1

2.3 Il calcestruzzo

Il calcestruzzo, detto anche beton di cemento, è un conglomerato costituito da materiali

inerti (sabbia e ghiaia o pietrisco) tenuti insieme e saldati tra loro da una malta di

cemento ed acqua, in modo da dare origine ad una massa monolitica, dura e resistente.

2.3.1 Componenti

2.3.1.1 Acqua

L'acqua deve essere limpida e dolce. Essa non deve cioè contenere materiali in

sospensione, specie sostanze di natura organica o argilloide che potrebbero pregiudicare

una buona aderenza fra i vari costituenti del calcestruzzo, né d'altra parte vi debbono

essere disciolti quantitativi eccessivi di solfati e cloruri, che possono interferire con il

meccanismo di presa e di indurimento del cemento: infatti i carbonati e i bicarbonati

possono accelerare o ritardare la presa, a seconda delle condizioni, mentre i cloruri

accelerano la presa e l'indurimento e possono favorire la corrosione di eventuali

armature. Esistono quindi dei limiti di composizione da rispettare, oltre i quali le

resistenze meccaniche possono esserne influenzate (considerando solo calcestruzzo non

armato).

2.3.1.2 Cemento

Esistono tipi diversi di cemento, adatti per impieghi e usi specifici, ma il più utilizzato

nelle costruzioni è il cemento Portland.

Il cemento Portland è un legante idraulico; esso, impastato con acqua, indurisce all'aria

o nell'acqua e dopo l'indurimento può essere impiegato in forma di malte o calcestruzzi

resistenti all'acqua. Il cemento Portland è il prodotto della macinazione di una miscela

di calce con acido silicico (silicato bicalcico e silicato tricalcico) e composti

eminentemente basici di calce con ossidi di alluminio, ferro, manganese e magnesio.

Esso viene prodotto cuocendo adatte materie prime finemente macinate e intimamente

mescolate fino a parziale fusione e agglomerizzazione (clinkerizzazione). Per essere

adatto all'impiego nelle costruzioni, il cemento Portland deve possedere un complesso

favorevole di proprietà, che gli derivano dal giusto proporzionamento dei composti in

esso formati. Per un impiego privo di inconvenienti, le principali proprietà desiderabili

in un cemento Portland sono le seguenti: tempo di rapprendimento lungo ma non troppo

2

(una o più ore); tempo di indurimento molto breve (una o più decine di ore); elevata

resistenza meccanica; basso calore di idratazione; buona resistenza ad agenti chimici (in

particolare solfati); stabilità di volume; basso tenore di alcali; bassi costi di produzione.

Sfortunatamente alcune di queste proprietà non possono essere ottenute

simultaneamente, pertanto la composizione di un cemento viene scelta in modo tale da

ottenere una combinazione favorevole delle proprietà elencate, anche in vista di

determinati tipi di impiego (Alunno Rossetti V., 1999).

2.3.1.3 Aggregati

2.3.1.3.1 Normativa sugli aggregati naturali

La definizione, la classificazione e le caratteristiche fisiche, fisico-chimiche,

meccaniche e geometriche degli aggregati normali composti da materiali lapidei naturali

sono contenute nella norma UNI 8520, sostituita dalla norma UNI EN 932:2001 e UNI

EN 933:1999. La norma è costituita da 22 parti: dopo la definizione e classificazione

(parte 1) e l'indicazione dei limiti di accettazione delle varie caratteristiche (parte 2), le

parti da 3 a 22 descrivono le modalità di prova per la determinazione dei valori di

queste.

2.3.1.3.2 Definizione

Gli aggregati, che rappresentano la maggior parte della massa dei conglomerati

cementizi poiché occupano mediamente dal 60 all'80% del loro volume complessivo,

per le loro proprietà fisiche e talvolta anche chimiche, svolgono un ruolo "attivo", che

influenza il comportamento finale dei conglomerati: per questa ragione è appropriato

usare il termine "aggregati", al posto di "inerti", più tradizionalmente conosciuto.

Gli aggregati devono realizzare lo "scheletro" del conglomerato: i loro granuli devono

pertanto provenire da una materia compatta e non degradata e costituire uno scheletro

lapideo addensato, così da costipare nella massa del conglomerato il maggior numero

possibile di particelle solide; oltre a una migliore resistenza, ne deriva anche un

vantaggio economico per la minore quantità di pasta di cemento occorrente. Poiché i

granuli che compongono lo scheletro devono aderire tenacemente alla pasta di cemento

che li agglomera, risultano importanti anche la loro omogeneità, la forma, la struttura, la

pulizia, ecc.

3

Per gli aggregati si impiegano vari nomi in relazione alla pezzatura e al modo di

ottenerli; i termini: sabbia, sabbione, risello, pisello, ghiaino, ghiaia, ciottoli, pietrame,

si riferiscono a materiali di origine glaciale e alluvione a spigoli arrotondati di

dimensione crescente, mentre i termini: sabbia, graniglia, pietrischetto, pietrisco, si

riferiscono a materiale di qualsiasi origine ottenuto per frantumazione, a spigoli vivi, di

dimensioni crescenti.

Gli aggregati naturali sono estratti da cave, dal letto dei fiumi o dal mare. Le operazioni

che li rendono disponibili all'impiego sono sostanzialmente:

- estrazione;

- frantumazione, quando necessario, per ottenere le pezzature d'uso;

- setacciatura, per selezionare le dimensioni dei granuli;

- lavaggio del materiale selezionato, quando necessario e/o possibile.

Questi aggregati, per la loro origine, possono presentare variazioni di qualità e

omogeneità anche nell'ambito di una stessa zona geografica. Infatti al variare del fronte

di prelievo il materiale estratto può essere diverso, sia come composizione mineralogica

sia come struttura, e, talvolta, come pezzatura.

Un metodo di classificazione degli aggregati è basato sulla vagliatura: il materiale

passante per almeno il 95% attraverso il vaglio avente maglie di apertura 4 mm è

denominato "aggregato fine" o sabbia; il materiale trattenuto almeno per il 95% al

vaglio suddetto è l'"aggregato grosso"; il materiale passante per almeno il 90% al vaglio

da 0,075 , è denominato "filler".

Aggregato fine: la sabbia naturale o artificiale, da usare nei calcestruzzi, deve risultare

bene assortita in grossezza e costituita di grani resistenti, non provenienti da rocce

decomposte o gessose. Essa deve risultare scricchiolante alla mano, non lasciare traccia

di sporco, non contenere materie organiche, melmose o comunque dannose.

Generalmente negli impasti la sabbia si misura e si dosa a volume; a tale proposito è da

tener presente che la sabbia umida, per piccole percentuali d'acqua, aumenta di volume

sino al 30% rispetto al materiale asciutto mentre minore è l'influenza del peso. In linea

generale si può affermare che il peso in volume in mucchio della sabbia varia, a seconda

della finezza e della percentuale d'acqua, da un minimo di 12 kN/m3 per sabbie grasse

asciutte ad un massimo di circa 20 kN/m3 per sabbie umide.

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La sabbia ha notevole importanza sulla resistenza del calcestruzzo, soprattutto per la sua

composizione volumetrica. Sono generalmente preferite le sabbie silicee, specialmente

se formate con prevalenza di granuli quarzosi, mentre occorre verificare che non siano

presenti feldspati e mica, materiali suscettibili di lente decomposizioni in ambienti

umidi.

Aggregato grosso: l'aggregato grosso è costituito da ghiaia o pietrisco, che costituiscono

la parte grossa dell'impasto. La ghiaia o il pietrisco non devono contenere impurità,

fango, terriccio, polvere; devono avere superfici scabre, non devono provenire da

materiali friabili, gelivi o gessosi; sono da escludere materiali tufacei e teneri. Il calcare

duro, compatto dà ottime ghiaie e ottimi pietrischi. Anche il granito e le rocce silicee

danno in genere buone ghiaie. Gli elementi che formano la ghiaia od il pietrisco variano

molto di grossezza, di solito da 5 a 50 mm; si possono impiegare anche ciottoli di fiume

per getti in grandi masse, mentre per pareti o solette sottili si dovrà impiegare il

ghiaietto con elementi da 5 a 25 mm di diametro. Anche la ghiaia deve avere grani di

dimensioni assortite per conferire maggiore compattezza al calcestruzzo.

Il pietrisco, proveniente da frantumazione di blocchi di pietra, è costituito da elementi a

spigoli vivi, limitati da facce piane e scabre; per queste sue proprietà è opinione

generale che dia calcestruzzi migliori di quelli preparati con la ghiaia.

2.3.1.3.3 Natura petrografica

La qualità di un aggregato dipende in buona misura dalla sua natura petrografica e dalla

sua composizione mineralogica. Diversi gruppi di rocce danno origine agli aggregati

naturali: quarzite, calcare, basalto, granito, porfido e altri; i minerali contenuti in essi

sono i minerali silicei, micacei e ferromagnesiaci, i carbonati, i solfati, gli ossidi, ecc.

Specialmente per gli aggregati di nuova provenienza è importante effettuare un esame

petrografico, per determinarne la natura e la composizione mineralogica. Infatti alcuni

minerali solo apparentemente sono inerti, ma in realtà possono reagire, in presenza di

acqua, con la pasta del cemento e formare composti in grado di reagire e distruggere la

compattezza del calcestruzzo. Alcune rocce contengono abbondanti quantità di miche,

le quali, per la loro forma laminare, indeboliscono la struttura del conglomerato. Inoltre

in particolari condizioni di esposizione, alcuni minerali costituenti le rocce (opale,

calcedonio, selce, alcune forme di quarzo microcristallino) risulterebbero reattivi con la

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pasta di cemento e sono pericolosi per l'integrità dei manufatti, anche se presenti in

quantità minime. Infine la conoscenza della natura petrografica di alcune rocce

carbonatiche è indispensabile per valutare la reattività agli alcali.

DENOMINAZIONE PROVENIENZA FORMA E STRUTTURA

sabbie, ghiaie cave, letti di fiume, mare granuli arrotondati, struttura più o meno compatta

sabbie, pietrischi rocce, tramite frantumazione forma irregolare a spigoli vivi

pomice, tufo, lava, ecc. eruzione vulcanica, tramite ev. frantumazione

forma arrotondata o irregolare struttura porosa o vetrosa

barite (solfati di bario), minerali di ferro (magnetite,

limonite) roccia frantumata forma irregolare, struttura

compatta

2.3.1.3.4 Granulometria degli aggregati

La distribuzione granulometrica degli aggregati viene determinata con la cosiddetta

"analisi granulometrica" cioè per vagliatura, usando una serie di vagli (setacci o

crivelli), ciascuno dei quali ha dei fori di apertura o "luce" tali che l'intera serie copra un

certo intervallo dimensionale. Le aperture dei setacci impiegate variano spesso secondo

la progressione avente ragione 2 . La norma UNI 8520/5 elenca 35 setacci e 27

crivelli aventi aperture da 200 a 0,0063 mm. Per eseguire l'analisi granulometrica, i

vagli si dispongono uno sopra l'altro con apertura crescente, su un apposito apparecchio

che, mediante vibrazione, produce la classificazione del materiale introdotto sul setaccio

più alto. Partendo da un peso noto di materiale, dopo il trattamento si determinano le

percentuali di aggregato rimaste nei vari setacci; il materiale, passante ad un vaglio e

trattenuto al successivo, si chiama "classe granulometrica". Si ottiene così una tabella,

che può essere trasformata in una curva, riportando in ascisse l'apertura dei vagli (in

mm) del setaccio e in ordinate la percentuale di aggregato in esso trattenuto (curva

granulometrica dei trattenuti).

La somma dei trattenuti cumulativi diviso cento è il cosiddetto modulo di finezza (MF)

(tanto più elevato quanto minore è nel complesso la finezza di un aggregato), che

individua con un parametro numerico unico la distribuzione granulometrica di un

aggregato nel suo complesso.

