Prestazioni e durabilità del calcestruzzo leggero con argilla espansa per usi strutturali

L. Coppola*, S. Collepardi, Enco Engineering Concrete - Spresiano (TV) P. Bellinzona, Laterlite Spa - Rubbiano (PR) *Attualmente presso Mapei Spa, MI info@encosrl.it

Il calcestruzzo leggero è un conglomerato cementizio la cui massa volumica (variabile tra 300 e 2000 kg/m³) è sensibilmente inferiore a quella di un calcestruzzo ordinario (solitamente compresa tra 2200 e 2600 kg/m³).
La ridotta massa volumica del calcestruzzo leggero è imputabile alla presenza di un sistema di vuoti i quali, oltre alla leggerezza, conferiscono al materiale delle eccellenti proprietà di isolamento termico ed assorbimento acustico (1).
L'introduzione di un sistema di vuoti nel conglomerato cementizio, e quindi la produzione del calcestruzzo leggero, si realizza sostanzialmente in tre modi (2), ciascuno dei quali è caratterizzato da una diversa microstruttura:

• sostituendo gli inerti ordinari con inerti leggeri naturali o artificiali caratterizzati nella maggior parte dei casi da un'elevata porosità e quindi da una ridotta massa volumica;
• inglobando nella malta un sistema di bolle d'aria oppure di gas di dimensioni dell'ordine del mm, mediante aggiunta all'impasto di schiuma preformata oppure di sostanze capaci di sviluppare gas in ambiente alcalino;
• utilizzando un inerte grosso ordinario monogranulare i cui granuli vengono legati da un sottile strato di sola pasta di cemento, in modo da creare un sistema di alveoli grossolani tra i granuli dell'inerte.

Nel primo caso si parla di "calcestruzzi con inerti leggeri", nel secondo di "calcestruzzi cellulari", anche se a rigore si dovrebbe parlare di "malte cellulari", nel terzo di "calcestruzzo alveolari".
In generale il costo per m³ di calcestruzzo leggero è superiore di quello di un calcestruzzo ordinario, sia per un maggior costo di produzione degli aggregati leggeri rispetto a quelli ordinari, sia perché la bassa densità territoriale delle fonti di approvvigionamento degli inerti leggeri fa si che il costo del trasporto incida sul costo totale del calcestruzzo. Tuttavia, l'impiego del calcestruzzo leggero può risultare più economico in quanto, per la sua leggerezza, diminuiscono i carichi permanenti della struttura, e quindi è possibile ridurre le dimensioni degli elementi strutturali. Il peso minore dell'ossatura portante permette, inoltre, di costruire anche su terreni di scarsa portanza, senza dover ricorrere a tipologie di fondazione complesse e costose, ma soprattutto consente, a parità di pressioni trasmesse al terreno, di realizzare edifici con uno sviluppo verticale maggiore: il maggior costo del calcestruzzo leggero in questi casi risulta ampiamente compensato dalla maggiore superficie abitabile (3).
Con il calcestruzzo leggero strutturale è possibile costruire sopraelevazioni di costruzioni esistenti che non sono sufficientemente resistenti da poter sopportare il peso di strutture in calcestruzzo ordinario e che quindi richiederebbero dei complessi interventi di adeguamento per aumentarne la capacità portante. Inoltre, l'impiego del calcestruzzo leggero strutturale riduce le forze d'inerzia che insorgono allorquando la struttura è soggetto ai movimenti tellurici, consentendo una diminuzione delle armature a parità di sezione, oppure a parità di armature una diminuzione della sezione resistente (4).
Nei nostri laboratori è stata condotta un'indagine sperimentale per l'ottimizzazione del calcestruzzo leggero strutturale; si è fatto riferimento ai seguenti obiettivi prestazionali:

• R_ck = 30-35 N/mm²;
• Massa Volumica: 1650-1750 kg/m³ (1550 kg/m³ su provini asciutti);
• Lavorabilità per 30' :S4 (slump 16-20 cm);
• Messa in opera : tradizionale, senza pompa.

Per l'esecuzione del programma sperimentale sono stati utilizzati:

