Il termine "inerte" del calcestruzzo fa pensare a qualcosa che non agisce, che rimane passivo e che giuoca, comunque, un ruolo secondario. In realtà non è proprio così. Tuttavia, il termine "inerte" si è così consolidato nella prassi che quello alternativo di "aggregato", più corretto, rischia talvolta di essere incompreso.
La caratteristica più evidente dell’inerte è la sua granularità, cioè il fatto che si presenta in forma di granuli sciolti. Quando la dimensione dei singoli granuli non supera i 4-5 mm l’inerte prende il nome di sabbia; se, invece, è formato da granuli più grossi di 4-5 mm è chiamato ghiaia (di origine alluvionale e di forma tondeggiante), pietrisco (proveniente dalla frantumazione della roccia e di forma irregolare), o più genericamente inerte grosso.
Il termine "inerte", senza alcuna precisazione, include sia la frazione fine (sabbia) che quella grossa (ghiaia o pietrisco). La granularità dell’inerte è strettamente connessa con il suo assortimento granulometrico, cioè con la presenza o meno delle varie frazioni: da quelle più fini a quelle più grosse passando per quelle intermedie.
In linea di massima, con qualche rara eccezione, l’inerte deve essere bene assortito (anche se non necessariamente al massimo) in modo tale che i granuli più fini si possano allocare nei vuoti interstiziali presenti tra quelli dei granuli più grossi. Ciò contribuirà alla formazione di uno scheletro di elementi lapidei con un contenuto di vuoti interstiziali relativamente ridotto.
Granulometria degli Aggregati
Il problema della granulometria degli aggregati presenta tre aspetti distinti e nel contempo interconnessi: il primo riguarda il metodo adottato per l’analisi granulometrica; il secondo concerne il criterio di scelta della granulometria ottimale; il terzo è inerente al metodo di calcolo delle percentuali degli aggregati disponibili atte a riprodurre al meglio la distribuzione granulometrica ottimale.
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Analisi Granulometrica
Per la determinazione della distribuzione granulometrica di un aggregato si ricorre alla separazione mediante setacciatura con stacci di diversa luce di maglia ottenendo i pesi delle singole frazioni granulometriche. Questi, espressi percentualmente rispetto al peso di tutto il campione analizzato, consentono di calcolare il materiale passante a ogni staccio.
Riportando in un grafico il materiale passante in funzione dell’apertura (d) del vaglio, si costruisce la cosiddetta “curva granulometrica” del singolo aggregato (Fig. 1).
Fig. 1 - Curve granulometriche di una sabbia (S), di una ghiaia (G) e di un aggregato ottimale (O)
Distribuzione Granulometrica Ottimale
Per realizzare un conglomerato con la massima densità possibile, cioè con il minor contenuto di vuoti interstiziali tra i singoli granuli, la curva granulometrica del sistema solido (cemento + aggregato) deve seguire l’equazione [1] proposta da Fuller e Thompson:
P = 100 (d/D)1/2
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dove P è la percentuale di materiale passante allo staccio con apertura d; D è la massima dimensione (“diametro massimo”) dell’elemento lapideo più grosso.
Se il sistema cemento + aggregato soddisfa granulometricamente l’equazione [1], si realizza il massimo assortimento dimensionale nel quale gli elementi più fini sono allocati nei vuoti interstiziali di quelli medi, e questi ultimi si dispongono a loro volta nei vuoti esistenti tra i granuli più grossi.
In ogni caso, un calcestruzzo che soddisfa granulometricamente l’equazione [1] e quindi presenta il massimo impacchettamento possibile per i suoi granuli solidi (cemento + aggregato), non coincide con un sistema che, miscelato con acqua, possa essere facilmente messo in opera.
In pratica, un calcestruzzo che granulometricamente soddisfa l’equazione [1], proprio per il denso impacchettamento dei suoi granuli, si presenta scarsamente lavorabile e richiede, pertanto, mezzi di compattazione molto sofisticati per essere messo in opera. Per questo motivo, Bolomey ha suggerito di modificare leggermente la curva granulometrica ottimale introducendo un parametro A che tiene conto anche della lavorabilità richiesta e del tipo di aggregato disponibile (alluvionale o frantumato).
