La microstruttura delle malte e del calcestruzzo, allo stato indurito, si presenta molto complessa per la dinamicità che caratterizza questi materiali e li rende dipendenti dal parametro tempo. Nella pratica, per ovviare in parte a questo inconveniente, si è convenuto di misurare e di esprimere le proprietà del calcestruzzo – salvo che non sia precisato il contrario – al tempo di 28 giorni dal momento della miscelazione dei suoi ingredienti. Si assume, in pratica, che dopo questo tempo le proprietà del materiale non subiscano significative variazioni.
Resistenza a compressione
La resistenza meccanica del calcestruzzo dipende da numerosi fattori, tra questi giocano un ruolo fondamentale:
- le caratteristiche dell’aggregato;
- la resistenza della matrice cementizia, attraverso: la resistenza meccanica intrinseca del cemento; il dosaggio del cemento; il rapporto a/c; il grado di costipazione; il grado di maturazione; la temperatura.
Degrado e durabilità
Il degrado delle opere in calcestruzzo richiede l’esame di due aspetti paralleli, ma in relazione tra loro: da una parte le condizioni ambientali dalle quali derivano le aggressioni (definite classi di esposizione), dall’altra la resistenza che il materiale deve opporre a queste aggressioni.
Quando questa resistenza è in grado di vincere le sollecitazioni aggressive dell’ambiente, il calcestruzzo è durabile ed è capace, cioè, di conservare le caratteristiche iniziali e assicurare la vita in servizio richiesta. Le cause di degrado possono essere suddivise in chimiche, fisiche e meccaniche.
La normativa vigente (UNI EN 206-1) prende in considerazione le più comuni cause di degrado che includono gli attacchi chimici promossi dall’anidride carbonica, dai sali disgelanti (cloruri), dall’acqua di mare e dai sali solfatici, oltre all’aggressione di tipo fisico derivante dalla formazione del ghiaccio.
Fessurazione
Oltre ai processi di degrado previsti nella EN 206, la durabilità di una struttura è inficiata dalla presenza di fessure. Si formano fessure quando è superata la capacità di deformazione a trazione del calcestruzzo. La formazione di fessure è associata nel calcestruzzo fresco al ritiro plastico e all’assestamento plastico, nel calcestruzzo indurito al raffreddamento durante lo smaltimento del calore d’idratazione e al ritiro in essiccazione. Inoltre, fessure di notevole entità possono essere provocate sia da assestamenti differenziali delle fondazioni sia da applicazione di carichi non previsti.
Resistenza all’usura
In alcuni casi, il calcestruzzo è chiamato a resistere all’usura e agli urti. Ciò si verifica, per esempio, nelle pavimentazioni industriali o nelle strutture idrauliche, dove l’abrasione, gli urti, l’erosione e la cavitazione possono provocare una sensibile e rapida degradazione del materiale.
La resistenza all’abrasione è migliorata usando rapporti a/c bassi, evitando impasti soprasabbiati, preferendo calcestruzzi magri e con aggregati grossi e applicando sul calcestruzzo ancora fresco uno spolvero costituito da cemento e aggregati duri. Lo spolvero, che è incorporato nel calcestruzzo fresco sottostante mediante frattazzatura manuale o meccanica, ha la funzione di rinforzare la superficie del calcestruzzo. L’aggiunta di cemento abbassa il rapporto a/c sulla superficie dove, a causa del bleeding, il rapporto a/c sarebbe particolarmente elevato. Inoltre, grazie all’applicazione dello spolvero, è possibile introdurre sulla superficie aggregati molto resistenti all’abrasione, indipendentemente da quelli usati nel calcestruzzo.
Se gli aggregati dello spolvero sono di tipo inorganico non-metallico (quarzo, corindone), ossia duri ma fragili, si migliora la resistenza all’abrasione ma non quella all’urto. Se, invece, gli aggregati sono costituiti da particelle metalliche, cioè duttili oltre che dure, anche la resistenza all’urto è migliorata.
L’erosione consiste nell’usura provocata dall’acqua in movimento e contenente particelle solide sospese. L’entità dell’erosione dipende molto dalla velocità dell’acqua, dalla presenza di vortici e dalla qualità del calcestruzzo. In particolare è consigliabile aumentare il volume di aggregati grossi e duri, che sono più resistenti all’erosione della malta cementizia, diminuire il rapporto a/c e aumentare quello aggregati/cemento.
Variazioni termiche artificiali: incendio
La pasta cementizia possiede un coefficiente di dilatazione termica leggermente diverso da quello dell’aggregato. Quando la temperatura oltrepassa i 100-150 °C la pasta di cemento, dopo la dilatazione iniziale, subisce una significativa contrazione per effetto della decomposizione termica dei suoi composti idratati. Ciò si tramuta in uno stato tensionale tra la pasta di cemento, che si contrae, e quella dell’aggregato che seguita a dilatarsi. La conseguenza è l’insorgere di microfessure all’interfaccia pasta-aggregato.
Se poi, sotto l’azione prolungata del fuoco, la temperatura del calcestruzzo supera 573 °C e l’aggregato è siliceo, avviene un ulteriore scollamento tra la matrice legante e gli elementi lapidei. Ciò per effetto della dilatazione improvvisa dell’aggregato, provocata dalla trasformazione del quarzo a in quarzo /3. A questa transizione di fase, che avviene con forte aumento di volume, si accompagna spesso un effetto dirompente che provoca il distacco del copriferro e l’esposizione dei ferri di armatura. Parallelamente si verifica una caduta nella resistenza meccanica del calcestruzzo che si riduce a circa un quarto di quella iniziale.