6

Dalla distribuzione granulometrica dell'aggregato dipendono varie proprietà del

calcestruzzo, e in particolare la sua lavorabilità, cioè la capacità di essere impastato,

trasportato e posto in opera. Un impasto preparato con un aggregato "grossolano", cioè

costituito in prevalenza da granuli grossi e contenente solo piccole percentuali di granuli

fini, risulterebbe rigido perché la scorrevolezza degli aggregati grossi fra loro è modesta

e quindi la lavorabilità risulterebbe scarsa; per essere lavorato tale impasto

richiederebbe molta acqua, a scapito delle resistenze meccaniche finali e con tendenza

alla separazione dei componenti della miscela. D'altra parte anche un impasto, preparato

con aggregati molto ricchi di granuli fini, richiede una quantità di acqua elevata perché,

aumentando la superficie delle particelle è necessaria una maggiore quantità di liquido

per bagnarle tutte. Una minima richiesta di acqua si avrà pertanto con una distribuzione

granulometrica ottimale in modo che l'impasto contenga, nella dovuta proporzione, gli

aggregati grossi, quelli fini e quelli intermedi.

La migliore distribuzione granulometrica può essere desunta in base a considerazioni

relative al volume dei vuoti fra gli aggregati. Quando infatti due aggregati

monogranulari di dimensioni differenti vengono mescolati, il volume dei vuoti risulta

inferiore a quello di ciascun componente e vi è un particolare rapporto fra le quantità

relative dei due aggregati per il quale il volume dei vuoti risulta minimo.

Fin dai primi del Novecento sono state dedotte teoricamente alcune distribuzioni

granulometriche, basate sul requisito della massima densità, le quali avrebbero dovuto

dare i migliori risultati nel confezionamento del calcestruzzo. Siccome la distribuzione

granulometrica ha influenza anche su altre proprietà, e in particolare sulla richiesta

d'acqua, oltre al requisito della densità si è tenuto conto anche di altre considerazioni,

che hanno infine portato all'adozione di un numero limitato di curve caratteristiche.

Oggi vengono prese in considerazione due o tre curve teoriche che rappresentano il

miglior compromesso fra il requisito della densità e quello della non segregabilità

dell'aggregato.

Anche se vi sono dei fautori di curve discontinue (non è stato infatti dimostrato che una

curva discontinua peggiori le resistenze meccaniche, anche se in effetti essa riduce la

lavorabilità del calcestruzzo fresco), oggi in pratica si adottano delle curve continue,

rappresentate da equazioni del tipo:

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a

Dd

p

⋅= 100

dove: p = percentuale passante attraverso un setaccio;

d = apertura del setaccio;

D = diametro massimo dell'aggregato;

a = costante.

A queste condizioni corrisponde una famiglia di parabole; all'atto pratico la curva

granulometrica più diffusa è la curva di Fuller, una parabola di equazione

Dd

p ⋅= 100

Un'altra curva molto usata, specialmente se si impiegano dosaggi elevati di cemento, ad

esempio nella prefabbricazione, è quella di Bolomey: secondo questo autore per la

miscela cemento aggregato vale la curva:

( )Dd

AAp ⋅−+= 100

oppure, se riferita al solo aggregato:

( )100

100

100⋅

−

−⋅−+=

C

CDd

AAp

in cui C è la percentuale in peso di cemento della miscela e A una costante il cui valore

è compreso fra 1 e 14; 12 se l'aggregato è di forma arrotondata e 14 se è spigoloso.

Per getti di grande mole si fa talvolta uso della curva cubica, più ricca di fini, per

supplire al basso dosaggio di cemento:

3100Dd

p ⋅=

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Curve granulometriche di riferimento

Secondo gli autori di tali curve, esse forniscono le distribuzioni granulometriche che

danno i migliori risultati dal punto di vista delle resistenze e delle lavorabilità del

calcestruzzo. Negli impianti di produzione, sia se si cava materiale alluvionale sia se

l'aggregato è tutto ottenuto per frantumazione, il materiale prodotto viene diviso in

frazioni (dove per "frazione" si intende il materiale trattenuto da due vagli non

consecutivi): sabbie, pietrischetti, pietrischi, ghiaietto, ghiaia. Né il materiale ottenuto

inizialmente, detto misto di cava, né le varie frazioni sono adatte all'impiego nel

calcestruzzo; le diverse frazioni debbono essere mescolate tra loro. Occorrono quindi

dei criteri per poter eseguire la miscelazione in modo da realizzare curve prossime a

quelle ideali. In casi meno frequenti la cava può fornire degli aggregati in cui sono

rappresentate tutte le frazioni granulometriche di diametro compreso fino al valore D

massimo desiderato: bisogna in tal caso poter stabilire se l'aggregato sia accettabile o

che cosa bisogna fare per renderlo tale, qualora non lo sia. Non si potrà ovviamente

pretendere la coincidenza con una delle curve teoriche, ma si fisserà piuttosto un

criterio, per stabilire se la curva granulometrica di un determinato aggregato sia o meno

accettabile, consistente nel fissare per i diversi setacci un margine in più e in meno

rispetto al valore della curva teorica: si ottengono così una curva teorica inferiore e una

superiore a quella teorica, le quali determinano il cosiddetto fuso granulometrico.

Stabiliti i criteri di tolleranza, un aggregato è considerato accettabile se la sua curva

granulometrica è compresa nel fuso.

9

A seconda dell'impiego, cioè del tipo di costruzione a cui è destinato il calcestruzzo, vi

possono essere tolleranze diverse e quindi fusi differenti.

Fuso granulometrico costruito sulla curva di Fuller

Una volta che si sia deciso di adottare una certa curva di distribuzione granulometrica,

si presenta il problema di combinare gli aggregati disponibili, cioè di mescolare in

opportune proporzioni sabbie, ghiaietti e pietrischetti, ghiaie o pietrischi, in modo che

l'aggregato risultante abbia la distribuzione granulometrica desiderata. Allorché si tratta

miscelare aggregati di più frazioni, anche in parte sovrapposte, si ricorre a metodi

diversi: uno dei più semplici prevede l'uso di un diagramma avente la scala delle ascisse

proporzionale a Dd , in modo che la parabola di Fuller ne risulti rettificata.

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Combinazione degli aggregati, metodo grafico

2.3.1.3.5 Forma e tessitura superficiale dei granuli

Gli aggregati naturali hanno granuli di forma arrotondata, quelli provenienti da

frantumazione sono invece irregolari e con spigoli vivi. La forma migliore per l'uso nei

conglomerati è quella più vicina alla sfera. I granuli, allungati e appiattiti o a spigoli

vivi, rendono viceversa l'impasto più rigido e più difficile da lavorare, tendono a

stratificarsi orizzontalmente riducendo la resistenza della massa e possono provocare

formazione di sacche d'aria o d'acqua sotto di essi, rendendo la massa più vulnerabile

agli attacchi dall'esterno, quindi meno durabile. Anche la tessitura superficiale influenza

le proprietà fisiche del calcestruzzo: la superficie dei granuli, lucida od opaca, può

determinare una maggiore o minore aderenza della pasta cementizia e una diversa

richiesta d'acqua a parità di lavorabilità.

2.3.1.3.6 Diametro massimo dell'aggregato

Le considerazioni da fare per la scelta del diametro massimo, Dmax, dell'aggregato sono

molteplici. Anzitutto la scelta è condizionata dal tipo di manufatto che si deve costruire:

il diametro massimo non deve essere superiore a 1/5 dello spessore del getto

Un aspetto molto importante è quello relativo alla richiesta di acqua di impasto e alla

richiesta di pasta legante, infatti un maggiore quantitativo di acqua si traduce in minori

resistenze meccaniche, mentre un maggiore consumo di pasta è antieconomico.

11

Aumentando il diametro massimo, nell'ipotesi di mantenere la curva di Fuller,

diminuisce la quantità di acqua necessaria per lasciare costante la lavorabilità

dell'impasto, in quanto un aggregato grossolano ha una minore superficie specifica, e

richiede una quantità d'acqua minore per bagnare tutte le particelle.

Diametro massimo e richiesta d'acqua d'impasto

Se ne deduce che l'impiego di un aggregato avente il Dmax maggiore richiede pure, per

fornire la stessa resistenza meccanica, (con lo stesso rapporto acqua/cemento), un

minore tenore di cemento, con un minore sviluppo di calore, minore ritiro e minore

spesa.

Tali considerazioni portano a favorire l'impiego degli impasti preparati con aggregati a

più elevato diametro massimo. Ciò contrasta naturalmente con le considerazioni di

carattere geometrico sopra fatte, e impartisce inoltre agli impasti la tendenza alla

"segregazione", cioè alla possibilità di separazione degli aggregati grossi, durante la

preparazione, il trasporto, la posa in opera e la compattazione. In certi grossi getti sono

stati disposti manualmente elementi molto grossi durante la costruzione delle strutture,

con maggiore dispendio di mano d'opera, ma con notevole riduzione di cemento e

quindi con sviluppo di una minore quantità di calore di idratazione.

In relazione al diametro massimo viene anche indicato il contenuto minimo di parti fini

(passante al setaccio 0,25 mm), per assicurare compattezza e lavorabilità:

12

dmax

(mm) Contenuto minimo di

fini (kg/m3)

8 525

16 450

32 400

> 50 350

Nella figura sottostante, il dosaggio di cemento viene riportato in funzione del diametro

massimo Dmax; tutti gli impasti considerati nel diagramma hanno la stessa lavorabilità

(abbassamento al cono = 12 cm) e ogni curva si riferisce a impasti con uguale resistenza

a compressione.

Resistenza a compressione in funzione del diametro massimo e dei dosaggi di cemento

Considerando una curva di impasti ed eguale resistenza, ad esempio 30 N/mm2, si vede

che, aumentando il diametro massimo, si riduce la quantità di cemento necessaria, a

parità di lavorabilità dell'impasto, a garantire quel dato valore della resistenza.

Poiché una data resistenza viene ottenuta con un certo valore del rapporto

acqua/cemento, se diminuisce la quantità di cemento deve diminuire anche l'acqua. In

definitiva, aumentando il diametro massimo dell'aggregato viene richiesta meno acqua

per avere la stessa lavorabilità.

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È più difficile ottenere valori elevati della resistenza impiegando aggregati molto grossi:

oltre un certo limite gli alti valori della resistenza vengono mantenuti solo aumentando

anche il contenuto di cemento.

Si osserva inoltre che, fissato il valore del diametro massimo, all'aumentare del

dosaggio di cemento si ottengono resistenze più elevate, a parità di lavorabilità

dell'impasto.

2.3.1.3.6.1 Massa volumica

La massa volumica è il peso per unità di volume di un materiale (generalmente espresso

in [kg/m3]). La conoscenza di questo valore, che identifica gli aggregati come normali,

pesanti o leggeri, è necessaria per lo studio della composizione delle miscele. Per gli

aggregati si distinguono tre diverse masse volumiche, caratterizzate da volumi via via

crescenti:

Massa volumica reale: peso per unità di volume della materia da cui è formato

l'aggregato, nell'ipotesi che questa sia perfettamente addensata, senza vuoti né porosità

interna.

Massa volumica del granulo: peso per unità di volume dei singoli granuli, con la loro

porosità interna, che dipende dalla natura dell'aggregato. La conoscenza di questo valore

è indispensabile per il progetto delle miscele.

Massa volumica apparente o in mucchio: peso per unità di volume dei granuli in

mucchio, comprendente sia la porosità dei grani che i vuoti presenti nel mucchio, e

risulta influenzata, oltre che dalla natura dell'aggregato, anche dalla dimensione dei

granuli e dalla loro distribuzione.

2.3.1.3.6.2 Assorbimento d'acqua

I granuli degli aggregati, in genere porosi, difficilmente risultano completamente

asciutti: questa condizione in pratica si verifica raramente e si può realizzare solo con

essiccazione prolungata del materiale in stufa. All'aumentare della quantità d'acqua

contenuta, gli aggregati risultano:

- parzialmente asciutti: quando l'umidità è presente solo nella parte interna dei

granuli;

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- saturi con superficie asciutta: condizione che può verificarsi dopo un breve

essiccamento, artificiale o naturale, in depositi aperti o coperti;

- bagnati: condizione abbastanza comune, poiché gli aggregati vengono lavati prima

della consegna e possono essere bagnati dalla pioggia, se depositati all'aperto.

