ENERGIA PULITA

La Diga delle Tre Gole in Cina è programmata per produrre già nel secondo semestre del 2003 oltre 5 miliardi di KWh con solo quattro dei 26 generatori previsti. Nel 2009, a pieno regime, si arriverà a produrre 18.200 MWh di energia pulita di tipo idro-elettrico (nel riquadro in fondo all'articolo "Dove si trova la Diga").
Per la diga delle Tre Gole è stato messo a punto nel 1998 un primo rapporto sul mix-design del calcestruzzo (1). In questo rapporto venivano evidenziati alcuni problemi. Essi riguardavano soprattutto le discordanti esigenze di ottenere, da una parte, un calcestruzzo ad alta resistenza meccanica (per far fronte agli impatti dinamici dovuti al trascinamento dei materiali lapidei nel corso d'acqua) e, dall'altra, una struttura quanto piu' priva possibile di fessure di origina termica ed igrometrica, legate entrambe ad un eccessivo dosaggio di cemento richiesto per il raggiungimento di elevate resistenze meccaniche.

Veduta aerea della Diga delle Tre Gole: al centro si vedono gli sfioratori per la cui costruzione sono stati impiegati 350.000 m3 di calcestruzzo ad alta resistenza all'erosione oggetto dell'articolo qui pubblicato.	Vista da vicino degli sfioratori attraverso le cui aperture passa attualmente l'acqua del fiume Yangtze. Per il 1° Giugno 2003 è programmata la chiusura di alcune aperture per portare gradualmente il livello dell'acqua a 135 m in Agosto. Da questo momento due generatori cominceranno a produrre energia.

OBIETTIVO DELLA RICERCA

I risultati ottenuti nella prima fase di studio e pubblicati nel rapporto del 1998 (1), erano soddisfacenti per la resistenza meccanica richiesta (40-45 MPa) e per l'associata resistenza all'erosione, ma non accettabili per l'elevato stato fessurativo registrato sulla superficie dei primi getti a causa delle tensioni di trazione indotte dall'eccessivo riscaldamento nel nucleo centrale delle strutture e dalle tensioni indotte dal ritiro igrometrico delle parti superficiali del calcestruzzo.
Fu quindi deciso, nel 2001, di affrontare collegialmente (Impresa, Progettista, Direttore Lavori, Fornitori di materiali e Consulenti Esterni) una nuova ricerca per ridurre al minimo queste fessure sfruttando soprattutto un impiego di materiali diversi ed eventualmente un differente loro proporzionamento.

PARTE SPERIMENTALE

I dettagli della ricerca sono disponibili in altre pubblicazioni (2, 3). Qui si riportano i dati più significativi basati sulle seguenti variazioni rispetto al calcestruzzo impiegato nella prima fase:

• impiego di un cemento Portland a medio calore di idratazione con sostituzione fino al 20% di cenere volante;
• impiego di un additivo superfluidificante a base acrilica (CAE, Copolymer Acrylic Ester) in luogo di quello basato sul polimero di naftalen-solfonato (SN, Sulphonated Naphthalene Polymer).

