4 CONFEZIONAMENTO DI CALCESTRUZZI ad ELEVATE

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Primo report su ricerca DRY e altri additivi/aggiuntivi – 20 gennaio 2012 – Bozza interna di Paolo – Check Mat +Ric+Ma
(PER L’INDUSTRIA DELLA PREFABBRICAZIONE e IL C.A.P. )
ABSTRACT: PROGETTO DI RICERCA PRESSO IL DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA ED ALTRI LABORATORI PARTNER IN TEMA DI AZIONE
COMBINATA DI DISTINTI AGGIUNTIVI AD AZIONE MICRO-ESPANSIVA E COMPATTANTE NONCHE’ DI POLVERI FINI AD ATTIVITA’ POZZOLANICA,
FILLERIZZANTE con ADDITIVI AD AZIONE SUPER FLUIDIFICANTE PER IL CONFEZIONAMENTO DI CALCESTRUZZI STRUTTURALI ad ELEVATE
PRESTAZIONI (MECCANICHE E DURABILITA’), a STABILITA’ VOLUMETRICA CONTROLLATA CON MODULATA MICRO ESPANSIONE INIZIALE e a COSTI
CONTENUTI PER UNA MAGGIORE COMPETITIVITA’ DELL’INDUSTRIA DELLA PREFABBRICAZIONE E DEL C.A.P. IL CEMENTO UTILIZZATO NELLA PRIMA
FASE DELLA RICERCA E’ STATO IL CEM I 52,5 R E SI PREVEDE NEI PROSSIMI MESI LA PRESENTAZIONE DEI RISULTATI DELLA RICERCA ANCHE PER IL
CONFEZIONAMENTO DI CLS CON CEM II 42,5 R.
M. de Gennaro (*), P. Cappelletti (*), M. D’Amore (*), M. Felitti (**), P. Marone (**) F. Gagliardini (**)
(*) DOCENTI E RICERCATORI DEL DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
(**) PROFESSIONISTI CONSULENTI DI ISIM e CHIMICA EDILE
REV. 6: DATA LUGLIO 2012. REV. 0-1-2: DATA 26 GENNAIO 2012
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CONFEZIONAMENTO DI CALCESTRUZZI ad ELEVATE PRESTAZIONI e
a STABILITA’ VOLUMETRICA CONTROLLATA:
AZIONI SINERGICHE DI ADDITIVI MICRO-ESPANSIVI / COMPATTANTI
E AGGIUNTE MINERALI FINI AD ATTIVITA’ POZZOLANICA
Nell’anno 2011 la società Chimica Edile ha stipulato con il Dipartimento di Scienza della Terra
dell’Università degli Studi di Napoli Federico II una convenzione per la realizzazione di una ricerca tecnicoscientifica i cui obiettivi consistono nello studio di additivi ad azione micro-espansiva del settore dei
calcestruzzi cementizi. Le attività di ricerca da parte del Dipartimento sono state realizzate in collaborazione
anche con specialisti e ricercatori esterni (D’Amore, Felitti, Marone, Alfano, Gagliardini, etc.).
Obiettivo principale del progetto è lo studio specifico di una linea di additivi con proprietà microespansive prodotta dalla Chimica Edile al fine di verificarne l’azione nelle fasi di presa ed indurimento dei
calcestruzzi.
Nel corso delle attività è stato sperimentato anche la possibilità di utilizzare questo additivo in
miscele con altri materiali ad attività pozzolanica. Il tutto al fine di confezionare calcestruzzi aventi
assegnate caratteristiche prestazionali (“elevate” ai fini delle richieste progettuali) seppur a costi contenuti
e concorrenziali (concept prestazionale tecnico-economico del progetto di ricerca per formulare un
calcestruzzo moderno, innovativo e competitivo, ad elevate resistenze chimico-meccaniche ed a stabilità
volumetrica controllata).
Il progetto di ricerca ha coinvolto recentemente anche altri tecnologi specialisti, produttori ed
imprese private del settore per pervenire ad ulteriori approfondimenti scientifici e sul campo.
Il presente report illustra e discute i primi risultati della ricerca relativamente alle sue fasi iniziali e
sarà comunque oggetto di aggiornamento e follow up al fine di (1) ampliare la gamma di test e (2)
ottimizzare ulteriormente le performance del “MIX DESIGN del cls a stabilità volumetrica controllata ed
elevate performance”.
Materiali
Gli additivi e le aggiunte attive minerali studiati ed utilizzati per il raggiungimento del Mix Design
Optimization sono stati:
a) Additivo (in polvere) a rapida e immediata azione micro-espansiva e compattante DRY D1® Rapido (UNI EN
206, UNI EN 196-2, UNI EN 196-3,UNI 196-6, UNI EN 197-1, UNI 8146, UNI 8147, UNI 8148, UNI 6555, UNI
7086), ovvero aggiunta di ossido non-metallico a duplice azione: (1) immediata e breve azione microespansiva “iniziale” (1 ora÷48 ore) e (2) conseguente azione compattante per incrementare la resistenza a
compressione “fck/Rck.1 giorno” e “fck/Rck.3 giorni”, ovvero alle brevi scadenze, diminuendo la porosità del
cls fresco/plastico (self compressing -> self compacting). Tale prodotto deriva da speciali processi di cottura di
granuli di carbonato di calcio in forni a particolari temperature , esso è totalmente esente da cloruri, ed
ottenuto mediante processi di micronizzazione e vagliatura. E’ stato utilizzato con dosaggio inferiore all’1%
rispetto al cemento (nota: un dosaggio di ~1% è definibile “basso” se confrontato con un dosaggio di circa il
4÷8% utilizzato in altri progetti di ricerca cfr. note bibliografiche.
b) Additivo (in polvere) ad ampio spettro antiritiro, compattante ed accelerante dell’attività pozzolanica DRY D1®
Normale (UNI EN 206, UNI EN 196-2, UNI EN 196-3, UNI 196-6, UNI EN 197-1, UNI 8146, UNI 8147, UNI 8148,
UNI 6555, UNI 7086), ovvero aggiunta di ossido non metallico a modulata azione micro-espansiva atto a
contrastare il ritiro igrometrico dei primi sette giorni (circa). Altre azioni sono: sensibile incremento della
resistenza a compressione “fck/Rck.3 giorni ” e “fck/Rck.14 giorni”, diminuzione della porosità del cls in fase
di primo indurimento (self compressing->self compacting), prevenendo fenomeni di fessurazione per ritiro
igrometrico, sensibile riduzione del ritiro autogeno (cfr in note bibliografiche – Argos - Test di
espansione/ritiro di paste di cemento Colombia) ed infine, in presenza di aggiunte ad attività pozzolanica,
favorire ed accelerare l’ attività pozzolanica prima di 28 giorni. Tale aggiuntivo deriva da speciali processi di
cottura prolungata ad alta temperatura, di calcari estratti dalle Ande argentine. E’ stato utilizzato nella
presente ricerca con dosaggio anche in questo caso definibile “basso” (circa 1%).
c) Additivo (in polvere) antiritiro a lenta reazione DRY D1® Lento (UNI EN 206, UNI EN 196-2, UNI EN 196-3, UNI
196-6, UNI EN 197-1, UNI 8146, UNI 8147, UNI 8148, UNI 6555, UNI 7086), ovvero ossido non metallico ad
azione micro-espansiva per contrastare il ritiro igrometrico alle lunghe scadenze (fino a 28 giorni) ed
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Premessa
d) Aggiunte di materiali ad attività pozzonalica come ceneri volanti, metacaolino, silica fume e tufi vulcanici
macinati. Le “Ceneri volanti” utilizzate nel progetto sono provenienti da centrali per la produzione di energia
elettrica a combustibili fossili (UNI EN 206, UNI EN 450/2005). Come noto in bibliografia, questi aggiuntivi
hanno azione “pozzolanica” (favorendo la formazione di ulteriore C-S-H) “fillerizzante” in conseguenza delle
dimensioni delle particelle sferiche (1÷200 μm). Sono stati utilizzati nella seconda fase del progetto, con
dosaggio pari a il 33% rispetto al cemento e di circa il 10-12% rispetto alla sabbia; generalmente i principali
effetti benefici del comportamento pozzolanico si registrano dal ventesimo al novantesimo giorno dalla data
del getto (indice attività pozzolanica, UNI EN 196-1, UNI EN 450-1); la presenza combinata di tali aggiunte
amorfe con alcuni agenti micro-espansivi ha potenziato l’effetto “fillerizzante” e fino ad oggi sembrerebbe
accelerato sensibilmente l’indice di attività pozzolanica della cenere prima dei 28 giorni comportando un
significativo incremento della resistenza meccanica ed il controllo dei fenomeni di maggior ritiro/viscosità che
caratterizzano i calcestruzzi ricchi di particelle fini e SCC. La ricerca è stata validata anche da applicazioni non
solo di laboratorio, ma anche industriali.
e) Additivo super-fluidificante (UNI EN 206, UNI EN 934-2) a base di polimeri idrosolubili con dosaggio tradizionale
di circa l’1% rispetto al peso del cemento (equivalente) ed avente efficienze e compatibilità provate rispetto
al MIX DESIGN nella sua globalità e ai singoli componenti illustrati nei punti successivi.
f) “additivo accelerante di indurimento” (UNI EN 206, etc.), da utilizzare in climi freddi (temperature inferiori a
10÷8°C). E’ stato utilizzato con dosaggio sensibilmente superiore all’1% e comunque in funzione della
temperatura esterna e del numero di ore minimo assegnato per la scasseratura (ad esempio per un Rck>30
MPa a 16 ore). L’additivo accelerante è stato testato al fine di conservare e garantire, anche d’inverno, gli
standard prestazionali del MIX DESIGN (Rck) nelle 12÷24 ore richiesto nel settore della prefabbricazione.
L’additivo super-fluidificante (“sf”) punto a), e l’additivo accelerante (“hbe”), punti f), hanno
consistenza fluida e in base alle loro formulazioni possono variare sensibilmente l’efficacia e le prestazioni
degli altri aggiuntivi come dimostrato e approfondito nello stato dell’arte della ricerca degli additivi a base
di polimeri per calcestruzzo; gli altri aggiuntivi inorganici, punti a) b), c) e d), da miscelare nell’impasto
hanno tutti consistenza di polvere secca “fine” (generalmente da 1 micron a 500 micron) insilabili e/o
impacchettabili in confezioni idrosolubili e/o a tenuta all’aria/al vapore. Si ritiene che per la prima volta sia
stata studiata e affinata la loro specifica “combinazione sinergica” e -per uno di essi (DRY D1 Lento)- la
peculiare formulazione e produzione.
Per quanto riguarda la definizione di aggiuntivi e/o additivi in relazione alle norme vigenti, sarebbe
lecito definire un materiale fluido o in polvere come additivo, in caso di aggiunta in quantità relativamente
minima, ad esempio prossima all’1% del cemento mentre aggiuntivo in caso di aggiunta in percentuali ben
maggiori dell’1% del cemento. I 3 prodotti descritti con funzione espansiva (DRY D1® Rapido , DRY D1®
Normale, DRY D1® Lento e aggiunte pozzolaniche, punti a), b), c) e d) possono essere confezionati ed
aggiunti sia singolarmente sia come mix di agenti espansivi ed anche come unico formulato armonizzato.
Gli additivi/aggiuntivi impiegati nella ricerca sono disponibili agevolmente nel mercato, in particolare
quelli classificati come “micro-espansivi/antiritiro e compattanti” (linea DRY D1 ® ) sono stati resi disponibili
e riformulati ad hoc per la ricerca dal gruppo CHIMICA EDILE.
Gli altri additivi utilizzati, punti a) e f), a base di polimeri e sostanze liquide, sono prodotti e
commercializzati da diverse primarie aziende leader di settore. Le ceneri volanti sono state gentilmente
rese disponibili da “ENEL/General Admixture”.
