimenti in calcestruzzo devono essere strutturalmente indipendenti dagli altri elementi costruttivi dell'edificio quali muri e colonne in modo tale da consentire i movimenti differenziali e gli assestamenti dovuti sia al ritiro che alle deformazioni di natura termica. Questa separazione deve essere ottenuta introducendo opportuni giunti di isolamento in corrispondenza delle intersezioni tra il pavimento e gli altri elementi costruttivi. La mancanza dei giunti di isolamento crea problemi soprattutto in corrispondenza degli spigoli degli elementi strutturali intercettati. Questo perché in corrispondenza degli spigoli si concentrano gli sforzi di interazione tra pavimento ed elemento costruttivo intercettato. I giunti di isolamento lungo i muri perimetrali vengono eseguiti applicando sul muro, in corrispondenza della zona che verrà a contatto con il pavimento, una striscia di materiale deformabile di opportuno spessore. L'altezza di questa striscia dovrà essere convenientemente maggiore dello spessore del pavimento per evitare che il conglomerato fresco durante il getto fuoriesca e arrivi a contatto con il muro. L'ampiezza dei giunti di isolamento deve esser calcolata in base alla massima escursione termica ipotizzata per il pavimento e alla conseguente espansione o contrazione subita. Ipotizzando cautelativamente che la massima escursione termica stagionale subita dal pavimento (all'interno di un fabbricato) rispetto al valore medio sia di ± 20 C, ed assumendo un coefficiente di dilatazione termica pari a C-1 si ottiene per il pavimento una contrazione/espansione pari a: ΔL= (± 20) 5= ±0.001m=± 1mm. I giunti devono anche consentire l espansione iniziale nel caso di calcestruzzo a ritiro compensato. Come materiale di riempimento dei giunti d isolamento potrà essere utilizzato un materiale plastico espanso (gomma-schiuma, polistirolo o poliuretano espanso) purché sufficientemente deformabile. In sostanza, il materiale di riempimento deve essere in grado di deformarsi in contrazione ed in allungamento del 50% senza rompersi. I giunti di costruzione, invece, sono soluzioni di continuità che individuano le riprese di getto tra porzioni di pavimento, realizzate in tempi diversi. Un giunto di costruzione deve, pertanto, consentire liberamente gli spostamenti relativi orizzontali (e in questo senso comportarsi come giunto di contrazione) e, nello stesso tempo, impedire spostamenti relativi verticali. I giunti di costruzione nei pavimenti non sono semplici riprese di getto, ma assolvono precisi ed importanti compiti statici e funzionali. In effetti, i giunti di costruzione devono consentire che le due porzioni adiacenti di pavimento seguano una vicenda deformativa diversa per effetto delle variazioni termiche e igrometriche, ma, nello stesso tempo, devono assicurare il trasferimento, da una lastra all altra, delle sollecitazioni di carattere flessionale e

3 tagliante prodotte dai carichi agenti sulla pavimentazione senza perdita di funzionalità. Il sistema più utilizzato per realizzare giunti di costruzione in una pavimentazione industriale è quello che va sotto il nome di giunto a bielle o giunto a barrotti. Il compito delle armature metalliche nelle pavimentazioni, invece, è quello di limitare l'apertura delle fessure che si producono per effetto delle contrazioni da ritiro ed in particolare di quelle che si formano in maniera controllata nelle sezioni dei giunti di contrazione. In questo modo, impedendo alla fessura di allargarsi, l'armatura assicura il corretto instaurarsi dell'effetto d ingranamento tra gli inerti, indispensabile per un buon trasferimento dei carichi tra i due lembi del giunto fessurato. Per il compito di contenere l'ampiezza delle fessure, l'armatura metallica deve essere posta il più vicino possibile al lembo superiore della pavimentazione, più esposto all evaporazione dell acqua ed al ritiro, e non nella parte inferiore della lastra. Il crescente ricorso alle fibre (sia polimeriche