RISULTATI

Le Fig. 1 e 2 mostrano comparativamente il calore di idratazione sviluppato rispettivamente dal cemento Portland e da quello alla cenere volante (20% di sostituzione) in assenza ed in presenza del superfluidificante acrilico (CAE) o naftalinio (SN).
Si registra, ovviamente, una diminuzione nella velocità dello sviluppo del calore nei primi giorni (per es. da 170 KJ/Kg a 150 KJ/Kg a 1 giorno) solo per l'effetto della sostituzione del cemento con cenere volante senza per questo modificare significativamente il calore di idratazione alle stagionature successive (per esempio a 7 giorni).
Ma ciò che è piu' importante è l'effetto degli additivi SN e CAE nel rallentare lo sviluppo del calore soprattutto nella fase più critica dei 2-3 giorni dopo il getto. In particolare, con il CAE l'effetto nel rallentamento dello sviluppo del calore è più rilevante che con l'additivo SN.
Quindi l'accoppiata cemento alla cenere volante + CAE, rispetto al cemento Portland con additivo SN, porta complessivamente lo sviluppo del calore di idratazione da circa 200 KJ/Kg (Fig. 1) a circa 130 KJ/Kg (Fig. 2) dopo 2 giorni dal getto.
Un ulteriore beneficio, derivante dalla sostituzione del superfluidificante naftalinico con quello acrilico, è consistita nella maggiore riduzione di acqua di impasto e quindi - a pari a/c - di una equivalente riduzione nel dosaggio di cemento. Questo risultato non è tanto apprezzabile per l'aspetto economico legato al risparmio di cemento, ma piuttosto per la riduzione nello sviluppo del calore totale (Q) liberato in 1 m³ di calcestruzzo che dipende dal prodotto (c · q)

dove c è il dosaggio di cemento e q è il calore liberato da 1 Kg di cemento riportato nelle Fig. 1 e 2.

Fig. 1 - Sviluppo del calore di idratazione nel tempo del cemento Portland con e senza additive SN e CAE (prove su paste).	Fig. 2 - Sviluppo del calore di idratazione del legante (80% cemento Portland e 20% cenere volante) in assenza ed in presenza degli additive SN e CAE (prove su paste)

Nella Tabella 1 vengono mostrate le composizioni dei calcestruzzi a pari a/c (0,40 - 0,35 - 0,30) ed a pari lavorabilità (slump » 6 cm) con gli additivi SN (40% di polimero attivo in acqua) e CAE (30% di polimero attivo in acqua), ciascuno dosato al valore ottimale* (0,9 e 1% rispettivamente) individuato attraverso prove preliminari.
I dati della Tabella 1 indicano che la sostituzione del tradizionale superfluidificante naftalinico (SN) con quello acrilico (CAE) ha comportato una riduzione nell'acqua di impasto e quindi (a pari a/c) nel legante (cemento + cenere) dell'11-13%, con i valori maggiori nel calcestruzzo a minore rapporto acqua/legante (0,30).
La riduzione del volume di acqua, di cemento e di cenere, è' stata compensata da un aumento di un pari volume di inerte. In sostanza, il passaggio dell'additivo superfluidificante naftalinico a quello acrilico ha comportato due significative variazioni composizionali (A e B) senza per altro pregiudicare minimamente la resistenza meccanica e la resistenza all'erosione da parte dell'acqua (Tabella 2):

A) riduzione del dosaggio di cemento (c) e quindi in base all'equazione [1] del calore Q liberato in 1 m³ di calcestruzzo con conseguente riduzione delle tensioni indotte dai gradienti termici;
B) aumento del rapporto aggregato/cemento che favorisce una maggiore stabilità volumetrica in termini di minor ritiro igrometrico.

Tabella 1 - Composizione dei calcestruzzi con superfluidificante acrilico (CAE) o naftalinico (SN) * Formato da roccia di frantumazione prevalentemente granitica con tre pezzature (sabbia - 5/20 mm - 20/40 mm) ** Aria in microbolle per resistere ai cicli di gelo-disgelo

Tabella 2 - Composizione dei calcestruzzi con superfluidificante acrilico (A,B,C) o naftalinico (A', B', C') * La resistenza alla erosione (h/cm) è misurata dal tempo in ore (h) necessarie ad erodere 1 cm di calcestruzzo in condizioni standard della norma cinese SD 105, 1982.

