Calcestruzzo con pozzolane naturali:
l'Esperienza Argentina
Graciela Giaccio (CIC) e Raùl Zerbino (CONICET)
Università Nazionale de La Plata, Argentina

zerbino@volta.ing.unlp.edu.ar

 

L'impiego delle pozzolane naturali nelle costruzioni non é una novità. Fin dai tempi antichi si usarono pozzolane di origine vulcanica in forma di materiali silicei o silico-alluminosi che, reagendo con la calce erano in grado di formare leganti con caratteristiche idrauliche (reazione pozzolanica).
Nel XX secolo, specialmente dopo gli anni '50, aumentano la varietà e l'interesse nell'uso di materiali con proprietà pozzolaniche. Inoltre, accanto alle pozzolane naturali, si cominciano ad utilizzare sottoprodotti industriali come ceneri volanti, fumo di silice, scorie, cenere dalla pula di riso, ecc.
Inizialmente l'impiego di queste aggiunte minerali alla miscela di calcestruzzo con cemento Portland e stata principalmente motivato dalla necessità di ridurre lo sviluppo del calore di idratazione del cemento (ad esempio nella costruzione delle dighe).
Con il trascorrere degli anni si è trovato che esistono ragioni molto più importanti e categoriche per raccomandare l'uso di aggiunte minerali. Numerosi lavori hanno dimostrato che esistono benefici tecnologici provocati dallo sviluppo della reazione pozzolanica nei materiali a base di cemento Portland: il miglioramento della durabilità delle costruzioni in calcestruzzo, la riduzione della grandezza dei pori (pore refinement), il miglioramento dell'aderenza all'interfaccia matrice cementizia/aggregato o il controllo della reazione alcali-silice.
All'ingresso del secolo XXI esiste una coscienza sempre più chiara della necessità di assicurare la vita di servizio attesa nelle strutture di calcestruzzo. Fra le cause più importanti di deperimento delle strutture suddette si distinguono: la corrosione delle armature metalliche, i cicli di gelo e disgelo, la reazione alcali-silice e l'attacco dei solfati; la miglior misura di prevenzione del degrado consiste nell'ottenere un calcestruzzo sufficientemente impermeabile e privo di fessure.



Fig. 1 - Composizione chimica e mineralogica di una pozzolana argentina.
 Oltre a queste motivazioni legate a problemi di durabilità delle strutture, nelle ultime decadi si è andato consolidando un notevole interesse per l'impiego di questi sottoprodotti industriali (cenere, loppa, ecc.) finalizzato ad uno sviluppo sostenibile per la riduzione dei consumi energetici (combustibili per produrre il cemento Portland) e delle risorse naturali non rinnovabili (calcare e argilla). L'interesse è cresciuto anche in relazione ad una grande preoccupazione per la emissione di CO2 nell'atmosfera da parte dell'industria del cemento sia pure in misura non elevata (7%) rispetto ad altre fonti di emissione di anidride carbonica. Kumar Mehta (1, 2) ha contribuito moltissimo, proponendo un approccio olistico, alla sensibilizzazione dei ricercatori a questa problematica ambientalistica.
La maggior parte dell'informazione disponibile negli ultimi anni su scala internazionale, che riguarda l'impiego delle aggiunte nei calcestruzzi, si riferisce all'uso di rifiuti industriali come la cenere volante, la loppa o il fumo di silice. Questi materiali non sono purtroppo abbondanti in Argentina dove praticamente non si produce energia basata sulla combustione del carbone; la situazione è simile nei paesi sudamericani limitrofi ad eccezione del Brasile.