L'acqua assorbita da un aggregato in condizione di saturazione rappresenta in media una

piccola percentuale del peso asciutto, che aumenta con l'aumentare della porosità; negli

aggregati bagnati, l'acqua di superficie è presente in quantità variabile, maggiore nella

parte fine.

La condizione dell'aggregato nei confronti dell'umidità contenuta è importante per la

confezione della miscela, in particolare per l'esatta valutazione dell'acqua totale di

impasto: se l'aggregato è asciutto, una parte dell'acqua di impasto viene assorbita fino a

saturazione e l'acqua restante, disponibile per il confezionamento dell'impasto, è allora

minore di quella prevista; se l'aggregato è bagnato, l'acqua di superficie si aggiunge a

quella d'impasto e si ha un eccesso d'acqua.

La conoscenza dell'assorbimento d'acqua serve inoltre per valutare porosità, resistenza e

gelività dell'aggregato:

a maggior assorbimento corrisponde maggiore porosità;

a maggiore porosità corrisponde minore resistenza;

a maggiore porosità corrisponde maggiore gelività.

2.3.1.3.6.3 Impurità

Le impurità presenti negli aggregati (limo, argilla, materie organiche, terreni vegetali,

residui di carbone, solfati, ecc.) possono essere terrose, organiche o saline. Le impurità

terrose sono costituite da limo o argilla in grumi o in massa che formano delle

incrostazioni superficiali sui granuli; se questo rivestimento è poco aderente, può essere

asportato mediante idoneo trattamento. Tali impurità, se presenti nella miscela, riducono

l'aderenza tra i granuli dell'aggregato e la pasta cementizia, richiedono una maggiore

quantità d'acqua di impasto e provocano diminuzione della resistenza del calcestruzzo.

Le impurità organiche, che in genere derivano dalla decomposizione dei vegetali,

intervengono ad ostacolare i fenomeni di presa e indurimento e quindi lo sviluppo della

resistenza.

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Le impurità saline possono essere costituite da solfati e cloruri: la loro presenza può

provocare una reazione chimica con la pasta di cemento, con conseguenti fenomeni

come aumento di volume, degradazione dell'aggregato, corrosione delle armature

metalliche. Alcune forme di silice presenti negli aggregati reagiscono con gli alcali

contenuti nella pasta di cemento, generandosi così la reazione "alcali-aggregati", con

aumento di volume e conseguente pressione tra granuli e pasta, con possibile

disgregazione di quest'ultima, rigonfiamento e disgregazione del calcestruzzo.

2.3.1.3.6.4 Gelività

L'aggregato è considerato gelivo quando subisce una variazione di volume, temporanea

o permanente, per azione del gelo. In questo caso, cicli di gelo e disgelo ripetuti

possono provocare deterioramento del calcestruzzo, con screpolature superficiali o

disgregazione più profonda. La gelività dell'aggregato indica anche la porosità dello

stesso, quindi minore resistenza e durabilità: tuttavia va considerato che nel

conglomerato i grani sono avvolti dalla pasta di cemento, il che in genere ne migliora il

comportamento.

2.3.1.3.6.5 Proprietà meccaniche

Tra le proprietà meccaniche degli aggregati si annoverano senza dubbio le resistenze

meccaniche e, in particolare, la resistenza a compressione. Questa caratteristica, e in

modo più pronunciato per l'aggregato grosso, determina il valore massimo di resistenza

che può essere raggiunto da un calcestruzzo. Se infatti si confezionano diverse miscele

con un determinato aggregato, migliorando progressivamente la resistenza della pasta

legante (Rp, in figura), ad esempio riducendo i rapporti A/C, si osservano miglioramenti

proporzionali della resistenza del calcestruzzo (Rc). Fintantoché la resistenza

dell'aggregato (Ra) è superiore a quella della pasta, sarà questa a cedere. Quando invece

la resistenza della pasta, per valori maggiori di Rp1, supera quella dell'aggregato, sarà

questo a rompersi ad un valore praticamente costante e indipendente dalla qualità della

pasta legante.

Per questo motivo è utile osservare, dopo la rottura dei provini di calcestruzzo, se

l'aggregato si è fratturato o se si è avuto distacco della pasta del legante dall'aggregato

stesso, traendo deduzioni in merito all'adeguatezza dell'uno o dell'altro materiale.

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Relazione tra la resistenza a compressione del calcestruzzo e quella della pasta cementizia in esso presente.

Per la misura della resistenza a compressione dell'aggregato si eseguono prove di

schiacciamento su provini cubici con facce spianate, di lato 7,1 cm per elementi a grana

fine e di 10 cm per elementi a grana grossa, ricavati da ciottoli e frammenti di roccia.

Si possono sottoporre a prova anche provini cilindrici ottenuti per carotaggio, purché

spianati, di altezza pari al diametro e di dimensioni paragonabili a quelle dei cubetti.

Per materiali sciolti di piccole dimensioni (ghiaia, sabbia) si può eseguire una prova di

frantumazione del materiale con cilindro e pistone di acciaio, valutando la riduzione del

modulo di finezza. La resistenza all'abrasione dell'aggregato, significativa per

calcestruzzi che debbano subire sollecitazioni di attrito o urto, viene misurata con

l'apparecchiatura "Los Angeles" costituita da un tamburo d'acciaio disposto con l'asse

orizzontale e ruotante, del diametro di 71 cm, in cui si pone l'aggregato di caratteristiche

granulometriche note e sfere di acciaio da 46 mm di diametro. Dopo un numero di giri

prefissato, si determinano, mediante vagliatura, la "perdita di massa per urto e

rotolamento".

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Peso in mucchio [T/m3]

Massa volumica

reale media [g/cm3]

Porosità totale %

del volume

Porosità apparente

% del volume

Assorbimento % in peso

Coefficiente di dilatazione

termica lineare

[°C-1*10-6]

ROCCE IGNEE a) di profondità Granito e sienite 1,35 2,6-2,8 0,4-1,5 0,4-1,4 0,2-0,5 8 Diorite e gabbri 1,45 2,8-3,0 0,5-1,6 0,5-1,5 0,2-0,4 8 b) effusive Porfido di quarzo 1,35 2,6-2,8 0,4-1,8 0,4-1,5 0,2-0,7 5 Basalto 1,45 2,9-3,0 0,2-0,9 0,3-0,7 0,1-0,3 5 c) detritiche Pomice 0,7 0,5-1,1 30-70 25-60 30-70 9 Tufo vulcanico 0,8 1,1-1,8 25-60 25-50 25-50 9 ROCCE SEDIMENTARIE Calcare tenero 1,05 1,7-2,6 0,5-30 0,5-25 1-25 4 Calcare compatto 1,35 2,7-2,9 0,4-2 0,5-2 2-4 3 Dolomite 1,35 2,3-2,8 0,4-2 0,5-2 2-4 3 Travertino 1,15 2,4-2,5 5-12 4-10 2-5 4 ROCCE METAMORFICHE Gneiss 1,4 2,6-3,0 0,4-2 0,3-2 1,6-0,6 5 Scisti 1,35 2,7-2,8 1,6-2,5 1,4-1,8 0,5-0,6 5 Marmo 1,35 2,7-2,8 0,5-3 0,5-2 0-1 5 Quarziti 1,35 2,6-2,7 0,4-2 0,2-0,6 1,6-1,4 5

Caratteristiche fisiche di alcuni aggregati

Resistenza a compressione

(rottura) [kg/cm2]

Resistenza a flessione (rottura) [N/mm2]

Modulo di elasticità

[kg/cm2]*105

Tenacità (resistenza

all'urto) [kg/cm2]

Resistenza all'usura

ROCCE IGNEE a) di profondità Granito e sienite 1.600-2.400 100-200 5-6 110-120 1 Diorite e gabbri 1.700-3.000 100-220 8-10 130-180 1-1,5 b) effusive Porfido di quarzo 1.800-3.000 150-200 5-7 130-240 1-1,5 Basalto 2-4.000 150-250 9-12 160-300 1-2 c) detritiche Pomice 50-200 - 1-3 - - ROCCE SEDIMENTARIE Calcare tenero 200-900 50-110 3-6 70-110 4-9 Calcare compatto 800-1.900 60-150 4-7 70-110 4-8 Dolomite 200-600 40-100 2-5 60-110 7-12 ROCCE METAMORFICHE Gneiss 1.600-2.800 - 3-4 40-100 1-2 Scisti 900-1.000 - 2-6 40-80 4-8 Marmo 1.000-1.800 60-150 4-7 70-100 4-8 Quarziti 1.500-3.000 - 5-7 110-180 1,5

Caratteristiche meccaniche di alcuni aggregati

18

2.3.1.3.6.6 Qualificazione degli aggregati

Le prove cui vengono sottoposti gli aggregati forniscono risultati che permettono di

definirne la loro qualità per confronto con i limiti di accettazione.

Nelle norme UNI 8520 gli aggregati sono suddivisi in tre categorie:

CATEGORIA A: aggregati per calcestruzzi con resistenza caratteristica Rck maggiore

di 30 N/mm2, o esposti ad azioni aggressive;

CATEGORIA B: aggregati per calcestruzzi con resistenza caratteristica Rck compresa

tra 15 e 30 N/mm2, ;

CATEGORIA C: aggregati per calcestruzzi con resistenza caratteristica Rck minore di

30 N/mm2.

La qualità di un aggregato deve quindi essere proporzionale alla qualità del

conglomerato in cui viene usato. In teoria, tutte le caratteristiche dovrebbero essere

controllate, per giudicare correttamente la qualità di un aggregato e la sua idoneità

all'impiego: in pratica l'entità dei controlli deve essere stabilita caso per caso. Se si tratta

di aggregati conosciuti, il cui impiego avviene da tempo con buoni risultati, i controlli

di accettazione del materiale possono essere di molto ridotti.

2.3.1.4 Additivi

Gli additivi per il calcestruzzo costituiscono, dopo il cemento, l'acqua, e gli aggregati,

un ingrediente che, nella moderna tecnologia del conglomerato cementizio, entra

sempre più spesso nella composizione del materiale, di regola in quantità non eccedente

circa 10 kg/m3; a questo proposito la UNI 9858 definisce additivi quei materiali

"aggiunti in piccola quantità" al calcestruzzo.

Gli additivi vengono impiegati per ottenere uno o più dei seguenti obiettivi:

- migliorare le prestazioni di un calcestruzzo allo stato fresco e/o indurito, senza

modificarne la composizione;

- ottenere dal calcestruzzo prestazioni che altrimenti non verrebbero raggiunte;

- ottenere un vantaggio economico nell'impiegare calcestruzzi con prestazioni

prefissate.

Gli additivi disponibili sul mercato sono assai numerosi e sono costituiti in genere da

formulazioni, contenendo, oltre a uno o a più principi attivi essenziali, anche

componenti accessori, come stabilizzanti, antischiuma, antibatteri.

19

I tipi di additivi vengono distinti in base alla funzione da essi esplicata, tenendo conto

che in un prodotto si può avere una combinazione di funzioni. I più importanti, e i più

usati, tipi di additivo sono:

- fluidificanti normali, acceleranti o ritardanti;

- superfluidificanti normali, acceleranti, ritardanti;

- ritardanti;

- espansivi;

- aeranti.

Oltre a questi possiamo ricordare i fluidificanti aeranti, gli antimuffa, gli antistatici, i

plastificanti, gli indurenti superficiali, i pigmenti, gli idrofughi, i cosiddetti antigelo, gli

anticorrosione, gli additivi per prevenire la reazione alcali-silice, i prodotti stagionanti e

i disarmanti.

In molti paesi esistono normative per gli additivi, che ne definiscono i tipi, a volte

pongono dei limiti per le prestazioni, descrivono metodi per il controllo dei requisiti in

fase di accettazione dei prodotti e per il controllo dell'uniformità di forniture successive.

