La sostenibile leggerezza del calcestruzzo

Thomas A. Holm e John P. Ries - Expanded Shale, Clay & State Institute (ESCSI), USA- E-mail: holmtape@aol.com

1 - PREMESSA
Nella Fig. 1 è mostrata schematicamente il miglioramento delle prestazioni dei calcestruzzi in Nord America durante gli ultimi 80 anni in termini di rapporto resistenza meccanica/densità.
Questo andamento è sostanzialmente da ascrivere al miglioramento della matrice cementizia che avvolge gli inerti a seguito del progresso nel settore degli additivi superfluidificanti capace di ridurre l'acqua di impasto e nel settore dei materiali pozzolanici come il fumo di silice, la cenere volante, il metacaolino, ecc. La storia indica, tuttavia, che il primo progresso - registrato tra il 1917 ed il 1925 - è da attribuire all'impiego del calcestruzzo leggero in USA.

2 - CALCESTRUZZO A DENSITA' SPECIFICATA

Il concetto di calcestruzzo a densità specificata non è nuovo (1-4). Quasi 20 anni fa un prefabbricatore valuto le correlazioni tra proprietà fisico-meccaniche e costi di trasporto. Rispetto ad un calcestruzzo con perso specifico ordinario confezionato con aggregati calcarei, sono state confezionati dei corrispondenti calcestruzzi leggeri dove il 25, 50, 75 e 100% dell'aggregato grosso è stato sostituito da un ugual volume di aggregato leggero in argilla espansa. Queste sostituzioni provocano rispettivamente riduzioni di peso specifico del 5, 11, 15 e 21% rispetto a quello del calcestruzzo con inerti calcarei. La Tabella 1 mostra le proprietà fisico-meccaniche dei 5 calcestruzzi ordinari e leggeri in conto e della malta priva di aggregati grossi. Le Fig. 2, 3 e 4 mostrano rispettivamente come variano la densità, la resistenza meccanica ed il modulo di elasticità all'aumentare della frazione di aggregato ordinario (calcare) sostituita dall'aggregato leggero dal 25 al 100% in volume. Si può vedere come le giuste sostituzioni non provocano significative variazioni nella resistenza meccanica, mentre riducono discretamente il modulo di elasticità.

Tabella 1 - Proprietà fisico-meccaniche del calcestruzzo.

3 - RISPARMIO NEL TRASPORTO

A causa del limite nel peso dei carichi trasportati su strada, la ridotta densità del calcestruzzo leggero consente di trasportare più elementi prefabbricati sul singolo camion, realizzando così una significativa riduzione nei viaggi dei camion. La Tabella 2 quantifica queste riduzioni e le conseguenze nei risparmi dei trasporti e nei migliori gros profit.
Sebbene i risparmi nei trasporti siano possibili anche per ferrovia o via mare, essi sono decisamente più elevati con i camion dove esistono limiti nel peso del carico.

I benefici della "stagionatura interna"si manifestano anche in un miglioramento delle prestazioni, soprattutto dell'impermeabilità, a lungo termine. Powers (12) dimostrò l'importanza di prolungare la stagionatura per consentire ai prodotti di idratazione del cemento di ridurre la porosità capillare favorendo la riduzione di pori collegati tra loro in pori segmentati.
Un'interessante applicazione di questo principio è stata realizzata in USA nella costruzione di serbatoi contenente liquidi pericolosi per l'ambiente e quindi da rendere assolutamente impermeabili e privi di micro- e macro-fessure. L'impiego del fumo di silice si rivelò essenziale per ottenere una matrice cementizia densificata, poco porosa e quindi impermeabile. Tuttavia, solo impiegando un adeguato volume di argilla espansa satura di acqua si riuscì a produrre calcestruzzi privi di fessurazioni in superficie anche dopo molti anni dalla loro esposizione a climi caldi e asciutti.
Dal punto di vista dell'efficacia nel garantire una "stagionatura interna" secondo Bentz (13) si dovrebbero preferire gli aggregati fini di argilla espansa per distribuire più uniformemente ed efficacemente la riserva di umidità alla matrice cementizia.

