Calcestruzzo: gli additivi

Gli additivi costituiscono, con il cemento, l’acqua e gli aggregati, il quarto ingrediente che entra spesso nella progettazione e nella composizione del calcestruzzo. Gli additivi sono definiti dalla UNI EN 934-2 come “materiale da aggiungere durante il confezionamento del calcestruzzo in quantità non superiore al 5% in massa sul contenuto di cemento”, allo scopo di modificare le proprietà della miscela allo stato fresco e/o indurito.

Gli additivi sono sostanze di natura polimerica o non, per la maggior parte dei casi, disciolte e veicolate in acqua. Gli additivi disponibili sul mercato sono raggruppati in base alla loro funzione principale, correlata al tipo di beneficio che si vuole ottenere. Accanto a questa, di solito, esistono una o più funzioni secondarie a volte volute, o effetti collaterali indesiderati, di cui occorre tener conto al momento della scelta e dell’impiego. È buona regola controllare, con idonea sperimentazione, l’azione dell’additivo evitando di fare affidamento solo sulle indicazioni del produttore. Per ottenere i migliori risultati può essere necessario adattare all’additivo il tipo di cemento, l’assortimento granulometrico, i rapporti di composizione, il metodo e il modo di preparazione, trasporto e posa in opera. Il dosaggio richiede un accurato controllo perché le quantità usate sono molto piccole. Un eccesso è sempre dannoso o per la resistenza meccanica o per altre proprietà.

Gli additivi sono classificati prendendo in considerazione la loro funzione principale, trascurando gli eventuali effetti secondari.

Additivi riduttori di acqua

In base al grado di efficacia, gli additivi riduttori di acqua possono essere classificati in fluidificanti, superflui dificanti e iperfluidificanti.

Fluidificanti

Gli additivi fluidificanti migliorano l’attitudine alla deformazione dei calcestruzzi freschi sotto l’effetto della costipazione e della vibrazione. In genere, sono dei tensioattivi e funzionano come disperdenti dei granuli di cemento, in quanto caricano negativamente la superficie del granulo provocando la repulsione elettrostatica delle particelle.

Gli additivi fluidificanti, a pari rapporto a/c, migliorano la lavorabilità e, a pari lavorabilità, permettono di abbassare il rapporto a/c con beneficio, in questo secondo caso, delle resistenze meccaniche e della durabilità. Occorre tenere presente che l’azione di questi additivi diventa meno efficiente man mano che diminuisce il dosaggio di cemento nel calcestruzzo. Pertanto, con calcestruzzi magri (cioè bassi dosaggi in cemento), una migliore lavorabilità è ottenuta con l’aumento del dosaggio di cemento piuttosto che con l’uso di additivi.

Superfluidificanti

I normali fluidificanti sono impiegati in dosi piuttosto esigue, non superiori cioè allo 0,1-0,4% del peso del cemento, per evitare effetti collaterali di forti ritardi nell’idratazione. I superfluidificanti non provocano invece questo inconveniente e, pertanto, possono essere aggiunti in quantità anche 10 volte superiori consentendo di ottenere incrementi di lavorabilità più marcati.
Il potere disperdente di questi additivi permette di confezionare calcestruzzi con rapporti a/c molto ridotti, fluidi e superfluidi, consentendo una facile messa in opera. L’aspetto più importante dell’impiego dei superfluidificanti riguarda la possibilità di mettere in opera, senza eccessivi problemi di compattazione, calcestruzzi fluidi le cui prestazioni allo stato indurito siano equivalenti a quelle di un calcestruzzo a basso rapporto alc che richiederebbe, invece, un’accurata vibrazione. Anche a fluidità elevate, gli impasti presentano buona coesione senza segregazione dei componenti. Esistono versioni ritardanti e a bassa perdita di lavorabilità.