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eventualmente per ridurre sensibilmente il coefficiente di viscosità del calcestruzzo indurito e sotto carico
(ricerche in fase di sviluppo e verifica). Tale aggiuntivo deriva da speciali processi di cottura in forni speciali ad
alte prolungate temperature di granuli selezionati di roccia calcarea estratta nelle Ande argentine e aggiunte
di materiali silicei quali coadiuvanti attivi , esso è totalmente esente da cloruri, ed è soggetto a processi di
miscelazione, macinazione e vagliatura al fine di ottenere una ottimale curva granulometrica e bassa
reattività. E’ stato utilizzato nella seconda fase della presente ricerca con dosaggio “basso” ovvero prossimo
all’1÷1,4% rispetto al cemento (nota: trattasi di additivo di nuova generazione formulato appositamente da
Chimica Edile nell’anno 2011 per il progetto di ricerca e attualmente prodotto presso gli impianti
dell’azienda).
Un programma di ricerca attendibile prevede lunghi tempi di realizzazione e di scrupoloso follow up
(di diversi anni) in quanto tratta e sviluppa tematiche ampie e articolate che necessitano per l’esecuzione
ed il monitoraggio di test nel lungo termine fino a 90 giorni in laboratorio, con successive ottimizzazioni
nelle formulazioni e nei dosaggi degli additivi/aggiuntivi nei vari Mix Design del calcestruzzo, con
scrupolose ripetizioni delle campagne di test e monitoraggi sia in laboratorio sia a livello industriale. Il
programma generale di ricerca è stato articolato in distinte fasi temporali e suddiviso in specifici settori di
interesse per il mercato e per i tecnici:
SETTORE 1: PREFABBRICAZIONE DI ELEMENTI STRUTTURALI (Giugno 2011-Luglio 2012)
I materiali di partenza ed i test eseguiti sono stati i seguenti: Calcestruzzi dosati con cementi 52,5 R Tipo I e resistenze f.ck.cube >
30÷35 MPa ad 1 giorno e f.ck.cube> 70÷80 MPa a 28 giorni (EN12390), basso di assorbimento d’acqua per immersione (UNI
7699/UNI EN 13755), ritiro prossimo allo “zero” e se richiesto < 50 μm a 28 giorni (Test espansione/ritiro contrastato secondo UNI
8148 tipo “B” ), elevate prestazioni di durabilità e resistenza al dilavamento in funzione delle caratteristiche ambientali e della
classe della struttura (classe 2 > 100 anni, UNI EN 206–2006 ed UNI 11104-2004.), indice di lavorabilità/consistenza almeno “S 4”,
competitività finale “economica” (analisi della congruità del costo dei materiali).
NOTA: La ricerca è stata orientata essenzialmente al mondo della prefabbricazione di elementi strutturali, dei calcestruzzi
strutturali performanti e dei c.a.p.
I calcestruzzi sono stati dosati con cementi 52,5 R Tipo I. I test eseguiti hanno previsto la : determinazione della f.ck.cube ad 1 e 28
giorni, determinazione dell’ assorbimento d’acqua per immersione (UNI 7699/UNI EN 13755), determinazione dell’
espansione/ritiro contrastato secondo UNI 8148 tipo “B”, determinazione delle velocità ultrasoniche, resistenza al dilavamento in
funzione delle caratteristiche ambientali e della classe della struttura, indice di lavorabilità/consistenza, analisi della congruità del
costo dei materiali.
SETTORE 2: Calcestruzzi a stabilità volumetrica controllata per pavimentazioni industriali. (Maggio 2012-Ottobre
2012)
NOTA: ricerca orientata alle tecnologie per le pavimentazioni industriali .
PAVIMENTAZIONI INDUSTRIALI CONTINUE IN ASSENZA DI GIUNTI
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Fasi di lavoro, settori della ricerca, tempistiche e risultati
AMBITO DELLA RICERA: Calcestruzzi dosati con cementi 42,5 R e N e 32,5 R e N,
NOTA: La ricerca è stata orientata essenzialmente nel settore della prefabbricazione di elementi strutturali e dei c.a.p. >C45/55 D16 - S4 – XA3/XC4– RESISTENZA AL DILAVAMENTO - RITIRO prossimo allo “0”
CENTRALE DI BETONAGGIO PER CALCESTRUZZO
SETTORE 4: Calcestruzzi pozzolanici spiccatamente espansivi per impieghi in terreni e rocce.
NOTA: la ricerca sarà orientata all’ingegneria geotecnica e per la geo-compattazione dei terreni a contatto con pali di fondazione ,
pali radice, micro-pali, tiranti, ancoraggi, sottofondazioni, etc. dove sono ammissibili e benefici fenomeni di significativa espansione
dei calcestruzzi.
SETTORE 5: Malte industriali e malte pozzolaniche per il restauro.
SETTORE 6: Calcestruzzi leggeri strutturali.
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SETTORE 3: CENTRALI DI BETONAGGIO (Luglio 2012-Giugno 2013)
SETTORE 1 - PREFABBRICAZIONE DI ELEMENTI STRUTTURALI
Il MIX DESIGN del calcestruzzo messo a punto (MD.cls) per il settore 1 ha previsto lo studio per
l’ottimizzazione delle prestazioni tecnico-economiche. La composizione del cls è definita dalla
combinazione di elementi costitutivi in base alla seguente schematica e classica formulazione:
MD.cls = (“c” + “a” + “i”) + (“sf”) + (“e.r” + “e.n” + “e.L”) + (“cv” / “rmv”) + (“heb”)
dove:
“c” = cemento (portland)
“c.eq” = cemento equivalente (cemento portland + k.1 x minerali ad attività pozzolanica = c + k.1 cv)
“a” = acqua efficace di impasto
“i” = inerti (grossi, medi, fini)
i.eq = inerti equivalenti (inerti + (1-k.1) x fasi ad attività pozzolanica)
i.TOT = inerti totale (inerti + fasi ad attività pozzolanica)
“sf” = additivo super-fluidificante (diverse tipologie ad esempio a base di eteri polistearici modificati /
policarbossilici , poli-acrilato/poli-etere, etc.)
“e.r” = agente DRY D1 ® Rapido compattante e micro-espansivo ad azione immediata e rapida (2 ore ÷ 48
ore).
“e.n” = agente DRY D1 ® Normale compattante e micro-espansivo riduttore del ritiro igrometrico/chimico
ad ampio spettro e ad azione nel medio termine (fino a circa 1 settimana), nonché con funzione accelerante
dell’attività pozzolanica nel caso di aggiunte “ad attività pozzolanica”.
“e.L” = agente DRY D1 ® Lento compattante e micro-espansivo e riduttore del ritiro igrometrico ad azione
lenta e prolungata (fino a 28 giorni).
“cv” = ceneri volanti ad attività pozzolanica e “fillerizzante”
“rmv” = residui della macinazione di rocce vulcaniche zeolitizzate ad attività pozzolanica.
“heb” = eventuale accelerante in caso di climi freddi (<8÷10°C) e rapide scasserature (meno di 12÷24 ore)
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Considerazioni generali sul Mix Design del Calcestruzzo
Considerazioni sul Mix Design delle paste elementari di cemento
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Tenuto conto delle difficoltà che comporta l’analisi di un calcestruzzo in considerazione della
complessità della miscela in cui è presente l’aggregato in percentuale predominante, si è ritenuto
opportuno partire dall’analisi dei singoli componenti (tabella 1) e successivamente da prodotti di reazione
di semplici miscele di paste di cemento (tabella 2).
Al fine di verificare la composizione mineralogica delle materie prime e delle miscele, sono state
realizzate analisi diffrattometriche qualitative ai raggi X su polveri (DRXP) dei campioni confezionati.
La preparazione dei campioni ha previsto sia la micronizzazione “a secco” per evitare la perdita di fasi
eventualmente solubili e sia micronizzazione in acqua deionizzata. In quest’ultimo procedimento è stata
utilizzata un’apparecchiatura Mc Crone con cilindri d’agata per tempi di 15 minuti, al fine di ottenere una
granulometria <5μm, condizione che, come riportato in letteratura (Bish e Chipera, 1988; Klug e Alexander,
1974), consente di ovviare a diversi problemi in fase di acquisizione degli spettri RX (statistica delle
particelle, estinzione primaria, microassorbimento e, soprattutto per le fasi di tipo feldspatico, fenomeni di
orientazione preferenziale).
Le polveri così ottenute sono state analizzate utilizzando un diffrattometro automatico Panalytical
X’Pert PRO PW 3040/60 (radiazione CuKα, 40kV, 40mA) con detector RTMS X’celerator gestito da PC
mediante il programma X'Pert della PANalytical.
Tutti i componenti sono stati caratterizzati singolarmente per conoscerne la composizione mineralogica
(tabella 1).
Tabella 1: Fasi mineralogiche identificate nei singoli componenti del mix design del cls.
FASI MINERALOGICHE
OSSERVAZIONI
COMPONENTE
Cemento I 52,5 R
Silicato tricalcico (Hatrurite), Brownmillerite, Gesso.
Sabbia
Dolomite
Risotto
Dolomite
Breccia
Dolomite
DRY D1 RAPIDO
Lime, Hatrurite, Portlandite, Periclasio
DRY D1 NORMALE
Lime, Hatrurite, Portlandite
DRY D1 LENTO
Lime, Hatrurite, Portlandite,
Cenere Volante
Quarzo, Mullite
Con tracce di quarzo
Con tracce di amorfo
Successivamente sono state preparate delle PASTE DI CEMENTO con le seguenti composizioni.
MD. paste = (“c” + “a”) + (“sf”) + “componente attivo”
dove:
“c” = cemento
“a” = acqua efficace di impasto
“sf” = additivo super-fluidificante
“componente attivo”= l’additivo singolo e/o l’aggiuntivo singolo e/o combinazione dei componenti attivi
oggetto di specifica analisi.
In tabella 2 vengono riportati i Mix Design relativi alle diverse PASTE DI CEMENTO.
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Tabella 2: MIX DESIGN DELLE PASTE DI CEMENTO.
MIX
PASTA di cemento
Pasta di cemento 0
TAL QUALE
Pasta di cemento 1
TAL QUALE+DRY
Pasta di cemento 2
TAL QUALE+CV
Pasta di cemento 3
TAL QUALE+DRY+CV
CEMENTO
[Kg/m3]
ACQUA
[Kg/m3]
A/C
SUPERFLUDIFIC.
[Kg/m3]
320
128
0,4
1,6
320
128
0,4
1,6
320
128
0,4
1,6
320
128
0,4
1,6
DRY
[Kg/m3]
CV
[Kg/m3]
RMV
[Kg/m3]
HEB
[Kg/m3]
7
100
7
100
Nella tabella 3 sono indicati i risultati delle analisi XRPD eseguite successivamente all’indurimento delle
paste di tabella 2.
Tabella 3: Fasi mineralogiche nelle PASTE DI CEMENTO.
MIX
PASTA ELEMENTARE
Pasta di cemento 0
TAL QUALE
Pasta di cemento 1
TAL QUALE+DRY
Pasta di cemento 2
TAL QUALE+CV
Pasta di cemento 3
TAL QUALE+DRY+CV
FASI MINERALOGICHE
Portlandite, Ettringite, Hatrurite, Brownmillerite, Amorfo.
Portlandite, Ettringite, Hatrurite, Brownmillerite, Amorfo.
Portlandite., Ettringite, Hatrurite, Brownmillerite, Quarzo, Mullite, Amorfo.
Portlandite, Ettringite, Hatrurite, Brownmillerite, Quarzo, Mullite, Amorfo.
Nelle figure 1, 2 e 3 si riportano micrografie in microscopia elettronica (SEM) su frammenti di campioni
prelevati dai vari MIX di PASTA di CEMENTO.
Figure 1.a e 1.b: Micrografie comparate al SEM (ingrandimento x200): sulla sinistra Mix della Pasta
Elementare “Tal Quale” (0) e sulla destra Mix della Pasta di cemento “Tal quale + DRY D1 R/N al 2,2 %” (1).
La matrice del secondo Mix, a parità di fasi cristalline individuate (tabella 3), si presenta con una maggiore
quantità di geli di cemento e maggiormente compatta.