L’equazione di Bolomey:
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P = A + (100-A) · (d/D)1/2
coincide con la [1] se si assume A = 0. Poiché le equazioni [1] e [2] rappresentano lo distribuzioni granulometriche ottimali del sistema aggregato + cemento, esse possono essere riferite al solo aggregato normalizzando i valori di P se si conosce la percentuale di cemento (C) riferita al peso di tutti i solidi (aggregato + cemento).
Le equazioni [3] e [4] rappresentano rispettivamente le curve granulometriche ottimali di Fuller e Thompson e di Bolomey riferite al solo aggregato:
Metodi di Calcolo per la Combinazione degli Aggregati
In pratica è difficile reperire aggregati che, insieme al cemento, siano granulometricamente conformi alle equazioni [1] e [2] oppure che, senza cemento, siano conformi alle equazioni [3] e [4]. Gli aggregati normalmente reperibili risultano o eccessivamente fini (sabbie) o eccessivamente grossi (ghiaia e pietrisco) per poter da soli soddisfare ai requisiti granulometrici dell’aggregato ottimale.
Tuttavia, combinando più aggregati reali, purché granulometricamente diversi (per esempio una sabbia e una ghiaia), è spesso possibile “costruire” un aggregato misto molto più vicino, rispetto ai singoli aggregati, a quello ottimale. Nella Figura 1 sono mostrate le curve granulometriche di una sabbia e di una ghiaia (ricavate sperimentalmente mediante vagliatura su stacci) a confronto con una curva ottimale calcolata da equazioni simili a quelle dalla [1] alla [4] sopra illustrate.
Nelle colonne 1, 2 e 3 della Tabella 1 sono mostrati i valori dei passanti P (per ogni vaglio di apertura d) relativamente all’aggregato ottimale e agli aggregati disponibili (sabbia e ghiaia). Si può osservare che, in corrispondenza del valore di d = 4,76 mm nella Figura 1, il passante dell’aggregato ottimale corrisponde al 48%. Poiché solo la sabbia è totalmente passante al vaglio con apertura da 4,76 mm (P = 100%), è evidente che mescolando il 48% di sabbia e il 52% di ghiaia l’aggregato combinato sarà in grado di soddisfare anch’esso il requisito di avere un passante del 48% in corrispondenza del vaglio da 4,76 mm.
L’aggregato così ottenuto presenterà i valori dei passanti P agli altri vagli (colonna 6 della Tabella 1) così calcolati: si moltiplicano i passanti della sabbia per la frazione in peso della sabbia (0,48) e quelli della ghiaia per la frazione in peso della ghiaia (0,52). Si ottengono così i “contributi” della sabbia e della ghiaia ai passanti nei vari vagli (colonne 4 e 5 della Tabella 1). Si sommano, quindi, per ogni vaglio i due contributi.
Per esempio al vaglio da 9,52 mm il contributo del passante della sabbia è 48, quello della ghiaia è 25 e quindi il passante dell’aggregato ottenuto per combinazione è 73. Come si può vedere l’aggregato ottimale e quello ottenuto per combinazione della sabbia (48%) con la ghiaia (52%) non necessariamente presentano tutti i valori di P coincidenti, ancorché molto vicini tra loro.
La deviazione tra le due percentuali (quella dell’aggregato ottimale e quella dell’aggregato combinato) dipende moltissimo dalla disponibilità di aggregati singoli idonei. Qualora questa deviazione dovesse superare un determinato valore (per esempio più del 10% su un vaglio) l’unico modo per ridurla sarebbe quello di procurarsi aggregati alternativi.
