Tecnologia dei calcestruzzi R. Marino

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1 Tecnologia dei Calcestruzzi Università dell Aquila Tecnologia dei calcestruzzi R. Marino LE AGGIUNTE E GLI AGGREGATI

2 DEFINIZIONE: materiali inorganici finemente suddivisi che possono essere addizionati al calcestruzzo per modificarne le caratteristiche o per ottenerne di speciali. Esistono due tipi di aggiunte: quelle praticamente inerti (tipo I) e quelle pozzolaniche o con proprietà idrauliche latenti (tipo II) UNI EN 206-1

3 Tipo I Questa categoria comprende tutti i prodotti finissimi ottenuti da frantumazione delle rocce calcaree o silicee, o comunque delle rocce usate per ottenere aggregat i normali Il materiale in polvere che ne risulta, detto filler, pur non essendo del tutto inerte non possiede proprietà leganti; il suo impiego serve in genere a correggere la granulometria degli aggregati, quando mancano le frazioni fini

4 Tipo II Questi prodotti sono costituiti da materiali che esplicano una attività pozzolanica o hanno proprietà idrauliche Ceneri volanti (il primo impiego industriale viene fatto risalire agli anni 30, anche se lo sviluppo maggiore si registra solo negli anni successivi) Fumi di silice (prodotti prevalentemente in Norvegia e da alcuni anni utilizzati anche in Italia)

5 LE CENERI VOLANTI La norma EN 450 così definisce questa aggiunta: Polvere fine di particelle essenzialmente sferiche e vetrose, derivanti dalla combustione di carbone polverizzato, avente proprietà pozzolaniche e costituito essenzialmente di SiO 2 e Al 2 O 3, con un contenuto di SiO 2 almeno del 25%, definito e determinato secondo quanto indicato dalla norma EN 197/1

6 REQUISITI CHIMICI (UNI EN 450) Requisiti chimici Modalità Limiti di accettazione di prova (% in massa) Perdita al fuoco EN % Contenuto di cloruri EN < 0,10 % Contenuto di anidride solforica (SO 3 ) EN < 3 % Ossido di calcio libero EN < 1,0 %

7 La composizione chimica delle ceneri dipende da: - qualità del carbone - provenienza del carbone - separazione adottata dalla diverse centrali N.B. variazioni nella finezza di macinazione del carbone e nelle condizioni di combustione possono avere ampia inf luenza sia sul contenuto residuo di carbone che sulla superf icie specifica delle ceneri

8 Composizione chimica media (%) delle ceneri volanti provenienti da alcune centrali termiche in Itali a Centrale termica SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO F 2 O Na 2 O SO 3 p.a.f. Vado Ligure Genova Brindisi La Spezia Monfalcone Marghera Fusina Sulcis

9 LE CENERI VOLANTI La normativa americana ASTM C 618 prevede una suddivisione delle ceneri in funzione della loro composizione: CLASSE CaO L.O.I F 4% 7 C 24% 1 In Italia si utilizzano ceneri del tipo F (silico alluminose)

10 Distribuzioni granulometriche delle ceneri volanti PASSANTE CUMULATIVO (%) Cemento Cenere volante tipo F Portland 325 Cenere volante tipo C DIMENSIONE DEI GRANULI (µm) Fumo di silice 0.01

11 LE CENERI VOLANTI Le ceneri volanti non possiedono capacit à leganti autonome ma, se mescolate in presenza di acqua con calce, si comportano da legante. Questa proprietà è dovuta alla presenza della silice e dell allumina, in grado di reagire con la calce presente nei materiali di contatto formando dei silicoalluminati di calcio idrati, simili a quelli prodotti nell idratazione del cemento Portland

12 Effetti del fly-ash sulle proprietà del cls fresco Inizio presa Lavorabilità Bleeding Richiesta d acqua L aumento della temperatura del cls fresco Introduzione d aria

13 Inizio e fine presa L aggiunta di cenere volante al calcestruzzo determina generalmente un aumento del tempo di inizio presa. Pertanto la quantità di cenere da aggiungere al calcestruzzo deve essere tenuta in considerazione anche sotto questo punto di vista