In Italia è vigente la normativa Unicemento che attualmente prevede i dieci tipi

seguenti: fluidificanti normali, fluidificanti acceleranti, fluidificanti ritardanti, aeranti,

antigelo, superfluidificanti ed espansivi (UNI 7101 e 8145). Gli additivi vengono

aggiunti agli impianti di betonaggio o, in determinati casi, a piè d'opera subito prima del

getto; per tutti gli additivi è estremamente importante assicurarsi, mediante l'impiego di

betoniere efficienti e di tempi di miscelazione abbastanza lunghi, che il prodotto sia

distribuito in modo perfettamente omogeneo negli impasti e non concentrato

localmente; in caso contrario si avrebbero, in alcuni punti, delle opere di sovradosaggi,

in altri, carenza di additivo.

Le dosi variano da un minimo di 30 cc/100 kg di cemento per gli aeranti a un massimo

di 2-3 l/100 kg di cemento per certi fluidificanti. Per la corretta valutazione

dell'incidenza economica degli additivi sul costo del calcestruzzo è opportuno ricordare

che il loro peso specifico è di regola superiore a 1 kg/dm3 (normalmente 1,2-1,3

kg/dm3) e perciò il costo può risultare sensibilmente diverso se il dosaggio previsto è ad

esempio: 1 litro/100 kg di cemento o 1 kg/100 kg di cemento; evidentemente un dato

additivo incide più se è usato in litri che in chilogrammi.

20

2.3.1.4.1 Additivi fluidificanti e superfluidificanti

Gli additivi fluidificanti sono stati i primi prodotti utilizzati nel calcestruzzo, e

permettono di migliorare la lavorabilità senza aumentare il rapporto acqua/cemento.

Normalmente questi additivi contengono sostanze polimeriche idrosolubili, come

principi attivi, capaci di aderire ai granuli di cemento anidro (fenomeno di

assorbimento); di conseguenza le particelle di cemento (che normalmente, a causa di

forze elettrostatiche, tendono ad aderire mutuamente) vengono disperse e separate

nell'acqua d'impasto.

I fluidificanti in effetti sono dei veri e propri "disperdenti", come quelli usati

nell'industria delle vernici e degli inchiostri per disperdere le particelle di pigmento; la

migliore dispersione delle particelle di cemento negli impasti ne migliora la mobilità

agendo come "lubrificante"; un impasto di calcestruzzo risulta quindi a parità di

composizione, più fluido e quindi più lavorabile dopo l'aggiunta di un fluidificante.

In base alla natura chimica dei componenti gli additivi fluidificanti in generale sono

divisibili in:

• lignisolfonati;

• acidi idrossi-carbossilici;

• polimeri idrossolati.

I fluidificanti a base di lignisolfonato sono di gran lunga i più utilizzati: il lignisolfonato

di calcio è un sottoprodotto dell'industria cartaria, accompagnato in genere da zuccheri

pentosi ed esosi che conferiscono al prodotto caratteristiche di ritardanti; la tendenza del

lignisolfonato a inglobare piccole percentuali di aria comporta la necessità di inserire

nel prodotto anche additivi antischiuma.

Il lignisolfonato viene adsorbito dal cemento dal cemento dando luogo a dei prodotti

che ne ricoprono i granuli; tale pellicola modifica il potenziale elettrico e porta ad un

effetto repulsivo tra i grani di cemento, e quindi a una loro maggiore dispersione.

L'adsorbimento sui grani di cemento porta inizialmente ad un rallentamento delle

reazioni di idratazione; la successiva maggiore dispersione dei grani, e di conseguenza

l'aumentata superficie reattiva porta, se l'additivo è presente in percentuali molto piccole

rispetto al cemento (0,5 l), ad un incremento della velocità di indurimento e quindi di

sviluppo della resistenza.

21

La presenza del lignisolfonato ha influenza anche sulla microstruttura del gelo che si

forma con l'idratazione del cemento: si riscontra infatti una maggiore presenza di fori

capillari rispetto ad un gelo di un calcestruzzo prodotto con pari rapporto

acqua/cemento; ne risulta che a pari rapporto acqua/cemento un calcestruzzo prodotto

con additivo fluidificante può presentare maggiore ritiro. A pari lavorabilità invece il

calcestruzzo con additivo fluidificante avendo il rapporto acqua/cemento più basso

presenta un ritiro generalmente inferiore.

L'additivo fluidificante, essendo immesso in quantità molto piccole, dell'ordine del 0,2-

0,4%, e agendo con il cemento, deve essere immesso in impasto nel momento in cui è

minima la possibilità di assorbimento negli aggregati, ove non esercita azione.

Per ottenere delle riduzioni di impasto di maggiore entità si utilizzano invece additivi a

base di polimeri di sintesi, di caratteristiche assai più costanti, di due tipi principali:

prodotti a base di naftalina solfonata polimerizzata con formaldeide (naftalen-solfonati)

e prodotti a base di melammina solfonata polimerizzata con formaldeide. A questi

polimeri vengono poi aggiunti altri prodotti per poterne caratterizzare in modo più

specifico le prestazioni. Questi additivi sono classificati come superfluidificanti. Questi

additivi possono essere utilizzati a dosaggi superiori rispetto a quelli rispettati per i

fluidificanti, esercitando la loro azione sul calcestruzzo senza comportare problemi di

ritardo alla presa: i dosaggi rispetto al cemento vanno generalmente dall'1 al 3%.

Rispetto agli additivi fluidificanti, i superfluidificanti presentano generalmente una

maggiore riduzione dell'acqua d'impasto; l'effetto però in generale ha una durata

inferiore: per casi che lo richiedono è opportuno quindi utilizzare superfluidificanti

specifici con effetto ritardante.

I superfluidificanti a base di naftalen solfonati sono i più utilizzati per il loro

comportamento pressoché costante nei confronti dei diversi cementi, per il loro costo

inferiore e perché danno impasti con caratteristiche reologiche che non comportano

problemi di pompabilità e problematiche relative al getto, e alle successive lavorazioni,

in particolare per pavimentazioni in calcestruzzo; danno luogo a riduzioni del 10-15%

dell'acqua d'impasto.

I superfluidificanti melamminici vengono dosati in percentuali maggiori rispetto ai

naftalen solfonati (dell'ordine del 2-3%), permettendo di ottenere calcestruzzo con

maggiori riduzioni d'acqua (dell'ordine del 20%) e incrementi di resistenza. Il loro

22

costo, il loro comportamento non uniforme con i diversi tipi di cemento, la diversa

reologia che conferiscono al calcestruzzo ne indirizza l'utilizzo a situazioni più

particolari.

L'azione dei superfluidificanti si basa su una doppia azione:

• azione elettrica sul potenziale zeta: azione esercitata sul cemento, che per

adsorbimento del superfluidificante modifica il suo potenziale zeta e di conseguenza

aumenta la repulsione fra i grani di cemento, e ne impedisce quindi

l'agglomerazione;

• azione fisica sui grani: azione dispersiva e lubrificante sui grani di cemento, per

ottenere un migliore scorrimento.

Per ciò che concerne l'impiego, i fluidificanti ed i superfluidificanti possono essere

utilizzati nei tre modi che seguono (in riferimento ad un calcestruzzo con caratteristiche

ben precise):

1. a pari dosaggio di cemento, acqua ed aggregati: l'aggiunta di un

fluidificante/superfluidificante aumenta la lavorabilità (ad esempio un calcestruzzo

avente 300 kg/m3 di cemento, 1800 kg/m3 di inerte, 200 l/m3 di acqua, slump 10

cm), potrebbe passare a slump 22 dopo l'aggiunta dell'additivo. Poiché il rapporto

acqua/cemento prima e dopo l'aggiunta non varia, le prestazioni del calcestruzzo

indurito non avranno forti differenze; si avrà però un calcestruzzo fresco di gran

lunga più lavorabile (in questo caso "autolivellante"); il principale vantaggio è

perciò quello di una maggiore affidabilità nella realizzazione dei getti, senza che un

difetto di vibrazione possa produrre porosità macroscopiche (vespai) e senza che in

cantiere vengano effettuate aggiunte d'acqua non controllate agli impasti per ridurre

la fatica della posa in opera.

2. a pari lavorabilità: l'additivo ha una funzione di riduttore d'acqua; nell'esempio

precedente il calcestruzzo addittivato potrebbe avere: 300 kg/m3 di cemento, 1800

kg/m3 di inerte, 170 l/m3 di acqua, slump 10 cm. L'aggiunta di additivo dà in questo

caso vantaggi nelle prestazioni del calcestruzzo, che passando da un rapporto a/c =

0,66 ad a/c = 0,57, dà maggiori resistenze alle varie stagionature, maggiore

impermeabilità e durevolezza, minore ritiro e fluage.

3. a pari lavorabilità e rapporto a/c: usando un fluidificante o superfluidificante si può

ottenere un calcestruzzo avente uno slump 10 cm e rapporti a/c = 0,6 (e quindi

23

uguale lavorabilità e prestazioni) con la seguente composizione: acqua 168 l/m3,

cemento 280 kg/m3, inerte 1800 kg/m3; in questo caso si è ottenuta una riduzione di

cemento.

Gli additivi fluidificanti secondo la norma UNI 7102/72, a parità di acqua di impasto,

devono dare calcestruzzi con consistenza maggiore del 10%. A pari consistenza è

richiesto un incremento della resistenza a compressione di almeno il 5% a 24 ore e a 3

giorni, del 10% a 7 giorni, del 15% a 28 e 90 giorni.

Gli additivi superfluidificanti, secondo la norma UNI 8145/80, devono ridurre per

calcestruzzo a parità di slump l'acqua di almeno il 10%, e a parità di acqua di impasto

devono dare calcestruzzi con un aumento dello spandimento di almeno il 100% (prova

della consistenza con tavola a scosse, UNI 8020). A pari consistenza si deve ottenere un

aumento della resistenza a compressione di almeno il 30% a 24 ore e a 3 giorni, del

20% a 7 giorni, del 15% a 28 e 90 giorni. A parità di acqua di impasto non devono

comportare una perdita di resistenza superiore al 5%.

2.3.2 Rapporto Acqua/Cemento

L'acqua usata nella confezione di un calcestruzzo ha il duplice scopo di consentire il

completo svolgimento delle reazioni di idratazione del legante e di impartire all'impasto

una sufficiente fluidità, tale da renderlo facilmente lavorabile. L'acqua in eccesso in

parte viene smaltita per evaporazione, ed in parte si elimina attraverso le pareti delle

casseforme; in altri casi ancora viene asportata meccanicamente con modalità e tecniche

particolari. È però pericoloso che l'eccesso d'acqua raggiunga valori troppo elevati: in

seno alla massa vengono così a crearsi un gran numero di pori capillari con caduta della

resistenza meccanica, ritiri troppo elevati, alta capacità di assorbimento d'acqua del

prodotto finito.

Un rapporto acqua/cemento idoneo ad assicurare il completamento delle reazioni di

idratazione dei costituenti del legante (Portland) è pari a circa 0,25, cioè corrisponde

all'aggiunta di 25 litri di acqua ogni 100 kg di cemento. Questa quantità d'acqua sarebbe

però insufficiente a rendere lavorabile l'impasto, che mancherebbe di qualsiasi plasticità

e fluidità. Per tale ragione il rapporto acqua/cemento viene solitamente aumentato sino a

valori di 0,4 e oltre, a seconda delle caratteristiche di lavorabilità richieste.

24

Si può ancora sottolineare che, se la dosatura del cemento ha una funzione determinante

ai fini delle resistenze meccaniche del conglomerato indurito, non ci si deve però

attendere con l'aumento del tenore di legante un incremento illimitato della resistenza

meccanica stessa. A parità di dosaggio di cemento sarà, ad un certo punto, il rapporto

A/C ad incidere in modo sensibile sulle caratteristiche finali del calcestruzzo.

