IL CALCESTRUZZO Il calcestruzzo è un conglomerato formato da cemento, acqua e aggregati (sabbia, ghiaia, pietrisco). E il materiale inorganico da costruzione più largamente impiegato nel mondo.
AGGREGATI PER IL CALCESTRUZZO Molte sono le caratteristiche degli aggregati che influiscono sul comportamento del calcestruzzo con essi confezionato: dimensione, forma, tessitura (grado di rugosità), densità, umidità assorbita o in grado di assorbire, resistenza meccanica. Ma senz altro preponderanti sono la presenza di sostanze nocive e la distribuzione granulometrica. E inoltre importante accertarsi che gli aggregati siano non gelivi. Con il termine di gelività si intende il processo di degrado di un materiale poroso, in presenza di cicli termici che prevedono la transizione di fase liquido/solido dell acqua presente nelle porosità. Tale transizione, come è noto, avviene con aumento di volume pari a oltre il 9%.
Classificazione delle rocce Rocce ignee (raffreddamento magmi fusi) es. graniti (poliminerale costituito principalmente da quarzo e feldspati) e basalti Rocce sedimentarie (formate nel corso delle ere geologiche per solidificazione di sedimenti chimici, minerali, organici in mari antichi) es. calcari, dolomiti, scisti (materiali argillosi), arenarie, gesso Rocce metamorfiche (rocce ignee o sedimentarie che hanno subito fenomeni di ricristallizzazione a seguito di elevate pressioni o temperature) es. marmo, quarziti, gneiss
Quali rocce sono idonee per la produzione del calcestruzzo? Non tutte le rocce sono idonee alla produzione di calcestruzzo. Rocce ignee e metamorfiche sono molto dure e compatte ed ottime per calcestruzzi; calcare e dolomite sono meno dure ma accettabili per la produzione di calcestruzzo; scisti sono sfaldabili quindi inadatti; il gesso è addirittura nocivo. Necessità di definire una serie di criteri di accettabilità in base alle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche
DEFINIZIONE DI AGGREGATI Si definiscono aggregati o inerti quei materiali granulari che inizialmente sciolti o alla rinfusa vengono legati da un legante di varia natura, venendo a costituire dopo l indurimento del legante stesso, dei conglomerati artificiali. il termine inerte, si riferisce alla natura non reattiva del materiale. In passato utilizzato come sinonimo di aggregato, attualmente tale termine dovrebbe essere abbandonato perchè non più utilizzato nella normativa UNI. il termine aggregato indica che il materiale viene tenuto unito in un insieme coerente dalla pasta legante.
AGGREGATI Gli aggregati sono il componente più rilevante del calcestruzzo dal punto di vista quantitativo (fino al 85 % peso oppure 650-750 l/m 3 ). Le caratteristiche dell aggregato determinano in buona misura le proprietà del calcestruzzo sia allo stato fresco che allo stato indurito
Quale è la funzione dell aggregato nel calcestruzzo? Conferimento proprietà meccaniche Ridurre quantità di legante Ridurre calore di idratazione (perché ho meno quantità di legante) Ridurre costo del conglomerato (perché ho meno cemento) Contrastare il ritiro della pasta legante (perché ha elevato modulo elastico) Quali proprietà rendono un aggregato idoneo alla produzione di calcestruzzo? proprietà fisiche proprietà chimiche proprietà meccaniche
Classificazione degli aggregati in base alle dimensioni Sabbie: materiali lapidei con diametro max 7 mm Ghiaie: aggregati fluviali, diametro max 10-15 mm Pietrischi: come le ghiaie, ottenuti per frantumazione Aggregati grossi: ghiaie e pietrischi diametro max 70-100 mm Caratteristiche fisiche forma tessitura (rugosità) porosità gelività e permeabilità peso e volume specifici bulking (rigonfiamento) delle sabbie granulometria degli inerti
Proprietà meccaniche degli aggregati La resistenza a compressione dell aggregato più grosso determina il valore massimo di resistenza a compressione che può essere raggiunto da un calcestruzzo. Se infatti si determinano diverse miscele con un determinato aggregato, migliorando progressivamente la resistenza della pasta di legante, per esempio riducendo i rapporti a/c, si osservano miglioramenti proporzionali della resistenza del calcestruzzo. Finchè la resistenza dell aggregato è superiore a quello della pasta, sarà la pasta a cedere. Quando invece la resistenza della pasta supera quella dell aggregato, sarà questo a rompersi ad un valore di resistenza praticamente costante e indipendente dalla qualità della pasta legante. Dopo la rottura è utile guardare se si è fratturato l aggregato o si è avuto il distacco della pasta legante dall aggregato stesso.