14 Le ceneri volanti plasticizzano il cls, riducono la segregazione ed il bleeding: Bleeding, % riferimento Tempo, minuti cls con fly ash

15 COMPORTAMENTO DEL CALCESTRUZZO CON E SENZA CENERE AL CALORIMETRO ADIABATICO 50 Τ, C cls con fly ash cls di riferimento Tempo dopo il getto, in giorni

16 Calcestruzzi aerati Nel caso di calcestruzzi aerati è necessario verificare la quantità di additivo aerante in quanto la cenere volante tende ad assorbire l additivo e ridurne di conseguenza la capacità aerante

17 LE CENERI VOLANTI Il contenuto di ceneri volanti nella miscela di calcestruzzo viene definito mediante l applicazione del fattore di efficienza k Il parametro k fornisce, se moltiplicato per il contenuto di ceneri, il cemento equivalente per la realizzazione di un calcestruzzo senza ceneri, ma con uguale resistenza a 28 gg di stagionatura

18 LE CENERI VOLANTI Al fattore k è assegnato un valore che dipende dalla qualità della cenere volante; valori correnti di k si aggirano intorno a 0,3 E possibile applicare il coefficiente di equivalenza nel calcolo del rapporto a/c, per verificarne la rispondenza al requisito del massimo valore richiesto ai fini della durabilità. A tal fine il rapporto a/c si può valutare in base alla seguente espressione: a c + kf

19 La norma UNI EN 206 E uni consente di determinare il rapporto a/c con il coefficiente k di equivalenza delle ceneri in base al tipo di cemento Al momento la norma ha normalizzato solo i cementi del gruppo A (esempio CEM II ALL) Il valore del k da utilizzare è 0,2

20 Effetti del fly-ash sulle proprietà del cls indurito Le ceneri volanti influenzano: lo sviluppo delle resistenze il modulo elastico il creep la durabilità: intesa come resistenza agli agenti atmosferici, all attacco dei solfati, dei cloruri, riduzione del pericolo di espansione dovuta alla reazione AAR

21 La resistenza meccanica è influenzata da diversi fattori : - dalle proprietà del fly-ash - dalla composizione chimica - dal volume delle particelle - dalla reattività - dalla temperatura e dalle altre condizioni di curing RESISTENZA MECCANICA

22 RESISTENZA MECCANICA L aggiunta di ceneri volanti determina un notevole aumento delle resistenze meccaniche alle lunghe stagionature, mentre comporta una riduzione della resistenza a compressione del cls indurito durante i primi sette giorni di confezionamento. Questo è dovuto al fatto che le ceneri, a tempi brevi, esibiscono capacit à cementanti molto basse e agiscono piuttosto come aggregato fino

23 Calcestruzzo di riferimento Resistenza a compressione Calcestruzzo con fly ash Tempo

24 DURABILITA DI UN CALCESTRUZZO CON FLY ASH Permeabilità Alcune prove effettuate in funzione del tempo di maturazione hanno evidenziato una maggiore permeabilità nei calcestruzzi contenenti fly ash, durante i primi mesi di stagionatura; dopo sei mesi, dal confronto con un calcestruzzo di riferimento, la situazione risulta notevolmente migliorata

25 DURABILITA DI UN CALCESTRUZZO CON FLY ASH Azione dei solfati La resistenza all attacco dei solfati aumenta nelle paste (nei calcestruzzi) contenenti ceneri volanti, poichè diminuisce la Ca(OH) 2 disponibile per le reazioni con i solfati ed inoltre rendono inattivi i componenti alluminosi. E comunque opportuno che i conglomerati cementizi contenenti ceneri volanti abbiano già avuto una sufficiente stagionatura affinchè si completino le reazioni tra cenere, acqua e cemento

26 DURABILITA DI UN CALCESTRUZZO CON FLY ASH Carbonatazione come è noto questo fenomeno dipende da: - a/c - contenuto di cemento - resistenza del calcestruzzo I cls con fly ash presentano una profondit à maggiore di carbonatazione ma solo durante i primi mesi di stagionatura