Fortunatamente l'Argentina possiede importanti giacimenti di pozzolane naturali (tutte di origine vulcanica) nella zona precordiglierana, da Salta fino al Chubut. Le pozzolane più abbondanti si possono classificare come ceneri vulcaniche acide; la Fig. 1 mostra ad esempio i risultati delle analisi mineralogica e chimica di una di esse. Esistono esempi di applicazione molto rilevanti sia per l'uso sistematico (cemento pozzolanico) sia per le opere importanti dove è stata utilizzata (dighe come "Agua del Toro", "Casa de Piedra", "Piedra del Águila", ecc.).
Oltre a questi utilizzi tradizionali si sono ormai consolidate altre applicazioni più proficue dei materiali pozzolanici. Val la pena di ricordare:

  • Calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC)
  • Calcestruzzi ad alta resistenza meccanica (HSC)
  • Calcestruzzi rullati e compattati (RCC)
  • Calcestruzzi ad alto volume di cenere volante (HVFAC)
  • Calcestruzzi a bassa resistenza meccanica controllata (CLSC)

Questo articolo descrive alcune esperienze realizzate in Argentina con l'utilizzo di materiali pozzolanici. Sebbene la maggior parte delle strutture realizzate si sono basate sull'uso di un cemento pozzolanico con 30% di pozzolana, verranno presentati alcuni esempi realizzativi per i quali si sono impiegati quantitativi maggiori di pozzolana.
Una pozzolana, macinata a diversi livelli di finezza (tra 380 e 1600 m2/Kg), è stata impiegata per produrre cementi pozzolanici con 35% di pozzolana in sostituzione del cemento Portland. Con una pozzolana di pari finezza del cemento (380 m2/Kg), la resistenza meccanica a flessione è pari al 90% del valore ottenuto con il cemento Portland. Tuttavia aumentando la finezza della pozzolana fino a 1600 m2/Kg, con il cemento pozzolanico si arriva ad ottenere la stessa resistenza a flessione delle malta con cemento Portland (Fig. 2).

Fig. 2 - Influenza della finezza della pozzolana (35% sul cemento) sulla resistenza a flessione delle malte e sull'adesione matrice cementizia-aggregato.

Fig. 3 - Calcestruzzi ad alta resistenza (HSC) con e senza materiali pozzolanici.
D'altra parte, l'adesione tra la matrice cementizia e l'aggregato migliora con l'impiego della pozzolana, ed il miglioramento aumenta con la finezza della pozzolana.
Sono stati studiati alcuni calcestruzzi HSC: la Fig. 3 mostra i risultati ottenuti aggiungendo al cemento Portland 5% di fumo di silice o 15% di pozzolana oppure sostituendo il 15% di cemento con la pozzolana. Quando le pozzolane (fumo di silice e pozzolana vulcanica) sono aggiunte, a 90 giorni si raggiunge una resistenza meccanica di circa 100 MPa e comunque superiore a quella senza aggiunta pozzolanica (circa 80 MPa).
Quando invece la pozzolana (15%) è introdotta nel calcestruzzo in sostituzione del cemento si ottengono all'incirca gli stessi valori del calcestruzzo con solo cemento Portland a tempi lunghi (90 giorni), anche se con un decorso più lento alle brevi stagionature. Per i calcestruzzi nei quali è importante ridurre il calore di idratazione, l'impiego di pozzolane vulcaniche, abbondanti nel nostro Paese, merita di essere studiato anche con maggiori percentuali di sostituzione del cemento (3).
Nel calcestruzzo RCC, per la costruzione di dighe o altre costruzioni massive, la pozzolana può giocare un ruolo molto interessante. Per questo calcestruzzo, è tecnicamente necessario impiegare un basso contenuto di cemento Portland. Tuttavia, per ragioni esecutive, cioè per rullare e compattare più finemente il calcestruzzo, è necessario che nell'RCC sia garantita la presenza di almento 100 Kg/m3 di materiale fino. Con l'impiego della pozzolana vulcanica macinata si può ridurre il dosaggio di cemento Portland nell'RCC a soli 50-60 Kg/m3 con il vantaggio che alle lunghe stagionature si sviluppa una resistenza meccanica addizionale (quindi senza aggravare l'evoluzione del calore alle brevi stagionature) per effetto della reazione pozzolanica. Per esempio, in una diga ubicata nella provincia di Rio Negro, si sono impiegati 75 Kg/m3 di cemento pozzolanico al 30% di pozzolana più 79 Kg/m3 di pozzolana vulcanica macinata. L'RCC così ottenuto, in presenza di aggregati con 76 mm di diametro massimo, arrivò alla resistenza meccanica a compressione progettata di 12 MPa a 90 giorni. In pratica si è quindi impiegato un dosaggio di 52 Kg/m3 di cemento Portland e 101 Kg/m3 di pozzolana.
I calcestruzzi ad alto tenore in cenere volante (HVFAC) sono stati ampiamente descritti nella letteratura internazionale (4, 5). L'esperienza in Argentina (6) indica che è possibile estendere la tecnologia dell'HVFAC sostituendo la cenere volante (fly ash) con la pozzolana vulcanica macinata. La Fig. 4 mostra la resistenza meccanica a compressione di calcestruzzi con aggregati da 19 mm come diametro massimo e rapporto acqua/legante di 0.50 dove per legante si intende la somma di cemento e pozzolana. La Fig. 4 mostra che la resistenza meccanica in servizio (per esempio quella ottenuta a 90 giorni) è compresa tra 30 e 35 MPa anche con una sostituzione del 60% del cemento con pozzolana.