RIDUZIONE DEL QUADRO FESSURATIVO

Nelle Fig. 3 e 4 vengono mostrati, in termini pratici, i vantaggi derivanti dalla variazione A, cioè dal minor dosaggio di cemento per calcestruzzi a pari classe di resistenza (40 MPa). In Fig. 3 si osserva un minor riscaldamento nel nucleo della struttura quando si impiega l'additivo acrilico (CAE) in luogo di quello naftalinico (SN).
Sottraendo alla temperatura del nucleo più caldo della struttura (registrato nella Fig. 3), la temperatura dell'ambiente con le sue escursioni termiche diurne, si può determinare la massima differenza di temperatura tra il nucleo più caldo e la parte corticale della struttura assunta essere conservativamente uguale a quella dell'ambiente. Questa differenza di temperatura è stata trasformata in una conseguente deformazione attraverso il coefficiente di espansione e contrazione termica (4) del calcestruzzo (10 · 10^-6 °C^-1) e si è potuto calcolare la massima deformazione differenziale tra nucleo caldo e periferia della struttura a temperatura ambiente (Fig. 4). Si osserva che nel caso del calcestruzzo con additivo SN la deformazione di trazione rimane per oltre 50 ore ben oltre il limite di 100·10^-6 che rappresenta il valore della deformazione a rottura per trazione del calcestruzzo in esame. Con l'additivo acrilico CAE il limite della rottura a trazione è stato superato di poco e per poco (Fig. 4) e questo dato molto confortante è stato confermato dal confronto tra i getti eseguiti in passato con calcestruzzi additivati con SN e quelli eseguiti più recentemente con calcestruzzi contenenti superfluidificante a base acrilica CAE. Si è trovato una diminuzione dell'83% per il numero delle fessure soprattutto per effetto della riduzione del calore (Q) generato in 1 m³ di calcestruzzo (Fig. 3) conseguente alla riduzione dell'11-13% del dosaggio di cemento (Tabella 1) ed in minor misura per il più lento sviluppo del calore soprattutto nel sistema cemento + cenere volante in presenza di CAE (Fig. 2). Nella Fig. 5 è mostrato il vantaggio derivante dal minor ritiro igrometrico, durante i primi 3 mesi dal getto (T = 25-35°C; UR = 57-60'%), dei calcestruzzi con superfluidificante acrilico rispetto a quello con l'additivo naftalinico (a 60-90 giorni quasi 45% in meno nel calcestruzzo con classe di resistenza 40 MPa, e quasi 25% in meno nel calcestruzzo con classe di resistenza 45 MPa). La maggiore stabilità volumetrica nei confronti delle variazioni igrometriche è dovuta, ovviamente, non tanto all'additivo di per sé, quanto al maggior rapporto aggregato/cemento che consegue all'impiego di un additivo più efficace nel ridurre l'acqua di impasto (5). E' noto, infatti, che l'aggregato lapideo si oppone al ritiro della pasta di cemento e, pertanto, un aumento nel rapporto aggrega-volume di chi si oppone al ritiro (l'aggregato) e si riduce il volume di chi è responsabile del ritiro (pasta cementizia).

Fig. 3 - Aumento della temperatura nel nucleo centrale del getto per i calcestruzzi di classe 40 MPa.	Fig. 4 - Contrazione di origine termica sulla parte fredda (superficie) dei calcestruzzi (entrambi di classe 40 MPa) con l'additivo SN e CAE.

CONCLUSIONI E CONSIDERAZIONI ECONOMICHE

Un riesame del mix-design sul calcestruzzo impiegato nella Diga delle Tre Gole in Cina con l'ausilio dei nuovi più efficaci superfluidificanti messi a punto in Italia, ha consentito di migliorare significativamente le prestazioni carenti precedentemente conseguite dal punto di vista del quadro fessurativo, senza peggiorare le prestazioni meccaniche ritenute più che soddisfacenti (40-45MPa nella resistenza a compressione a 28 giorni).
Inoltre, questo miglioramento è stato conseguito senza alcun aggravio nei costi del calcestruzzo, nonostante l'additivo acrilico prescelto dovesse essere trasportato dall'Italia in Cina e dovesse affrontare i dazi doganali rispetto all'additivo naftalinico disponibile in Cina. Si è potuto, anzi, registrare un significativo risparmio economico non tanto per la parziale sostituzione del cemento con cenere volante (20%), ma per l'abbattimento dei costi nel raffreddare il calcestruzzo al fine di evitare gli eccessivi gradienti termici responsabili delle fessurazioni che appaiono sulla superficie nei primi giorni dal getto. Se si tiene conto che con l'additivo acrilico si abbatte il riscaldamento nel nucleo centrale di circa 6oC (Fig. 3), e che all'impresa veniva riconosciuto un maggior costo di 2,20 RMB¥/m3 per ogni grado centigrado di raffreddamento, il risparmio che si sarebbe realizzato solo nei primi getti (350.000 m³) eseguiti con l'additivo naftalinico risulterebbe essere:

