La qualifica degli spritzbeton Dai capitolati delle infrastrutture alle norme europee Marco Iuorio, Libero Professionista; Livio Pascali, Logocert srl La varietà dei prodotti da costruzione, il relativo contenuto tecnologico e la tipizzazione dei prodotti in funzione delle destinazioni d uso fa si che se, da un lato, è vero che il mondo dell industria dei materiali, in particolare della filiera del cemento, è in grado di soddisfare le diverse esigenze provenienti dalle grandi società di ingegneria e architettura e dalle prescrizioni delle committenze più attente al profilo della qualità, dall altro, si rende necessaria un attenta conoscenza dei prodotti stessi, delle prestazioni che possono offrire e, soprattutto, delle modalità di qualifica e di verifica. Anche all interno di una stessa famiglia di prodotti, come quella dei calcestruzzi, esistono differenze nelle procedure di qualifica come nel caso dei calcestruzzi proiettati CP (spritz beton o shotcrete) che presentano sostanziali differenze rispetto alle qualifiche dei calcestruzzi ordinari OC (ordinary concrete) o degli autocompattanti SCC (Self Compacting Concrete). Lo spritz beton, infatti, è un particolare prodotto a base cementizia che per le sue peculiarità è solitamente impiegato in sotterraneo per la messa in sicurezza delle pareti durante le operazioni di scavo o per la realizzazione di calotte nella realizzazione di gallerie, oppure, a cielo aperto per la messa in sicurezza di pendii e scarpate o per il ripristino di strutture ammalorate. La peculiarità di questi calcestruzzi, è quella di poter realizzare degli strati, seppur di ridotto spessore, di calcestruzzo strutturale caratterizzato da un elevata rapidità di presa e da un rapido sviluppo delle resistenze che garantiscono la messa in sicurezza del sito. Una prima classificazione dei CP è effettuata in base all impiego, come ad esempio riportato dal capitolato Italferr: Classificazione in Sigla Fck minimo funzione del campo N/mm 2 d impiego Temporaneo non TN 16 strutturale Permanente non PN 16 strutturale 20 Permanente strutturale TS 30 settembre 13 1
Figura 1. Introduzione della centina di una galleria della SS106 Jonica Le modalità di messa in opera possono essere di due tipologie: per via secca e per via umida a seconda del processo di proiezione impiegato. Nel primo caso, la fase solida (cemento, aggregati e aggiunte), e quella liquida (acqua e additivi acceleranti) viaggiano in due tubazioni separate e si miscelano poco prima dell immissione nel terminale della lancia. Nel secondo caso invece, in una tubazione viene pompato il calcestruzzo già miscelato e, solo nel terminale della lancia sono aggiunti gli additivi acceleranti di presa pompati attraverso una seconda tubazione. Ciò che quindi differenzia il calcestruzzo spruzzato da un calcestruzzo ordinario sono: l assenza di compattazione (che avviene direttamente grazie alla pressione e all impatto sulla parete), la presa istantanea che ha la funzione di ridurre lo sfrido e lo sviluppo di resistenze meccaniche alle brevissime stagionature (almeno 4 N/mm 2 dopo 6 ore). La progettazione della miscela, è caratterizzata da una dimensione max dell aggregato non superiore agli 8-15 mm, da un elevato quantitativo di pasta di cemento (con un dosaggio di cemento non inferiore ai 450 Kg/m 3 ; per Anas il limite è alzato a 500 Kg/m 3 potendo andare in deroga se dimostrata l equivalenza delle prestazioni), dall eventuale impiego di fumo di silice (5-7% sulla massa del cemento) al fine di incrementare la coesione dell impasto e ridurre lo sfrido da rimbalzo, la tendenza al dilavamento ed incrementare le resistenze meccaniche. La scelta dell accelerante invece, dettata dalle diverse esigenze e destinazioni d uso, è solitamente effettuata tra prodotti a base di silicati di sodio e i cosiddetti alkali-free a base di solfati di alluminio.. I primi, consentendo maggiori resistenze già dopo poche ore ma causando maggiori abbattimenti di resistenza alle lunghe stagionature ( fino al 50%), sono preferiti per la realizzazione di rivestimenti provvisori. Gli alkali-free, invece, garantendo minori abbattimenti di resistenza (generalmente circa il 10%), sono preferiti per la realizzazione di rivestimenti definitivi. Tenuto conto di queste differenze, la fase di qualifica di uno spritz-beton necessita di verificare prestazioni e caratteristiche differenti da un calcestruzzo ordinario a cominciare settembre 13 2
