Prove di ritiro su paste, malte e calcestruzzi autocompattanti realizzati con fini non convenzionali I.Iacobini *, P.Frontera **, F.Crea*, G.Porco*** * Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS), Italy ** Dipartimento di Meccanica e Materiali, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria, Reggio Calabria (RC), Italy *** Dipartimento di Strutture, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS), Italy SOMMARIO Nel tempo la ricerca scientifica ha consentito la realizzazione di materiali da costruzione sempre più affidabili sia in termini di resistenza, che in termini di durabilità. Nel campo dei materiali cementizi è oggi possibile realizzare manufatti in grado di unire aspetti puramente ingegneristici (durabilità e resistenza) con valenze architettoniche di pregio (strutture sottili e facciavista ), purtroppo ancora oggi poco diffusi anche perché necessitano di ulteriori prove che ne descrivano ineccepibilmente il comportamento. Obiettivo del presente lavoro è la valutazione sperimentale del ritiro sia alle brevi che alle lunghe stagionature su provini di paste, malte e calcestruzzi autocompattanti realizzati con fini non convenzionali quale ad esempio la zeolite industriale. L ottenimento di una misura di ritiro limitata è sinonimo di durabilità dell opera in quanto comporta una diminuzione degli stati tensionali e, quindi, l ottenimento di fessure poco sviluppate. Al contrario, nei manufatti in cui si possono notare quadri fessurativi estesi è possibile verificare un rapido e grave deterioramento degli stessi fino a provocare, perfino, il collasso strutturale. Nell indagine eseguita, sono state realizzate diverse tipologie di miscele in cui è stata variata sia la composizione dei materiali costituenti, che il loro dosaggio. In particolare, per il confezionamento dei vari provini sono stati utilizzati dei cementi bianchi che, unitamente agli altri costituenti convenzionali e non, permettono di realizzare strutture idonee per facciavista. Autore di riferimento : Fortunato Crea Ente di appartenenza: Dipartimento di Ingegneria Chimica e dei Materiali, Università della Calabria, Arcavacata di Rende, (CS) e-mail, tel., fax: f.crea@unical.it, +399844967,+39984496655 settore applicativo aipnd: Caratterizzazione e prove dei materiali
Introduzione E noto che durante i fenomeni di presa e indurimento del calcestruzzo, avviene una variazione di volume nota come ritiro. Esso è funzione del tempo, indipendente dai carichi agenti ed è originato dai movimenti d acqua all interno della pasta legante. A causa di questa caratteristica si sostiene che il ritiro sia dinamico, ossia cambia nel tempo le sue proprietà (tempo inteso sia come atmosferico, che cronologico). L effetto del ritiro sul calcestruzzo può essere devastante: qualora, ad un determinato tempo di stagionatura, la sollecitazione indotta da ritiro superi la resistenza a trazione del calcestruzzo a quel tempo, inevitabilmente il ritiro indurrebbe a fessurazione il calcestruzzo. Tuttavia, il ritiro può essere ridotto usando particolari accortezze in fase di progettazione delle miscele, di esecuzione dei getti e di stagionatura. In questo lavoro sperimentale è stato valutato l andamento del ritiro su paste, malte e calcestruzzi autocompattanti confezionati con fini non convenzionali. L utilizzo di tali materiali potrebbe consentire l ottenimento di un materiale più compatto, per ciò più