Le prove sperimentali hanno evidenziato che è possibile - attraverso un attento mix-design - confezionare calcestruzzi leggeri di argilla espansa di eccellente lavorabilità, e conseguentemente di facile posa in opera, caratterizzati in pratica da assenza di segregazione. L'impiego di aggregati leggeri con un ridotto valore di assorbimento d'acqua ha consentito, inoltre, di produrre calcestruzzi con una massa volumica compresa tra 1600 e 1800 kg/m³ con resistenza caratteristica a compressione pari a circa 35 N/mm². Questi calcestruzzi hanno evidenziato valori di resistenza a trazione e di aderenza acciaio/conglomerato paragonabili o leggermente superiori rispetto a quelli ottenibili con un conglomerato ordinario di pari resistenza.
I risultati sperimentali, inoltre, hanno confermato per il calcestruzzo leggero un modulo elastico inferiore a quello conseguibile con un conglomerato ordinario di pari resistenza meccanica a compressione come conseguenza della minore rigidità dei granuli di argilla espansa rispetto agli aggregati silico-calcarei correntemente impiegati per la produzione dei normali calcestruzzi. Il minor modulo elastico se, da una parte, può ridurre la rigidezza delle strutture realizzate in calcestruzzo leggero, dall'altra determina una diminuzione degli stati tensionali indotti da deformazioni contrastate di origine termo-igrometrica con il risultato di produrre elementi strutturali con una minore tendenza alla fessurazione.
Per valutare la durabilità, le misure di velocità di penetrazione dell'anidride carbonica in ambiente arricchito in CO² al 30% in volume e del cloruro, per immersione in soluzione acquosa di NaCl al 3.5%, il calcestruzzo leggero è stato messo a confronto con un calcestruzzo di pari rapporto a/c confezionato con aggregati ordinari.
I risultati riportati e nelle Fig. 1 e 2 mostrano eccellenti prestazioni del calcestruzzo leggero, migliori di quelle del conglomerato di riferimento, in entrambi i tipi di aggressione chimica confermando i risultati ottenuti anche nei calcestruzzi confezionati con Leca Terrecotte. Infatti, benché le velocità di penetrazione della CO_² e del cloruro (pendenza delle rette di penetrazione dell'agente aggressivo in funzione della radice del tempo) sia simile per il calcestruzzo ordinario e per quello leggero, l'inizio della penetrazione nel calcestruzzo leggero risulta sensibilmente ritardato rispetto al calcestruzzo ordinario.
Per quanto riguarda il rallentamento delle penetrazione dell'anidride carbonica nel calcestruzzo leggero (Fig. 1), questo singolare e positivo comportamento in presenza dell'inerte leggero meriterebbe un approfondimento per i risvolti scientifici e pratici che potrebbero conseguire. E' ipotizzabile, per ora, che la maggiore difficoltà che incontra la CO_² a penetrare nel calcestruzzo con inerte Leca Strutturale possa essere messa in relazione con una maggiore basicità di questo inerte rispetto a quello naturale.

Fig. 1 - Penetrazione della CO2 (s) in funzione del tempo per calcestruzzo ordinario e leggero di pari a/c (0.40).

Anche la più lenta diffusione del cloruro all'interno del calcestruzzo leggero rispetto a quello ordinario di pari a/c (Fig. 2) meriterebbe un approfondimento per i benefici che potrebbero conseguire le strutture in calcestruzzo leggero con Leca Strutturale nelle opere marittime, stradali ed autostradali nei confronti del cloruro e quindi della corrosione delle armature metalliche.

 

Fig. 2 - Penetrazione del cloruro (s) in funzione del tempo per calcestruzzo ordinario e leggero di pari a/c (0.40).

Allo stato attuale è ipotizzabile che la minore diffusione del cloruro sia da mettere in relazione con una certa attività pozzolanica esplicata dall'aggregato leggero Leca Strutturale come tipicamente avviene per i materiali argillosi sottoposti a trattamento termico.

CONCLUSIONI

I risultati conseguiti hanno messo in evidenza:

• che è possibile confezionare calcestruzzi leggeri strutturali caratterizzati da massa volumica di 1700 - 1750 kg/m_³ (determinata su materiale saturo di acqua e pari a 1500¸1550 kg/m_³ misurata su calcestruzzo secco) con una Rck di circa 30-35 MPa;
• che è più efficace un additivo riduttore d'acqua a base melamminica che non a base naftalinica;
• che il calcestruzzo leggero con Leca Strutturale presenta una stabilità dimensionale di poco inferiore a quella dei calcestruzzi ordinari di pari prestazioni meccaniche ma più pesanti;
• che il modulo elastico è pari a 20500 N/mm_²; questo valore comporta che a parità di deformazioni (termiche o igrometriche) contrastate, la tensione indotta nel calcestruzzo leggero è minore di quella di un calcestruzzo ordinario di pari resistenza meccanica;
• particolarmente positivi (e per un certo verso sorprendenti in quanto non segnalati nella letteratura tecnica) appaiono i risultati di penetrazione della CO2 e del cloruro all'interno del calcestruzzo leggero rispetto a quelli registrati per un calcestruzzo ordinario di pari rapporto acqua/cemento; la minore penetrazione della CO₂ potrebbe ipoteticamente essere correlata con la maggiore basicità dell'aggregato leggero Leca Strutturale rispetto agli inerti ordinari; analogamente, per la minore diffusione del cloruro si potrebbe invocare una certa benefica attività pozzolanica dell'aggregato leggero, attività che notoriamente rallenta la diffusione del cloruro attraverso il copriferro verso i ferri di armatura.
  
  BIBLIOGRAFIA
  
  

1. S Short, W. Kinniburgh, Lightweight concrete, Applied Science Publishers, London (1978).
2. ACI 213, Guide for structural lightweight aggregate concrete, J. Amer. Concr. Inst., 64, 433 (1967).
3. L. Coppola, S. Monosi, M. Collepardi, Il calcestruzzo leggero, Il Nuovo Cantiere, n° 9 ottobre (1995).
4. R. Calzona, Il conglomerato leggero strutturale, Ed. di Scienza e Tecnica, Milano (1982).