Relazione tra resistenza a compressione e rapporto acqua/cemento

Se si esaminano a scadenze fisse le resistenze meccaniche di una serie di impasti per i

quali l'unica variabile sia quest'ultimo rapporto, si osserva una caduta progressiva delle

resistenze a compressione con l'incremento del valore A/C. I valori di resistenza saranno

proporzionalmente inferiori mano a mano che il rapporto A/C decresce e ciò è ben

comprensibile in quanto la carenza di acqua non solo rende l'impasto di difficile

lavorabilità e omogeneizzazione, ma l'acqua sarà anche in quantità insufficiente a

garantire una completa adesione della malta all'aggregato grosso. Analogamente, un

aumento progressivo di A/C oltre un certo valore ottimale conferisce all'impasto

indurito alta porosità capillare e conseguente diminuzione della resistenza meccanica

del manufatto.

Qualora il rapporto acqua/cemento sia molto elevato, pari a 0,6 e più, si può inoltre

verificare il fenomeno della segregazione, riferito alla segregazione differenziata che

si realizza all'interno di un recipiente (cassaforma, nel caso specifico). Qualora

l'impasto sia troppo fluido gli elementi più grossi e più pesanti dell'aggregato tendono a

sedimentare sul fondo mentre i più piccoli e a minor peso specifico, e l'acqua in

particolare, si collocano preferenzialmente in superficie. L'acqua raccoltasi in superficie

- ove venga impedita la sua evaporazione - provoca l'essudazione (bleeding) del

25

calcestruzzo. Gli inconvenienti che possono conseguirne sono più che ovvi, causa

l'eterogeneità macroscopica che ne consegue nel conglomerato indurito. Essendo

difficile - se non impossibile - rimediare a tale fenomeno, sarà quindi sempre necessario

operare in modo tale che questa segregazione non abbia a verificarsi, curando in modo

particolare la composizione degli impasti (rapporto A/C, additivi, ecc.) e provvedendo

ad un accurato trasporto dei medesimi. Oggigiorno la tecnica dei sistemi di vibrazione

rende possibile la gettata di impasti di consistenza asciutta, con il vantaggio di utilizzare

quantità più modeste di acqua, incrementando contemporaneamente le resistenze del

prodotto finale.

Influenza delle modalità di compattazione sulla curva Rck - a/c

Il rapporto A/C agisce anche sullo scorrimento viscoso del calcestruzzo. Tale fenomeno,

detto anche fluage o creep, consiste nell'aumento di deformazione che si verifica nel

tempo sotto l'applicazione di un carico costante. È soprattutto la pasta di cemento che

determina il meccanismo del fluage, poiché, come avviene per il ritiro all'essiccamento,

anche per il fluage gli aggregati si deformano in maniera trascurabile. Lo scorrimento

viscoso è tanto minore quanto minore è il rapporto A/C e quanto più basso è il dosaggio

di cemento. Una pasta più compatta è infatti anche meno deformabile, mentre

l'influenza del dosaggio di cemento è da riferirsi al fatto che il fluage dell'aggregato è

trascurabile rispetto a quello della pasta cementizia. L'azione esplicata dagli additivi del

fluage è da mettere in relazione all'incidenza che tali sostanze esercitano sul rapporto

A/C (Lucco Borlera M., Brisi C., 1992).

26

Effetto dell'aggiunta di additivo fluidificante sulla curva Rck - a/c

2.3.3 Tecnologia esecutiva del calcestruzzo

I componenti di un calcestruzzo normale possono variare, sia in qualità che in quantità;

la definizione della miscela è funzione delle prestazioni che si vogliono ottenere dal

conglomerato. Il volume del calcestruzzo è minore della somma del volume assoluto

degli aggregati più quello della pasta e dei vuoti.

Si può considerare che un buon calcestruzzo debba contenere circa 300 kg di cemento

per metro cubo di prodotto finito. A questi, per ottenere un metro cubo di conglomerato,

si devono aggiungere, oltre all'acqua, circa 0,4 metri cubi (compresi i vuoti) di sabbia e

circa 0,8 metri cubi di ghiaia o pietrisco.

I calcestruzzi a maggior contenuto di cemento si dicono grassi, quelli a minor contenuto

magri. La massa totale (cemento più aggregato più acqua di impasto) di un metro cubo

di conglomerato si aggira sui 2400 kg.

I fattori che influenzano il processo di maturazione sono principalmente la temperatura

e l'umidità dell'aria. In taluni casi la stagionatura avviene in ambienti chiusi e con

temperatura e umidità controllate e costanti (è il caso della miniera, in cui la

temperatura si mantiene costante in modo naturale). Le caratteristiche di un

conglomerato indurito sono il risultato di tutti i fattori che intervengono nelle fasi di

trattamento dello stesso, dalla confezione alla maturazione del getto.

27

2.3.4 Proprietà del calcestruzzo fresco

2.3.4.1 Valutazione della lavorabilità dell'impasto

La caratteristica più significativa di un impasto è la sua lavorabilità, che dipende da

molti fattori, i più importanti dei quali sono: il rapporto acqua/cemento, la temperatura,

la dimensione e la forma degli aggregati nonché la loro granulometria, la presenza di

additivi, il contenuto di cemento. La lavorabilità non può per altro assumere un valore

unico, ma è ovviamente da correlarsi con le esigenze richieste per la posa in opera

dell'impasto e quindi condizionata dalle dimensioni dei getti, dalla geometria delle

casseforme e dalla relativa armatura metallica, dai mezzi di costipamento, ecc., per cui

per ogni utilizzazione si richiede un appropriato grado di lavorabilità.

La lavorabilità diminuisce col procedere delle reazioni di idratazione del cemento. È

pertanto necessario che l'impasto possegga la lavorabilità richiesta non solo al momento

della confezione, ma soprattutto al momento della sua posa in opera. Se l'intervallo che

intercorre fra confezione e getto non è breve e soprattutto se la temperatura

dell'ambiente è elevata, la lavorabilità iniziale deve essere maggiore di quella richiesta

per la sua messa in opera. La perdita di lavorabilità è un fenomeno che avviene

nell'ambito della prima ora (o delle due prime ore al massimo) dal termine delle

operazioni d'impasto, come si osserva nel grafico sottostante.

Andamento della diminuzione di lavorabilità degli impasti di calcestruzzo

28

La lavorabilità di un impasto viene usualmente valutata attraverso la sua consistenza, ad

esempio controllando la sua maggiore o minore attitudine a conservare una forma

impartitagli.

Si opera, di solito, con una delle tre seguenti metodologie:

- valutazione di consistenza con il cono di Abrams (UNI 9418);

- prova al consistometro VéBé (UNI 9419);

- indice di compattabilità (UNI 9420);

- spandimento (UNI 8020 - Metodo B).

Ciascuno di questi metodi serve ad evidenziare uno o più aspetti della lavorabilità.

2.3.4.2 Prova di abbassamento al cono - slump test

Questa prova non è molto indicativa: non è adatta per impasti molto asciutti, per i quali

l'abbassamento del cono è pressoché nullo e risulta difficile valutare le differenze di

consistenza, e non si applica a calcestruzzi con aggregati di dimensione maggiore di 40

mm.

La prova è significativa nel confronto fra impasti di caratteristiche compositive simili:

se le proporzioni della miscela e la granulometria degli aggregati rimangono inalterate,

una variazione nell'abbassamento al cono denota una modifica nel rapporto

acqua/cemento e viceversa. Nonostante i limiti del presente metodo, la prova è

notevolmente diffusa per la sua semplicità d'esecuzione e la modesta attrezzatura che

richiede.

L'apparecchiatura è costituita da un recipiente tronco-conico in lamiera, perfettamente

liscio all'interno e aperto all'estremità, avente altezza 30 ± 0,2 cm, con diametro di base

20 ± 0,2 cm e sommità 10 ± 0,2 cm, provvisto di maniglie e di due staffe inferiori per

tenerlo fermo durante il riempimento. Il recipiente va appoggiato con la base maggiore

su una superficie piana e pulita.

L'impasto, scelto in modo da rappresentare il più possibile l'impasto medio che si vuole

provare, viene posto nella forma tronco-conica in tre strati successivi di ugual spessore,

fino a completo riempimento. Ogni strato viene costipato con 25 colpi di un tondino di

ferro di diametro 16 mm e lunghezza 600 mm, con estremità arrotondata.

Completato il riempimento e livellata la superficie, il cono viene rimosso sollevandolo

lentamente e perpendicolarmente al piano d'appoggio: l'impasto, liberato dalla forma, si

29

adagia tanto più quanto meno è consistente. L'abbassamento dell'impasto, in centimetri,

rispetto alla forma originaria viene assunto come misura della consistenza (slump).

CLASSE DI CONSISTENZA

ABBASSAMENTO (mm)

DENOMINAZIONE CORRENTE

S 1 da 10 a 40 umida

S 2 da 50 a 90 plastica

S 3 da 100 a 150 semifluida

S 4 da 160 a 200 fluida

S 5 oltre 210 superfluida Classi di consistenza mediante misura dell'abbassamento al cono

Se il calcestruzzo si disgrega, la prova va ripetuta; se si disgrega continuamente il tipo

di prova non è significativa per l'impasto, e si deve utilizzare un altro metodo più adatto

, a meno che la disgregazione non dipenda da un errato assortimento granulometrico.

Determinazione della consistenza. Prova di abbassamento al cono.

30

2.3.5 Proprietà fisico meccaniche del calcestruzzo indurito

Per effetto dell'indurimento, un calcestruzzo diventa una pietra artificiale, le cui

caratteristiche principali sono la durezza e la resistenza meccanica.

Le sollecitazioni cui può essere sottoposto un calcestruzzo sono quelle tipiche di ogni

materiale da costruzione, cioè compressione, trazione, urto, abrasione. Il calcestruzzo

presenta capacità di resistenza alle sollecitazioni in misura diversa in funzione della

propria composizione e qualità delle condizioni esterne nelle quali si trova.

Il requisito più importante richiesto al calcestruzzo nelle normali applicazioni è la

resistenza a compressione, che è pure il parametro base per giudicare la qualità di un

conglomerato in generale. Una elevata resistenza a compressione, infatti, denota la

presenza di una massa compatta, con una bassa presenza di vuoti o irregolarità

nell'interno, e garantisce prestazioni elevate anche sotto tutti gli altri aspetti. La

resistenza rappresenta il criterio base di classificazione dei calcestruzzi.

2.3.5.1 Resistenza a compressione

La resistenza caratteristica a compressione del calcestruzzo, Rck, viene determinata

secondo la norma UNI 6132 su provini cubici o cilindrici maturati per 28 giorni

secondo la norma UNI 12390-2:2002. La norma UNI 9858 classifica il calcestruzzo in

base alle resistenze caratteristiche determinate su provini cubici (Rck) o cilindrici (fck).

Ogni calcestruzzo è caratterizzato dalla sigla C seguita da due numeri, il primo dei quali

indica la resistenza caratteristica cilindrica, il secondo quella cubica, entrambe espresse

in N/mm2; tra i due valori esiste una correlazione empirica.

31

CLASSI di RESISTENZA

fck [N/mm2]

Rck [N/mm2]

C8/10 8 10 C12/15 12 15

NON STRUTTURALE

C16/20 16 20 C20/25 20 25 C25/30 25 30 C30/37 30 37 C35/45 35 45 C40/50 40 50 C45/55 45 55

ORDINARIO

C50/60 50 60 C55/67 55 67 C60/75 60 75

ALTE PRESTAZIONI

C70/85 70 85 C80/95 80 95 C90/105 90 105 C100/115 100 115

ALTA RESISTENZA

Classi di resistenza del calcestruzzo riferite a provini cilindrici di diametro 150 mm ed altezza 300 mm

ed a provini cubici di 150 mm di spigolo.

La resistenza a compressione del calcestruzzo coinvolge le resistenze della pasta e i

relativi rapporti qualitativi e quantitativi. La resistenza della pasta aumenta con

l'indurimento: la massima resistenza si raggiunge soltanto dopo alcuni anni, ma lo

sviluppo più rapido si ha durante i primi giorni, tanto che dopo circa un mese si ottiene

già una frazione rilevante della resistenza finale. Inoltre la classe del cemento influenza

direttamente il livello di resistenza ottenibile.