Iperfluidificanti

Sono superfluidificanti di nuova generazione che presentano spiccato potere di riduzione dell’acqua d’impasto con assenza di ritardo nei tempi di presa del calcestruzzo, pur garantendo prolungati mantenimenti della lavorabilità. L’ampio spettro di dosaggio che caratterizza questi additivi, insieme all’elevato potere disperdente, consente di ottenere calcestruzzi iperfluidi caratterizzati da bassissimi valori del rapporto a/c. È, quindi, insostituibile elemento per i calcestruzzi cui sono richieste prestazioni elevate in termini di scorrevolezza, resistenze meccaniche alle brevi e brevissime stagionature, impermeabilità e durabilità.
L’utilizzo di questi additivi, tuttavia, in calcestruzzi con contenuti di cemento al di sotto di 280-300 kg/m3 si è dimostrato meno efficace di quello di additivi superfluidificanti.

Altri additivi

Plastificanti

Gli additivi plastificanti migliorano la stabilità e omogeneità delle malte e dei calcestruzzi, aumentandone la coesione fra i vari componenti e diminuendo il bleeding.
In genere, sono prodotti solidi, con finezza all’incirca uguale a quella del cemento, i quali completano la granulometria delle malte e dei calcestruzzi. Tra gli additivi plastificanti, i più comuni sono la bentonite, la farina fossile e l’acetato di polivinile.
I calcestruzzi confezionati con additivi plastificanti richiederebbero, a parità di lavorabilità dei calcestruzzi che non li contengono, un quantitativo di acqua maggiore, ossia un più alto rapporto alc con conseguente abbassamento delle resistenze. I prodotti commerciali ad azione plastificante contengono, perciò, anche agenti fluidificanti che controbilanciano l’effetto negativo dei plastificanti nei riguardi delle resistenze meccaniche.

Aeranti

Gli additivi aeranti sono indispensabili per assicurare durabilità alle strutture in calcestruzzo esposte in servizio a cicli di gelo-disgelo, specialmente per calcestruzzi sottoposti a costanti bagnature. Il loro dosaggio (0,05¬0,10% sul peso del cemento) deve essere regolato in modo da far sviluppare il volume di aria (4-6%) richiesto per garantire la durabilità.
Gli aeranti sono additivi che consentono d’incorporare una quantità controllata di microbolle di aria, distribuita in modo omogeneo durante la fase di miscelazione del calcestruzzo fresco, e che permangono anche dopo l’indurimento, diventando parte della matrice legante. L’aria introdotta dagli aeranti è costituita da un’enorme quantità di piccolissime bolle inglobate nel calcestruzzo, non comunicanti né tra loro né con l’esterno. Queste bollicine occludono i pori capillari e in un calcestruzzo soggetto a cicli di gelo e disgelo si comportano come cuscinetti, i quali assorbono le tensioni che si generano in seguito al passaggio acqua liquida-ghiaccio.
L’aria occlusa migliora le proprietà del calcestruzzo fresco. Le bolle di aria, diminuendo gli attriti fra le varie particelle, hanno in un certo qual modo un comportamento simile alla sabbia molto fine, migliorando la fluidità e la plasticità del calcestruzzo. Ne consegue che un aerante è anche un fluidificante-plastificante. Inoltre, le bolle di aria opponendosi all’introduzione di acqua nei capillari, migliorano l’impermeabilità.
Un non trascurabile effetto di un aerante è quello che, a pari rapporto a/c, un calcestruzzo aerato presenta resistenza meccanica inferiore a quella di un calcestruzzo non aerato. La diminuzione di resistenza può raggiungere e oltrepassare il 30%. Poiché un aerante agisce anche da fluidificante, tale abbassamento di resistenza può essere in parte ridotto riducendo l’acqua d’impasto. In ogni caso, a pari lavorabilità, il calcestruzzo aerato fornirà sempre resistenze inferiori a quelle del non aerato.
Sono stati proposti, in sostituzione degli additivi aeranti, piccolissime sfere cave (10-100 µm), a base polimerica, deformabili: la formazione del ghiaccio fa deformare le sfere cave disperse nella matrice cementizia con conseguente rilascio delle tensioni insorte per l’aumento di volume dell’acqua congelata.

