Corso di Laurea in Ingegneria Edile

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1 Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) Altri costituenti del calcestruzzo: acqua di impasto, aggregati, additivi

2 Il calcestruzzo E il materiale da costruzione in assoluto più utilizzato dall uomo: se ne stima una produzione di 2 miliardi di m 3 all anno, per impieghi sia nell edilizia civile ed industriale che nelle infrastrutture. Tale ampia diffusione è dovuta ad una serie di motivi: - Ottima resistenza a compressione; - Buona resistenza all acqua ed agli agenti atmosferici; - Buona compatibilità con le armature in acciaio, per ottenere cls armati e porre così rimedio alla scarsa resistenza a trazione; - Può essere confezionato facilmente e messo in opera nella forma desiderata; - Economico, perché prodotto con materie prime facilmente reperibili.

3 Il calcestruzzo: un po di storia Da un punto di vista etimologico il termine calcestruzzo deriva dal latino calcis structio = struttura a base di calce In realtà il termine utilizzato da Vitruvio per definire un conglomerato molto simile al calcestruzzo attuale era opus caementitium, formato da pietra, o rottami di mattone, mescolati con calce, sabbia e acqua.

4 Il calcestruzzo dei Romani Nella maggior parte delle opere dei Romani, il calcestruzzo fu in realtà impiegato come riempimento tra i paramenti esterni in mattoni o in pietra, che fungevano da casseforme permanenti. Lo spazio tra tali paramenti veniva riempito con malta di calce nella quale venivano poi conficcati a mano, più o meno regolarmente, gli aggregati grossi (caementum, dal latino «caedere», tagliare) in forma di pietra in pezzi o rottami di mattone. Esempio di muro in calcestruzzo romano

5 Il calcestruzzo moderno UNI EN 206:2014 Calcestruzzo - Specificazione, prestazione, produzione e conformità Il calcestruzzo può essere considerato un materiale composito: Cemento + Acqua + Aggregati (fini e grossi) + Additivi Sia le caratteristiche del calcestruzzo fresco (lavorabilità) sia quelle finali del calcestruzzo indurito (resistenza meccanica, stabilità di volume, durabilità) dipendono dunque non solo dalla tipologia di legante usato, ma anche dalle caratteristiche degli altri tre costituenti. I quattro costituenti del cls vengono opportunamente introdotti e miscelati nelle betoniere, al fine di ottenere un impasto plastico omogeneo che verrà successivamente gettato all interno di casseforme.

6 Acqua di impasto per il cls UNI EN 1008:2003 La qualità dell acqua di impasto è importante perché i sali e le impurezze che essa può contenere possono interferire con i processi di presa ed indurimento, influenzare le proprietà meccaniche e causare efflorescenze e macchie sulla superficie del calcestruzzo. I principali sali disciolti nelle acque dolci naturali sono i seguenti: -- Carbonati CO 3 - Bicarbonati HCO 3 -- Solfati SO 4 Cloruri Cl - Altri ioni (Ca ++,Na +,K +, )

7 Acqua di impasto UNI EN 1008:2003 La norma UNI EN 1008 classifica differenti tipologie di acque, indica i controlli ai quali vanno sottoposte e le massime concentrazioni ammissibili per poter essere usate come «acque di impasto per il cls» Tra i vari sali disciolti, quelli più pericolosi sono i cloruri ed i solfati: Concentrazione limite per Cl - < 1000 ppm (strutture in c.a.) < 500 ppm (strutture in c.a.p.) Concentrazione limite per SO 4 = < 2000 ppm N.B. Le acque potabili possono essere utilizzate senza alcun tipo di controllo, mentre quelle marine o salmastre non sono proprio utilizzabili.

8 Aggregati per cls UNI EN 12620:2008 In passato gli aggregati venivano chiamati «inerti»; questo nome è stato sostituito in quanto, pur non partecipando ai processi di presa ed indurimento, essi comunque interagiscono con la matrice cementizia e contribuiscono alla caratteristiche sia del cls fresco che di quello indurito.