che d acciaio) come alternativa all'utilizzo della rete metallica tradizionale rappresenta la risposta più frequente oggigiorno al problema della fessurazione. Le migliaia di piccole e sottili fibre introdotte nell'impasto di calcestruzzo all'atto della miscelazione tendono a distribuirsi in maniera relativamente uniforme e casuale all'interno del calcestruzzo. Ciò fa sì che le fessurazioni della pavimentazione siano ridistribuite lungo l'intera superficie, in modo da generare una serie di microfessurazioni uniformemente diffuse e meno critiche. Le fibre consentono all'elemento strutturale due vantaggi: migliorare le proprie prestazioni durante il ritiro plastico ed incrementare la tenacità del calcestruzzo nella fase successiva alla rottura. Il comportamento del sistema con fibre prima della fessurazione è governato dal comportamento della matrice cementizia, materiale rigido e fragile. Le fibre possono modificare il comportamento post-fessurativo del sistema. Il calcestruzzo senza fibre collassa quasi subito dopo la comparsa della prima fessura: essa rapidamente cresce fino alla completa rottura. Nel calcestruzzo con fibre si manifesta un rallentamento della velocità di frattura: il materiale si dice tenacizzato, cioè capace di sopportare carichi maggiori dopo l iniziale fessurazione. Alla tenacità del calcestruzzo fibro-rinforzato (in opposizione alla fragilità del calcestruzzo ordinario) si deve la capacità di resistere agli urti, qualità particolarmente apprezzata nelle strutture sottoposte a sollecitazioni impulsive e ripetute (per es. giunti autostradali, pavimenti industriali esposti a carichi dinamici, ecc.). In realtà, il maggior vantaggio che si può ricavare nelle pavimentazioni, soprattutto quelle molto estese, consiste nella possibilità di aumentare la distanza tra i giunti. Inoltre le fibre vengono distribuite nella lastra per tutta la profondità dell'elemento, e non esclusivamente nella parte superiore dove sarebbero maggiormente utili. Molte fibre si trovano orientate in verticale

4 (direzione lungo la quale il calcestruzzo non presenta particolari problemi di ritiro) e quindi non assolvono i compiti richiesti. A parità di composizione e di dosaggio, l efficacia delle fibre migliora se aumenta il cosiddetto rapporto d aspetto (lunghezza/diametro) e se la forma assume un contorno irregolare, che meglio favorisce l adesione alla matrice cementizia. L evaporazione dell acqua dalla superficie delle pavimentazioni può iniziare subito dopo il getto, quando è maggiore la quantità d acqua libera. Essa evaporando induce un ritiro in fase plastica che può provocare delle fessurazioni perché è pressochè nulla la resistenza a trazione per opporsi alle sollecitazioni indotte dal ritiro. Un clima asciutto, caldo e ventilato al momento del getto ed inizio stagionatura, comporta una rapida essiccazione della superficie con una serie di conseguenze negative sulla stabilità dimensionale e sulla durabilità dell opera: - minore idratazione del cemento in superficie per carenza d acqua e maggiore porosità; - minore resistenza meccanica della superficie. D altra parte, un clima saturo d umidità al momento della sformatura, e persistente per almeno un giorno, consente di completare l idratazione del cemento in superficie. Per eliminare il ritiro plastico e le conseguenti fessure, che si manifestano precocemente, bisogna quindi evitare l evaporazione dell acqua. Occorrerebbe: a) applicare, immediatamente dopo la finitura della superficie, una barriera contro l evaporazione dell acqua mediante fogli di plastica impermeabili o agenti stagionanti; b) bagnare con acqua nebulizzata la superficie del calcestruzzo subito dopo la presa o applicare teli di sacco da mantenere permanentemente bagnati per almeno una settimana. In alternativa, si possono eliminare le fessure provocate dal ritiro plastico rinforzando la matrice con fibre sottili polimeriche o metalliche che, pur non eliminando il ritiro plastico, ne riducono la fessurazione innalzando la resistenza di quel tanto necessario a superare lo sforzo di trazione associato (σ=εε), che è basso perché basso il modulo elastico. Tenendo conto del costo del rinforzo, questo è giustificato solo per piccoli spessori quali quelli degl intonaci e non per le lastre di notevole spessore. Il ritiro igrometrico si manifesta dopo la presa per effetto dell'evaporazione d acqua verso l'ambiente esterno, quando il conglomerato indurito si trova esposto ad un ambiente insaturo di vapore (U.R.