Calcestruzzo indurito
Proprietà principali • durabilità • proprietà meccaniche • scorrimento viscoso (creep)
• proprietà termiche
(a) proprietà meccaniche • la elevata resistenza meccanica del calcestruzzo deriva dalla capacità legante del gelo di cemento, ammasso poroso di prodotti di idratazione (C-S-H) associato a prodotti cristallini e granuli residuidi cemento anidro. • a causa della elevata superficie specifica, tra le particelle di gelo di cemento si instaurano numerosi legami deboli o secondari (idrogeno e Van der Waals) responsabili della resistenza meccanica della pasta di cemento indurita. Tale valore è per questo molto superiore a quello tipico di altri leganti quali gesso e calce.
• Il legame tra gelo di cemento e aggregati in malte e calcestruzzi è di vario tipo: meccanico (interlocking, interbloccaggio) dovuto a compenetrazione tra gelo di cemento e microsperità dell’ aggregato.
formazione di prodotti di reazione all’interfaccia tra aggregato e pasta di cemento
La zona di transizione Di particolare importanza ai fini della resistenza è la zona di transizione che corrisponde alla interfaccia tra la pasta di cemento e gli elementi di aggregato, la cui presenza nel calcestruzzo induce notevoli variazioni nella struttura porosa della pasta indurita formando attorno agli elementi di aggrgegato regioni porose aggiuntive di 15-25 mm. Effetto è particolarmente accentuato per aggregati di dimensioni elevate.
• Queste zone porose dette zone di transizione interfacciali (ITZ) sono caratterizzate anche da una microstruttura diversa dalla pasta di cemento indurita: porosità di maggiori dimensioni, cristalli grossolani di idrossido di calcio ed ettringite. • se è alto il contenuto di aggregati grossi si crea un network di ITZ che accresce la permeabilità del conglomerato limitando molto la durabilità del calcestruzzo.
Curva sforzo-deformazione
Modulo elastico del calcestruzzo
Valore del modulo elastico • Il valore del modulo elastico dipende dai moduli della pasta (Ep) e dell’aggregato (Ea), in base alla relazione, ove Va e Vp sono rispettivamente le frazioni volumiche di aggregato e pasta: 1/E = (Vp/Ep) + (Va/Ea) Il modulo della pasta di cemento,aumenta al diminuire del rapporto a/c, e varia circa tra 7000 e 28 000 N/mm2
Modulo aggregati • Tabella
Resistenza a compressione • Dosaggio • Dmax, diametro massimo dell’aggregato • condizioni di stagionatura
Dosaggio • quantità e tipo dei componenti del calcestruzzo ne determinano le caratteristiche meccaniche • Relazione di Feret
Rc=kl2 l=c/(c+a+v)=1/(1+a/c+v/c) Rc (resistenza a compressione), a (volume acqua), c (volume cemento), v (volume aria inglobata), k (costante dipende tipo cemento, tempo modalità stagionatura, caratteristiche aggregato)
Rc vs rapporto a/c
• Un determinato volume V di calcestruzzo è costituito da a(acqua), c(cemento), v(aria), i(inerte):
V=a+c+v+i •
•
Rc inversamente proporzionale al quadrato del volume di calcestruzzo non occupato dall’aggregato e pari a (V-i)2 su questo si basa la ricerca di una distribuzione granulometrica ottimale dell’aggregato caratterizzata dal massimo peso specifico. Come già detto oltre alla compattezza occore tenere conto della lavorabilità degli impasti. La migliore curva granulometrica è quella che fornisce la migliore combinazione delle due proprietà
Dmax • A pari lavorabilità e dosaggio di cemento, un aumento di Dmax comporta riduzione di acqua, minore rapporto acqua/cemento, ed aumento di resistenza a compressione • per valori elevati di rapporto a/c la resistenza è costante indipendentemente da Dmax, il grosso della pasta ha Rc paragonabile a quello della zona di transizione. Per bassi valori a/c il grosso della pasta indurita ha Rc molto maggiore delle regioni di transizioni che diventano il punto debole del conglomerato, quindi aumentando Dmax crescono le zone di transizione con forte riduzione della Rc
Rc vs Dmax
Condizioni di stagionatura • Condizioni termoigrometriche dell’ambiente influiscono fortemente sullo sviluppo delle resistenze meccaniche del calcestruzzo. •
se umidità relativa è minore del 95 %, la pasta di cemento perde per evaporazione acqua della porosità capillare che non è più quindi disponibile per l’ulteriore idratazione del cemento e lo sviluppo delle resistenze.