I calcestruzzi confezionati con aggregati calcarei offrono una maggiore resistenza al fuoco in quanto subiscono apprezzabili diminuzioni di resistenza meccanica solo al di sopra di 750 °C, quando ha inizio la decomposizione termica del calcare in calce e anidride carbonica.
Tipo di cemento e caratteristiche del calcestruzzo
La scelta del cemento è un atto essenziale per garantire stabilità e durabilità alla struttura, nonché per soddisfare esigenze economiche. Non esiste cemento che possa soddisfare tutte le esigenze costruttive, poiché molte delle sue proprietà, come pure quelle del calcestruzzo, variano in senso opposto. Per esempio, non è possibile assicurare contemporaneamente un rapido indurimento e un basso calore d’idratazione, poiché ambedue i parametri crescono con la velocità d’idratazione.
Altro fattore, che va considerato al momento della scelta, riguarda la possibilità che il cemento più idoneo non sia disponibile o sia prodotto lontano dalla zona di utilizzazione. A questa, e alle altre situazioni, si può ovviare apportando modifiche alla miscela di progetto. In generale, è possibile minimizzare gli inconvenienti che si dovessero presentare modificando il dosaggio del cemento, il rapporto a/c, impiegando appropriati additivi ecc.
Come si prescrive il calcestruzzo strutturale
La legge 1086 del 1971 all’art. 3 prescrive che “Il progettista ha la responsabilità diretta della progettazione di tutte le strutture dell’opera”. Il D.M. 9.1.1996, emesso in conformità con le indicazioni della legge 1086, nell’allegato 2, afferma che la resistenza caratteristica “dovrà essere indicata dal progettista delle opere”. La sola prescrizione della resistenza non è però in grado di caratterizzare un materiale. Le prescrizioni che identificano compiutamente un calcestruzzo sono:
- la classe di esposizione ambientale; il progettista deve fornire precise indicazioni sulle caratteristiche che il calcestruzzo deve possedere perché sia assicurata la durabilità dell’opera;
- la classe di resistenza; è basata sulle esigenze strutturali e deve essere non minore di quella prevista per ogni classe di esposizione;
- la classe di consistenza; un calcestruzzo è in grado di raggiungere le caratteristiche previste solo se la sua lavorabilità è adatta al tipo di struttura da realizzare;
- il diametro massimo degli aggregati; lo spessore del copriferro e la distanza fra i ferri delle armature condizionano la scelta del diametro massimo degli aggregati da utilizzare.
Diametro massimo degli aggregati
Il diametro massimo è importante perché, condizionando tutto il fuso granulometrico, influenza la quantità di acqua richiesta, il dosaggio del cemento, la lavorabilità e le resistenze finali. La scelta del diametro massimo va fatta in base alla natura del lavoro, tenendo presente che gli aggregati devono passare in tutti i punti del getto, attraverso le armature metalliche e tra queste e la cassaforma.
Consistenza
È necessario stabilire a priori la consistenza, o la fascia di consistenza, richiesta in ogni tipo di lavoro. Per far ciò si devono esaminare le condizioni in cui il lavoro si deve svolgere: attrezzature per l’esecuzione degli impasti, mezzi di trasporto e getto, posizione e dimensione dei getti, mezzi di costipamento. La consistenza più adatta sarà quella che soddisfa l’esigenza più gravosa.
Un getto di forma stretta e complicata e con molte armature, può esigere l’impiego d’impasti fluidi, specie se il getto è poco costipabile con vibrazione: in questo caso la condizione più gravosa per il getto è data proprio dalla sua forma. In altri casi la fase critica può essere costituita dalle modalità di trasporto dell’impasto, per esempio con scivoli a debole pendenza oppure con benne strette o simili.
Conoscendo le condizioni di lavoro, non sarà difficile fissare la consistenza più adatta.
Acqua totale
La quantità totale di acqua, richiesta dagli impasti per una data consistenza, condiziona le resistenze finali del calcestruzzo. Questa quantità è influenzata dalla natura e granulometria degli aggregati e dalla consistenza desiderata e, talvolta anche dal tipo di cemento.
Per conoscere la quantità di acqua richiesta da un impasto è utile confezionare un impasto di prova con i materiali a disposizione, nella consistenza voluta.
Scelta del rapporto a/c
Il rapporto a/c, in funzione delle resistenze medie del calcestruzzo, può essere ricavato da tabelle o diagrammi sperimentali.
Nel diagramma sono riportati, in ascisse, i valori del rapporto a/c; in ordinata, il rapporto fra le resistenze del calcestruzzo e quelle del cemento, a 28 giorni di stagionatura. Le resistenze del calcestruzzo sono resistenze medie e quelle del cemento sono quelle effettive, misurate in malta standard. Benché i cementi siano commercializzati in base alle resistenze a compressione dopo 28 giorni, essi presentano, in genere, resistenze effettive più elevate, che possono essere determinate, con facilità, da prove di controllo.
Le curve del diagramma sono state tracciate in base ai risultati di numerose prove sperimentali: la curva intermedia si riferisce ai valori medi, le altre, rispettivamente, ai valori minimi e massimi, con tolleranza del 5%; ossia nella fascia compresa fra le due curve estreme è compreso il 90% di tutti i valori delle prove sperimentali. Nel fare un calcolo di prima approssimazione si può ritenere come buona la curva intermedia.