2,20 · 6 · 350.000 = 4,62 ·106 RMB¥

pari a oltre 600.000 Euro sulla base del cambio stimato nel 2001 a 7,65 RMB¥ per 1 €.

Fig. 5 - Ritiro da essicamento nei calcestruzzi di classe 40 e 45 MPa con additivo SN e CAE.	Visita dei consulenti italiani sul cantiere della Diga nell?Agosto del 2001; da si8nistra: W. Guan, Dal Negro, Collepardi, il Prof. Y. Zhang (Direttore dell?istituto di Ricerca Scientifica del fiume Yahgtze), F. Quick e due tecnici della diga.

Bibliografia
(1) CTGPC, "Final report on concrete proportioning tests", Yichang, Testing Centre of China Three-Gorge Project Corp., (1998)
(2) Chen, Y. M. and Yao, Y., "Final report on admixture selection for 3-Gorge-Dam concrete", Beijing, China Science Academy of Construction Materials, (1998).
(3) Y. Zhang, M. Collepardi, L. Coppola, W. Guan and P. Zaffaroni, "Ottimizzazione del calcestruzzo ad alta resistenza meccanica con superfluidificante per la diga delle Tre Gole in Cina", Industria Italiana del Cemento, n. 783, pp. 58-68 (2003)
(4) A.M.Neville, Properties of Concrete, 4^ Ed., Longman
(5) M.Collepardi, Il Nuovo Calcestruzzo, 2^ Ed, Tintoretto, (2002)

* dosaggio oltre il quale non si registrano ulteriori significative riduzioni di acqua.

DOVE SI TROVA LA DIGA

Il fiume Yangtze (indicato in rosso nella mappa qui accanto) nasce nei ghiacciai del Monte Geladandong e presenta dalla sorgente una caduta di 5.800 m prima di raggiungere il mare. Il fiume scorre per 6.300 Km ad est verso l'Oceano Pacifico ed aumenta progressivamente la sua portata per la confluenza di molti altri grandi fiumi. Attraverso una serie di meandri il fiume attraversa il Bacino di Sichuan, taglia la catena montuosa di Wushan formando le magnifiche Tre Gole che sono uno spettacolo della natura tra il misterioso ed il pittoresco. La Diga delle Tre Gole si trova all'interno della terza gola (Xiling), dove la valle del fiume è larga, aperta e poggiata su un sottofondo di granito solido ed intatto per consentire il progetto e la costruzione di questa diga, la più grande opera del mondo in questo settore dell'ingegneria civile. La Diga è larga 3.035 m nella parte più alta dove raggiunge un'altezza di 185 m. Quando sarà completata nel 2006, essa trasformerà il corso superiore del fiume Yangtze in un lago lungo 600 Km capace di contenere 39,3 miliardi di metri cubi di acqua. La diga a gravità in calcestruzzo sarà in grado di imbrigliare il fiume Yangtze con una capacità di 22,15 miliardi di metri cubi, assolutamente necessaria per la sicurezza e lo sviluppo dell'area che si trova a valle. La potenza della Diga con i suoi 26 generatori arriverà nel 2009 a 18.200 MW. Due dei 14 generatori già installati cominceranno a produrre energia quest'anno in Agosto ed altri due in Ottobre per un totale di 5,5 miliardi di KWh nel 2003.