Tabella 1 - Distribuzione granulometrica dell’aggregato ideale (Fuller), di quelli disponibili (sabbia e ghiaia) e di quello ottimale (combinato).
| Vaglio (mm) | Aggregato Ottimale (%) | Sabbia (%) | Ghiaia (%) | Contributo Sabbia (%) | Contributo Ghiaia (%) | Aggregato Combinato (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
Requisiti degli Inerti per Calcestruzzo
Non tutti gli inerti - naturali o provenienti da roccia frantumata - sono necessariamente idonei alla produzione del calcestruzzo. Esistono alcuni requisiti fondamentali (criteri di idoneità o di accettazione) in assenza dei quali il calcestruzzo rischia di essere degradato anche se esposto in ambienti non particolarmente aggressivi. Questi requisiti prevedono l’assenza, innanzitutto, di sostanze nocive alla durabilità del calcestruzzo.
La lista delle sostanze nocive include il cloruro, il solfato, la silice alcali-reattiva, i limi argillosi e la sostanze organiche. Inoltre, deve essere assente il comportamento gelivo degli inerti, cioè la caratteristica di frantumarsi quando, dopo essere stati saturati con acqua, sono esposti a temperature che favoriscono la formazione del ghiaccio.
La norma UNI 8520 Parte 2a stabilisce i limiti per l’accettazione degli inerti, mentre le norme UNI 8520 Parte 4a - 22a illustrano i metodi di prova per la determinazione di questi limiti. Queste prove debbono essere effettuate una tantum su materiali che debbono essere impiegati per la prima volta come inerti per calcestruzzo o per i quali non esiste comunque una consolidata esperienza del passato.
Una volta accertata la idoneità degli inerti, non è necessario ripetere sistematicamente queste prove a meno che non esistano specifici motivi per sospettare che sia intervenuta qualche variazione nella fonte di approvvigionamento degli inerti e quindi nel loro comportamento.
Cloruro
Il limite nel contenuto di cloruro negli inerti (0.05%) è correlato con il rischio di corrosione dei ferri di armatura (“D come Durabilità” Enco Journal N°4). Nei calcestruzzi privi di armature metalliche la presenza di cloruro nell’inerte non comporta alcun rischio di degrado, ma solo un danno di carattere estetico per la formazione di depositi salini sulla superficie dei manufatti...
Calore di Idratazione e Temperatura nel Calcestruzzo
L’idratazione del cemento è una reazione esotermica che avviene con sviluppo di calore. Il calore di idratazione provoca il riscaldamento del calcestruzzo.
dove qt (in kJ/kg) è il calore di idratazione unitario del cemento al tempo t (Tabella 14.2), c è il dosaggio di cemento nel calcestruzzo (in kg/m3), qt · c (in kJ/m3 di calcestruzzo) è il calore sviluppato in 1 m3 di calcestruzzo al tempo t, m è la massa di 1 m3 di calcestruzzo (≈2400 kg/m3), ρ è il calore specifico del calcestruzzo [≈1,1 kJ/(kg·°C)].
Inserendo nella [14.2] il valore di qt ai vari tempi (Tabella 14.2) si ricava la curva di Fig.
Nel caso di un riscaldamento non adiabatico, come si verifica usualmente nelle strutture reali, l’andamento della temperatura sarà prima crescente (quando nei primi 2-3 giorni il calore d’idratazione si sviluppa ad alta velocità), e dopo decrescente (quando la dissipazione del calore dal calcestruzzo all’ambiente prevale sullo sviluppo del calore di idratazione che dopo 3 giorni procede più lentamente).
A causa del diverso isolamento termico del calcestruzzo nella zona centrale (nucleo) ed in quella periferica, si instaura un gradiente termico (δTt) tra la parte più calda e quella più fredda della struttura*. Se il valore di (δT)max supera 20°C esiste un rischio di fessurazione per le tensioni conseguenti alle differenti variazioni dimensionali (Fig. 14.6).
La fessurazione potrà apparire sulla superficie durante i primi 2-3 giorni (cioè nella fase di riscaldamento in Fig. 14.7) a causa delle tensioni di compressione nel nucleo più caldo (che vorrebbe dilatarsi) che provoca tensioni di trazione sulla superficie più fredda della struttura che si dilata meno del nucleo; in realtà questo tipo di rischio, che pure esiste, non è elevatissimo (se non in calcestruzzi molto ricchi di cemento ed in climi freddi) perché inizialmente il modulo elastico (§ 9.7) è basso e, quindi, si instaurano basse tensioni a causa delle differenze termiche.