Porosità La porosità di un elemento di aggregato può essere aperta (comunicante con la superficie) o chiusa ed influisce su una serie di caratteristiche degli aggregati: peso specifico apparente caratteristiche meccaniche permeabilità assorbimento di acqua resistenza al gelo.
Come si determina la porosità aperta? si valuta la quantità di acqua che un certo volume (o peso) di aggregato essiccato in precedenza in stufa assorbe dopo 24 h di immersione in acqua (ASTM C 70-72). un aggregato può presentare quattro diversi stati di assorbimento. importante conoscere lo stato dell aggregato ai fini del dosaggio dell acqua di impasto del calcestruzzo, al fine di avere un corretto rapporto acqua/cemento.
Diversi stati di assorbimento
Diversi stati di assorbimento (a) asciutto (es. essiccato in stufa a 110 C) (b) umido internamente non saturo (es. essiccato in aria a temperatura ambiente, la porosità chiusa non contiene acqua) (c) saturo a superficie asciutta (S.S.A.) (è saturo di acqua ma la superficie è asciutta) (d) saturo a superficie bagnata (ha assorbito acqua fino alla saturazione e contiene acqua libera in superficie contiene acqua in eccesso rispetto allo stato saturo acqua libera) porosità aperta: differenza tra peso aggregato nello stato S.S.A. (d) e quello dell aggregato asciutto (a).
Diversi stati di assorbimento L aggregato normalmente si trova in condizioni di umidità indefinita e anche variabile all interno di un cumulo. Nella ricetta del calcestruzzo si utilizza come condizione di riferimento quella S.S.A. Un aggregato non saturo (asciutto o umido internamente non saturo) sottrae acqua all impasto e si fa un errore di pesata perché risulterà meno pesante e quindi ne metterò di più rispetto a quanto indicato nella ricetta. Un aggregato a superficie bagnata (con acqua libera) cede acqua all impasto e si fa un errore di pesata perché risulterà più pesante e quindi ne metterò di meno rispetto a quanto indicato nella ricetta.
Peso e volume specifico Il dosaggio degli ingredienti per un calcestruzzo richiede la conoscenza del volume occupato da un certo peso di inerte, poichè nelle centrali di betonaggio questo viene dosato oltre che per pesata anche con misure di volume. La norma UNI EN 1097-3 definisce il peso specifico o massa volumica dell aggregato come rapporto fra la massa del materiale e il suo volume. Si definiscono diverse masse volumiche perché gli aggregati hanno porosità chiusa o aperta e perché ci si può riferire al mucchio o alle particelle.
Bulking delle sabbie Il volume occupato da una data quantità di sabbia dipende dal tenore di umidità libera e dalla finezza della sabbia Il bulking o rigonfiamento delle sabbie corrisponde all aumento di volume subito da un dato peso di sabbia in presenza di acqua sulla superficie dei granelli; maggiore è la quantità di acqua, maggiore è la distanza tra i granelli, maggiore è il volume (calcolato tenendo conto anche della porosità aperta) fino ad un max. oltre il quale l aumento d acqua fa diminuire il volume. Es. se la sabbia è completamente immersa in acqua il volume diventa uguale a quello della sabbia secca. per gli altri inerti non c è bulking perchè il film di acqua è molto piccolo rispetto alla dimensione delle particelle.
Gelività e permeabilità Un inerte è detto gelivo se è sensibile all azione di cicli di gelo e disgelo. Tale caratteristica è legata alla porosità. Nel caso del calcestruzzo la gelività dipende sia dalla porosità dell inerte sia dalla porosità della pasta. La permeabilità di un calcestruzzo è importante ai fini della sua durevolezza, cioè alla sua resistenza nel tempo in condizioni ambientali sfavorevoli (azione acque o atmosfere aggressive, cicli di gelo e disgelo, etc.). L acqua assorbita quando congela aumenta di volume. In condizioni critiche (volume acqua >> volume dei pori) la dilatazione del ghiaccio genera sollecitazioni di compressione nelle zone attorno ai pori e questo provoca rotture e disgregazioni. La sistuazione si aggrava nelle zone soggette a gelo e disgelo.