Molto importante è l'influenza sulla resistenza della quantità d'acqua impiegata: la pasta

di cemento può essere assimilata ad una colla, perciò si può dire che aumentando la

diluizione diminuisce il potere collante.

La resistenza degli aggregati dipende dalla loro natura mineralogica. Gli aggregati

normali provengono da rocce che hanno generalmente resistenza a compressione e

modulo elastico più elevati di quella della pasta di cemento, rispetto alla quale risultano

quindi meno deformabili. Quando un calcestruzzo è sollecitato da uno sforzo di

compressione, le tensioni nell'interno della massa si scaricano sui granuli degli

32

aggregati, più rigidi: di conseguenza i punti di contatto tra pasta e granulo sono

fortemente sollecitati, tanto che l'aderenza nella superficie di contatto può venire meno,

generando fratture locali. Pertanto, unita agli effetti della resistenza a compressione,

assume importanza l'aderenza tra pasta e aggregati, maggiore quando si sviluppa una

specie di legame chimico, minore se dipende solo da ancoraggio meccanico, influenzato

quest'ultimo dalla struttura superficiale dei granuli degli aggregati e dall'assenza di

impurità sugli stessi (in genere un aggregato calcareo sviluppa adesione maggiore di un

aggregato siliceo, a causa dell'interazione calcare - cemento che rinforza il legame fra i

due materiali). La presenza di eventuali punti deboli nella massa del calcestruzzo può

quindi alterare sensibilmente la distribuzione delle sollecitazioni: un punto debole può

essere rappresentato da granuli non compatti o alterati, in corrispondenza dei quali può

verificarsi il cedimento che innesca la rottura. Considerato che la resistenza degli

aggregati è maggiore di quella della pasta, ciò che interessa soprattutto è la omogeneità

degli aggregati stessi, cioè l'assenza di elementi deboli o degradati. I vuoti presenti nella

massa sono certamente punti deboli, specialmente se sono di una certa dimensione. Essi

possono provenire da una non corretta composizione della miscela, in particolare da una

quantità insufficiente di pasta di cemento in rapporto alla quantità e dimensione degli

aggregati, o a seguito di un insufficiente costipamento della massa. I granuli devono

essere completamente avvolti dalla pasta cementizia, la quale deve riempire tutti gli

spazi esistenti fra i granuli stessi: per questo occorre una quantità adeguata di pasta,

correlata con la dimensione dei granuli da avvolgere, in particolare con la loro

superficie. All'aumentare della superficie complessiva, aumenta la quantità di pasta

richiesta. In una distribuzione granulometrica corretta, quando aumenta il diametro

medio dei granuli, diminuisce la superficie complessiva da ricoprire, quindi il

fabbisogno di pasta.

Nella definizione del rapporto pasta - aggregati influisce, oltre alla dimensione dei

granuli, la loro scorrevolezza al fine di ottenere una buona lavorabilità: dimensione dei

granuli e lavorabilità dell'impasto sono fattori che dipendono dalle condizioni di

impiego della miscela.

Si può quindi affermare che la resistenza a compressione è influenzata:

• dalla classe di cemento;

• dal rapporto acqua - cemento;

33

• dal rapporto cemento - aggregati;

• dalla qualità degli aggregati, in particolare dalla loro omogeneità e capacità di

aderenza con il cemento;

• dalla densità della massa, a sua volta della corretta composizione e del

costipamento.

La resistenza a compressione può essere definita potenziale, in quanto quella reale,

effettiva, si ha soltanto dopo la posa in opera e la maturazione dei getti: durante queste

fasi lo sviluppo della resistenza può subire accelerazioni, ritardi o scostamenti dai valori

previsti. Una riduzione della resistenza potenziale può essere causata da un insufficiente

costipamento, oppure dalla troppo rapida evaporazione dell'acqua di impasto, per effetto

dell'evaporazione in zone a clima caldo e asciutto.

Una differente velocità di sviluppo della resistenza è generalmente causata dalla

temperatura: temperature troppo elevate accelerano lo sviluppo, se l'acqua di impasto

gela, non può avviarsi il processo di idratazione. Una temperatura iniziale troppo alta

può causare un'alterazione riduttiva nello sviluppo del processo.

2.3.5.1.1 Misura della resistenza a compressione del calcestruzzo

La prova viene eseguita con diversi scopi tra cui quello del controllo di qualità della

produzione, la rispondenza alle specifiche contrattuali del calcestruzzo acquistato e alle

specifiche di progetto di quello messo in opera, il controllo del materiale in opera , la

messa a punto del dosaggio degli impasti.

Per la prova di compressione si impiegano provini cubici (in Italia e numerosi altri paesi

europei) o cilindrici (Inghilterra, Stati Uniti, Canada, Australia). Con l'introduzione

della normativa europea si ammette l'impiego di entrambi i tipi di provino, mentre

l'Eurocodice, pur ammettendo entrambi i provini, fa essenzialmente riferimento a quelli

cilindrici.

Le diverse norme per la misura della resistenza a compressione, come pure le UNI 6126

e 6135, indicando in genere:

- materiali, dimensioni e tolleranze delle forme per i provini, che non si devono

deformare a seguito del riempimento o della compattazione del conglomerato;

- dimensioni delle forme in relazione al valore di Dmax (la dimensione minima della

cassaforma dovrebbe essere almeno 5 volte quella del diametro massimo);

34

- modalità del prelievo del calcestruzzo, modalità di riempimento e compattazione

delle forme (si usa in genere la vibrazione, onde ottenere il minor volume di vuoti),

procedimento di lisciatura della superficie libera dei provini;

- tempo intercorrente tra l'impasto e la sformatura dei provini (secondo UNI: 24 ore);

- condizioni di stagionatura (secondo UNI: 20°C e umidità relativa = 90%);

- tempo massimo tra la fine della stagionatura e l'inizio della prova (secondo UNI: 2

ore);

- tolleranza di planarità delle superfici del provino su cui è applicata la compressione

(secondo UNI: ± 0,05 mm);

- angoli tra le facce di 90° ± 30';

- precisione della lettura del carico applicato dalla pressa idraulica;

- velocità di applicazione del carico (secondo UNI: 0,5 ± 0,2 N/mm2sec).

Naturalmente anche la pressa idraulica, impiegata per l'esecuzione della misura della

resistenza a compressione, è standardizzata nei suoi diversi organi e deve rispondere

alla specifica UNI 6686/72.

Alcuni dei fattori precedentemente indicati influenzano sensibilmente il valore della

resistenza misurabile su un determinato provino.

2.3.5.1.2 Norme di riferimento su forma e dimensioni del provino

I procedimenti e le modalità per la preparazione e la conservazione dei provini e per

l'esecuzione delle prove sono oggetto delle seguenti norme:

Ø UNI 6126 e UNI 6128, che stabiliscono rispettivamente le modalità per il prelievo

dei campioni di calcestruzzo in cantiere e per la confezione in laboratorio di

calcestruzzi sperimentali;

Ø UNI 627 e 6129, che stabiliscono le modalità per la preparazione e la stagionatura

dei provini di calcestruzzo rispettivamente prelevati in cantiere e confezionati in

laboratorio;

Ø UNI EN 12390-3:2003, che si riferisce a forme e dimensioni dei provini di

calcestruzzo per prove di resistenza meccanica, e relative casseforme; questa norma

prescrive l'utilizzazione, in via normale, di provini cubici per la rottura a

compressione e a trazione indiretta per spacco, e di provini prismatici di sezione

quadrata per la rottura a trazione indiretta per flessione.

35

Per la rottura a compressione e a trazione indiretta è tuttavia previsto che, in casi

particolari, possano essere anche impiegati provini cilindrici aventi altezza doppia del

diametro.

Ø UNI 6131, che stabilisce i criteri e le modalità per il prelievo di campioni di

calcestruzzo già indurito e per la preparazione di provini;

Ø UNI 6132 e 6134, che stabiliscono il procedimento da seguire per la

determinazione della resistenza a compressione di provini sottoposti allo scopo, e,

rispettivamente, di monconi di prismi rotti a flessione;

Ø UNI 6133, relativa all'esecuzione della prova di rottura a trazione per flessione;

Ø UNI 6135, relativa all'esecuzione della prova di rottura a trazione diretta e indiretta;

Ø UNI 6186, che riguarda le presse idrauliche appositamente progettate e costruite per

prove di compressione su materiali, come il calcestruzzo, che presentano piccola

deformazione prima della rottura.

I valori di resistenza a compressione sono dipendenti dalla geometria e dalle dimensioni

del provino. Per tenere conto di tali influenze, si utilizzano i fattori di conversione

riportate nelle seguenti tabelle:

Spigolo l in mm 100 150 200 250 300

Indici delle resistenze a compressione su cubi di spigolo l 110% 100% 95% 92% 90%

Fattori di conversione fra resistenze a compressione misurate su cubi di diversa dimensione.

Spigolo l in mm 100/200 150/300 200/400 250/500 300/600

Indici delle resistenze a compressione su cubi di spigolo l

102% 100% 97% 95% 91%

Fattori di conversione fra resistenze a compressione misurate su cilindri di diversa dimensione e di pari snellezza h/d = 2.00

Res. cubica < 25 N/mm2 Rcilindro = 0.80 Rcubo

25 N/mm2 < Res. cubica < 60 N/mm2 Rcilindro = 0.83 Rcubo

Res. cubica > 60 N/mm2 Rcilindro = 0.85 Rcubo

Fattori di conversione fra resistenze a compressione di cubi l = 150 mm e cilindri d = 150 mm, d = 300 mm.

36

I fattori di conversione riportati nelle diverse tabelle non sono correlabili tra loro.

In generale i provini di grandi dimensioni danno resistenze minori dei provini piccoli;

quelli cilindrici danno resistenze minori dei provini cubici, ed i provini snelli danno

resistenze minori dei provini tozzi. Inoltre, quanto maggiore è la resistenza a

compressione del calcestruzzo in esame, tanto più i rapporti di conversione tendono

all'unità.

La norma UNI 6130/1 fornisce le indicazioni circa la proporzione tra le dimensioni dei

provini per la misura della resistenza a compressione e il diametro massimo

dell'aggregato del calcestruzzo da provare:

• 15 cm di lato per aggregato con dmax fino a 30 mm;

• 20 cm di lato per aggregato con dmax fino a 40 mm;

• 30 cm di lato per aggregato con dmax fino a 70 mm.

Le cubiere possono essere singole o multiple a tre o quattro cubi; le misure dei lati

vanno rispettate con tolleranza 2/10 mm, quelle degli angoli con tolleranza 0,5°.

Le forme devono essere rigide e impermeabili; prima dell'uso le cubiere vanno

ingrassate all' interno con un sottile strato di olio minerale, privo di acidi grassi, o con un

disarmante adatto, evitando l'uso di olio bruciato. Si usano anche forme in polistirolo

espanso, che rappresentano un involucro a perdere. Le forme possono essere sigillate e

il provino resta a stagionare all'interno, fino al momento della prova. È sconsigliato

l'uso del coperchio nella stagione calda perché può impedire lo smaltimento del calore.

La dimensione dei provini è un parametro significativo nella misura della loro

resistenza. La considerazione principale in proposito è che il verificarsi dell'effetto

parete può modificare apprezzabilmente il rapporto pasta/aggregato. Se si immagina di

osservare il calcestruzzo in corrispondenza di una sezione al centro del provino,

otterremo che la frazione della superficie osservata, costituita da aggregati grossi, è

all'incirca pari a quella mediamente presente nel materiale. Se invece la sezione

osservata è parallela e a piccola distanza dalla parete della cassaforma, la frazione della

superficie data dagli elementi di aggregato grosso sarà alquanto minore. Ciò si deve al

fatto che la presenza della parete suddetta impedisce agli aggregati di avvicinarvisi; in

definitiva si può affermare che tanto maggiore è il rapporto tra la superficie del provino

e il volume di esso, tanto maggiore sarà la frazione di pasta di cemento in esso presente.

37

Il suddetto effetto parete in definitiva fa sì che lo stesso calcestruzzo, provato su provini

più piccoli, darà valori di resistenza più elevati.