Fig. 4 - Variazione della resistenza meccanica a compressione con il contenuto di pozzolana (acqua/cemento=0.50).
D'altra parte, modificando il rapporto acqua/cemento pozzolanico grazie all'impiego di additivi chimici si può arrivare a quasi 50 MPa alla stagionatura di 90 giorni. La Fig. 5 indica che questo obiettivo è conseguibile impiegando 140 Kg/m3 di cemento Portland più 210 Kg di pozzolana co-macinata, con un rapporto acqua/(cemento+pozzolana) di 0.30.


Fig. 5 - Resistenza meccanica a compressione di calcestruzzi con alto volume di pozzolana in funzione del rapporto acqua/(cemento+pozzolana).
 Oltre a questi esempi, si possono menzionare numerose altre esperienze positive sull'impiego delle pozzolane in Argentina per getti massivi con basso calore di idratazione o per situazioni locali dove siano disponibili aggregati a rischio di reazione alcali-silice (ASR).
Da tutte queste esperienze emerge l'evidenza che la pozzolana naturale è di grandissimo interesse per l'ingegneria civile e che esiste un ampio margine di miglioramento dal punto di vista sia tecnico che economico.
Nonostante la grande quantità di informazioni già disponibili nella letteratura internazionale circa i risultati molto promettenti conseguibili con l'impiego della pozzolana, è necessario coinvolgere nell'esperienza locale i produttori, gli utilizzatori ed i tecnologi del calcestruzzo.

 

BIBLIOGRAFIA

  1. Mehta, P.K "Per un sostenibile sviluppo nel XXI secolo" Enco Journal, n 9, 1998, pp. 1-3.
  2. Mehta, P.K. "Bringing the concrete industry into a new era of sustainable development", Mario Collepardi Symposium on advances in concrete science and technology, Roma, 1997, pp. 49-67.
  3. Giaccio, G. y Zerbino, R. "Consideraciones sobre la elección del tipo y contenido de ligante para la elaboración de hormigones de alta performance" Hormigón n 32, AATH, Argentina,1998, pp.17-28.
  4. Giaccio, G.M. and Malhotra, V.M. "Concretes Incorporating High Volumes of ASTM Class F Fly Ash", ASTM Journal, "Cement, Concrete and Aggregates", vol.10, n 2, winter 1988, pp. 88-95.
  5. Collepardi, S., Corinaldesi, V., Moriconi, G. Bonora, G, and Collepardi, M. "Durability of High-Performance Concretes with Pozzolanic and Composite Cements" ACI SP-192-10, Proc. Fifth CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Barcelona, 2000, pp. 159-172.
  6. Giaccio, G. y Zerbino, R. "Empleo de altos volúmenes de puzolanas naturales en la elaboración de hormigones estructurales" Hormigón n 27, AATH, Argentina, 1994, pp. 29-36.