Granulometria degli aggregati La distribuzione granulometrica determina il volume dei vuoti fra gli aggregati, ossia la quantità di pasta di cemento che dovrà riempirli, nonché la lavorabilità dell impasto e la possibilità di segregazione degli aggregati stessi. Lo studio della distribuzione granulometrica analisi granulometrica di un aggregato va effettuato tramite vagliatura, ovvero separazione con setacci di diversa apertura delle maglie (a partire da 0.125 mm, secondo UNI, o da 0.149 mm secondo ASTM, e poi sempre raddoppiando). Da Wikipedia
Granulometria degli aggregati Il vaglio divide un aggregato in passante e trattenuto. Partendo da una massa nota di materiale, dopo vagliatura si determinano per pesata le percentuali in massa di materiale trattenuto sui diversi vagli. Ovvero queste pesate rapportate al peso complessivo dell inerte forniscono il trattenuto parziale di ogni setaccio. Sommando per ogni setaccio tutti i trattenuti parziali dei setacci di apertura superiore si ottiene il trattenuto cumulativo per la dimensione d (ovvero del setaccio di dimensione d). Il complementare a 100 di questo valore rappresenta il passante per il setaccio con apertura d. Riportando in un grafico il passante in funzione di d (e spesso in funzione di log d) si ottiene la curva granulometrica del singolo aggregato.
analisi granulometrica Maggiore è il modulo di finezza maggiore è la finezza dell aggregato 100-(10,1+2) = 88 Es. (6/307) 100 = 1,95% = 2 % Somma dei trattenuti cumulativi / 100 = MF = modulo di finezza
Curva dei passanti 1000 µm = 1 mm
Distribuzione granulometrica ottimale Dalla distribuzione granulometrica degli inerti dipendono: lavorabilità del calcestruzzo fresco peso specifico del calcestruzzo dosaggio cemento dosaggio acqua caratteristiche del calcestruzzo indurito
Lavorabilità dell impasto Impasto con aggregato grossolano (prevalenza granuli grossi) risulterebbe rigido perchè gli aggregati grossi scorrono meno bene fra loro e quindi < lavorabilità dell impasto. Impasto con aggregato principalmente fine (prevalenza grani fini) richiede molta più acqua per bagnare tutta la superficie delle particelle e quindi avere buona lavorabilità.
Dosaggio acqua se aggregato grosso è in eccesso l impasto sarebbe poco lavorabile a meno di aggiungere molta acqua a detrimento delle caratteristiche meccaniche se aggregato fine è in eccesso è richiesta molta acqua per bagnare tutta la superficie, di nuovo elevato rapporto a/c. Dosaggio cemento Eccesso di aggregato grosso, notevole volume vuoto da riempire con cemento; eccesso inerti fine richiede molta pasta per rivestire elevata superficie specifica. Distribuzione granulometrica non ottimale determina un errato dosaggio sia di acqua che di cemento
Distribuzione granulometrica ottimale La distribuzione granulometrica ottimale è quella che fornisce una buona lavorabilità del calcestruzzo fresco impiegando la minima quantità di acqua. Si ottiene miscelando in modo opportuno aggregati grossi ed aggregati fini. assortimento di aggregato grosso e fine garantisce minimo utilizzo pasta cementizia (riduzione costi) e al contempo buona lavorabilità
Massa volumica o peso specifico del calcestruzzo Definendo come massa volumica o peso specifico il rapporto fra il peso del calcestruzzo e il suo volume, se questa è elevata vuol dire che ci sono poche porosità. Per avere elevate resistenze meccaniche è necessario massimizzare la massa volumica del calcestruzzo. Ciò è possibile solo se gli aggregati fini riempiono gli spazi vuoti tra gli aggregati grossi. Non si può utilizzare una mescolanza qualunque tra grossi e fini senza intermedi perchè durante la posa in opera si potrebbe avere segregazione degli aggregati grossi e conseguente disomogeneità del calcestruzzo indurito.