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Figure 2.a e 2.b: Micrografie comparate al SEM (ingrandimento x1500) dei Mix delle Paste di cemento: a
sinistra “Tal Quale” (0) e a destra “Tal Quale + DRY D1 R/N 2,2 %”(1) dopo lo schiacciamento. E’ evidente la
differenza della matrice fra le due masse, la prima appare più discontinua e porosa, la seconda più continua
e chiusa. Si riscontrano anche differenze fra il sistema di fratture indotto dallo schiacciamento, nel primo
caso più diffuse e articolate fra le zone maggiormente porose, nel secondo MIX più localizzate.
Figura 3: Micrografia al SEM (ingrandimento x1500) del Mix della Pasta Elementare “Tal Quale + DRY D1
R/N 2,2 % +CV 30%” (3). La pasta/matrice cementizia avvolge completamente le microsfere delle ceneri
volanti e si presenta compatta (massa continua del gel). E’ altresì evidente il sistema di fatturazione del
materiale dopo i test di schiacciamento in cui le fratture sono localizzate.
I test di resistenza a compressione per schiacciamento (UNI12390-3), a 28 giorni, sui campioni di paste di
cemento di dimensioni 10x10x10 cm hanno evidenziato valori compresi tra 53,1 MPa (Pasta di cemento 0
TAL QUALE) ed 58,8 MPa (Pasta di cemento 3 TAL QUALE+DRY+CV), ovvero circa il 10% di resistenza in più.
Considerazioni puntuali sul Mix Design dei calcestruzzi cementizi
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I componenti attivi sono stati studiati verificando la loro azione combinata nel MIX DEL CALCESTRUZZO
confrontando, per quanto possibile, i risultati ottenuti con quelli in bibliografia e nello stato dell’arte delle
ultime ricerche sul calcestruzzo:
TABELLA 5.I: MIX DESIGN DEI CALCESTRUZZI. Fase 1
MIX DESIGN CLS
MD.1 – TAL QUALE
MD.CLS 2
MD.CLS 3
MD.CLS 4
MD. CLS 5
MD..CLS 6
Altri
CEM
[Kg/m3]
410
410
380
350
320
290
H2O/c
[Kg/m3]
0,38
0,38
0,38
0,40
0,42
0,44
SF
[Kg/m3]
4,1
4,1
3,8
3,5
3,2
3,2
DRY
R-N-L
7
7
7
7
7
7
CV
[Kg/m3]
SABBIA
[Kg/m3]
X
X
X
X
X
X
RIS
[Kg/m3]
X
X
X
X
X
X
BREC
[Kg/m3]
X
X
X
X
X
X
HEB
[Kg/m3]
BREC
[Kg/m3]
350
350
350
350
HEB
[Kg/m3]
TABELLA 5.II: MIX DESIGN DEI CALCESTRUZZI. Fase 2
MIX DESIGN CLS
MD.0 – TAL QUALE
MD.CLS A1
MD.CLS A2
MD.CLS A3
Altri
CEM
[Kg/m3]
320
320
320
320
290÷410
H2O
[Kg/m3]
135
135
151
151
SF
[Kg/m3]
2,7-3,2
2,7-3,2
2,7-3,2
2,7-3,2
DRY
R-N-L
CV
[Kg/m3]
7
7
100
100
SABBIA
[Kg/m3]
1145
1145
1045
1045
RIS
[Kg/m3]
550
550
550
550
Per gli impasti freschi sono state eseguite la verifiche di slump; per i provini dopo le 24 ore e fino a 28
giorno densità, indagini non distruttive ultrasoniche, prove a schiacciamento, micrografie al SEM, sezioni
sottili al microscopio polarizzatore, analisi ai raggi-X, porosimetria, test ritiro-espansione, assorbimento di
acqua a pressione atmosferica, prove a flessione, etc.
Cemento ( c ).
Legante: Cemento Portland Classe I 52,5 R
Come illustrato, sono stati studiati i MIX di PASTE ELEMENTARI di CEMENTO classe I 52,5 R, acqua e
fluidificante, aggiungendo poi gli agenti espansivi/antiritiro/compattanti e le aggiunte minerali pozzolaniche
sia da soli sia combinandoli con diversi dosaggi fra di loro.
Prima fase della ricerca (giugno 2011-ottobre 2011). Sono stati studiati e monitorati distinti MIX DESIGN di
CALCESTRUZZO (“TAL QUALI ADDITIVATI CON SUPERFLUIDIFICANTI” e CON GLI AGENTI ESPANSIVI DRY D1
tipo Rapido e tipo Normale, prima di generazione di additivi micro espansivi) con dosaggi variabili di
Cemento Portland I 52,5 R UNI EN 197-1 e UNI EN 11104 da 290 kg/m 3 fino a 410 kg/m3 con step
incrementali di 30 kg/m3 e con costante dosaggio dei due agenti espansivi (circa 0,8÷1,2% del cemento per
ciascuna tipologia):
Dosaggi Cem: 290->320->350->380->410 kg/m3
Note:
Max rapp.“a/c”
Min Resistenza
Min Cemento
Min Cont. Aria
Altro
Note:
Max rapp.“a/c”
Min Resistenza
Min Cemento
Min Cont. Aria
Altro
(1)
X0
MPa
Kg/m3
%
(4)
XD1
MPa
Kg/m3
%
Note:
Max rapp.“a/c”
Min Resistenza
Min Cemento
Min Cont. Aria
Altro
C12/15
MPa
Kg/m3
%
(2)
XC1
(2)
XC2
(2)
XC3
(2)
XC4
(3)
XS1
(3)
XS2
XS3
0,60
0,60
0,55
0,50
0,50
0,45
0,45
C25/30
C25/30
C28/35
C32/40
C32/40
C35/45
C35/45
300
300
320
340
340
360
360
(4)
XD2
(4)
XD3
(5)
XF1
(5)
XF2
(5)
XF3
(5)
XF4
0,55
0,50
0,45
0,55
0,50
0,50
0,45
C28/35
C32/40
C35/45
C32/40
C25/30
C25/30
C28/35
320
340
360
320
340
3
340
3
360
3
(6)
XA1
(6)
XA2
(6)
XA3
0,55
0,50
0,45
C28/35
C32/40
C35/45
320
340
360
Cem resistenti ai solfati
TABELLA UNI 11104 – (2): carbonatazione – (4): cloruri - (5): gelo-disgelo - (6): attacco chimico
Risultati della prima fase del progetto e confronto delle resistenze caratteristiche a schiacciamento cubetti
15x15x15 cm.
4
La prima fase della ricerca ha consentito di dedurre e convalidare che il calcestruzzo ottimale dal punto di
vista tecnico-economico (analisi costi-benefici) per l’industria della prefabbricazione è risultato il
calcestruzzo con dosaggio di 350 kg/m3 (nota: esso è confezionato inizialmente in totale assenza di cariche
pozzolaniche e di additivi espansivi/antiritiro/compattanti lenti ovvero di nuovissima generazione ma in
presenza di additivi espansivi di breve e media azione di produzione corrente della Chimica Edile: DRY D1
Rapido e DRY D1 Normale). Si evidenzia che da un punto di vista di controllo continuo di stabilità
volumetrica, gli agenti espansivi di prima generazione della Chimica Edile e di altre aziende del settore
estrinsecano la loro azione nella prima settimana ! Addirittura alcuni additivi a base di ossidi e in
commercio terminano la loro azione nella prima settimana e se in presenza di alte temperature in qualche
giorno !
L’analisi costi-benefici con la stima dei costi delle materie prime dei MIX ha consentito di determinare che il
costo del MIX 1 (TAL QUALE con 410 kg/m3 di CEM I 52,5 R) è all’incirca pari o sensibilmente superiore al
costo del MIX 4 (con 350 kg/m3 di cemento CEM I 52,5 R e con aggiunta di additivi DRY D1 Rapido e DRY D1
Normale pari a circa 1%+1% ovvero 3.5 kg + 3.5 kg = 7 kg/m3). Il MIX 4 ha tuttavia simili prestazioni
meccaniche rispetto al MIX 1 ma offre il vantaggio della stabilità volumetrica controllata (ritiro prossimo a
200 micron m/m ovvero 50 micron m/m di espansione iniziale nei primi 2 giorni e successivo ritiro fino a 28
giorni).
Ai fini delle classi di esposizioni (UNI 11104 e NTC- Norme Tecniche per le Costruzioni), il dosaggio di
cemento equivalente del MIX 4 (350 kg di Cem Portland I 52,5 R) assunto supera i minimi imposti dalla
normativa anche per XA2/attacco chimico, XD2/cloruri, XF2-XF3/gelo-disgelo, XC4/carbonatazione.
4
L’utilizzo degli agenti micro-espansivi e compattanti ha implicato un incremento delle resistenze a compressione
compreso fra il 10÷15%
CUBETTI 15x15X15 cm DOPO LO SCHIACCIAMENTO SENZA E CON AGGIUNTIVI/ADDITIVI
Seconda fase della ricerca (novembre 2011 – giugno 2012). La seconda fase della ricerca, fruendo della
conoscenza dello stato dell’arte e dei risultati innanzi riassunti sui vantaggi e sui limiti degli agenti espansivi
moderni, è stata caratterizzata dalla formulazione di nuovi MIX DESIGN e dalla produzione di nuovi agenti
espansivi da combinare “sinergicamente” con aggiunte pozzolaniche e fillerizzanti. Le analisi al microscopio
hanno consentito infatti di osservare che l’agente espansivo fungendo da compattante, esaltava le capacità
di “fillerizzanti” (riempimenti) delle sabbie fini e soprattutto delle micro-sabbie sferiche (φ < 200 μm) più
atte a muoversi durante i processi di espansione/compattazione. Altresì è opportuno constatare e
puntualizzare che la formazione di una ulteriore minima percentuale di “portlandite espansa derivata
dall’ossido di calce” funge non solo da ulteriore “riserva alcalina” in aggiunta alle note “portlanditi derivate
dal cemento” (cfr. alite e belite) e alle adeguate “molecole di acqua” implica la benefica aggiunta di
materiali ad attività pozzolanica per capitalizzare tale evidente potenzialità.
Foto della contro faccia della sezione sottile del
campione CLS con agente espansivo (microscopio
stereoscopico mod. Nikon SMZ 1500).
Ulteriore effetto secondario (non trascurabile) da
incamerare positivamente è l’effetto compattante per
l’autocompressione (self compressing) e di incremento dei
contatti (wall effect) dell’agente espansivo che spinge e pressa le
masse dell’agglomerato cementizio (calcestruzzo): l’effetto
espansivo se ben modulato comporta diminuzione della porosità
del calcestruzzo (con miglioramenti delle criticità della zona di
transizione), di fenomeni di bleeding e in generale di discontinuità
interna del calcestruzzo in fase di presa e indurimento, potenzia
In dialettica filologica con le osservazioni innanzi riassunte, sono stati studiati e monitorati nuovi mix design
con differenti combinazioni di additivi superfluidificanti, agenti micro-espansivi e minerali pozzolanici attivi
all’interno di paste di cemento (MD.paste), in distinte condizioni ambientali (temperatura, umidità,
casseforme). E’ stato pertanto necessario concordare con la CHIMICA EDILE di formulare e testare nuovi
agenti espansivi, con azione più lenta e modulata (DRY D1 Lento) da affiancare alla altra linea di agenti
espansivi in produzione (DRY D1 Rapido e DRY D1 Normale) al fine di poter controllare più armoniosamente
“la fase micro-espansiva” del nuovo calcestruzzo rispetto “all’evoluzione complessa delle sue fasi di
contrazione” (ritiro igrometrico, ritiro autogeno, ritiro termico per diminuzione della temperatura,
deformazione viscosa per sollecitazioni di compressione/trazione, etc. etc.), pur fruendo dei vantaggi e
dell’esperienza acquisita dagli agenti espansivi (“Rapidi” e “Normali”).