durevole, in grado di ridurre lo sviluppo del ritiro [-5]. Materiali e metodi Nella realizzazione dei provini di paste, malte e calcestruzzi sono stati utilizzati i seguenti materiali: CEM I 52,5R e CEM II/B-LL 32,5R conformi alla UNI EN 97/; Sabbia standard conforme alla norma CEN EN 96/; Aggregati per calcestruzzo di tipo tondeggiante (diametro massimo 6 mm) conformi alla UNI EN 262; Zeolite 5A industriale, Calcare e Silica Fume; Acqua in accordo con la UNI EN 8; Additivo superfluidificante per impasti cementizi conforme alla UNI 765. Su tali materiali sono state condotte indagini di laboratorio di carattere fisico, chimico e meccanico, al fine di poter attestare la qualità degli stessi. In seguito, sono state realizzati paste, malte e calcestruzzi innovativi. Malte - Sono state confezionate diverse tipologie di malte utilizzando i diversi cementi e le diverse aggiunte minerali a disposizione, per valutare il loro effetto sulle proprietà fisicomeccaniche del manufatto indurito. A tale scopo sono state confezionate miscele di malte con aggiunte del 5%, % e 5% di zeolite industriale 5A e con il % di calcare e fumo di silice rispetto al peso del cemento, per un totale di 2 miscele differenti, a partire dall impasto di malta standard, utilizzata per la caratterizzazione meccanica dei cementi. Per ogni miscela sono stati confezionati diversi impasti per il raggiungimento di un numero di provini al fine di fornire risultati statisticamente attendibili. Per la realizzazione di una miscela standard è necessario un quantitativo di malta sufficiente per la realizzazione di tre provini di dimensioni 4 mm x 4 mm x 6 mm per ogni impasto: per assicurare ciò è necessario un prefissato quantitativo di materie prime pari a 45g di cemento, 35g di sabbia normalizzata, 225g di acqua distillata. In tabella sono riportate le differenti composizioni delle miscele realizzate per il confezionamento di 3 provini prismatici di malta. Al fine di eseguire accurate misure di ritiro, durante il confezionamento, nelle casseforme, sono inserite delle placche metalliche (due ai bordi di ogni provino). Dopo il confezionamento, i provini sono sformati dopo 24h e messi a stagionare in acqua a temperatura ed umidità costanti. Quindi, è stato misurato periodicamente il ritiro mediante un misuratore elettronico avente precisione di / di millimetro. Prima della misurazione i provini sono tolti dall acqua e tamponati con carta assorbente per eliminare l acqua in eccesso; trascorsi 5 minuti, si effettua la lettura (figura
), quindi si rimettono in acqua per le successive misurazioni. Ulteriori serie di provini sono state confezionate per la valutazione delle resistenze a compressione e a flessione (figura 2). Miscela Tipo Cemento Dosaggio Sabbia Acqua Tipo Aggiunta minerale A CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g - - Dosaggio A2 CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 22,5g A3 CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 45,g A4 CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 67,5g A5 CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g Calcare 45,g A6 CEM II/B-LL 32,5R 45g 35g 225g Silica fume 45,g B CEM I 52,5R 45g 35g 225g - - B2 CEM I 52,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 22,5g B3 CEM I 52,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 45,g B4 CEM I 52,5R 45g 35g 225g Zeolite 5A 67,5g B5 CEM I 52,5R 45g 35g 225g Calcare 