Acceleranti e ritardanti

Gli additivi acceleranti e ritardanti, a differenza degli additivi sopra esaminati, non sono impiegati per modificare le prestazioni in servizio, ma solo per agevolare alcune operazioni riguardanti il processo produttivo.
Gli acceleranti rendono più rapido il processo d’idratazione del cemento e sono utilizzati quando si deve mettere in opera il calcestruzzo in climi freddi, con conseguenti ritardi nella presa e indurimento iniziale.
Gli additivi acceleranti fanno aumentare la velocità d’idratazione del cemento. Si dividono in acceleranti di presa o d’indurimento, a seconda che l’azione si manifesti in un’anticipazione dell’inizio presa o in uno sviluppo più rapido della resistenza meccanica.
Gli acceleranti di presa sono utilizzati per disporre di un impasto che faccia presa e si autosostenga immediatamente. I prodotti più comuni sono a base di silicato di sodio. L’utilizzo di questo sale, però, comporta una notevole riduzione delle resistenze meccaniche alle lunghe stagionature.
Lo sviluppo della tecnologia ha portato alla formulazione di prodotti che possono soddisfare l’obiettivo di addensare la miscela fresca e portare anche ad un rapido sviluppo delle resistenze meccaniche con limitate perdite a 28 giorni. La norma UNI 10834 prescrive che gli additivi acceleranti devono garantire resistenza a compressione a 28 giorni, maggiore o uguale a quella determinata su provini non accelerati.
Gli acceleranti d’indurimento, spesso indicati come additivi antigelo, sono adoperati durante il periodo invernale per confezionare malte e calcestruzzi, anche armati se l’additivo è privo di cloruri, con temperatura ambiente sino a -10 °C. Essi abbassano la temperatura di congelamento dell’acqua e incrementano il calore sviluppato nell’idratazione del cemento, accelerandone il processo d’idratazione.
Al giorno d’oggi sono stati messi al bando i prodotti a base di cloruri e sono stati posti in commercio additivi, esenti da cloruri, a base di nitrito di calcio e altri composti chimici, che esaltano le caratteristiche acceleranti del nitrito. Inoltre, a differenza degli acceleranti a base di cloruri, l’effetto accelerante sulle resistenze meccaniche si protrae alle lunghe stagionature.
L’accelerazione dell’indurimento a temperatura normale (> 0°C) è ottenibile riducendo il rapporto alc con l’impiego di additivi superfluidificanti o iperfluidificanti. L’additivo accelerante funziona, in pratica, solo per la protezione dei getti durante la stagione invernale come vero e proprio “antigelo”.
I ritardanti di presa, aggiunti al momento della miscelazione, conservano più a lungo le iniziali proprietà reologiche del calcestruzzo fresco durante il trasporto dall’impianto di betonaggio al cantiere. L’effetto di questi additivi è vantaggioso quando si debba trasportare il calcestruzzo per tempi lunghi in climi caldi o per realizzare opere monolitiche.
Il ritardo dell’idratazione del cemento comporta una bassa resistenza meccanica alle brevi stagionature con un recupero, e un incremento, alle lunghe stagionature rispetto al calcestruzzo non additivato.

Idrofughi

Gli additivi impermeabilizzanti o idrofughi sono prodotti, liquidi o in polvere, che aggiunti all’impasto durante la fase di miscelazione, riducono la porosità capillare della pasta cementizia. Nel momento in cui detti pori non sono più comunicanti fra loro, si ha una forte riduzione del coefficiente di permeabilità.
In pratica, tenendo conto che l’impermeabilità del calcestruzzo indurito è influenzata dal rapporto a/c e dalla compattazione, si può produrre un calcestruzzo impermeabile utilizzando anche additivi iperfluidificanti per confezionare un calcestruzzo fluido, non segregabile, con un rapporto a/c compreso fra 0,25 e 0,35.
Sono utilizzati per:

  • impermeabilizzazione di sotterranei, vasche;
  • muri soggetti a continue permeazioni di acqua;
  • intonaci di facciate.