<95%). L'effetto del ritiro nelle strutture reali è rappresentato dalla nascita di stati tensionali di trazione conseguenti all'impedimento alla libera contrazione igrometrica esercitato dai vincoli (es. sottofondi ed altri elementi strutturali) presenti nella pavimentazione. Si può dimostrare che questi stati tensionali - anche con bassi valori di ritiro come per esempio 250 µm/m sono sensibilmente maggiori rispetto alla resistenza a trazione (notoriamente bassa) del calcestruzzo. L'entità del ritiro cresce col rapporto acqua/cemento

5 (a/c), col rapporto superficie esposta all'evaporazione/volume. Il ritiro diminuisce col crescere del rapporto inerte/cemento (i/c), della dimensione dell'aggregato, dell'umidità relativa ambientale e della percentuale geometrica di armatura. L incremento di resistenza che si può ottenere coll aggiunta di fibre non è sufficiente a superare il valore di sforzo di trazione che si genera nel caso del ritito igrometrico, poiché l indurimento contemporaneamente fa incrementare il modulo elastico del calcestruzzo. L aggiunta di fibre può essere più vantaggiosamente sfruttata, se si usa contemporaneamente un cemento a ritiro controllato o nullo. Nel primo caso, il materiale è additivato con sostanze a base di eteri poliglicolici, Shrinkage Reducing Admixture o SRA, allo scopo di ridurre la tensione superficiale dell acqua e quindi le forze capillari generate dai menischi presenti nei pori di dimensione micrometrica. Le forze capillari sono responsabili dell avvicinamento delle pareti dei capillari che è alla base del ritiro. Contemporaneamente, si ha un effetto antievaporante. Nel secondo caso, il cemento è additivato con un agente espansivo, a base di calce oppure solfoalluminato calcico. L azione espansiva della calce deriva dalla reazione d idratazione ad idrossido, mentre nel caso del solfoalluminato essa deriva dalla produzione d ettringite. L azione espansiva deve aversi dopo la presa quando il cemento ha iniziato ad aderire ai ferri d armatura: in questo modo si sviluppa uno stato di co-azione così come si verifica nel calcestruzzo precompresso in cui la matrice cementizia risente di uno stato di compressione ed i ferri di uno stato di trazione. Affinchè si esplichi l azione espansiva è necessario che il getto sia bagnato dopo finitura, ma con la consapevolezza che l operazione sarebbe spesso elusa, i grandi produttori di prodotti cementizi hanno sviluppato miscele contenenti anche SRA, che garantisce il trattenimento in sede dell acqua d impasto, quindi l inutilità della stagionatura umida e la possibilità di calpestare subito la pavimentazione. Gli effetti si amplificano in caso d aggiunta anche di superfluidificante. Comunque è buona norma mantenere l accorgimento di coprire per almeno un giorno con teli impermeabili la superficie al termine della finitura. L utilizzo di questi materiali innovativi consente di aumentare la distanza tra i giunti o limitarli, per piccole superfici a quelli di costruzione che agiscono anche come giunti di contrazione. Il cemento durante l idratazione sviluppa calore, in misura tanto maggiore quanto più veloce è l idratazione del cemento. Il calore svolto (ΔTt) ad può essere calcolato solo assumendo che non ci sia scambio di calore, ossia in condizioni adiabatiche. Nella realtà, l'andamento della temperatura sarà prima crescente, perchè nei primi tempi il calore d'idratazione si sviluppa ad alta velocità, e dopo decrescente perchè la dissipazione del calore dal calcestruzzo all'ambiente prevale sullo sviluppo del calore. A causa del diverso isolamento termico del calcestruzzo nella