45,g B6 CEM I 52,5R 45g 35g 225g Silica fume 45,g Tabella Composizione delle miscele per la realizzazione di 3 provini di malta Figura Provini sottoposti a misura del ritiro Figura 2 Provini sottoposti a prova di flessione Paste - Per valutare l andamento del ritiro chimico nel tempo ed al variare della tipologia di aggiunta minerale, sono state confezionate con i due differenti tipi di cemento diverse miscele di pasta con aggiunte del 5%, % e 5% di zeolite industriale 5A e con il % di calcare e fumo di silice rispetto al peso del cemento. Inoltre, rispetto alle tipologie di malta, sono state realizzate, per ogni tipo di cemento, anche altre tre miscele senza aggiunte minerali variando opportunamente il rapporto a/c (,4,42,45). In tabella 2 sono riportate le differenti composizioni delle miscele realizzate. La tecnica di misurazione del ritiro chimico scelta è quella del dilatometro, che permette la misura diretta della contrazione chimica mediante una pipetta collegata ad un contenitore in cui è contenuta la pasta di cemento, chiuso ermeticamente e riempito completamente di acqua distillata che va a compensare il restringimento della pasta di cemento. Ciò comporta un abbassamento del livello del liquido all interno della pipetta. La misura del ritiro effettuata analizzando l andamento di tale livello nel tempo. Il cemento, l acqua e l eventuale aggiunta minerale sono stati mescolati per due minuti. Come contenitore è stata utilizzata una beuta di vetro da 25 ml, all interno della quale è stata posta 5gr di pasta di cemento. La beuta è stata riempita con acqua distillata, tappata ermeticamente. Dal tappo è stata inserita un astina graduata da, ml riempita con acqua distillata e sigillata opportunamente con olio di paraffina per evitare l evaporazione
dell acqua e per lasciare libero il movimento della colonna d acqua (figura 3). Tutti gli impasti così preparati sono messi in un bagno termostatato a 2± C (figura 4). La lettura del livello del menisco sull astina graduata è stata effettuata ogni ora per 48 ore consecutive. Miscela Tipo di Cemento Tipo Rapporto Aggiunta minerale a/c Tipo Dosaggio (% in peso sul cemento) Ao CEM II/B-LL 32,5R,4 - - Ao2 CEM II/B-LL 32,5R,42 - - Ao3 CEM II/B-LL 32,5R,45 - - A CEM II/B-LL 32,5R,5 - - A 2 CEM II/B-LL 32,5R,5 Zeolite 5A 5 A 3 CEM II/B-LL 32,5R,5 Zeolite 5A A 4 CEM II/B-LL 32,5R,5 Zeolite 5A 5 A 5 CEM II/B-LL 32,5R,5 Calcare A 6 CEM II/B-LL 32,5R,5 Silica fume Bo CEM I 52,5R,4 - - Bo2 CEM I 52,5R,42 - - Bo3 CEM I 52,5R,45 - - B CEM I 52,5R,5 - - B 2 CEM I 52,5R,5 Zeolite 5A 5 B 3 CEM I 52,5R,5 Zeolite 5A B 4 CEM I 52,5R,5 Zeolite 5A 5 B 5 CEM I 52,5R,5 Calcare B 6 CEM I 52,5R,5 Silica fume Tabella 2 Composizione delle miscele di pasta cementizia Figura 3 Preparazione sistema di misura Figura 4 Bagno termostatato delle paste cementizie Calcestruzzi - Il ritiro è stato misurato anche su provini di calcestruzzo autocompattante (Self-Compacting Concrete: SCC). In totale sono state confezionate 4 miscele definitive per ogni tipologia di cemento. In tabella 3 è riportata una miscela tipo di SCC confezionata con zeolite 5A industriale, mentre in tabella 4 sono indicate le varie miscele realizzate. La preparazione dei provini di dimensioni cm x cm x 5cm consiste nell assestare il calcestruzzo in stampi metallici composti da 2 fiancate, 2 testate con porta spina e piastra di base. Le caratteristiche e le dimensioni delle spine e la lunghezza della loro parte immersa devono corrispondere a quanto indicato a livello normativo dalla UNI 655:973. Subito dopo la confezione i provini sono stati mantenuti negli stampi alla temperatura di 2 C in ambiente saturo di umidità. Dopo 24h i provini sono stati sformati e posti in ambiente di stagionatura con temperatura e umidità controllata. Le misure di ritiro sono state eseguite alle scadenze di