Il nuovo MIX di CLS nell’ambito della seconda fase della ricerca e che al momento è risultato “ottimale” per
l’industria della prefabbricazione è stato individuato per un dosaggio di 320 kg/m3 di Cemento Portland I
52,5 R e “a/c” compreso fra 0,40÷0,45 oltre l’aggiunta da 25 a 100 kg/m 3 di materiali ad attività pozzolanica
(Roccia Vulcanica Macinata e/o Ceneri Volanti e/o Silica Fume e/o Metacaolino) al fine di ottenere un
dosaggio complessivo di “cementi equivalenti” prossimo o superiore a 330÷350 kg/m 3 (“calcestruzzo a
prestazione equivalente” UNI EN 206 par. 5.2.5.3) con additivi super-fluidificanti (~1%), agenti microespansivi a Rapida azione (~0,6% DRY D1 Rapido), ad azione Normale (~0,6% DRY D1 Normale) e ad azione
Lenta prolungata (~1÷1,2 % DRY D1 Lento) ovvero con agenti espansivi integrati e armonizzati rispetto ai
complessi fenomeni di ritiro/espansione innanzi elencati.
70
56
38
Ai fini delle classi di esposizioni (UNI 11104 e NTC- Norme Tecniche per le Costruzioni), il dosaggio di
cemento equivalente del MIX FINALE/IDEALE (320 kg di Cem Portland e 100 kg di Ceneri Volanti in aggiunta
al cemento Portland) assunto supera i minimi imposti dalla normativa anche per XA2/attacco chimico
(353>c.min=320),
XD2/cloruri
(353>c.mim=340),
XF2-XF3/gelo-disgelo
(353>c.min=340),
XC4/carbonatazione (c = 320 + 0,33x100 = 353 > 340 kg/m3).
4
conseguentemente l’innescarsi di reazioni pozzolaniche fra l’acqua residua, la portlandite (da cemento e da
agente espansivo) e il micro-silicio (biossido di silicio reattivo) dei materiali pozzolanici (specialmente nei
primi 28 giorni dove il calcestruzzo contiene ancora sufficiente acqua residua); vengono pertanto aiutati i
processi primari pozzolanici C-S-H. L’additivo espansivo pertanto può essere formulato non solo per
contrastare il ritiro ma anche per favorire il comportamento pozzolanico delle ceneri e in generale dei
materiali pozzolanici a contatto con la portlandite disponibile.
4
70
56
38
Acqua
Nel rispetto della UNI EN 1008, il rapporto “a/c” è stato mediamente pari a 0,40÷0,45 e comunque
verificato anche con parametri variabili compresi fra 0,375 e 0,45 (UNI EN 206-1 e UNI 8981-2) per tracciare
dei punti sperimentali (grafici della Rck e tabelle di consistenza/slump) in funzione di diversi “a/c” per il
MIX DESIGN ottimale (MIX n°A4) e per avere adeguate tolleranze (nota: studio influenza per errori di
dosaggio acqua per “a/c” medio = 0,41÷0,42 in riferimento alla variabilità sia di Rck del cls indurito e di
lavorabilità/slump del cls fresco) . Nel caso di aggiunta di ceneri volanti e rocce vulcaniche macinate è stata
apportata ulteriore aggiunta di acqua calcolata rispetto al medesimo dosaggio “a/c” (0,41÷0,42) ma ridotta
di un coefficiente k pari a 0,40 per le ceneri volanti (cfr. UNI) e per le rocce vulcaniche macinate (nota:
queste ultime molto “avide” di acqua e ad effetto “termico zeolitico” in funzione dell’assorbimento di
acqua).
Il criterio pragmatico per individuare il migliore dosaggio di acqua è stato comunque nel rispetto dello Stato
dell’Arte della tecnologia e scienza del calcestruzzo (Abrams, Bolomey, Collepardi, Fuller, Lyse, etc.) di far
variare sensibilmente e sapientemente i vari parametri del MIX (dosaggi e dimensioni aggregati) al fine,
anche, di “minimizzare/ottimizzare” il dosaggio di acqua rispetto al cemento e ai minerali attivi (pozzolanici)
pur conservando adeguate classi di consistenza/slump (S4 o S5):hh
CLASSE DI CONSISTENZA:
S1
S2
S3
S4
S5
SLUMP (mm):
10÷40
50÷90
100÷150
160÷210
>220
DENOMINAZIONE:
Terra Umida
Plastica
Semi-fluida
Fluida
Super-fluida
4
Ai fini delle classi di esposizioni (UNI 11104 e NTC- Norme
Tecniche per le Costruzioni), il dosaggio assunto per il MIX
FINALE/IDEALE (MIX n° A4) supera i minimi imposti dalla
normativa vigente anche per XA2/attacco chimico acqua,
XD2/cloruri, XF2-XF3/gelo-disgelo, XC4/carbonatazione (a/c =
0,42 <0,45<0,50).
Il MIX DESIGN ottimale deve garantire una classe di consistenza compresa fra S4 e S5 e prevenzione da
fenomeni di segregazione.
4
Inerti
Nel rispetto delle EN 206-1, UNI EN 932-3,UNI 8520 ,
sono stati impiegati aggregati calcari provenienti da
cave italiane e composti da 3 gruppi:
breccia: 8 ÷ 16 mm
risotto: 4 ÷ 10 mm
sabbia: 0 ÷ 5 mm
La curva granulometrica progettata è stata elaborata
controllando la curva ideale del Bolomey. La
dimensione massima dell’inerte è 16 mm.
E’ stato monitorato il grado di imbibizione degli inerti calcari (“range” di imbibizione ammissibile) al fine di
non influenzare o falsare il dosaggio dell’acqua efficace di impasto.
I rapporti impiegati di “i/c” hanno rispettato i valori ottimali indicati nella bibliografia tecnica per ottenere
calcestruzzi con prestazioni ottimali (anche per ritiro e viscosità sotto carico), ovviamente nel calcolo è
lecito tener conto come dosaggio di cemento equivalente (c.eq), fino ad un massimo del 33% anche le ceneri
volanti/inerti pozzolanici, e quale parte totale inerte (il 100% degli “inerti” calcari + una percentuale degli
inerti derivati dalle ceneri volanti ovvero la quota restante degli inerti e aggiuntivi pozzolanici).
Per i calcestruzzi con ceneri volanti o rocce vulcaniche macinate, il calcolo degli inerti equivalenti e del
rapporto “i/c” è stato pertanto effettuato come segue:
i.eq = breccia + risotto + sabbia + (1-k) ceneri volanti o rocce vulcaniche macinate
dove
k = 0,33 (UNI) per le ceneri volanti (1-k = 1- 0,33 = 0,67)
GHIAIA
RISOTTO
SABBIA
Primo Totale (inerti)
CENERE VOLANTE
ROCCIA VULCANICA MACIN.
Secondo Totale (inerti eq.)
Cemento Portland I 52,5 R
Terzo Totale (cemento eq.)
Kg/m3
350 (385)
550 (600)
1.050 (900)
1.950 (1.885)
100
x (1-K)
350 (385)
550 (600)
1.050 (900)
1.950 (1.885)
67
x K = cemento equivalente
33
2.017
320
2.370 (2.305)
2.370 (2.305)
320
353
Calcolo dei possibili rapporti” i/c” , “i.eq/c.eq”, “(i+cv)/c” e “i/(i+cv)”
k.1 =k.cv = 0,33 (UNI)
i/c = 1.950/320 = 6,24
i.eq /c.eq= (1.950+67)/(320+33) = 2.017/353 = 5,71
(i+cv)/c=(1.950+100)/320)=2.050/320=6,40
i/(c+cv)= 1.950/(320+100)=4,64
Possibili valori di rapporti fra cementi e inerti compresi 4,6 e 6,4 (media 5,5) da considerare relativamente
alti e conseguentemente implicanti fenomeni controllabili di ritiro igrometrico, ritiro chimico e viscosità
sotto carico (nota: negli SCC generalmente i rapporti “i/c” sono più bassi e compresi generalmente fra 4,0 e
4,5, comportando più elevati fenomeni di ritiro e soprattutto viscosità). Per i calcestruzzi precompressi i
fenomeni del ritiro igrometrico e della viscosità sotto carico sono sicuramente fattori discriminanti per la
valutazione della qualità di un calcestruzzo e per il costo finale di un’opera.
Super-Fluidificante ( sf )
Nel rispetto della UNI 934-2 (3.1, 3.2, 11.1,11.2) e UNI 12350, l’aggiunta del super-fluidificante (sf) a base di
polimeri idrosolubili è stata la minima possibile efficace, prossima all’1% del cemento (sf/c) e nel caso di
aggiunte pozzolaniche (ceneri volanti o rocce macinate) calcolando lo 0,85% rispetto al cemento effettivo o
equivalente ovvero c.eq =c + k1 x cv/rvm con k1 pari a 0,33 per le ceneri volanti, comunque il “quanto
basta” al fine di assicurare lavorabilità sufficiente all’impasto (riferimento: classe di consistenza S4/S5 UNI
206-1 - Slump Loss Controlling Agent) e prevenire fenomeni di segregazione (per eccessivo dosaggio di
super-fluidificante): minimo di dosaggio di superfluidificante pari a ~0,7÷1% considerando sia il cemento
sia quota (33%) dei minerali pozzolanici.
L’additivo super-fluidificante impiegato nei vari MIX che ha dato validi risultati è a base di esteri polistearici
modificati con pH pari a circa 4, è privo di formaldeide e cloruri. La % minima di additivo fluidificante come
noto non pregiudica il pH finale del calcestruzzo. Esso è stato aggiunto dopo l’inserimento (per alcuni
minuti di mescolamento) dell’acqua di idratazione dell’impasto e lasciato poi mescolare per ben oltre 5
minuti.
Come evidenziato dalla bibliografica tecnico-scientifica (cfr. Collepardi - RECENTI SVILUPPO NEL SETTORE
DEGLI ADDITIVI PER CALCESTRUZZI e ), è stato necessario verificare altresì la compatibilità e la creazione di
sinergie fra il super-fluidificante e gli altri additivi/aggiuntivi impiegati (azione combinata fra i superfluidificanti e gli altri additivi/aggiuntivi antiritiro e compattanti con azione micro-espansiva) senza
rallentare o compromettere i fenomeni di presa ed indurimento entro le 12÷24 ore (requisito essenziale
per il settore della prefabbricazione).
Ad esempio per i MIX a 320 kg di cemento senza minerali pozzolanici:
SF = 0,01 x 320 = 3,20 kg/m3
4
Aggregati (inerti e minerali attivi):
SF = 0,009 x (320+0,33x100) = ~ 3,20 kg/m3
Aggiunta a base di ossidi micro-espansivi e antiritiro di nuova generazione (ad azione modulata nel tempo)
Micrografia al SEM (x1500) del CLS a 28 giorni e studio della “portlandite” derivata dagli agenti espansivi e dei derivati
del cemento (agenti espansivi DRY D1 N e CEM I 52,5 R). La micrografia consente di leggere chiaramente la morfologia
della Portlandite nello spazio (frontalmente e lateralmente).
MICROGRAFIE al Sem su paste elementari di cemento (ingrandimenti x2.000 e x 3.500). Vengono evidenziate in giallo
presenze di portlandite rispettivamente nei campioni “Pasta di cemento 0 (TAL QUALE)” e Pasta di cemento 1 (TAL
QUALE + DRY).