6 zona centrale (nucleo) ed in quella periferica, s instaura un gradiente termico (δt) tra la parte più calda e quella più fredda della struttura. Si può assumere per semplicità che il valore (δt) max =(ΔTt) ad (adiabaticità del nucleo e superficie alla stessa temperatura dell ambiente). Se il valore di (δt) max supera 20 C esiste un rischio di fessurazione per le tensioni conseguenti alle differenti variazioni dimensionali, che non preoccupa finchè il modulo elastico è basso ed il rilassamento viscoso alto. Sebbene nella prima stagionatura il nucleo sia sempre più caldo della superficie, dopo aver raggiunto il valore massimo d incremento di temperatura, esso si raffredda molto più velocemente della superfcie. Da ciò deriva che, dopo la presa ed allorchè il modulo elastico incrementa, s instaurano nel nucleo del materiale delle tensioni di trazione che non possono essere mitigate dal rilassamento viscoso, anch esso ridottosi per effetto dell irrigidimento della struttura. Questo stato tensionale d origine termica provoca delle fessurazioni ancor più insidiose perchè non visibili esternamente. I prodotti espansivi, come quelli in grado di dare ettringite, sono noti ed utilizzati da lungo tempo. L espansione del solfoalluminato è dovuta alla reazione seguente che produce ettringite e che avviene dopo la presa proprio allo scopo di opporsi ai ritiri: 4CaO 3Al 2 O 3 SO 3 +6 CaO+8 CaSO H 2 O ==> 3(3CaO Al 2 O 3 3CaSO 4 32H 2 O) La formazione d ettringite è un processo espansivo che può prodursi durante la presa (ettringite primaria) o successivamente ad essa ed anche a distanza di mesi o di anni (ettringite secondaria o ritardata). La prima non ha effetti deleteri, mentre i processi che danno luogo alla seconda, se non adeguatamente contrastati con reti metalliche elettrosaldate colle quali addirittura sviluppanoo una benefica co-azione, possono dare luogo a fessurazioni. I processi degradativi associati alla formazione dell ettringite secondaria possono essere ricondotti o alla penetrazione di solfati dall esterno (External Sulphate Attack, ESA) o all azione di solfato interno (Internal Sulphate Attack, ISA). Quest ultimo attacco è stato studiato da circa vent anni e, secondo il massimo esperto italiano prof. Collepardi, essa è dovuto alla combinazione di tre fattori: esistenza di microfessurazioni, rilascio ritardato di ioni solfato e presenza di acqua o aria umida. Le cause della microfessurazione sono quelle già in parte citate, come la stagionatura breve ad alta temperatura, cicli gelo-disgelo ed anche la reazione alcali-aggregati. Quest ultima, anch essa espansiva, può avvenire tra gli ioni alcalini e forme reattive di silice. La presenza di microfessurazioni favorirebbe all interno delle stesse la crescita di cristalli ben definiti d ettringite. Secondo questa corrente di pensiero in realtà l ISA non è una degradazione imputabile alla formazione d ettringite bensì l effetto. Comunque, sembrerebbe che i cementi ricchi di solfati non sono da ritenere causa di ISA, a meno che non abbiano subito trattamenti al

7 vapore intorno ai 90 C. Bibliografia S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, "Pavimentazioni Industriali in Calcestruzzo", Ed. Enco, 1998 S. Collepardi e R. Troli, ENCO Joural n.28 R, Cuomo e P. West, ENCO Journal n.19 L. Seminati e M. Pontello, ENCO Journal n.25 B.C. Ringo, R.B. Anderson, Designing Floor Slabs on Grade, The Aberdeen Group, Addison (Illinois), USA (1992). Guide for Concrete Floors and Slabs Construction ACI 302.1R-89,ACI Manual of Concrete Practice (1994). A. Borsoi, P. Birane, W. Parente e M. Collepardi, ENCO Journal n.29. M. Collepardi, ENCO Journal, n.18 M. Collepardi, A state-of-the-art review on delayed ettringite attack on concrete, Cement & Concrete Composites 25 (2003)