, 2, 3, 7, 4, 28, 6 e 9 giorni di stagionatura. La misura è stata eseguita su 3 provini della stessa miscela ed è stato considerato come valore di ritiro ad una data scadenza la media dei valori ottenuti. Componente Miscela Tipo Peso specifico (kg/l) Peso (kg/m 3 ) Volume (l/m 3 ) CEM I 52,5R 3, 43 38,7 Acqua 2 25, Zeolite 5 A 2, 5 7,4 Add. Superfluidif.,4 6,96 6,69 Aria (%) - - 6, Ф mm 27,3, Ф 7, mm 225,7 83,6 2,7 Ф 4 mm 284,3 5,3 Sabbia 78,6 289,5 Rapporto a/c,5 Disaggio f 58 kg/m 3 Rapporto a/f,37 Volume totale l Tabella 3- Miscela di calcestruzzo Tipo Nome Miscela Tipo di Cemento Aggiunta minerale CEM II/B-LL 32,5 R % Calcare 2 CEM II/B-LL 32,5 R % Zeolite 5A 3 CEM II/B-LL 32,5 R 5% Calcare 5% Zeolite 5A 4 CEM II/B-LL 32,5 R % Silica Fume 5 CEM I 52,5R % Calcare 6 CEM I 52,5R % Zeolite 5A 7 CEM I 52,5R 5% Calcare 5% Zeolite 5A 8 CEM I 52,5R % Silica Fume Tabella 4- Tipi di miscele di calcestruzzo realizzate Risultati e discussioni Malte - La malta cementizia, ottenuta mescolando cemento Portland, sabbia e acqua, così come la pasta ed il calcestruzzo, subisce nel tempo processi di idratazione dei vari costituenti. Nelle figure 5, 6, 7, 8 e 9 sono riportati gli andamenti del ritiro effettuati sui provini di malta confezionati con i 2 diversi tipi di cemento. In particolare, dall analisi delle misure sperimentali di ritiro, è emerso che i provini realizzati con il cemento CEM I 52,5R subiscono inizialmente un rigonfiamento per poi stabilizzarsi ad un dato valore di ritiro dopo 28 giorni di stagionatura, mentre quelli confezionati con il CEM II/B-LL 32,5R subiscono inizialmente un ritiro per poi stabilizzarsi ad un valore di ritiro superiore a quello registrato con le miscele confezionate con CEM I 52,5R dopo 28 giorni di stagionatura (figura 5). Nel caso specifico delle miscele realizzate con cemento CEM II/B-LL 32,5R addizionate con le diverse percentuali di zeolite (A2, A3, A4), si riscontra come l aggiunta di zeolite non dimostri una particolare propensione ad incrementare il ritiro. I provini dello stesso cemento realizzati con l aggiunta di calcare (A5) e fumo di silice (A6) mostrano invece un comportamento facilmente comprensibile, infatti sia il calcare che il fumo di silice, in misura maggiore, permettono di limitare il ritiro (figura 6). In tutti i casi, però, i valori di ritiro misurati, come ordine di grandezza, sono confrontabili tra loro e non vi sono particolari anomalie di risultato. Nel caso delle miscele realizzate con cemento CEM I 52,5R i risultati delle prove hanno evidenziato che i provini contenenti un maggiore quantitativo di zeolite (B4) hanno subito un maggiore ritiro se confrontati con i provini delle altre serie (figura 7), mentre, nel caso del calcare (B5) e del fumo di silice (B6), si sono riscontrati valori prossimi ai valori registrati per la miscela confezionata senza aggiunte minerali (B), come riportato in figura 8. La miscela realizzata con l aggiunta del % di zeolite (B3) ha manifestato valori di ritiro molto bassi.