Occorre tenere conto del fatto che, essendo la superficie di contatto tra l'aggregato

grosso e la pasta di cemento il punto di minor resistenza del conglomerato, se il provino

è troppo piccolo rispetto al diametro massimo dell'aggregato, quest'ultimo aspetto

diviene preponderante e la resistenza decresce. A seguito dello schiacciamento del

provino che si realizza nella prova di compressione, si può osservare che il materiale

delle facce laterali del provino stesso diventa friabile e può essere facilmente asportato;

la parte restante, meno danneggiata, del provino assume così la forma della figura

sottostante (a), detta piramidale. Questo comportamento può essere facilmente

interpretato: durante l'applicazione del carico il provino subisce una contrazione nella

direzione di applicazione del carico e un rigonfiamento delle facce laterali

(rappresentato in modo esagerato in figura (b)); questa deformata è dovuta al fatto che, a

causa dell'attrito, tra i piatti della pressa a contatto del provino, mediante i quali è

applicato il carico, e le superfici del provino stesso, l'espansione laterale è contrastata, in

misura maggiore in prossimità delle superfici di contatto, dove si realizza una

sollecitazione biassiale compressione-compressione, e in misura man mano minore

allontanandosi da tali superfici. Le parti in cui si sente meno l'effetto del contrasto alla

dilatazione laterale sono quelle che si dilatano maggiormente e alla fine della prova

risultano più danneggiate e friabili, e sono quelle che portano al cedimento il provino.

Le parti di provino che in un certo modo sono "rinforzate" dal contatto con i piatti della

pressa, come si vede in figura (a), sono piramidi aventi come base la faccia del provino

a contatto della pressa, e altezza pari a 23⋅d , in cui d è il lato del provino; nel caso

di provino cilindrico si tratterà evidentemente di coni. In base alle precedenti

considerazioni, è chiaro che il provino cilindrico della normativa, avente rapporto

altezza/diametro pari a 2, presenta un volume non contrastato, e quindi più deformabile

e danneggiabile, alquanto maggiore del provino cubico, come è indicato nelle figure (c)

e (d); come conseguenza, la resistenza del provino cilindrico vale, per lo stesso

calcestruzzo, circa l'80% della resistenza del provino cubico.

38

Modalità di rottura dei provini cubici a compressione

Nella figura successiva è riportata l'influenza del rapporto h/d sulla resistenza relativa

del conglomerato per diverse resistenze del calcestruzzo, ponendo pari a 100 la

resistenza del cilindro

normalizzato. Di un tale tipo di relazione si deve tener conto nel caso che il provino di

calcestruzzo non abbia rapporto h/d pari a 1 oppure 2.

Variazione della resistenza in funzione della forma del provino, per diverse resistenze del calcestruzzo (risultati di Murdock, 1957)

39

2.3.5.1.2.1 Velocità di applicazione del carico

In particolare, la velocità di applicazione del carico influenza il valore della resistenza a

compressione, come viene mostrato in figura; ciò si deve al fatto che la propagazione

delle fessure richiede un certo tempo e influisce meno se la prova è più rapida.

Influenza della velocità di applicazione del carico sulla resistenza a compressione.

2.3.5.1.2.2 Resistenza caratteristica

Il sistema più usato per misurare la qualità del calcestruzzo è la determinazione della

resistenza a compressione per rottura dei provini. Ogni provino è un campione

estremamente ridotto rispetto al getto che deve rappresentare e quindi scarsamente

rappresentativo, specialmente se nel getto c'è incostanza del materiale.

È quindi possibile aumentare, per quanto possibile, il numero dei campioni da

sottoporre a prova, e limitare il controllo a calcestruzzi omogenei, cioè confezionati con

materiali dello stesso tipo e nelle stesse quantità, con attrezzature e modalità di

confezione analoghe. Anche i provini devono essere confezionati, stagionati e provati

nello stesso modo.

Ridotte così le possibili variazioni dovute a fattori esterni, le differenze nei risultati

ottenuti dai provini dipendono in massima parte dalle variazioni di qualità proprie di

quel calcestruzzo, e sono pertanto indice della maggiore o minore uniformità dello

stesso.

Sulla base delle resistenze ottenute da un certo numero di provini, occorre calcolare una

resistenza presunta del materiale. Un procedimento comune è quello di assumere come

indicativo delle qualità del materiale il valore medio dei risultati della prova, ma ciò non

40

è significativo perché non fornisce un'indicazione sufficiente. In realtà di un materiale

interessa non tanto la resistenza media quanto la resistenza minima, intesa non come

valore minimo dei risultati della prova, ma come minimo "statistico", come quel valore

che ha elevata probabilità (almeno il 95%) di essere superato dalla popolazione dei

risultati.

Poiché non si possono eseguire misure su tutti gli impasti di una produzione, ci si limita

ad un controllo di accettazione, effettuando una misura su un prelievo di calcestruzzo

ogni 100 m3 di conglomerato, di cui si determina (su almeno due provini) la resistenza

media del prelievo.

2.3.5.1.2.3 Determinazione della resistenza caratteristica

Per controllare il livello di resistenza di un calcestruzzo omogeneo si devono prelevare

dallo stesso campioni da sottoporre a prova. Tanto più elevato è il numero dei prelievi,

tanto più il risultato della prova sarà indicativo della effettiva qualità del materiale. Se

da un calcestruzzo si effettua un numero n di prelievi si ottiene dunque un numero n di

resistenze.

Costruendo un grafico in cui i valori delle resistenze sono segnati in ascisse, e le

frequenze dei risultati nelle ordinate, cioè il numero di volte che si ottiene quello stesso

risultato, si ottiene una curva di Gauss, come quella descritta in figura.

Distribuzione delle frequenze e della Gaussiana.

Tale curva, significativa per fenomeni, come il calcestruzzo, in cui il risultato dipende

da molte cause tra loro indipendenti, indica la distribuzione statistica "normale" dei

41

risultati; in essa il valore medio è quello che si verifica con maggiore frequenza, e

corrisponde al valore in corrispondenza della verticale passante per il punto più alto

della curva.

La resistenza meccanica, minore di quella media, risulta spostata a sinistra rispetto al

valore medio, tale che soltanto il 5% di tutti i risultati sono inferiori ad essa. La

resistenza caratteristica viene calcolata con la formula:

Rck = Rm - k · s

essendo: Rck = resistenza caratteristica (frattile 5%);

Rm = resistenza media;

k = coefficiente numerico, uguale a 1,64 per un numero di prelievi molto

elevato;

s = scarto quadratico medio, pari a s = )1(

)( 2

−−Σ

nRR mX ,

con Rx = resistenza di ciascun prelievo

n = numero di prelievi.

Diagramma dei valori statistici significativi.

Per ottenere un valore piccolo dello scarto quadratico medio, il produttore deve:

- utilizzare materiali di qualità costante;

- impiegare bilance e dosatori tarati frequentemente e sufficientemente accurati;

- miscelare per il tempo dovuto e con miscelatori efficienti il conglomerato.

42

La resistenza caratteristica è in sostanza pari alla resistenza media diminuita di una certa

quantità, funzione del numero di prove della costanza dei risultati. La curva a campana

si modifica nel caso si faccia riferimento a un numero limitato di risultati.

Data una serie di valori di resistenze di prelievo, se si riportano nel grafico in ascissa i

valori delle resistenze di prelievo, suddivise in classi di resistenza e in ordinata il

numero di volte che i singoli risultati appartenenti a ciascuna classe si manifestano, si

ottiene una spezzata - non una curva poiché si dispone di un numero limitato di risultati

- in buon accordo con l'andamento della curva di Gauss. Se i risultati sono più dispersi,

ossia se i valori di resistenza sono più distanti tra loro, si ottiene una spezzata più

schiacciata: a parità di resistenza media la resistenza caratteristica si trova più a sinistra

e quindi il valore più basso, oppure a parità di resistenza caratteristica, è necessario

aggiungere una resistenza media più elevata di quella ottenuta dai risultati delle prove,

come si osserva nei grafici sottostanti.

Risultati più dispersi, resistenza caratteristica più bassa, a pari resistenza media.

Risultati più dispersi, resistenza caratteristica più alta, a pari resistenza caratteristica.

43

2.3.5.2 Resistenza a trazione

La resistenza a trazione di un calcestruzzo è piuttosto bassa e rappresenta una frazione

della resistenza a compressione: in genere si assume pari ad 1/10 di quest'ultima.

Sotto compressione gli aggregati determinano in modo attivo il comportamento del

materiale in quanto, essendo a contatto tra loro e con la pasta, riescono ad assorbire,

deformandosi, buona parte degli sforzi. Sotto trazione l'interfaccia legante-aggregato,

pur essendo più o meno resistente in funzione del grado di scabrezza e porosità della

superficie di quest'ultimo e della sua possibilità di formare legami chimici con la pasta

di cemento, tuttavia costituisce sempre il punto debole della struttura del conglomerato.

In corrispondenza di tale interfaccia, poi, si generano per i fenomeni di ritiro, numerose

microfessure che determinano una concentrazione locale della sollecitazione che risulta

determinante.

La resistenza a trazione viene misurata mediante:

- prove di trazione diretta;

- prova di flessione;

- prova di trazione indiretta o prova brasiliana.

2.3.5.2.1 Prova di trazione diretta

La prova di trazione diretta viene eseguita mediante incollaggio (con resine epossidiche)

di testate metalliche su provini di calcestruzzo cilindrici e applicando un carico N a due

perni di afferraggio solidali alle testate stesse. La resistenza a trazione diretta è fctm =

N/A, dove A è l'area della sezione normale del provino.

La prova risente in modo spiccato della presenza di difetti nel calcestruzzo (cavità, corpi

estranei, ecc.) poiché tutto il volume del materiale è sollecitato e quindi qualsiasi difetto

influisce sul risultato, creando sezioni indebolite. Nelle altre prove di trazione solo una

parte del provino è sollecitata a trazione, e quindi la sua probabilità che in tale parte sia

localizzato un difetto è proporzionale alla sua frazione di volume. Inoltre la prova

presenta la notevole difficoltà sperimentale di ottenere coassialità e parallelismo delle

barre di afferraggio.

44

2.3.5.2.1.1 Prova di flessione

Si esegue su provini prismatici di dimensioni dipendenti da Dmax (in genere 10x10x40

cm) posti su due coltelli di appoggio e caricati con uno o due coltelli di carico. Il tal

modo viene misurata la massima sollecitazione di trazione raggiunta sulla fibra più

bassa, detta "modulo di rottura", dalla relazione

23

dbl

PMR⋅

⋅⋅=

in cui P è l carico, l la distanza tra gli appoggi, b è la larghezza e d è lo spessore del

provino. Questa prova risente poco della presenza di difetti e dà valori di resistenza più

elevati, in quanto, rispetto alla prova di trazione diretta e a quella di trazione indiretta, il

volume interessato dalla sollecitazione è minimo: tipicamente il modulo di rottura è pari

a 1,6 volte circa la resistenza a trazione diretta.

2.3.5.2.1.2 Prova di trazione indiretta o prova brasiliana

È chiamata anche splitting test (letteralmente "test di spaccamento") ed ha il vantaggio

della facile esecuzione e di fornire risultati abbastanza uniformi rispetto ad altre prove

di trazione; essa può essere eseguita su campioni cilindrici preparati in laboratorio, di

carote o anche su cubi.

La prova viene eseguita disponendo il cilindro di calcestruzzo orizzontalmente tra i

piatti mediante i quali si applica un carico di compressione. Tra i piatti ed il provino si

interpone in genere una lastrina sottile di materiale cedevole (gomma dura o

compensato) per distribuire in modo omogeneo il carico. Sulla sezione verticale del

provino, posto a contatto dei piatti della pressa all'altezza 0 e d, si generano carichi di

compressione e di trazione come mostrato nel diagramma; il carico di trazione

designato fct,sp nella UNI EN 1992 vale:

dhP

c ⋅⋅=

πσ 2

in cui h e d sono rispettivamente altezza e diametro del cilindro.