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA IDEALE Si potrebbe dimostrare che per realizzare un conglomerato con la massima massa volumica possibile e cioè con il minor contenuto di vuoti interstiziali tra i granuli, la curva granulometrica del sistema granulare nella sua interezza (cemento + aggregato) deve seguire l equazione proposta da Fuller e Thompson: P 100 D d dove P è la percentuale di materiale passante al setaccio di apertura d. D max è il diametro massimo dell inerte. A questa equazione corrisponde una famiglia di parabole. Però un calcestruzzo che soddisfa granulometricamente l equazione di Fuller e quindi presenta il massimo impacchettamento possibile è posto in opera con difficoltà per la sua ridotta mobilità. In pratica un calcestruzzo che soddisfa l eq. di Fuller proprio per il denso impacchettamento che prevede è adatto solo per un calcestruzzo poco lavorabile e ha bisogno di mezzi di compattazione molto efficienti per essere messo in opera. max 1 2
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA IDEALE Per questo motivo Bolomey ha suggerito di modificare leggermente la curva introducendo un parametro A che tenga conto anche della lavorabilità richiesta e del tipo di aggregato disponibile (alluvionale o frantumato). L equazione diventa (uguale alla precedente per A = 0): P A 100 A d D max 1 2 Mario Collepardi, Il nuovo calcestruzzo, Edizioni Tintoretto, 2002.
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA IDEALE Il parametro A assume valori crescenti fra 8 e 14, se aumenta la lavorabilità del calcestruzzo e se si passa da aggregati alluvionali tondeggianti ad aggregati di frantumazione di forma irregolare. Nota la lavorabilità del calcestruzzo e il tipo di inerte disponibile, si può ricavare il valore della costante A, dalla Tabella. Stabilito il D max si può ricavare la curva ideale di distribuzione granulometrica.
DISTRIBUZIONE GRANULOMETRICA IDEALE Secondo gli autori queste curve danno le distribuzioni con migliori risultati per lavorabilità e resistenza meccanica. E impossibile ottenere realmente una distribuzione coincidente con quella ideale. L ideale è che l analisi granulometrica dell aggregato reale si avvicini il più possibile all andamento di queste curve. Il criterio è stabilire se la curva di distribuzione granulometrica è accettabile o meno. In pratica. si fissa per i diversi diametri d dei relativi setacci un margine di tolleranza in eccesso ed in difetto rispetto alla curva teorica. Si ottengono così due spezzate che delimitano il cosiddetto fuso granulometrico. Un aggregato è accettabile se la sua curva granulometrica rientra nel fuso. A seconda dell impiego cui è destinato il calcestruzzo possono essere previste tolleranze differenti. A seconda dell impiego, cioè del tipo di costruzione a cui è destinato il calcestruzzo, si possono definire fusi differenti.
Curva inferiore e superiore che delimitano il fuso granulometrico costruito sulla curva di Fuller
COMBINAZIONE DEGLI AGGREGATI Una volta adottata una certa curva di distribuzione granulometrica bisogna decidere come mescolare nelle giuste proporzioni gli aggregati disponibili in modo che seguano la curva di Fuller teorica prescelta. Per il ghiaino il passante al setaccio di 4,76 mm è zero, mentre il 100% è 12,70 mm. Sabbia intersezione retta AB con curva teorica. Sabbia = 25 % Gli altri aggregati si determinano come intersezione retta CD curva teorica. Ghiaino = 61 25 = 36 % Ghiaia = 100 61 = 39 %
Diametro massimo dell aggregato (D max ) per realizzare manufatti di buona resistenza meccancica, D max non deve essere superiore ad 1/5 dello spessore del getto e quindi del manufatto. per calcestruzzo armato, il D max non deve superare i ¾ (di 1,25 volte) la minima distanza tra i ferri, per evitare che l aggregato rimanga bloccato tra I ferri o tra questi e le pareti delle casseforme. quanto più è grande D max (mantenendo la stessa curva di Fuller) tanto minore è la superficie specifica da bagnare e quindi si riduce la quantità di acqua di impasto, riducendo il rapporto a/c e guadagnando in resistenza meccanica. Si ha anche minor sviluppo di calore, minor ritiro e minor costo. tali considerazioni valgono fino a D max pari a 38 mm. Per aggregati con D max superiore il guadagno è vanificato dalla troppo esigua superficie di contatto aggregato/legante.