•
norme UNI 9858 indica periodi minimi di maturazione umida del calcestruzzoin funzione delle condizioni ambientali e del tipo di sviluppo di resistenza del conglomerato. (es. calcestruzzo a lento indurimento a 5-10 °C, tempo secco e soleggiato, maturazione umida fino a 10 giorni; calcestruzzo a rapido indurimento, a 15 °C, maturazione umida minima 1 giorno)
Creep Deformazione che si manifesta progressivamente nel tempo sotto carico. Un carico costante produce su di un provino di calcestruzzo una deformazione elastica istantanea seguita da una deformazione progressiva nel tempo non completamente recuperable. Per uno sforzo di trazione il creep è un allungamento per uno di compressione è una contrazione. Per il calcestruzzo il creep avviene a T ambiente Il creep può essere considerato positivo poichè capace di ridurre lo stato di tensione di una struttura.
Rimuovendo il carico applicato dopo un tempo abbastanza lungo (6 mesi-1 anno): • la deformazione elastiva viene recuperata istantaneamente, ma il recupero non coincide con la deformazione elastica ma è minore perchè il modulo elastico del calcestruzzo nel frattempo è aumentato per effetto della stagionatura, ad un aumento di E corrisponde una diminuzione della deformazione elastica !
• una parte della deformazione da creep viene recuperata lentamente (recupero) • rimane una deformazione residua permanente (creep)
Durabilità • Capacità di mantenere nel tempo le sue caratteristiche funzionali al livello richiesto. • A seguito di azioni dell’ambiente, in partcolari condizioni di esercizio, o per cause intrinsiche al conglomerato si può manifestare in tempi più o meno lunghi degradazione, cioè alterazioni che ne riducono le caratteristiche funzionali fino a richiedere interventi di ripristino o la messa fuori servizio.
Cause di degradazioni • azione esterna penetrazione di sostanze che causano la corrosione delle armature
attacchi chimici a carico del calcestruzzo da parte dell’ambente
attacchi fisico-meccanici dovuto all’ambiente o al tipo di esercizio • cause intrinseche, conglomerato non progettato per essere durevole porosità, fessure, sostanze nocive negli aggregati…
Permeabilità • Rilevante per quei manufatti che destinati a contenere liquidi. Prevenzione con controllo della modalità di maturazione . • es per un cls ben stagionato con a/c 0.45 bassa permeabilità 10-13 m/s; lo stesso cls lasciato stagionare all’aria avrà permeabilità molto maggiore fino a 10-9 m/s
Attacchi chimici • Pasta di cemento ha scarsa resistenza all’azione di acidi, quindi deve essere protetto dalla loro azione. Acido solforico dalla dissoluzione in acqua delle corrispondenti anidridi provenientei da gas di scarico di carburanti, forma solfato di calcio! Acido carbonico bacini montani, acque con vegetali in decomposizione, reazione con Ca(OH)2, formazione di carbonati, bicarbonati e dissoluzione
Aggressività di un’acqua
Attacchi fisico-meccanici • Cicli gelo e disgelo, congelamento avviene con incremento di volume di circa il 10% • azioni meccaniche che possono danneggiare il cls a seguito di sollecitazioni limitate alla superficie dei manufatti.