4
Per i MIX a 320 kg di cemento con aggiunta di minerali pozzolanici:
a) a ritiro compensato (Shrinkage Compensating Concrete o ShCC) che provocano all'interno del
calcestruzzo un'espansione iniziale di poco inferiore o virtualmente pari alla successiva contrazione
dovuta al ritiro (cfr. UNI EN 1992-1-1/Eurocodice 2 + Appendice B - D.M. 14/01/08 par. 11.2.10.6). I
diagrammi “espansione-ritiro” in base alle normative UNI/EN, ASTM o ad altre metodologie
consentono di capire il tipo di azione degli additivi in commercio e la loro efficacia o meno in base
ai dosaggi (talvolta eccessivi).
b) autocompressi (Self Compressing Concrete cfr. ACI 223R-98, calcestruzzo ben diverso ma in linea
filologica e di tendenza con i Self Compacting Concrete o SCC, UNI EN206-1 ) che provocano
all'interno del conglomerato cementizio una sensibile micro-espansione lievemente superiore alla
contemporanea contrazione da ritiro che in una matrice resistente, in presenza di
casseforme/vincoli rigidi e di armature spaziali comporta la creazione di stress di compressione nel
divenire del giovane calcestruzzo (in fase di presa/indurimento). Le armature nel c.a. in funzione
della loro disposizione e dei loro diametri esercitano grazie all’aderenza ed al design cerchiante per
effetto dell’espansione del cls un vantaggioso effetto di “auto compressione” e successiva “auto
compattazione” del cls (fenomeno opposto quindi ai noti effetti negativi del ritiro del cls, di tensile
stress). Questa espansione, se ben calibrata, comporta benefici decrescenti movimenti viscosi di
auto-compattazione e auto-fortificazione durante la genesi costitutiva del giovane calcestruzzo
creando le basi per esaltare le sue future prestazioni.
c) a controllo di stabilità volumetrica (Volumetric Stability Controlled Concrete). I vincoli esterni
applicati alle strutture e le armature costituiscono un sistema di vincoli ridondanti e la presenza di
deformazioni di contrazione (come il ritiro igrometrico, le variazioni termiche negative e la
dissipazione di calore di idratazione) inducono stati tensionali di trazione che comunque
aumentano la distanza fra la materia (facies) e che superati i limiti di resistenza (a trazione) del
calcestruzzo producono macro e micro fessurazioni. Un calcestruzzo che conserva la sua forma,
magari con calibrata e ponderata espansione all’inizio, e poi senza ritiri e stress critici nella sua
genesi, funzionalmente al suo MIX DESIGN e alle condizioni esterne (umidità, temperatura,
spessore del getto, massa del getto, vincoli, etc.), è il sogno degli strutturisti ed è definibile “a
controllo di stabilità volumetrica”. Esso rappresenta uno dei principali obiettivi dei ricercatori e dei
tecnologi per la realizzazione di calcestruzzi di nuova generazione. VSCC&ICME (Volumetric Stability
Controlled Concrete and/with initial calibrated micro-expansion).
4
La nuova generazione dei calcestruzzi nell’industria della prefabbricazione e del c.a.p. richiede sempre più
assiduamente il confezionamento di calcestruzzi in assenza delle note criticità da “ritiro
igrometrico/autogeno”:
4
8 kg/m3
Sopra: dati di test
secondo ASTM 878 - Sopra a destra e sotto: attrezzatura e software per test ritiro/espansione libero/a
secondo Metodo de’ Gennaro
Il test per monitorare la macroespansione-contrazione dei cubetti di calcestruzzo di dimensioni 50x50x50
mm secondo il metodo de’ Gennaro prevede l’inizio del test attraverso 4 sonde (nel piano orizzontale)
disposte a contatto con piastre di acciaio annegate nel getto. Il tempo di impasto/preparazione è
controllato. Le due sonde secondo l’asse X e le due sonde secondo l’asse Y misurano costantemente le
libere dilatazioni/contrazioni dal tempo “t.0” del calcestruzzo semi-indurito e del calcestruzzo indurito fino
Foto X + Y – Test espansione contrastata
UNI 8148 - Metodo B
Metodo UNI Metodo b
Espansione Contrastata sec. UNI 8148 met.B
µ m/m
Calcestruzzo: CEM I 52,5 R – 320kg/mc - a/c= 0.42
100
62
25
50
0
0
7
0
-50
-100
21
0
71
- -79
83
-150
--25
42
121
-14
15
2
4
-200
-250
4
14
218
-50
75
-54
87
150
15
4
19
2221
-221
-250
-300
2821
- 58
10
0
16
-3
20
4
23
25
8
0
-313
-342
-350
-400
Tempo (gg)
C.V. (100Kg/mc)
D1 40-40-20 (7Kg/mc)
D1 30-30-40 (7Kg/mc)
C.V. (100Kg/mc) + D1 40-40-20 (7,5Kg/mc)
C.V. (100Kg/mc) + D1 30-30-40 (7Kg/mc)
C.V. (100Kg/mc) + D1 30-30-40 (7Kg/mc) + D1 Rapido (0,5Kg/mc)
Tal Quale 1 (Riferimento a secco)
Tal Quale 2 (alta Um.Relativa)
36
3
4
all’annullarsi (essenzialmente) dei fenomeni di variazione volumetrica (t.fin). Un doppio film plastico
avvolge il provino (ad esclusione delle zone di contatto delle 4 sonde) sulle facce laterali del cubetto
(riferimento test tipo B della norma UNI). L’umidità relativa e la temperatura sono controllate da stazioni
meteorologiche (generalmente si esegue il test in aria utilizzano i seguenti parametri : UR 50% +/- 2% e
temperatura 20 +/- 2 °C). Il test potrebbe anche essere eseguito immergendo il provino totalmente in
acqua (riempimento della vasca) o variando le condizioni di temperatura/U.R. . Il test consente di
monitorare dal tempo t.0 gli spostamenti volumetrici del calcestruzzo (tempo t.0 pari generalmente a 4 ore
dal getto). L’apparecchiatura prevede la possibilità di inserire una ulteriore sonda per monitorare gli
spostamenti rispetto all’asse z. Per i test di micro-espansione/micro-ritiro si confezionano elementi un
calcestruzzo di maggiori dimensioni (ad esempio 300x300x50 mm, etc.).
4
Metodo de’ Gennaro
SAMPLE 1:
dimensioni 50 x 50 x 50 mm
(durata misura 143h)
Test sperimentale di “macro-espansione”
Dosaggio al 20% di DRY NORMALE rispetto al cemento
Data: Gennaio 2012
(durata misura 143h)
4
I ricercatori del Dipartimento di Scienze della Terra hanno interagito con i tecnici degli impianti della
Chimica Edile per far formulare diverse tipologie di “agenti micro-espansivi e compattanti” in base alle
necessità scientifiche e tecniche del progetto (“calcestruzzi a stabilità volumetrica controllata con iniziale
azione micro-espansiva di compattazione e di accelerazione/potenziamento delle attività pozzolaniche”).
Una finalità primaria della ricerca è quindi stata quella di rispettare l’ipotesi di formulare un calcestruzzo
con stabilità volumetrica “controllabile” (res extensa), ovvero di un calcestruzzo che dalla sua nascita al suo
esercizio non subisce “turbative strutturali/meccaniche/chimiche” e in generale “traumi” a causa di
instabilità volumetriche; tale ipotesi è da riscontrare dall’istante della fine della miscelazione, ovvero dal
tempo t.0 di getto, dopo qualche ora, alcuni giorni, alcune settimane, alcuni mesi e… anni: minimizzazione
di“espansione/ritiro” e della “variazione volumetrica”; tuttavia sembrerebbe lecito e razionale affermare
che in fase plastica e semi-plastica del calcestruzzo ancora “fresco” o “semi-fresco” una sua sensibile
espansione provocherebbe come innanzi descritto un positivo affetto compattante e rinforzante del
calcestruzzo (diminuzione delle porosità e maggiore contatto fra le facies), cioè ancora in fase di presa e
primo indurimento (Self Compressing Concrete + Shrinkage Free Concrete = SCompresC+ShFC ). Le
domande sono state fin dall’inizio della ricerca: ma quale è il valore ottimale di questa micro espansione e
per quanto tempo deve essere imposta questa micro espansione? Unica metodologia per dare risposta è
stato il monitorare costantemente questo fenomeno (dalla fase di getto alla presa ed indurimento), proprio
dall’istante del getto (t.0) e seguendo la sua evoluzione cronologica (instabilità/stabilità volumetrica) del
diagramma “Epsilon/t” in base ai dosaggi ed alla tipologia di formulato fornito dalla Chimica Edile. E’ stata
così realizzata una speciale apparecchiatura messa a punto dal Dipartimento di Scienze della Terra
(cubetto/piastra di calcestruzzo in casseforme non vincolate e quindi libere di espandere/ritirare nello
spazio in aria o in acqua, Test poi denominato Espansione/Ritiro secondo il Metodo De Gennaro) nonché
comparando tali risultati con quelli determinabili applicando gli standard internazionali per test di
ritiro/espansione contrastata (normative UNI/ASTM).
Test
ritiro-espansione
UNI 8148
UNI 8148
UNI 8149
UNI 8149
ASTM C878
Metodo
A - contrastata
B – contrastata
A – contrastata
B – contrastata
de’ Gennaro
Dim. cls (mm)
240x80x80
240x80x80
240x80x80
240x80x80
50x50x50
70x70x70
100x100x100
150x150x150
In Cassaforma prima
stagionatura
8 ore 20°C UR 95%
8 ore 20°C UR 95%
8 ore 20°C UR 95%
8 ore 20°C UR 95%
4 ore in cassaforma
Seconda
stagionatura
H20+Ca(OH)2
2 film polietilene
H20+Ca(OH)2
2 film polietilene
in aria o in acqua
Temperatura e UR
assegnate
6 ore 23°C
7 giorni
Altra
stagionatura
Note:
Max espansione c.
Min espansione c.
Max espansione c.
Min espansione c.
Senza armatura e
monitoraggio
continuo
ASTM 157
CONTROLLARE E COMPLETARE QUADRO NORMATIVO SUI TEST ESPANSIONE RITIRO E TIPO STAGIONATURA
in acqua, in calce o in ari e paragoni con Metodo De Gennaro
Nel seguito si distinguono e analizzano 3 tipologie di formulati micro-espansivi della Chimica Edile: a rapida
azione, a normale azione e a lenta azione che hanno consentito alla ricerca di finalizzare, specializzare e
affinare le sue applicazioni.
Tipologia di DRY
FASE DELLA RICERCA
Dosaggio 1.a fase ricerca
Dosaggio 2.a fase ricerca
DRY D1 RAPIDO
DRY D1 NORMALE
1,1%
0,6%
1,1%
0,6%
DRY D1 LENTO
(nuova generazione)
1%
Aggiunta a base di ossidi micro-espansivi a rapida azione espansiva ed effetto compattante e di autocompressione (e.r)
L’inserimento nel MIX di aggiunte micro-espansive (e.r) a base di ossido di calcio comporta come noto la
seguente reazione:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Reazione che coinvolge “subito” e “integralmente” le particelle fini di ossidi altamente reattive (prima
quelle di qualche micron e poi negli spessori esterni quelle di qualche centinaio di micron), prodotte e
commercializzate dal gruppo CHIMICA EDILE con il nome di “DRY D1 Rapido”, questi ossidi hanno anche il
vantaggio di avere un pH elevato (>12) che aiuta la durabilità e protezione dell’armatura in ambiente
positivamente alcalino. La ricerca e le varie attrezzature messe a punto hanno consentito di determinare il
formulato ottimale e la percentuale efficiente di dosaggio rispetto al cemento, inferiore all’1% (e.r/c). Come
noto alcuni dei benefici dell’impiego di tali additivi è di non comportare ulteriore formazione di ettringite e
che i fenomeni di espansione si manifestano nel brevissimo termine (dal momento dell’impasto fino a circa
48 ore), poi completamente cessando ogni azione dopo pochi giorni (la temperatura ovviamente influisce
fortemente sull’innesco dei tempi di reattività). Ma al tempo stesso, l’aspetto negativo -se ci si affidasse
solo a questa tipologia di agente espansivo- è quello poi di perdere questa espansione o ridurla
notevolmente a seguito del ritiro igrometrico in ambiente non saturo di acqua (ovvero non in acqua, non in
ambienti controllati con U.R. prossima al 90% o in fase di rimozione di teli umidi e magari termo riscaldati
d’inverno) e di non essere “efficaci” per controllare il ritiro autogeno del calcestruzzo (cioè quello
misurabile in immersione in acqua). Questa tipologia di additivi prodotti dalla Chimica Edile ha tuttavia il
vantaggio di entrare in azione (micro-espansione immediata) sin dal tempo di impasto e nei giorni di
transizione e della prima genesi del calcestruzzo fresco: fluido -> semi-fluido -> plastico-> semisolido, di
essere facilmente miscelabili e diffondibili nella massa dell’impasto (grazie alla grana fine delle sue
particelle ed alla loro capacità di diffondersi nella massa senza flocculare per l’azione del superfluidificante) e di essere sufficientemente poco sensibili alle temperature esterne miti, rigide e fredde (alta
reattività che ovviamente aumenta notevolmente con il caldo). Questi agenti espansivi basati sulla reazione
fra acqua e “particelle finissime e porose” di ossido di calcio sono decisamente più rapidi e diretti rispetto a
quelli a base di solfo-alluminati con formazione di ettringite primaria (sale di Candlot) o rispetto agli ossidi
di magnesio. Gli ossidi di calcio tendono ad espandere molto più velocemente ed autonomamente rispetto
a quelli basati sulla formazione di ettringite (ovvero trisolfo-alluminato di calcio idrato,
3CaO•Al2•3CaSO4•32H2O che è una molecola di sale espansivo che necessita per formarsi di ben 32
molecole di acqua). Pertanto gli ossidi di calcio sono più graditi dai tecnici e dal mercato rispetto a quelli a
base di solfo alluminati ma hanno una azione espansiva decisamente “rapida” e “breve”, ovvero limitata nel
tempo (estrinsecando l’azione espansiva nell’impasto e arrivando al massimo fino a 2÷3 giorni). Per
annullare idealmente il ritiro finale del cls (compensato dalla forte espansione finale) comporterebbero
eccessivi dosaggi (in parte vanificati con il forte caldo, temperature maggiori a 25-30°C) e soprattutto
fenomeni di forte non stabilità dimensionale e volumetrica, espansione “eccessiva” iniziale e perdita di tale
espansione nel lungo termine con turbative volumetriche in termini assoluti analoghe numericamente a
quelle del ritiro (diverse centinaia di micron: 300÷600 μm) anche se, beneficamente, di segno opposto
4
Tabella – Studio Mix Design degli “agenti espansivi” DRY per calcestruzzi con CEM 52,5 R dosato a 320
kg/m3. I dosaggio sono espressi in percentuale rispetto al cemento. Per dosaggi elevati di cemento le % DRY
D1 possono essere opportunamente ridotte dopo campagna di test.