45

Misura di trazione indiretta

2.3.5.3 Relazione tra resistenza a trazione e a compressione

La norma UNI EN 1992 dà due coefficienti di conversione per calcolare il valore della

resistenza a trazione assiale fct,ax, dai valori di resistenza a trazione alla brasiliana fct,sp o

della resistenza a flessione fct,fl:

fct,ax = 0,9 fct,sp;

fct,ax = 0,5 fct,fl.

In mancanza di dati sperimentali si può ammettere che la resistenza a trazione media e

caratteristica del calcestruzzo sia ricavabile dalla resistenza caratteristica a

compressione Rck (misurata su provini cilindrici), con le seguenti espressioni:

fctm = 0,3 fck2/3;

fctk, 0.05 = 0,7 fctm,

in cui è fctm la resistenza a trazione, fck è la resistenza caratteristica cilindrica, fctk, 0.05 è il

valore caratteristico della resistenza a trazione.

Inoltre, secondo il D.M. 9 gennaio 1996, il valore medio della resistenza a trazione

assiale, in mancanza di sperimentazione diretta, può essere messo in relazione alla

resistenza a compressione su provini cubici, attraverso la relazione:

3 227,0 ckctm Rf ⋅=

46

RES. COMP. CIL. [MPa] MODULO DI ROTTURA TRAZIONE DIRETTA

7 0,23 0,11

21,1 0,16 0,09

35,1 0,14 0,08

49,2 0,12 0,07

63,3 0,11 0,07 Dati tipici di resistenza a trazione e a compressione.

2.3.5.4 Modulo elastico

Per il modulo elastico istantaneo Ec, tangente all'origine del diagramma sforzi -

deformazioni, in mancanza di diretta sperimentazione da eseguirsi secondo la norma

UNI 6556, si assume il valore:

ckc RE ⋅= 5700 [MPa]

tale valore non è applicabile ai calcestruzzi maturati a vapore.

2.3.5.5 Coefficiente di Poisson

È il rapporto tra la deformazione trasversale che si verifica in seguito ad una

deformazione assiale e la deformazione assiale stessa. Può assumere, a seconda dello

stato di sollecitazione valori compresi tra 0,1 e 0,3.

fck [MPa] 16 20 25 30 35 40 45

Rck [MPa] 20 25 30 37 45 50 55

Ec (1) [MPa] 25.500 28.500 31.200 33.700 36.000 38.200 40.300 Ec (2) [MPa] 27.500 29.000 30.500 32.000 33.500 35.000 36.000

ν 0,14 - 0,17

0,15 - 0,18

0,16 - 0,19

0,17 - 0,20

0,18 - 0,22

0,20 - 0,25

0,22 - 0,27

Alcuni valori del modulo elastico e del modulo di Poisson, in cui con (1) si intendono i moduli calcolati rispetto a Rck e con (2) quelli calcolati rispetto ad fck.

47

2.3.6 Carotaggi

Un metodo di verifica della resistenza a compressione del conglomerato frequentemente

utilizzato, anche se le opere esaminate ne risultano apprezzabilmente danneggiate, è

quello del carotaggio, consistente nel prelevare dalla struttura dei campioni cilindrici di

calcestruzzo, di diametro da 3 a 20 cm, mediante una sega cilindrica a corona

diamantata.

Tagliando il cilindro in modo da ottenere delle basi piane, parallele e normali all'asse

del cilindro, si può misurare una resistenza a compressione; in mancanza di una

macchina capace di eseguire una vera e propria rettifica, la norma ASTM C 617 prevede

l'operazione di "cappatura", che consiste nell'applicazione sulle superfici spianate della

carota, dopo il taglio, di una patina di sufficiente resistenza di circa 3 mm di spessore,

come una pasta di cemento o gesso oppure una malta legata da zolfo fuso a 130°C;

l'apparecchiatura mantiene il cilindro verticale, in modo che la base "cappata" formi un

angolo di non più di 0,5° con l'asse del cilindro stesso.

I risultati ottenuti vanno interpretati con grande cautela, tenendo soprattutto presente

che i valori ricavati non possono essere confrontati direttamente con la resistenza media

o la resistenza caratteristica. Infatti, mentre per valutare queste i provini di calcestruzzo

fresco sono compattati a fondo e maturati in condizioni ottimali, numerosi fattori

possono:

- impedire che il calcestruzzo in opera raggiunga la resistenza che raggiungerebbe nei

provini (difetto di compattazione, difetto di maturazione umida, aggiunte d'acqua in

cantiere);

- causare l'ottenimento di valori di resistenza non rappresentativi della reale qualità

del materiale in opera (rapporto altezza/diametro del cilindro, danneggiamento del

materiale da parte dell'utensile);

- causare una notevole variazione dei risultati (posizione del prelievo, direzione del

prelievo e altri).

Risultati di prove eseguite carotando elementi di calcestruzzo di circa 0,1 m3 ben

compattati e maturati all'aperto e confrontando la resistenza a compressione su cubi

dello stesso calcestruzzo maturati in condizioni standard, evidenziano l'effetto

complessivo della maturazione all'aria e del carotaggio come una riduzione di resistenza

di circa 5-6 MPa; il coefficiente di correlazione è pari circa a 0,95.

48

Una nota espressione per valutare la resistenza del calcestruzzo nella struttura in base al

risultato del carotaggio è data dalla Concrete Society inglese:

λ

λ 15,1

1

+⋅=

Dff

in cui: 1f è la resistenza cubica attuale del calcestruzzo nella struttura;

λf è il valore sperimentale di resistenza misurato su carote aventi rapporto

altezza/diametro pari a λ;

D è una costante che assume il valore di 2,5 per carotaggio orizzontale, 2,3 per

carotaggio verticale;

λ è il rapporto altezza/diametro della carota.

2.3.7 Calcestruzzo pompabile

Dal punto di vista della pompabilità il calcestruzzo può essere considerato, in prima

approssimazione, un sistema bifasico: la pasta di cemento che costituisce il fluido

trasportatore (infatti è di per sé pompabile) e l'aggregato che costituisce la parte

trasportabile (infatti di per sé l'aggregato non è pompabile). Quanto maggiore è il

rapporto tra il volume di pasta cementizia e quello di aggregato, tanto più è facile

pompare il calcestruzzo. Infatti il problema del pompaggio del calcestruzzo si pone solo

per i calcestruzzi magri con un basso rapporto in volume pasta/aggregato e cioè con un

basso dosaggio di cemento, laddove considerazioni di carattere tecnico, nonché

economico, impongono di mantenere basso il dosaggio di cemento.

Affinché il calcestruzzo risulti ben pompabile è necessario che la granulometria

dell'impasto, la sua consistenza e la sua coesione siano adeguate, così che sotto l'azione

della pressione tutto l'impasto proceda nella tubazione omogeneamente. Se l'impasto

contiene una quantità eccessiva di vuoti dovuta ad abbondanza d'acqua e a scarsità di

particelle fini (sabbia grossolana e basso dosaggio di cemento), esso sotto pressione

tenderà a scomporsi (segregare). L'acqua tenderà cioè a precedere i solidi nelle

tubazione e questi a bloccarsi, causando prima un aumento di pressione e poi l'arresto.

Se al contrario un impasto avrà un contenuto eccessivo di particelle fini (0-0.25 mm), la

sua coesione sarà elevata ma si produrranno un forte attrito, un aumento di temperatura

con perdita di lavorabilità e un aumento della pressione, che anche in questo caso può

49

portare al bloccaggio. Da un punto di vista pratico, vanno a far parte del fluido

trasportatore, non solo l'acqua ed il cemento, ma anche quella frazione di sabbia, che si

raccorda dal punto di vista granulometrico con la distribuzione dimensionale del

cemento. Pertanto il problema di poter disporre di una sabbia sufficientemente ricca

nella frazione fine è il primo punto da affrontare per la produzione di un calcestruzzo

pompabile indipendentemente dal contenuto del cemento calcolato.

Le regole generali da seguire per ottenere un calcestruzzo pompabile sono:

- lo slump deve essere non inferiore a 10 - 15 cm (consistenza semifluida);

- la granulometria dell'impasto deve seguire la curva riportata in figura, con

particolare riferimento alle particelle minori di 0,5 mm;

- il diametro massimo dell'aggregato non deve superare 1/3 del diametro interno del

tubo della pompa;

- il peso dell'aggregato grosso non deve superare un certo valore limite che dipende

dal diametro massimo, e dalla granulometria della sabbia;

- il modulo di finezza della sabbia deve essere compreso fra 2,40 e 3,00;

- la sabbia deve possedere particolari requisiti granulometrici.

FUSO GRANULOMETRICO PER DIMENSIONE MASSIMA DEGLI AGGREGATI DI 30 mmMISTO POMPABILE - GARZENA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100

Apertura setaccio (mm)

Per

cen

tual

e p

assa

nte

cu

mu

lati

vo (

%)

FULLER

50

2.3.7.1 Miscelazione

La miscelazione di un calcestruzzo consiste nel ricoprire tutte le particelle di inerte con

pasta di cemento e nel rendere uniforme la distribuzione di tutti gli ingredienti che lo

costituiscono.

La miscelazione dei materiali componenti deve essere eseguita in una mescolatrice

meccanica e deve proseguire fino all'ottenimento di un impasto uniforme. L'operazione

di impasto si ritiene cominciata dal momento in cui tutti i materiali richiesti per

l'impasto si trovano nella mescolatrice. Quando vengono aggiunti additivi in piccole

quantità, questi vengono dispersi in una parte dell'acqua di impasto, ma quando sono

aggiunti in cantiere additivi fluidificanti, a causa della breve durata dei loro effetti, il

calcestruzzo dovrebbe essere impastato uniformemente, prima di aggiungere l'additivo

in questione. Dopo l'aggiunta, il calcestruzzo viene rimescolato fino a che l'additivo si

sia completamente disperso nell'impasto e sia divenuto pienamente efficace.

La miscelazione deve durare un tempo sufficiente ad assicurare l'omogeneità

dell'impasto. Le due figure sottostanti mostrano che gli scarti tra i valori di resistenza di

vari prelievi dallo stesso impasto si riducono e la resistenza media aumenta

all'aumentare del tempo medio di miscelazione. Le figure mostrano anche che per tempi

di miscelazione molto lunghi si possono ottenere incrementi di resistenza; tempi

eccessivi possono portare però ad una comminuzione dell'inerte, ad una eccessiva

perdita di lavorabilità e, nel caso di impasti contenenti additivi aeranti, ad una

progressiva diminuzione del contenuto d'aria inglobata.

Una miscelazione intermittente fino a 3 o più ore sembra non avere effetto negativo

sulla resistenza a compressione del calcestruzzo ma solo sulla lavorabilità.

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Effetto del tempo di miscelazione sulla resistenza di provini confezionati con lo stesso impasto di calcestruzzo.

Influenza del tempo di agitazione sulla resistenza a varie stagionature.

La figura sottostante mostra i risultati di una prova eseguita su un impasto di diversi

metri cubi di calcestruzzo, mantenuto costantemente in agitazione fino a 4 ore dalla

miscelazione degli ingredienti: ogni 15' si è prelevato il quantitativo di miscela

occorrente per una prova slump e si è aggiunta l'acqua necessaria per riportare la

lavorabilità al valore segnato sulla curva del grafico superiore. Con il calcestruzzo

impiegato per la misura dello slump si sono confezionati dei cubetti il cui valore di

52

resistenza a compressione a 28 giorni è stato riportato in ordinata come variazione

percentuale rispetto al valore senza aggiunta d'acqua. Nel grafico inferiore è riportata la

variazione del rapporto acqua/cemento a seguito delle aggiunte d'acqua suddette. La

figura evidenzia come un'agitazione fino a 2 ore sia risultata benefica, richiedendo solo

l'aggiunta d'acqua per compensare l'evaporazione; l'ulteriore agitazione, che produce

un'idratazione accelerata del cemento e disturba la formazione della struttura compatta

del gelo di cemento, risulta al contrario nociva.

Effetto del tempo di miscelazione sulla resistenza di provini confezionati con lo stesso impasto di calcestruzzo.