9 Origine degli aggregati Nella maggior parte dei casi gli aggregati sono di origine naturale: - Estratti in blocchi da cave e poi opportunamente macinati (pietrisco); - Prelevati già con granulometria adatta all impiego (ghiaia-sabbia) e quindi solamente da vagliare. N.B. E importante che gli aggregati costino poco e dunque, siccome il costo del trasporto incide molto, si usano spesso materiali disponibili sul luogo di impiego. Riduzione della disponibilità di cave per aggregati Uso di aggregati riciclati dalla demolizione di opere in cls Più raramente si utilizzano aggregati artificiali (tipo loppa d altoforno raffreddata lentamente e poi macinata) oppure sintetici (polistirene espanso).

10 Funzioni degli aggregati Gli aggregati occupano una consistente frazione volumetrica del calcestruzzo (dal 60% all 80%) e svolgono funzioni importanti: - Fungono da riempitivo e quindi riducono la quantità di cemento necessaria, riducendo quindi i costi ed il calore di idratazione; - Costituiscono lo scheletro del cls, contribuendo in modo determinante alle resistenze meccaniche; - Aumentano la stabilità dimensionale del cls indurito, opponendosi al ritiro della pasta legante e riducendo le conseguenti fessurazioni; - Determinano altre proprietà quali la lavorabilità, il modulo elastico, la resistenza all abrasione, la durabilità.

11 Caratteristiche degli aggregati - Dimensioni - In base alle dimensioni, gli aggregati vengono classificati in fini (sabbie) o grossi; a loro volta i grossi possono essere suddivisi in ghiaietto e ghiaia. - Sabbia d < 4 mm - Ghiaietto 4 mm < d < 15 mm - Ghiaia 15 mm < d < 40 mm Ghiaia Ghiaietto Sabbia

12 Caratteristiche degli aggregati - Distribuzione granulometrica - La distribuzione delle dimensioni delle particelle degli aggregati è di fondamentale importanza nel confezionamento di un buon calcestruzzo, soprattutto in relazione alla sua lavorabilità. Nell effettuare tale scelta si possono considerare due differenti obiettivi: - Minimizzare il volume dei vuoti tra le particelle; - Garantire la massima lavorabilità del cls fresco. N.B. Le condizioni di massima densità non corrispondono a quelle di massima lavorabilità compromesso ottimale fra le differenti esigenze!

13 Caratteristiche degli aggregati - Distribuzione granulometrica - Obiettivo Miscele a densità massima Obiettivo Max lavorabilità del cls fresco curva di Fuller curva di Bolomey Maggior contenuto di fini N.B. Non esiste una distribuzione granulometrica ottimale di validità generale,lasceltaspettaachisioccupadelprogettodellamiscela (mix design del calcestruzzo)

14 Caratteristiche degli aggregati -Forma - La forma delle particelle che costituiscono l aggregato dipende sostanzialmente dalla sua provenienza, e può essere arrotondata, piatta e allungata, angolare, irregolare. Gli aggregati provenienti da frantumazione (pietrisco) hanno in genere forme irregolari, mentre quelli di origine alluvionale (ghiaie) hanno forme più tondeggianti.

15 Caratteristiche degli aggregati -Forma - Ciascuna forma influenza alcune caratteristiche del cls, sia allo stato fresco che indurito: - Arrotondata: aumenta il grado di riempimento del volume e la lavorabilità; - Piatta ed allungata: aumenta la R a flessione; - Angolare: aumenta l aderenza con la matrice cementizia, e dunque migliora la R a trazione; - Piatta: ostacola l eliminazione di bolle d aria, blocca la risalita dell acqua di impasto (bleeding).