5 - COMPORTAMENTO POST-ELASTICO DEL CALCESTRUZZO LEGGERO

A causa dell'ottimo legame all'interfaccia tra matrice cementizia ed argilla espansa, la frattura al momento della rottura avviene piuttosto attraverso i granuli di argilla espansa. Nel calcestruzzo a peso specifico ordinario, invece, l'anello debole della catena, soprattutto in quelli a basso rapporto a/c e quindi con elevata resistenza meccanica della matrice cementizia, si trova proprio all'interfaccia matrice aggregato.
Le analoghe proprietà della matrice cementizia e dell'argilla espansa (in termini di resistenza a trazione e modulo elastico) nei calcestruzzi leggeri con 20-35 MPa, porta a minimizzare la concentrazione degli sforzi e l'insorgere delle micro-fessure prima della rottura del materiale. Conseguentemente, il calcestruzzo leggero strutturale presenta una minore capacità addizionale di deformazione e di resistenza alla frattura rispetto ad un calcestruzzo ordinario di pari resistenza meccanica a compressione. Di ciò occorre tener conto nei requisiti ACI 318 per gli sforzi di taglio, tensione, torsione e deformazione sotto l'azione del sisma. Rabbat et al. (14) hanno sottolineato che il comportamento del calcestruzzo leggero strutturale è molto simile a quello di peso specifico ordinario per resistenze meccaniche fino a 43 MPa, purché si studi attentamente il posizionamento e la quantità delle armature metalliche.

6 - CONCLUSIONI

Il calcestruzzo leggero può migliorare l'efficienza strutturale intesa come rapporto resistenza meccanica/densità. Esso comporta anche sensibili risparmi negli elementi prefabbricati da trasportare su strada.
Il calcestruzzo leggero confezionato con aggregati leggeri satura di acqua permettono una efficiente stagionatura della pasta di cemento, grazie al rifornimento interno di umidità, anche quando le strutture non sono accuratamente stagionate come solitamente avviene. Ciò consente di migliorare le prestazioni del calcestruzzo in situ, nelle strutture, in termini di resistenza meccanica, impermeabilità e durabilità.
Occorre approfondire nel settore industriale un'indagine a largo spettro sulle proprietà fisiche ed ingegneristiche dei calcestruzzi strutturali con combinazioni di resistenza meccanica e peso specifico (1200-2500 kg/m³), al di fuori dell'usuale.

Bibliografia

1. Hoff G.C., Wawm R., Weng J.K., Nunez R.E., "The Use of Structural Lightweight Aggregates in Off Shore Concrete Platforms", International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Edited by Holand I., Hammer T.A., and Fluge, F., Sandefjiord, Norway, June 1995.
2. Caroland W.B., Deep D., Janssen H.H., Spaans L., "Spliced Segmental Prestressed Concrete I-Beams for Shelby Creek Bridge, "PCI Journal, Sp. Oct. 1992, Chicago, IL
3. Fergestad S. and Hagen T. "Design fo Bridges and Offshore Structures using LWA Concrete", edited by Holernd I., Hammer T.A. and Fluge F., Sandefjord, Norway, Hune 1995
4. Fergestad S. "Bridges Built with Lightweight Concrete Bridges, Caltrans, Pacific Custom Materials, Sacramento, California, September 1996
5. Campbell R.C. and Tobin R.E., "Core and Cylinder Strengths of Natural and Lightweight Concrete", ACI Journal, April 1967.
6. Holm, T.A., "Performance of Structural Lightweight Concrete in a Marine Environment", American Concrete Institute SP65, V.M. Malhotra, Ed. 1980
7. Holm, T.A., "Physical Properties of High Strength Lightweight Aggregate Concrete", Second International Congress on Lightweight Concrete, London U.K., 1980
8. Holm, T.A., and Bremner, T.W., "High Strength Lightweight Aggregate Concrete", Chapter 10, High Performance Concrete and Applications, Shaw, S.P., and Ahmad, S.H. Ed., Edward Arnold, London, 1994
9. Bremner, T.W., Holm, T.A., and DeSovza, H., "Aggregate Matrix Interaction in Concrete subject to Severe Exposure", FIP CPCI International Symposium on Concrete Seat Structures in Arctic Regions, Calgary, Canada, 1984
10. Philleo, R., "Concrete Science and Reality", in Skalny J.P., and Mindess S. (Editors), Material Science of Concrete II, American Ceramic Society, Westerville, OH, 1991, 001-8
11. Weber S. Reinhardt, "A Blend of Aggregates to Support Curing of Concrete", Proceedings International Symposium Structural Lightweight Aggregate, Holland, Hammer, Fluge (Eds) Sandefjord, Norway 1995, pp 662-671
12. Powers, T.C., Copeland, L.E., and Mann, H.M., "Capillary Continuity or Discontinuity in Cement Pastes", J. Portland Cement Association Research and Development Labs., 1, No. 2, pp 38-48, May 1959
13. Bentz, D.P. and Snyder, K.A., "Protected Paste Volume in Concrete: Extension to Internal Curing Using Saturated Lightweight Fine Aggregate", Cement and Concrete Research, 1999
14. Rabbat, B.G., Daniel, J.I., Weinman, T.L., Hansen N.W., "Seismic Behavior of Lightweight and Normal Weight Concrete", ACI Journal Jan/Feb, 1986, ACI Detroit, Michigan.