Coadiuvante di pompaggio

In un calcestruzzo normale la pressione di pompaggio tende a provocare la separazione della fase acquosa dai componenti solidi. Quando è invece pompato un calcestruzzo leggero, l’acqua è spinta nei pori dell’aggregato. In ambo i casi, modificando la reologia della fase fluida, si ha aumento dell’attrito nella tubazione e conseguente blocco del flusso di calcestruzzo. I coadiuvanti di pompaggio incrementano la coesione dell’impasto e l’adesione di quest’ultimo alle superfici dei componenti solidi. Si riducono così, nei calcestruzzi normali, sia gli attriti interni sia quelli tra miscela e tubazioni e nei calcestruzzi leggeri l’assorbimento di acqua da parte degli aggregati porosi.

Agenti espansivi

Gli agenti espansivi sono prodotti in polvere capaci di provocare nel calcestruzzo, o malta, un aumento di volume tale da compensare il successivo ritiro nello stato indurito.
L’espansione è contrastata da un’armatura ad aderenza migliorata in modo da creare uno stato di precompressione (acciaio teso e conglomerato compresso). Nella successiva fase di ritiro si ha l’annullamento delle tensioni. L’impiego di espansivi è oggi molto diffuso nel campo delle malte da restauro.

Riduttori di ritiro

Questi additivi sono aggiunti all’impasto cementizio per ridurre il ritiro idraulico. Questo è causato dall’evaporazione dell’acqua dai pori con conseguente insorgere di tensioni interne che, in alcuni casi, provocano oltre al ritiro anche fessurazioni.
Il meccanismo di funzionamento è basato sulla riduzione della tensione superficiale dell’acqua contenuta nei pori capillari della matrice cementizia.
Quando sono impiegati in combinazione con i superfluidicanti, il ritiro può essere ridotto dal 30 all’80% (a secondo delle stagionature). In ogni caso, l’azione di riduzione del ritiro è proporzionale alla qualità dell’impasto.

Modificatori di viscosità

Sono prodotti che modificano in modo sensibile la viscosità dell’impasto cementizio. Questi additivi sono polimeri di natura organica o inorganica, solubili in acqua.
Il meccanismo di azione si diversifica in base alla diversa natura chimica del prodotto. Alcuni composti agiscono aumentando la viscosità dei liquidi, altri possono interagire con le particelle di solido, legandole insieme. Il risultato finale è, comunque, un aumento complessivo della viscosità della miscela. Essi danno all’impasto un corretto profilo reologico, cioè un bilanciamento tra fluidità e resistenza alla segregazione, due proprietà apparentemente antitetiche.
Sono utilizzati nei “calcestruzzi autocompattanti” (SCC) e per i getti subacquei.

Aggiunte idrauliche

Secondo le norme di molte Nazioni, è possibile aggiungere al calcestruzzo notevoli quantità di cenere volante o loppa macinata al fine di migliorarne la resistenza meccanica e la durabilità. Questa tendenza in Italia è meno sentita per la massiccia presenza sul mercato di cementi di miscela che di per sé hanno già aggiunte, più o meno elevate, di tali prodotti. L’ulteriore loro aggiunta porterebbe a uno scadimento qualitativo del calcestruzzo.

Trattamenti superficiali

Disarmanti

Questi prodotti hanno la funzione di facilitare il distacco del calcestruzzo indurito dalla superficie dei casseri e di contribuire all’ottenimento di una buona faccia a vista. Vengono applicati sulla superficie dei casseri prima del contatto con il getto di calcestruzzo fresco. Sono, di solito, miscele di oli minerali o vegetali, oppure a base di tensioattivi.

Stagionanti

Gli stagionanti sono applicati sulla superficie di calcestruzzo fresco, creando una pellicola impermeabile, per rallentare l’evaporazione dell’acqua d’impasto e consentire una migliore stagionatura del calcestruzzo. Sono prodotti importanti quando il clima è sfavorevole, per esempio in ambiente caldo, asciutto e ventilato, oppure quando le superfici esposte sono molto ampie e relativamente sottili come nelle pavimentazioni.