16 Caratteristiche degli aggregati - Porosità - -Laporositàdiunaggregatodipendedallarocciadacuideriva,puòvariare da valori molto bassi (circa 2%, tipici delle rocce ignee intrusive) fino a valori molto elevati (10 40 %, tipici dei calcari o delle rocce vulcaniche). - La porosità degli aggregati influenza le proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e termiche di un cls; inoltre ne determina le capacità di assorbimento d acqua. Se infatti un aggregato poroso viene utilizzato «asciutto», può assorbire un aliquota dell acqua di impasto; se viene utilizzato «bagnato» puòcedere acqua all impasto: in entrambi i casi modifica il rapporto a/c previsto! L aggregato, soprattutto se fortemente poroso, deve dunque essere utilizzato «saturo a superficie asciutta» (ssa)

17 Caratteristiche degli aggregati -Densità - È definita come il rapporto tra la massa ed il volume occupato dall aggregato ed è una caratteristica fondamentale ai fini del proporzionamento del cls. Quando si ha a che fare con aggregati porosi (caso piuttosto frequente) bisogna fare una distinzione tra il volume «apparente» di una particella ed il suo volume «reale» = volume apparente volume dei pori. Essendo δ=m/v si ha che: V app >V reale δ app < δ reale N.B. Nelle norme ci si riferisce alla δ app, ed in base ad essa si definiscono: Aggregati leggeri δ app < 2000 kg/m 3 Aggregati normali δ app kg/m 3 Aggregati pesanti δ app > 3000 kg/m 3

18 Additivi per cls UNI EN 934-2:2012 Sostanze che, aggiunte in piccole quantità all impasto (mai maggiore del 5% in massa rispetto al contenuto di cemento) migliorano le proprietà del calcestruzzo allo stato fresco o allo stato indurito. - Fluidificanti - Acceleranti e ritardanti -Aeranti - Antimuffa - Antiritiro - Inibitori di corrosione -Disarmanti

19 Additivi fluidificanti Grazie all aggiunta di tali additivi di natura polimerica è possibile: - Ridurre il rapporto a/c senza influenzarne la lavorabilità; - Aumentare la lavorabilità di un cls senza modificare a/c; - Ottenere entrambe le cose. Riduzione di acqua (a pari lavorabilità) almeno del 5% Fluidificante almeno del 12% Superfluidificante

20 Additivi fluidificanti Il principio su cui si basa la loro azione è quello di aderire alla superficie dei grani di cemento ed esercitare un azione disperdente sui grani stessi, mediante meccanismi di repulsione elettrostatica oppure ingombro sterico Esempio: uso di poli-carbossilati (PC) per ottenere una dispersione dei grani per ingombro sterico: Polimero a «pettine» con doppia dentatura

21 Additivi acceleranti e ritardanti Il comportamento a breve termine del cls può essere modificato con additivi che modificano i tempi di presa (acceleranti e ritardanti di presa) o le velocità di indurimento iniziale (acceleranti di indurimento). Alcuni esempi. Acceleranti di presa: confezionamento del cls proiettato (spritz beton), che si utilizza per il rivestimento delle gallerie o delle pareti degli scavi. Ritardanti di presa: consentono di mantenere a lungo un conglomerato con una buona lavorabilità, esigenza molto utile quando il cls deve essere trasportato a lunga distanza. In aggiunta, ritardano anche lo sviluppo di calore. Acceleranti di indurimento: aumentano la velocità di idratazione dei silicati, e quindi consentono di ottenere una Rc più elevata nei primi giorni dopo il getto. Sono molto utili nei climi freddi, per ridurre i tempi di stagionatura e garantire una rapida entrata in servizio della costruzione.

22 Additivi aeranti Sono costituiti da sostanze (di origine sia naturale che di sintesi) che possiedono caratteristiche tensioattive, e che aggiunte in piccolissime quantità consentono la formazione nella pasta cementizia di bolle d aria di diametro compreso tra i 50 e 350 μm, per un volume variabile dal 4 al 6%. - Riducono il degrado subito dal cls per effetto dei cicli di gelo-disgelo. - Migliorano la lavorabilità del cls fresco, consentendo di utilizzare meno acqua a parità di lavorabilità. (N.B. L aria inglobata riduce la Rc del calcestruzzo)