dalle procedure di campionamento e maturazione dei campioni che sono molto più vincolate al sito realizzativo. Considerando l impiego prevalente di shotcrete, nell ambito delle infrastrutture, al fine di descrivere le più diffuse procedure di qualifica sono state prese in considerazione le procedure, previste da capitolato, attualmente in corso per due infrastrutture: una ferroviaria (Italferr) e una stradale (Anas). In entrambi i capitolati richiamati, utilizzati presso cantieri attualmente in fase di esecuzione, la norma assunta come riferimento per la qualifica degli shotcrete è la UNI 10834 e non la più recente norma europea UNI EN 14487:2006, si partirà dalla prima e si evidenzieranno poi alcune differenze introdotte dalla più recente. Sia nel caso di Anas sia di Italferr, per gli spritz-beton è prevista una fase di prequalifica a carico dell esecutore (Appaltatore/GC). La documentazione presentata sarà successivamente verificata tramite prove di qualifica dalla D.L. con l ausilio di un laboratorio ufficiale presso il cantiere. La differenza sostanziale, rispetto alle qualifiche di calcestruzzi ordinari, è che per i CP la fase di pre-qualifica deve essere svolta sul campo e non in laboratorio come invece avviene per i calcestruzzi ordinari OC. Per quanto riguarda i costituenti, molta dell attenzione è posta sulla scelta degli additivi acceleranti e il relativo effetto sul decadimento delle prestazioni del calcestruzzo che rappresenta una delle peculiarità più importanti cui prestare attenzione. Sorvolando sugli altri controlli per i costituenti, previsti dalle norme UNI, le prove più peculiari relative agli shotcrete sono i controlli in fase di proiezione (dosaggio dell accelerante, determinazione dello sfrido), i controlli sul calcestruzzo proiettato giovane ( curva di sviluppo della resistenza), e su quello indurito (resistenza meccanica a 28gg, massa volumica, resistenza a flessione), con ulteriori differenze nel caso di presenza di fibre (energia di deformazione e contenuto di fibre). La resistenza del calcestruzzo proiettato giovane,, può essere stimata attraverso prove di penetrazione (con penetrometro modificato) o di sparo ed estrazione di chiodi. Tale resistenza è considerata solo indicativa dal capitolato Italferr che lascia al progettista il compito di specificare le proprietà richieste. La verifica con queste tecniche indirette è consentita solo per valori di resistenza max di 15 MPa, oltre le quali si deve procedere a misure dirette su carote estratte da piastra normalizzata. Le tecniche indirette si differenziano per il loro range di applicabilità, in particolare l uso del penetrometro (misura della forza necessaria all inserimento nel calcestruzzo di un ago con apertura di (60±1) fino ad una profondità di 15±2 mm per resistenze stimate del calcestruzzo giovane comprese tra 0,2 e 1,2 MPa. La prova di sparo ed estrazione di chiodi per la misurazione della forza necessaria ad estrarre chiodi di dimensioni standard da una piastra all uopo confezionata, è invece consentito in un range di resistenze stimate tra 2 e 15 MPa. Le misure devono essere effettuate almeno in tre punti durante le prime 24 ore dalla proiezione anche se, nelle fasi preliminari dei lavori si consiglia una valutazione in continuo per meglio monitorare il comportamento del calcestruzzo. Per quanto riguarda le prove di caratterizzazione del calcestruzzo indurito, la principale differenza, rispetto a un calcestruzzo ordinario riguarda il campionamento che avviene su piastra normalizzata. Il calcestruzzo è spruzzato all interno di una cassetta di dimensioni settembre 13 3
standard (600x600x100 mm con lati svasati di 45 ), posta, con un angolo di circa 20, in corrispondenza della parete da trattare. I pannelli prodotti devono essere rasati e lasciati maturare in condizioni ambientali analoghe alla struttura. Dalla piastra vengono quindi estratti per carotaggio provini cilindrici (carote), preferibilmente con rapporto h/d=1 e diametro maggiore di tre volte il Dmax dell aggregato. La valutazione della resistenza cubica si ottiene dalla formula: ( ) dove λ rappresenta la snellezza dei provini (altezza/diametro) e fλ è la resistenza misurata su carote. La norma consente di incrementa Rc del 20% per tener conto dell effetto disturbo indotto dall estrazione del provino. Figura 2. Procedura di campionamento di shotcrete - Cantiere ANAS SS106 Jonica Le carote campionate, maturate e