,, ritiro, [mm],5, 2 7 28 9 ritiro, [mm],5, 2 7 28 9 -,5 n giorni -,5 n giorni A B A A5 A6 Figura 5 Ritiro provini di malta: serie A e B, Figura 6 Ritiro provini di malta: serie A, A5 e A6, ritiro, [mm],5, 2 7 28 9 ritiro, [mm],5, 2 7 28 9 n giorni -,5 n giorni B B2 B3 B4 Figura 7 - Ritiro provini di malta: serie B, B2, B3 e B4 Figura 8 Ritiro provini di malta: serie B, B5 e B6. Paste - Il ritiro chimico totale è stato valutato al variare del rapporto acqua/cemento (,4,42,45), al variare della percentuale di zeolite aggiunta ( 5% - % - 5%) e con l aggiunta del % di calcare e fumo di silice, per entrambe le tipologie di cemento. Il confronto è stato effettuato rispetto alla pasta standard. Dai risultati sperimentali si evince che il ritiro chimico totale è influenzato dal rapporto a/c nell impasto: a rapporto a/c più alto corrisponde un ritiro maggiore dunque un ritiro maggiore (figura 9). L aggiunta di zeolite all impasto non incrementa in modo rilevante il valore di ritiro (figura ). Nei confronti del ritiro chimico totale il fumo di silice mostra il comportamento migliore (figura ), mentre il calcare, a causa del suo comportamento inerte, evidenzia un comportamento del tutto analogo all impasto realizzato senza aggiunte minerali. -,5 B B5 B6,6,4 ritiro chimico totale,2,8,6,4,2 tempo (h) A' Ao Ao2 Ao3 Figura 9 - Ritiro chimico totale impasti realizzati con cemento CEM II/B-LL 32,5R al variare del rapporto a/c
ritiro chimico totale,6,4,2,8,6,4,2 tempo (h) A' A'2 A'3 A'4 Figura - Ritiro chimico totale: impasti con cemento CEM II/B-LL 32,5R al variare dell aggiunta di zeolite Nel caso del cemento CEM I 52,5 R tra i fattori che influenzano il ritiro c è da considerare anche la sua elevata finezza di macinazione che produce una massa più compatta e quindi meno soggetta al ritiro. Anche in questo caso l impasto contenente il minor quantitativo di acqua subisce il minor ritiro. L impasto contenente un rapporto a/c pari a,5 mostra un ritiro chimico totale notevolmente superiore rispetto alle miscele realizzate con rapporto a/c più basso (figura 2). Anche in questo caso, l aumento della percentuale di zeolite negli impasti provoca un piccolo incremento del ritiro chimico totale (figura 3), mentre il calcare e il fumo di silice mostrano un comportamento migliore (figura 4).,6 ritiro chimico totale,4,2,8,6,4,2 tempo A' A'5 A'6 (h) Figura - Ritiro chimico totale: impasti con cemento CEM II/B-LL 32,5R e aggiunta di calcare e silica fume ritiro chimico totale,6,4,2,8,6,4,2 tempo (h) B' Bo Bo2 Bo3. Figura 2 - Ritiro chimico totale impasti realizzati con cemento CEM I 52,5R al variare del rapporto a/c
ritiro chimico totale,6,4,2,8,6,4,2 tempo (h) B'. B'2 B'3 B'4 Figura 3 - Ritiro chimico totale: impasti con cemento CEM I 52,5R al variare dell aggiunta di zeolite ritiro chimico totale,4,2,8,6,4,2 tempo (h) B' B'5 B'6. Figura 4 - Ritiro chimico totale: impasti con cemento CEM I 52,5R e aggiunta di calcare e silica fume Calcestruzzi - I provini di calcestruzzo autocompattante su cui è stato valutato il ritiro differiscono per tipo di aggiunta minerale (calcare, zeolite 5A, silica fume) e per tipo di cemento (CEM II/B-LL 32,5R e CEM I 52,5R). In figura 5 sono riportati i valori di ritiro medi valutati sulle diverse miscele realizzate con CEM II/B-LL 32,5. ritiro (micron/m) 5 4 3 2 9 8 7 6 5 4 3 2 2 3 4 2 3 7 4 28 6 9 2 Tempo (gg) Figura 5 - Ritiro dei provini di calcestruzzo autocompattante realizzati con CEM II/B-LL 32,5R