Proprietà termiche Le proprietà termiche più importanti sono: coefficiente di dilatazione termica lineare (a) Se è molto diverso da quello della pasta di cemento, variazioni di T possono creare stress interni tali da portare a frattura della pasta indurita o al distacco della pasta dall inerte. calore specifico conducibilità termica Queste ultime due sono rilevanti sulle proprietà del calcestruzzo in getti molto spessi
Sostanze nocive negli aggregati La lista delle sostanze nocive include il cloruro, il solfato, la silice alcali-reattiva, i limi argillosi e le sostanze organiche. Cloruro negli inerti: - per cemento armato 0.05 %, a causa del rischio di corrosione dei ferri dell armatura. - in assenza di armature metalliche, la presenza del cloruro nell inerte non comporta alcun rischio di serio degrado, ma solo un danno di carattere superficiale dovuto alla formazione di depositi salini sulla superficie dei manufatti, esposti a cicli alterni di bagnatura e asciugamento. Solfato: ad es. presente sotto forma di gesso biidrato o anidrite; se solfato nell inerte > 0.2 % c è rischio di fessurazione nel calcestruzzo ( ettringite). Mentre gli inerti inquinati da cloruro possono essere sottoposti a lavaggio e bonificati, gli inerti contenenti solfato devono essere scartati (scarsa solubilità del solfato di calcio). Anche gli inerti contenenti solfuri (es. FeS 2 = pirite) vengono scartati, perchè anche se lentamente i solfuri possono evolvere a solfati.
Reazione alcali-silice reattiva Alcune forme di silice presenti nell aggregato lapideo (silice amorfa, mal cristallizzata, deformata anche se cristallina) possono reagire con gli alcali del cemento (ossidi di sodio o potassio) per formare silicati alcalini idrati, dal carattere espansivo e dunque fessurante nei confronti della pasta di cemento. Mario Collepardi, Il nuovo calcestruzzo, Edizioni Tintoretto, 2002. Questa reazione è nota con la sigla ASR (alkali-silica reaction) si manifesta attraverso fessurazioni irregolari o espulsioni localizzate, che possono pregiudicare seriamente la durabilità del calcestruzzo.
Reazione alcali-silice reattiva Tipico aspetto fessurativo associato alla presenza di reazione alcalisilice in una barriera di calcestruzzo al bordo di un autostrada degli Stati Uniti (da Wikipedia). Espulsione di un singolo elemento di aggregato reattivo
Rezione alcali-silice reattiva Attualmente la presenza di silice reattiva nell inerte rappresenta la più insidiosa forma di degrado del calcestruzzo. Infatti: - la presenza di silice reattiva in un inerte (a differenza della presenza di cloruro o solfato) può essere accertata con difficoltà e a tempi lunghi - la silice reattiva è distribuita in forma discreta e casuale nell inerte - la reazione alcali aggregato dipende dal contenuto di alcali nel calcestruzzo (è pericoloso un contenuto di alcali superiore a 2 Kg/m 3 di calcestruzzo). - la reazione può decorrere solo in presenza di umidità e si manifesta più frequentemente in ambienti esterni, ma anche su pavimentazioni sottoposte a risalita capillare di acqua dal terreno. - la reazione alcali - silice è in generale molto lenta ed è accelerata dalle temperature elevate.
Rezione alcali-silice reattiva A causa della difficoltà a diagnosticare in anticipo la presenza di silice reattiva nell aggregato è meglio prevenire il fenomeno usando sistematicamente cementi di miscela alla cenere o alla loppa o cementi pozzolanico o d altoforno, in presenza dei quali la reazione è fortemente ridotta o addirittura eliminata. Sostanze nocive negli aggregati La presenza di limi o argille può influenzare negativamente l adesione fra la matrice cementizia e la superficie lapidea degli aggregati. E possibile il recupero dell inerte tramite lavaggio. Le sostanze organiche in un inerte (per lo più di origine vegetale) possono influenzare negativamente i processi di presa e indurimento del cemento. E opportuno un controllo sul corretto sviluppo delle reazioni nel tempo.