testate restituiranno i valori a 28 gg per lo shotcrete che, confrontati, ai valori del calcestruzzo prelevato prima dell immissione dell accelerante, forniranno anche la misura dell abbattimento di resistenza dovuto all impiego dell additivo che non deve mai essere maggiore del 25% e, in ogni caso sempre superiore a quello prescritto dal progettista. Nel caso invece di impiego di calcestruzzo fibrorinforzato, è necessario effettuare una prova di punzonamento per la verifica della capacità di assorbimento dell energia di deformazione. La prova ha lo scopo di simulare il comportamento di un calcestruzzo impiegato come rivestimento in galleria sottoposta alla pressione della roccia retrostante dovuta a deformazione della stessa. La prova prevede che raggiunti i 28gg di maturazione, lo spritz-beton, campionato con una piastra normalizzata, e conservato in acqua per almeno 3 gg prima dell esecuzione della prova, venga appoggiato su un telaio di dimensioni 500x500 mm, con la superficie del getto rivolta verso l alto e caricato con un punzone centrale (di sezione quadrata con lato 100 mm) e durezza 50 HRC azionato da una pressa con una portata di almeno 200 KN. Applicato il carico con un gradiente di spostamento di 1,5 mm/min, sono registrate le coppie carico-spostamento finché, lo spostamento misurato non raggiunge i 25 mm. Tracciata la curva, con le coppie misurate, si procede infine a calcolare l area progressiva sottesa alla stessa e a rappresentarla sotto forma di digramma rappresentante l energia assorbita. settembre 13 4
Figura 3. Macchina e diagrammi per la valutazione dell'energia assorbita La nuova norma europea UNI EN 14487 richiede, tra l altro, la certificazione delle fibre utilizzate, secondo la UNI EN 14889-1(fibre in acciaio) o 14889-2 (fibre sintetiche). Particolare attenzione va quindi ora posta se la fibra è certificata per impieghi strutturali (con sistema d attestazione di conformità 1) o per altri impieghi (sistema d attestazione 3). Solo le prime possono essere usate per le opere strutturali. Recentemente si è avuto modo di procedere alla qualifica preliminare di diverse miscele di spritz-beton testando, in particolare, miscele con acceleranti a base di silicati di sodio e alkalifree e diverse tipologie di fibre. Dai test effettuati è emerso come a seconda degli accoppiamenti additivo-tipologia di fibre si possono registrare abbattimenti di resistenza in percentuale diverse. Come anticipato, essendo partiti dalle prove di qualifica previsti dai capitolati presi in esame, si è assunto come riferimento la vecchia UNI 10834 (ritirata nel 2009). La norma attualmente in vigore per il calcestruzzo proiettato, derivante dalla UNI 10834 e dall integrazione di altre norme come linee guida austriache e quelle dell EFNARC, è la UNI EN 14487:2006. Le differenze tra le due norme riguardano principalmente la classificazione degli spritz-beton, con l introduzione nella EN 14487 del riferimento alle classi di esposizione e di resistenza della UNI EN 206, la definizione delle curve J1, J2 e J3 per il comportamento del calcestruzzo proiettato giovane (molto utili per la classificazione d uso dello shotcrete ), le classi di assorbimento di energia e quelle di perdita di resistenza;. La EN 14487 introduce inoltre, il concetto di categoria di ispezione la cui determinazione pone in capo al progettista al pari dell individuazione del grado di rischio e della vita di progetto. La norma propone infatti 4 prospetti che, suddivisi per destinazione d uso (riparazione e rinforzo di strutture portanti o non portanti, consolidamento di terreni ecc.), identificano per ognuno le categorie di ispezione in funzione del grado di rischio, della complessità geometrica, tecnica o funzionale dell elemento e della durabilità. settembre 13 5
Figura 4. Esempio di prospetto per la definizione delle categorie di ispezione (UNI EN 14487-1:2006) Dall indicazione della categoria di rischio, la norma, fa poi dipendere la frequenza di campionamento per ogni tipologia di prova da effettuare sui componenti la miscela e sulle prestazioni in fase di proiezione, presa e indurimento. La nuova norma, di stampo prestazionale, porta ad una maggiore responsabilizzazione non solo dei progettisti ma anche dei direttori lavori che dovranno garantire il rispetto dei parametri di controllo previsti dalle categorie di ispezione individuate così da ottenere un prodotto di alte prestazioni. settembre 13 6