I valori di ritiro misurati sui provini confezionati con l aggiunta di zeolite (miscela 2), dopo un incremento alle brevi stagionature rispetto ai provini delle altre miscele, dopo 4 giorni di stagionatura sono confrontabili con i valori registrati per le altre miscele. A 2 giorni di stagionatura i provini della miscela 2 realizzati con zeolite presentano i valori più bassi di ritiro. In figura 6 sono riportati i valori di ritiro medi misurati sui provini di SCC confezionati con CEM I 52,5R. Anche in questo caso, i valori di ritiro più bassi sono stati registrati, alle lunghe stagionature, sui provini realizzati con zeolite 5A. ritiro (micron/m) 3 2 9 8 7 6 5 4 3 2 5 6 7 8 2 3 7 4 28 6 9 2 Tempo (gg) Figura 6 - Ritiro dei provini di calcestruzzo autocompattante realizzati con CEM I 52,5R Conclusioni Malte - Dall analisi delle misure sperimentali di ritiro, si evince che i provini realizzati con il cemento CEM II/B-LL 32,5R subiscono un ritiro superiore rispetto a quelli confezionati con CEM I 52,5R. Ciò potrebbe essere dovuto alla finezza di macinazione dei due cementi, nel primo caso siamo in presenza di una malta più porosa e quindi più sensibile al rigonfiamento, nel secondo di una malta più compatta e perciò più stabile. L aggiunta di zeolite alle miscele provoca un modesto aumento del ritiro indifferentemente dal cemento utilizzato nella miscela, mentre l aggiunta di silica fume tende a ridurre il valore. L utilizzo di calcare non provoca sostanziali variazioni di ritiro rispetto alle miscele realizzate senza aggiunte minerali. Paste- Il ritiro chimico totale in condizioni di temperatura costante è influenzato dalla finezza del cemento, dal rapporto a/c e dal tipo e dal quantitativo di aggiunta minerale. Bisogna precisare che l incremento del ritiro che si riscontra con il progressivo aumento del quantitativo di zeolite, in entrambe le tipologie di cementi, è facilmente spiegabile con il fatto che tale aggiunta comporta anche l addizione dell acqua intrappolata nel suo reticolo e pertanto, maggiore è il contenuto di acqua maggiore è il ritiro. Il calcare è considerato come un inerte ed infatti non comporta alcun miglioramento o peggioramento della caratteristica mentre il fumo di silice in entrambi i casi si dimostra efficace a contrastare il ritiro chimico totale al tempo considerato. Tuttavia, in base ai
risultati sperimentali ottenuti, si può affermare che le aggiunte non influenzano significativamente il ritiro della pasta di cemento, perciò si ritiene che il maggior o minor ritiro sia correlato all effetto ritardante o accelerante dell aggiunta. Calcestruzzi Dall analisi dei valori sperimentali di ritiro misurati su provini di calcestruzzo autocompattante emerge che l aggiunta di zeolite 5A comporta un beneficio in termini di riduzione del ritiro. Alle lunghe stagionature (tempi di stagionatura superiori ai 28giorni) i provini di SCC confezionati con l aggiunta di zeolite, indifferentemente dal tipo di cemento usato, mostrano i valori più bassi di ritiro rispetto alle altre miscele. Alle brevi stagionature l incremento del ritiro che si riscontra con il l aumento del quantitativo di zeolite nell impasto, in entrambe le tipologie di cementi, è probabilmente dovuto, come per le paste e le malte, al fatto che tale aggiunta comporta anche l addizione di acqua. Inoltre, è importante tenere in considerazione l effetto accelerante della stessa zeolite sul processo di idratazione della pasta di cemento, che fungendo verosimilmente da catalizzatore non permette di valutarne il reale effetto e il raffronto con altre aggiunte. La silica fume, così come il calcare, presentano valori più alti di ritiro presumibilmente dovuti alla loro granulometria e al loro comportamento nel calcestruzzo in particolari condizioni di umidità. Bibilografia. M.Collepardi et al.- Il nuovo calcestruzzo, Tintoretto Editore, 23. 2. P.C. Aïtcin The durability characteristics of high performance concrete: a review, Cement and Concrete Composites, 23. 3 M. Collepardi, Self Compacting Concrete: What is New?, Third International Symposium on Self-Compacting Concrete, Reykjavik Iceland, 7-2 August 23. 4. R.Pucinotti- Patologia e Diagnostica del cemento armato, Flaccovio Editore, 26. 5.Bleszynsky Roland, Rdoug Hooton, Michael D.A. Thomas, Chris A. Rogers, Durability of ternary blend concrete with silica fume and blast furnace slag: laboratory and outdoors exposure site studies, ACI, 22.