A) alla sua temperatura di cottura, ai suoi tempi di cottura, alla finezza dei suoi granuli (curva
granulometrica e processo di macinazione) e alla sua porosità accessibile all’acqua (caratteristiche
del formulato e parametri assegnati negli impianti computerizzati del gruppo Chimica Edile).
B) alla temperatura esterna, alla U.R., al tipo di stagionatura/scasseratura del calcestruzzo
C) alla combinazione e tipologia di additivi abbinati (superfluidificanti, etc.);
D) ad altre condizioni esterne al contorno (tipo e dosaggio cemento, tipo e dosaggio additivi,
disposizioni e quantità armature, finezza e morfologia inerti, presenza di ceneri volanti e microfiller, a/c, mix design, etc.)
Di seguito si riporta il grafico ad andamento lineare, relativo alla variazione della crystal size (nm) in
funzione della temperatura (range da 900°C a 1400°C), eseguita su un campione di roccia calcarea.
La reazione
chimica, in seguito alla quale si ha l’espansione, avviene all’interfaccia “acqua – solido”, quindi se si
riducono le dimensioni delle particelle solide dell’agente espansivo e si incrementa la sua porosità
superficiale si tende ad aumentare la superficie esposta all’azione dell’acqua e quindi “la velocità” della sua
reazione (espansiva). La conseguenza è un’accelerazione generale del processo espansivo ma una minor
durata dell’effetto espansivo nel tempo (il calcestruzzo espande troppo rapidamente nei primi giorni per
poi ritirarsi/contrarsi e perdere buona parte della sua espansione in pochi giorni come tanti piccoli palloni
che si gonfiano immediatamente nel neo-nato calcestruzzo). Nello stesso modo, se un agente espansivo è
sottoforma di granuli porosi accessibili all’acqua, esso diventa più facilmente idratabile mentre se i suoi
granuli sono meno fini, senza eccessive porosità in comunicazione con l’esterno ovvero grossi e densi, essi
sono più difficilmente idratabili, reagendo così più lentamente e con maggiore tenacità. Il grado di
macinazione, la porosità dei granuli e la densità degli agenti espansivi (CaO), sono così parametri
“regolabili” dal suo produttore Gruppo Chimica Edile variando la temperatura di cottura della materia
prima impiegata, il ciclo di cottura, il tempo di cottura, la tipologia di materiale (miscela selezionata di
calcari ed altri elementi minerali estratti e selezionati nelle Ande) e ovviamente le sue curve
granulometriche pre/post cottura. Altresì il produttore può ulteriormente ritardare il fenomeno di
idratazione-espansione dell’agente espansivo ricoprendo i granuli (adsorbimento) con un idoneo polimero
4
(espansione). Ulteriori parametri che influenzano la velocità e la durata del fenomeno espansivo dell’ossido
di calcio “rapido” sono proporzionali:
Per sopperire alle problematiche e note criticità dei normali agenti espansivi (rapidi) a base di ossido di
calce -innanzi evidenziate- si è dovuto ricorrere all’impiego nel MIX DESIGN di ulteriori agenti microespansivi ad azione compattante e a lenta e tenace azione micro-espansiva prodotti appositamente dalla
Chimica Edile per le finalità della ricerca del Dipartimento di Scienze della Terra e meglio illustrati nei
seguenti paragrafi. Tali ulteriori agenti espansivi possono affiancare gli additivi ad azione rapida ed
immediata, già conosciuti da diversi anni agli studiosi ed al mercato.
Ai fini del calcolo del dosaggio rispetto al peso del Cem I 52,5R, il quantitativo utilizzato per il MIX n°10 (A4)
a base di 320 kg di CEM I 52,5R risulta di DRY D1 R (rapido) è stato ricavato ad esempio come segue:
e.r = 0,06 x 320 = 1,92 kg
Aggiunta a base di ossidi compattanti ed a azione espansiva normale ( e.n)
L’aggiunta ed il relativo dosaggio degli additivi compattanti ad azione normale e a ponderata azione (da 1 a
7 giorni) antiritiro igrometrico e autogeno (e.n) a base di miscele di ossidi di calcio sono state effettuate e
ponderate nel rispetto dell’ipotesi di riscontrare ritiri o espansioni (ShFC = Shrinkage Free Concrete)
prossimi allo zero anche a medio/lungo termine e di incrementare i valori della resistenza a compressione
per effetto della diminuzione di porosità del conglomerato ed aventi azione di acceleranti e valorizzanti
delle attività pozzolaniche in caso di aggiuntivi pozzolanici (inerti vulcanici, ceneri volanti, micro - silice, silca
fume, etc.) come nel seguito illustrato. L’innesco del fenomeno di espansione di tali ossidi è più lento e
prolungato rispetto a quelli precedenti (rapidi) e la loro forza è decisamente superiore, il quantitativo deve
essere adeguato per sopperire alla dimensione dei granuli ed alla loro maggiore densità. La ricerca ha
monitorato i diagrammi Epsilon/t con speciali apparecchiatura messa a punto dal Dipartimento di Scienze
della Terra nonché comparando tali risultati a quelli determinabili applicando le normative UNI 8146, 8147,
8148, ASTM C157, C878, ACI 223R e UNI 6555. La ricerca ha consentito di determinare per i MIX testati una
percentuale di dosaggio ottimale inferiore all’1% (e.n/c).
Ai fini del calcolo del dosaggio rispetto al peso del Cem I 52,5R, il quantitativo utilizzato di DRY D1 Normale
(normale) per il MIX n°10 (A4) a base di 320 kg di CEM I 52,5R risulta:
e.n = 0,06 x 320 = 1,92 kg
Aggiunta a base di ossidi speciali a lenta azione espansiva ( e.L)
L’aggiunta ed il relativo dosaggio degli additivi a lentissima e ritardata azione espansiva (generalmente da 7
a 28 giorni) ovvero mitiganti i fenomeni del ritiro alle lunghe scadenze (e.L) a base di miscele di ossidi di
calcio ed altre aggiunte minerali sono stati effettuati e ponderati nel rispetto dell’ipotesi di riscontrare ritiri
o espansioni (ShFC = Shrinkage Free Concrete) prossimi allo zero anche a lungo termine e di incrementare i
valori della resistenza a compressione per effetto della diminuzione di porosità del conglomerato e di micro
fessure da ritiro nel calcestruzzo indurito, fragile e quasi del tutto disidratato, monitorando i diagrammi
Epsilon/t con speciali apparecchiature messa a punto dal Dipartimento di Scienze della Terra nonché
comparando tali risultati a quelli determinabili applicando le normative UNI 8146, 8147, 8148 e ASTM C157,
C878, ACI 223R e UNI 6555. La ricerca ha consentito di determinare una percentuale di dosaggio prossima
all’1% (e.L/c). Il quantitativo deve essere maggiore per sopperire alla grande dimensione dei granuli ed alla
loro elevata densità e bassa reattività.
Ai fini del calcolo del dosaggio rispetto al peso del Cem I 52,5R, il quantitativo utilizzato di DRY D1 L (lento)
per il MIX n°10 a base di 320 kg di CEM I 52,5R risulta:
4
(ritardante) e con processi di sinterizzazione multipla. Il prodotto principale derivante dall’idratazione della
parte di ossido di calcio è quindi una “Portlandite” ad hoc che potrà intervenire intelligentemente,
proficuamente, massivamente e temporalmente nelle varie fasi di genesi del calcestruzzo e anche in
presenza di attività pozzolaniche all’interno del calcestruzzo.
Miscelazione e sinergia degli ossidi speciali a azione espansiva e compattante ( e.r+e.n+e.L)
Dopo aver studiato gli effetti dei singoli agenti ad azione espansiva, la ricerca ha messo punto il migliore
dosaggio combinando fra loro l’azione degli 3 agenti espansivi al fine di ottimizzare la loro azione sinergica
in funzione del MIX DESIGN e delle condizioni al contorno ed esterne.
Si evidenzia che la tipologia di cemento può influenzare e variare sensibilmente l’azione micro-esoanssiva e
compattante delle linea di additivi DRY D1.
Aggiunta di minerali attivi pozzolanici e fillerizzanti (cv & rvm)
Nel rispetto UNI EN 12620, UNI EN 450, UNI EN 197 e UNI EN 11104, UNI EN 206, come illustrato nella
premessa sono stati impiegati due tipologie di minerali attivi aventi comunque adeguata reperibilità nel
mercato a costi contenuti:
cv = ceneri volanti ad attività pozzolanica e con prestazioni di migliorare la lavorabilità dell’impasto e
ottimizzare la curva granulometrica degli inerti, dosaggio massimo utilizzato prossimo o minore al 33% del
dosaggio di cemento (Cem 52,5R) al fine di garantire il bilanciamento minimo con una quantità di idrossido
di calcio e di acqua idonea ad attivare “l’aggiunta pozzolanica” .
rvm: rocce vulcaniche macinate ad attività pozzolanica e termica (aggiunta classificata come tipo II),
dosaggio medio pari all’8% del cemento utilizzato e comunque sempre minore al 33% del dosaggio di
cemento (Cem I 52,5R) al fine di garantire il bilanciamento minimo con una quantità di idrossido di calcio e
di acqua idonea ad attivare “l’aggiunta pozzolanica” ; nonché silica fume , meta caolino, etc.
Nel progetto di ricerca, l’aggiunta di tali minerali attivi è stata eseguita sia in forma combinata sia separata,
ovvero sono stati utilizzati distinti MIX senza aggiunta di minerali attivi (nota: solo inerti calcari nella fase 1),
con aggiunta solo di Ceneri Volanti o solo Rocce Vulcaniche Macinate/SIlica Fume/Metacaolino (fase 2) e
MIX con aggiunta ponderatamente combinata di Ceneri Volanti + Rocce Vulcaniche macinate (fase 3 in
corso) al fine di avere parametri di comparazione ben chiari per una corretta analisi “costi/benefici”.