27 DURABILITA DI UN CALCESTRUZZO CON FLY ASH Durabilità I calcestruzzi contenenti ceneri volanti, avendo una più bassa porosità aperta, e una maggiore resistenza all attacco chimico, hanno una migliore impermeabilità all acqua e di conseguenza più difficilmente tendono a saturarsi. Si deve considerare però che nelle ceneri sono presenti delle particelle di carbone incombusto che tendono ad assorbire gli additivi aeranti e quindi a mitigarne l azione

28 FUMO DI SILICE (silica fume) E una polvere finissima costituita essenzialment e da silice amorfa E un sottoprodotto della lavorazione all arco elettrico del silicio e leghe a base di silicio Materiale di eccellente qualità, modifica le proprietà di malte e calcestruzzi in misura determinante Svolge una attività pozzolanica molto efficace (in misura maggiore rispetto alle p.f.a)

29 Caratteristiche fisiche LE AGGIUNTE FUMO DI SILICE Tale materiale è caratterizzato da un contenuto di silicio molto alto (normalmente più del 90 %), da particelle di dimensioni variabili da 0,5 a 5 µm, da una superficie specifica assai elevata ( fino a m 2 /g ) e da una struttura non cristallina

30 Granuli di cemento (A) i cui vuoti interstiziali (B) sono riempiti dalle piccolissime particelle di s.f. A B cemento cemento fumo di silice

31 FUMO DI SILICE L aggiunta di tale prodotto nel calcestruzzo porta essenzialmente a due effetti: - il primo è dovuto alle dimensioni molto piccole delle particelle, che sono in grado di completare la distribuzione granulometrica della miscela e di ridurre e omogeneizzare la porosità - il secondo effetto è quello pozzolanico, cioè la capacità di reagire con l idrossido di calcio, presente in percentuali elevate nel cemento Portland, sostituendo a questo prodotto, inefficace dal punto di vista della resistenza meccanica, un silicato di calcio idrato avente ottime caratteristiche di legante

32 INFLUENZA DELLA S.F. SULLE PROPRIETA DEL CLS FRESCO Lavorabilità/richiesta d acqua Bleeding/segregazione Ritiro plastico Tixotropia Comportamento con additivi fluidificanti/superfluidificanti Comportamento con additivi aeranti Tempi di presa

33 COMPORTAMENTO DELLA S.F. SULLE PROPRIETA CLS INDURITO Calore di idratazione/gradienti termici Resistenza meccaniche Permeabilità Durabilità (permeabilità e resistenza alla reazione alcali-aggregati) I fumi di silice, anche per l elevato costo, sono destinati a calcestruzzi speciali

34 RESISTENZA MECCANICA La resistenza meccanica del calcestruzzo dipende principalment e dal rapporto a/c Nel caso di impiego di S. F può essere valida l equazione seguente: a a/c = c + k S.F dove k è il fattore di efficienza già utilizzato per le ceneri volanti ma con valori superiori

35 RESISTENZA MECCANICA L incremento di resistenza ottenuto con i fumi di silice non è evidente ai brevi tempi di stagionatura e dipende anche dal tipo di cemento impiegato nella miscela.

36 FUMO DI SILICE: LA MICROSTRUTTURA La combinazione dei suddetti effetti fa sì che la porosità, oltre a ridursi come volume, si riduca molto di dimensioni, rendendo la pasta di cemento meno permeabile; a questo è dovuto il sensibile aumento di resistenza agli agenti aggressivi chimici e fisici ottenuto con questa aggiunta

37 % di volume intruso PERMEABILITA DEL CLS CON S.F Silica fume (%) Raggio dei pori (µm) 0 Paste di cemento con a/(c +s.f.)=0,6 a 60 giorni

38 Penetrazione del cloruro (mm) LE AGGIUNTE Tempo (giorni 1/2 ) Rapporto a/c =0.50 senza pozzolana con p.f.a (30%) con fumo di silice (10%)