La fessurazione potrà verificarsi nel nucleo della struttura (quindi più insidiosamente perché non visibile) nella fase di raffreddamento di Fig. 14.7 per l’insorgere di tensioni di trazione nel nucleo che si raffredda più lentamente della periferia. Poiché nel frattempo il calcestruzzo è diventato più rigido, cioè è aumentato il modulo elastico, le variazioni dimensionali di origine termica provocano una maggiore tensione.
Mentre il calcolo di (ΔTt )ad in condizioni adiabatiche attraverso la [14.2] è relativamente semplice, il calcolo di (δT)t è troppo complesso poiché dipende anche da fattori difficilmente prevedibili (condizioni eoliche e termiche nei giorni immediatamente dopo il getto) che influenzano la dispersione del calore, oltre che dalle dimensioni e dalla geometria delle strutture.
Tuttavia, è possibile calcolare il valore di (δT)max nella ipotesi estrema e conservativa di riscaldamento adiabatico nel nucleo e di dissipazione termica totale in periferia (temperatura sempre eguale a quella dell’ambiente): in queste condizioni il valore di (δTt)max coincide con quello di (ΔTt)ad , cioè la differenza di temperatura tra nucleo e periferia (Fig. 14.7) coincide con il riscaldamento adiabatico del nucleo (Fig.
Scegliendo il tipo di cemento e conseguentemente il valore di q3 dalla Tabella 14.2, si può calcolare il massimo dosaggio di cemento (c), attraverso la [14.6], per non superare il gradiente termico (δT3)max di 20°C.
Copriferro e Protezione delle Armature
Il copriferro (cf) giuoca un ruolo di enorme importanza nella protezione delle armature metalliche dalla corrosione (Fig.
Per esempio con un copriferro di 15 mm (Fig. impiegheranno un tempo t1 oppure t’1 a seconda della porosità del copriferro (Fig. 15.1); d’altra parte raddoppiando lo spessore di copriferro da 15 a 30 mm (Fig.
Pertanto, la protezione delle armature metalliche (in termini di tempo t impiegato dagli agenti aggressivi per raggiungere il ferro) è tanto maggiore, quanto maggiore è x, e quanto minore è K.
Le norme europee consentono di prescrivere, direttamente o indirettamente, valori di x, a/c, ed α tali da assicurare in pratica la durabilità delle strutture in c.a.
Il valore di α è indirettamente prescritto (nella norma EN 206) attraverso alcune misure pratiche, atte a garantire una sufficiente idratazione del cemento per ridurre la porosità capillare (Vp) secondo la [8.1] e quindi K secondo la [15.6].
Per ovviare a questi inconvenienti che compromettono la integrità del copriferro, come verrà illustrato nei successivi paragrafi, le Norme Tecniche per le Costruzioni (DM del 14 Gennaio 2008) prevedono nel paragrafo 11.2.11 che “in fase di progetto la prescrizione, valutate opportunamente le condizioni ambientali del sito ove sorgerà la costruzione o quelle di impiego, deve fissare le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare (composizione a resistenza meccanica), i valori del copriferro e le regole di maturazione”. Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ovvero alle norme UNI EN 206-1:2006 ed UNI 11104:2004”.
Umidità Relativa e Calcestruzzo
Il valore di UR è 100% in un ambiente saturo di vapore. per saturare l’ambiente. Il processo prosegue finché teoricamente la pressione dell’ambiente non raggiunge il valore di p0 (UR = 100%)*. * In teoria l’evaporazione dell’acqua è impedita solo in ambiente saturo di vapore (UR=100%). anche con UR=95%. Ciò è dovuto al fatto che la tensione di vapore dell’acqua all’interno dei pori capillari (p‘0) è leggermente inferiore rispetto a quella dell’acqua nell’ambiente (po).