Ai fini della determinazione del contenuto di cemento per m3 (UNI 11104:2004 per l'applicazione in Italia
della EN 206), si verifica rispettivamente quanto segue:
cv/c < 0,33
cv/c = 100/320 = 0,31 < 0,33
c.tot = c.eq = c (Cem 52,5R) + 0,33 cv = 320 + 0,33x100 = 320 + 33 = 353 = ~ 350 kg/m3
Per quanto riguarda l’analisi delle dimensioni, forme e caratteristiche di porosità delle particelle (sfere
chiuse, cenosfere e pleurosfere con porosità accessibili) delle aggiunte minerali pozzolaniche e fillerizzanti
(cv e rvm) il microscopio elettronico ha caratterizzato le specificità dei due distinti materiali, evidenziando
la maggiore finezza e rotondità della cenere volante (industriale) rispetto alle rocce vulcaniche macinate e
disponibili attualmente.
4
e.L = 0,10 x 320 = 3,20 kg
4
Figura: Confronto tra le distribuzioni granulometriche Laser di cenere nativa, cenere micronizzata, cemento
Portland 42.5 e 52.5, fume di silice (tal quale e disaggregato).
MONITORAGGI SEM COMPORTAMENTO POZZOLANICO (in corso, a partire dal 16 luglio)
SEZIONE SOTTILE (in corso, a partire dal 16 luglio)
La roccia vulcanica macinata presenta particolari capacità termiche per la presenza di zeoliti ed è in grado
sensibilmente di influenzare la temperatura del calcestruzzo fresco . La temperatura di un calcestruzzo
fresco è fortemente influenzata dalla temperatura esterna ma soprattutto dalla temperatura dei suoi
elementi, generalmente calcolata come segue.
t.cls = 0,70 t.inerti + 0,20 t.acqua + 0,10 t.cemento
4
Micrografia al SEM (ingrandimenti a x2000 e x500) del MIX Elementare (Tal Quale + DRY 2,2%+Ceneri
Volanti 30%) in una zona ricca di microsfere di Cenere Volante.
Protocollo di ricerca e di esecuzione dei test
TEST
Resistenza a compressione
Resistenza a trazione
Densità
Espansione-Ritiro
Classe consistenza (SLUMP)
SEM, SEM-EDS su sez sottili
Dif. Raggi X
Porosimetria al mercurio
Assorbimento acqua press. Atm.
Ultrasuoni
RIFERIMENTO NORMATIVO NOTE
UNI 12390-3
Campioni 15x15x15, 10x010x10, etc
UNI 12372
UNI
UNI 8148 – Metodo b
UNI 206-1
UNI EN 13755
Rck (MPa) = resistenza a compressione per schiacciamento di provini cubici di dimensioni 15x15x15,
10x10x10 e 7x7x7 cm di impasti di calcestruzzi e di miscele elementari (cemento+acqua+additivi+ minerali
attivi ovvero in assenza di aggiunta degli inerti). Le resistenze sono state determinate a 1 giorno, 7 giorni,
28 giorni (stagionati in acqua). Le temperature di stagionatura sono state 3 (fredda, temperata, calda) al
fine di comprendere la sensibilità dei dosaggi e degli effetti dei vari componenti al variare della
temperatura.
Foto: Telaio (carico massimo 3000 kN) utilizzato per la determinazione della resistenza a compressione
(Dipartimento di Scienze della Terra – Università degli Studi di Napoli Federico II).
4
Le attrezzature del laboratorio del Dipartimento di Scienze della Terra e di altri laboratori ad esso collegati
hanno consentito di determinare, controllare e monitorare nel tempo i test indicati nella tabella che segue.
4
Foto: Telaio (carico massimo25kN) utilizzato per la determinazione della resistenza a trazione
(Dipartimento di Scienze della Terra – Università degli Studi di Napoli Federico II).
Foto: SEM (Scanning Electron Microscope) mod. Jeol JSM 5310 (CISAG, Napoli).
4
Foto: Porosimetri a mercurio Thermo Finnigan della serie Pascal 140, 240 e 440 (Dipartimento di Scienze
della Terra – Università degli Studi di Napoli Federico II).
Foto: Diffrattometro automatico Panalytical X’Pert PRO PW 3040/60 con detector RTMS X’celerator e unità
MPD PW 3710 (Dipartimento di Scienze della Terra – Università degli Studi di Napoli Federico II).
Riepilogo e discussione dei primi risultati della ricerca
MIX: “Cem I 52,5 R a 320 kg/m3+ CV a 100 kg/m3+ DRY D1 L/N/R al 2,2%+ SUPER FLUIDIFICANTE all’1%”
ELEMENTI:
INERTI
CEMENTO I 52,5 R
FLUIDIFICANTE
DRY D 1 RAPIDO/COMPACT
DRY D 1 NORMALE/COMPACT
DRY D 1 LENTO
CV
RMV
ACCELERANTE
ACQUA:
ACQUA PER IL CEMENTO
ACQUA PER LE CENERI VOLANTI
Kg/m3
1.950,00
320,00
3,20
1,92
1,92
3,20
100,00
Note:
Sabbia + risotto + ghiaia
1% rispetto al cemento
0,6% rispetto al cemento
0,6% rispetto al cemento
1% rispetto al cemento
Uso alternativo
Clima freddo (da 1% all’1,5%)
134,00
16,00
a/c = 0,41÷0,43
k = 0,40 x a/c
4
La ricerca ha consentito di mettere a punto alcuni possibili MIX DESIGN finali ad elevata competitività
tecnico-economica per l’industria della prefabbricazione e dei calcestruzzi prestazionali, ed interessanti
spunti per l’impiego di additivi di nuova generazione . La minimizzazione del ritiro comporta, come è noto,
una serie notevole di vantaggi sia per l’assenza di fessure, sia per il diverso comportamento delle armature
(specialmente se pre-tese), un conseguente incremento della durabilità del calcestruzzo e la riduzione degli
effetti differiti di calcestruzzi a base di micro-fillers. La presenza di materiali pozzolanaci (combinati con gli
ossidi di calcio in questione) oltre a far incrementare le resistenze meccaniche nel breve e medio termine,
aiuta a migliorare la microstruttura del calcestruzzo (per la drastica trasformazione di Portlandite in fibre CS-H). I fenomeni di micro-espansione riducono positivamente la permeabilità e la porosità dei calcestruzzi,
altresì garantendo stabilità volumetrica evitano stress, turbative e traumi al calcestruzzo per effetto del
ritiro igrometrico e di coazioni per iperstaticità interna ed esterna del c.a. e del c.a.p.
Il tutto consente di confezionare attraverso le sinergie e le armonizzazioni degli additivi e aggiuntivi studiati,
calcestruzzi decisamente “prestazionali, durevoli e economicamente concorrenziali”.
Test di Porosimetria al mercurio
4
Tra le varie possibili tecniche di misura dei pori, quelle di intrusione di mercurio e di
adsorbimento/desorbimento di gas sono le tecniche più usate.
La porosimetria a mercurio è una tecnica sviluppata da Ritter e Drake nel 1945 che consente di
misurare le dimensioni e la distribuzione dei macropori e mesopori in sostanze solide porose ( cfr. figura
che segue).
Figura: Campi di misura delle tecniche di intrusione di mercurio e di adsorbimento/desorbimento di gas.
La tecnica si basa sulla proprietà del mercurio di comportarsi da liquido non-bagnante con una
grandissima varietà di solidi. Grazie a questa caratteristica il mercurio penetra attraverso i pori aperti di un
campione solido sotto l’effetto di una pressione crescente.
Il raggio dei pori penetrati è inversamente proporzionale alla pressione esercitata secondo una
relazione proposta da Washburn:
P = (2γcos Θ)/r
Dove:
P = pressione assoluta esercitata; r = raggio del poro; γ = tensione superficiale dell’Hg (48mN/m²); Θ =
angolo di contatto (141,3°).
In cui alcune assunzioni sono da tenere in considerazione:
I.
La tensione superficiale del mercurio e l’angolo di contatto con il solido sono costanti durante
l’analisi (come valore medio viene preso 480 dynes/cm);
II.
La pressione d’intrusione deve essere all’equilibrio;
III.
I pori sono considerati di forma cilindrica;
IV.
Il solido non si deforma sotto l’effetto della pressione;
V.
L’angolo di contatto (preso come 141,3°) dipende dalla natura del campione e può pertanto essere
considerato solo come valore medio desunto da misure realizzate su un grande numero di campioni i cui
valori sono compresi tra 125° e 152°.
In aggiunta a queste approssimazioni, si deve assumere inoltre che la natura delle sostanze porose e la
forma del poro rimangano costanti per tutto l’intero range di pressione applicata durante l’analisi.
I dati sperimentali per il calcolo della distribuzione dei pori in funzione del loro raggio sono stati
ottenuti dalla quantità di Hg penetrata nei pori del campione e la pressione di equilibrio alla quale avviene
l’intrusione.
L’analisi è stata realizzata tramite due apparecchiature della Thermo Finnigan denominate PASCAL 140
e 440. Il loro impiego combinato, ha reso possibile il raggiungimento di una pressione massima di esercizio
pari a 400MPa, con un’accuratezza migliore dello 0,2%, fornendo, su un frammento di campionedi pasta di
cemento, l’istogramma di frequenza della distribuzione del volume dei pori in funzione del raggio con i
seguenti risultati:
Volume specifico dei pori; Superficie specifica; Raggio medio dei pori; Porosità percentuale; Densità di
massa (Bulk Density-BD); Densità apparente.
Porosimetria al mercurio di frammento di campione di pasta di cemento con CEM 52,5 R + DRY+ Cenere
Volante
4
I test di porosimetria a mercurio sulle predette paste elementari di cemento hanno evidenziato le differenti
distribuzione del raggio dei pori, in particolare per la pasta di cemento 0 (tal quale) e la pasta di cemento 1
(tal quale + ESPANSIVO) la distribuzione è bimodale con una concentrazione prevalente verso i meso-pori
ed un addensamento più limitato fra i macro e meso pori.
La pasta di cemento 3 (con aggiunta al tal quale di ESPANSIVO e CENERE VOLANTE) presenta una
distribuzione unimodale con concentrazione delle dimensioni dei pori nella fascia più piccola dei mesopori
(figura XX) a conferma di una maggiore omogeneità della massa e della microstruttura con evidenti
incrementi della resistenza meccanica.
MIX CALCESTRUZZO
Cem 320 kg/m3
TAL QUAL
TAL QUALE + DRY
TAL QUALE + CV
TAL QUALE + DRY+CV
COEFFICIENTE MEDIO
ASSORBIMENTO H2O
3,00-3,10-3,20
2,77-2,87-2,97
2,84-2,94-3,04
2,58-2,68-2,78
Foto – Test di assorbimento di acqua
NOTE
MIX 0
MIX 1
MIX 2
MIX 3
4
TEST di Assorbimento di Acqua a pressione atmosferica - UNI 13755
Test VELOCITA’ ULTRASONICA
TAL QUAL
TAL QUALE + DRY
TAL QUALE + CV
TAL QUALE + DRY+CV
VELOCITA’ MEDIA
m/sec
(20 giorni)
(campioni essiccati)
4.700-4.900
4.700-4.900
4.600-4.800
4.800-5.000
Foto – Test ultrasuoni su cubetto 15x15x15
VELOCITA’ MEDIA
m/sec
(25 giorni)
(campioni saturi)
5.000-5.200
5.000-5.200
5.000-5.100
5.100-5.300
VELOCITA’ MEDIA
m/sec
(28 giorni)
(campioni essiccati)
5.000-5.250
5.000-5.250
5.000-5.100
5.100-5.250
NOTE
CLS MIX 0
CLS MIX 1
CLS MIX 2
CLS MIX 3
4
MIX CALCESTRUZZO
TEST DI RESISTENZA A COMPRESSIONE PER SCHIACCIAMENTO – UNI 12390-3
Resistenza a compressione a 1 giorno (20°C di temperatura ): 38 MPa
Resistenza a compressione a 7 giorni (20° C di temperatura in acqua): 56 MPa
Resistenza a compressione a 14 giorni (20° C di temperatura in acqua ): 66 MPa
Resistenza a compressione a 28 giorni (20°C di temperatura in acqua): 70 MPa
MIX A3: 320 kg/m3 di CEM I 52,5 + 100 kg/m3 di CV
Resistenza a compressione a 7 giorni (20° C di temperatura in acqua): 42,5 MPa
MIX A2: 320 kg/m3 di CEM I 52,5 + 7 kg/m3 di DRY (TAL QUALE + DRY)
MIX A1: 320 kg/m3 di CEM I 52,5 (TAL QUALE)
Tabella
SVILUPPO RESISTENZE CLS A CONFRONTO
(MIX 320 Kg Cem con distinti dosaggi CV e Dry)
70
95,0
Rck (MPa)
105,0
100,0
95,0
90,0
85,0
80,0
75,0
70,0
65,0
60,0
55,0
50,0
45,0
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
MIX A2:CEM320+
DRY
56
65
33,0
38
36,5
37
41
45
42,5
MIX A1:CEM320
62
46
49
MIX A3:CEM320+
CV100Y
29
MIX A4:CEM320+
CV100+DRY
1
7
giorni
28
4
MIX A4: 320 kg/m3 di CEM I 52,5 + 100 kg/m3 di CV + 7,5 kg/m3 di DRY D1 NEW GENERATION
TEST di “RESISTENZA a TRAZIONE” per Flessione - UNI 12372
4
MIX DESIGN DI CALCESTRUZZI con 320 kg/m3 di CEM I 52,5 R
Giorni di maturazione (in acqua)
5 giorni
7 giorni
14 giorni
21 giorni
28 giorni
MIX TAL QUALE+CV (MPa)
MIX TAL QUALE+ CV + DRY (MPa)
6.15
TAL QUALE (MPa)
6.98
7.41
TEST “ESPANSIONE-RITIRO” - UNI 8148 – Metodo B
Ritiro/Espansione UNI a 1 giorno (20°C di temperatura e UR 50-60% ): + 60 micron
Ritiro/Espansione UNI a 7 giorni (20° C di temperatura e UR 50-60%): + 20 micron
Ritiro/Espansione UNI a 14 giorni (20° C di temperatura e UR 50-60%): 0 micron
Ritiro/Espansione UNI a 28 giorni (20° C di temperatura e UR 50-60%) – 20 micron
MIX CEM 52,5 a 320 kg/m3 + CV 100 kg/m3
Ritiro/Espansione UNI a 1 giorno (20°C di temperatura e UR 50-60% ): -70 micron
Ritiro/Espansione UNI a 7 giorni (20° C di temperatura e UR 50-60%): -140 micron
4
MIX CEM 52,5 a 320 kg/m3 + DRY 2,2% + CV 100 kg/m3
A 28 giorni
4
Micrografie, sezioni sottili:
ANALISI TECNICO-ECONOMICA
Dosaggio cemento: l’impiego degli additivi micro-espansivi/compattanti DRY D1 abbinati ed in sinergia a
polveri ad attività pozzolanica comporta un ulteriore incremento delle resistenze a compressione fra il 510%. Tale incremento potrebbe implicare quale ottimizzazione del MIX DESIGN, a parità di resistenza a
compressione, una riduzione del dosaggio del cemento di circa il 5-7%.
Lavorabilità: DRY D1 grazie alla sua finezza, migliora sensibilmente di lavorabilità e slump dell’impasto
fresco. Tale lavvorabilità migliora ancor più se abbinato a polveri fini pozzolaniche.
Dosaggio di DRY D1: la nuova generazione di additivi micro-espansivi/compattanti (stabilità volumetrica
controllata) consente una riduzione fino al 40% di dosaggio di DRY D1 per ottenere la riduzione del ritiro
finale.
Durabilità: il minor assorbimento di acqua, la minor posorosità e l’eliminazione di fessure da ritiro del
calcestruzzi confezionati con DRY D1 incrementa le prestazioni di durabilità.
Resistenza chimica: l’impiego degli additivi micro-espansivi/compattanti DRY D1 abbinati ed in sinergia a
polveri ad attività pozzolanica comporta un ulteriore incremento delle resistenze chimiche.
4
Dosaggio cemento: l’impiego degli additivi micro-espansivi / compattanti DRY D1 comporta un
incremento delle resistenze a compressione fra il 10-15%. Tale incremento potrebbe implicare quale
ottimizzazione del MIX DESIGN, a parità di resistenza a compression, una riduzione del dosaggio del
cemento fra il 5-10%.
Riferimenti normativi
NTC
UNI EN 934-2 e UNI 12350– Additivi fluidificanti
UNI 8146, UNI 8147, UNI 8148 e UNI EN 1992-1-1/Eurocodice 2 + Appendice B - D.M. 14/01/08 par.
11.2.10.6. ASTM C157, C878 e ACI 223R – Agenti antiritiro/espansivi non metallici per impasti cementizi.
Determinazione espansione.
UNI EN 450/2005 – Ceneri Volanti
UNI 13263-3 - MARCATURA CE
UNI EN 12620- Aggregati e aggiunte del calcestruzzo
UNI EN 206–2006 ed UNI 11104-2004 – Durabilità del Calcestruzzo e classi esposizione
UNI 206-1 - Classe di consistenza del calcestruzzo fresco
EN 206-1, UNI EN 932-3,UNI 8520 – Inerti per calcestruzzo
UNI EN 1008 – Qualità acqua nel calcestruzzo
UNI EN 197-1 – Cementi per il calcestruzzo e classificazione additivi/aggiunte
UNI 7123 – Calcestruzzo: determinazione dei tempi di inizio e fine presa.
UNI 12390-3 - Prove su calcestruzzo indurito – Resistenza alla compressione dei provini
UNI EN 196-2 -Determinazione cloruri solubili in acido, tenori in alcali, contenuto SO3, CaO, Al2O3, etc.
UNI EN 196-3 -Tempo inizio presa della pasta di cemento
UNI EN 196-6 -Determinazione della finezza (Residuo su 90 micron m). Metodo di stacciatura.
UNI EN1097-7 -Massa Volumica
UNI 7044-Determinazione della consistenza delle malte.
UNI 12390-8 – Determinazione penetrazione H20
Bibliografia
(1) “MICRO-PORO-MECCANICA APPLICATA ALL'SCC” – MARIO COLLEPARDI, JEAN JACOB OGOUMAH
OLAGOT – Politecnico di Milano – ENCO
(2) “ADDITIVI ESPANSIVI E ANTIRITIRO SENZA CLORURI E SENZA FORMAZIONE DI ETTRINGITE” – ROSSANO
VANNETTI – CHIMICA EDILE
(3) RECENTI SVILUPPO NEL SETTORE DEGLI ADDITIVI PER CALCESTRUZZI – MARIO COLLEPARDI - ENCO
(4) “TECNOLOGIA DELLA CENERE VOLANTE MICRO POZZ PFA” – G.A. – General Admixtures SpA - Rev. 2008
(5) “SI PUO’ GOVERNARE IL RITIRO DEL CALCESTRUZZO ?” – N. URSI – IN CONCRETO N.99 MARZO-APRILE
2011 – ATECAP
(6) “UTILIZZO DI ADDITIVI ESPANSIVI PER FRONTEGGIARE I FENOMENI DI FESSURAZIONE DA RITIRO
TERMICO” – V. ROSSETTI, A. FERRARO, G.RANZO, F. ZENONE, S. ZAMPALETTA – IN CONCRETO N. 88 ATECAP
(7) “CENERI VOLANTI DELL’ENEL DI BRINDISI PER PAVIMENTAZIONI STRADALI “ – prof. Marroccoli – UNIV.
BASILICATA
(8) “CALCESTRUZZI SPECIALI – COLLEPARDI ET ALTRI – MAC”
(9) “IL NUOVO CALCESTRUZZO – M. COLLEPARDI, S. COLLEPARDI, R. TROLI – EDIZ. TINTORETTO – 2009”
(10) “COMPORTAMENTO MECCANICO DEI MATERIALI – P. DAVOLI, A. BERNASCONI, M. FILIPPINI, S. FOLETTI
– MCGRAW-HILL – 2005”
(11) “DEC – M. COLLEPARDI – ENCO SRL – 2011”
(12) "Z come ...... ZONA DI TRANSIZIONE'", Mario Collepardi
(13) “CALCESTRUZZO A RITIRO COMPRENSATO PER STRUTTURE SPECIALI” , ROBERTO TROLI, ENCO 47
(14) Z. Zhibin “Synergistic effect og MgO based expansive agent and shrinkage reducing admixture on
compensating the shrinkage of cementitiuos materials”, 2009
4
Ringraziamenti
TUTTO LO STAFF DELLA CHIMICA EDILE SRL, ing. F. POMPONIO e geom. S: GRUOSSO INPES SPA, Tecnici del
laboratorio del Dipartimento Scienze della Terra, ing. A. PASQUINI della General Admixture, DETTA SPA,
CAIVANO CALCESTRUZZI SRL, Geom. N. ZACCARO,
(16) de’ Gennaro M., Langella A Colellea C, Pansini M. Evoluzione nell’impiego del tufo zeolitizzato: da
materiale lapideo strutturale a ceramico microporoso multifunzionale. Liguori editore
(17) de’ Gennaro M., Franco E., Langella A., Mirra P., Morra V. (1982) Le phillipsiti dei tufi gialli del
Napoletano. Period. Monetal., 287-310.
(18) de’ Gennaro M., Colella C., Franco E., Aiello R. (1983) Italian zeolites 1. Mineralogical and technical
features of neapolitan yellow tuff. Industrial Minerals, 186, 46-53.
(19) de’ Gennaro M., Colella C., Aiello R., Franco E. (1984) Italian zeolites 2. Mineralogical and technical
features of Neapolitan campanian tuff. Industrial Minerals, 204, 97-109.
(20) de’ Gennaro M., Franco E., Rossi M., Langella A., Ronca A. (1987) Epigenetic minerals in the
volcanoclastic deposits from central-southern Italy: a contribution to zeolite genesis. Rend. Acc. Sc. Fis.
Mat. in Napoli, Special Issue, 107-131.
(21) de’ Gennaro M., Petrosino P., Conte M. T., Munno R., Colella C. (1990) Zeolite chemistry and
distribution in a neapolitan yellow tuff deposit. Eur. J. Mineral.,2, 779-786.
(22) de’ Gennaro M., Lagella A. (1996) Italian zeolitized rocks of technological interest. Mineral. Deposita,
451-472.
(23) de’ Gennaro M., Incoronato A., Mastrolorenzo G., Adabbo M., Spina G. (1999) Depositional mechanism
and alteration processes in different types of pyroclastic deposits from Campi Flegrei volcanic field
Southern Italy: J. Volcanol. Geotermh. Res. 91, 303-320.
(24) de’ Gennaro M., Calcaterra D., Cappelletti P., Langella A., Morra V. (2000) Building stone and related
weathering in the architecture of the ancient city of Naples, Journal of Cultural Heritage, 399-414.
(25) de’ Gennaro M., Cappelletti P., Langella A., Perrotta A., Scarpati C. (2000) Genesis of zeolites in the
Neapolitan Yellow Tuff: geological, volcanological and mineralogical evidence, Springer-Verlag, 17-35.
(26) M. Fernanda Diatz - “Disminucion de la Retracion Quimica con additivo DRY D1 en pasta de cemento
blanco” - Colombia – Laboratorio I & D ARGOS - Anno 2011
4
(15) de’ Gennaro M., Langella A., Cappelletti P., Di Bartolomeo P. Valutazione tecnica di tufi zeolitizzati
provenienti da depositi dei Lazio settentrionale. 1.caratterizzazione di base. Atti 3 congresso nazionale
AIMAT 1996.

4 CONFEZIONAMENTO DI CALCESTRUZZI ad ELEVATE

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