1. INTRODUZIONE

Nella Parte I di questa ricerca è stato presentato il calcestruzzo auto-compattante, Self-Compacting Concrete, SCC’, con i suoi aspetti produttivi, esecutivi e prescrittivi. La Parte II di questo articolo riguarda il calcestruzzo auto-stagionante, Self-Curing Concrete, SCC’’ed il calcestruzzo auto-compresso, Self-Compressing Concrete, SCC’’’, che insieme all’SCC’formano il 3-Self-Concrete: 3SC, cioè il calcestruzzo tre-volte-self per essere self-compacting, self-curing e self-compressive.

2. STAGIONATURA INIZIALE E CALCESTRUZZO AUTO-STAGIONANTE (SCC'')

2.1 La stagionatura iniziale del calcestruzzo

La iniziale stagionatura del calcestruzzo (early curing, in inglese), subito dopo la rimozione dei casseri, è un’altra operazione tanto importante quanto disattesa sui cantieri di tutto il mondo. La stagionatura consiste nel proteggere la superficie del calcestruzzo dalla evaporazione dell’acqua. L’asciugamento (drying in inglese) avviene se l’ umidità relativa (U.R.) dell’ambiente scende al di sotto del 95%, ed è aggravato in condizioni di vento e di caldo che favoriscono l’evaporazione dell’acqua. Se la parte corticale della superficie a vista delle strutture in c.a. (copriferro) si asciuga, si verificano una serie di danneggiamenti che comprendono:

a) blocco del grado di idratazione del cemento per mancanza di acqua, con conseguente arresto del processo di riduzione della porosità capillare come previsto dalla teoria di Powers (1):

dove V_p è il volume di pori capillari in litri per 100 kg di cemento, a/c è il rapporto acqua-cemento ed a è il grado di idratazione; dalla [1] si evince che se diminuisce il volume della porosità capillare (V_p) aumenta;

b) minore permeabilità agli agenti aggressivi come la CO₂ (Fig. 1), l’aria, l’umidità ed i cloruri, con conseguente maggior rischio di corrosione dei ferri (2);

c) fessurazione superficiale provocata dalla sollecitazione da trazione (t) indotta dal ritiro igrometrico (drying shrinkage in inglese) contrastato dalla stabilità dimensionale del calcestruzzo interno non esposto ancora a ritiro, con conseguente fessurazione ed accelerazione esponenziale del processo di degrado (3), se si verifica:

dove e_r è il ritiro igrometrico libero, E è il modulo elastico a trazione ed R_t è la resistenza a trazione del materiale.

Se i danni a) e b) possono esere contrastati con l’adozione di un più basso rapporto acqua-cemento, riducendo così la porosità capillare e la permeabilità agli agenti aggressivi, il rischio di fessurazione superficiale non può essere ridotto abbassando a/c perchè, la fessurazione può essere addirittura aggravata se si innesca il ritiro autogeno quando a/c scende al di sotto di 0,45 (4).
Per impedire questi danneggiamenti, e soprattutto la fessurazione del copriferro, occorre impedire l’evaporazione dell’acqua soprattutto nei primi giorni che seguono la rimozione dei casseri, quando maggiore è la spinta ad evaporare dell’acqua, non ancora combinata, ed ancora troppo bassa è la resistenza meccanica a trazione (R_t) del calcestruzzo. Nel caso delle superfici non casserate ,come avviene tipicamente nelle superfici delle pavimentazioni, il fenomeno dell’asciugamento e del conseguente ritiro è ancor più grave in quanto coinvolge un materiale ancora nello stato plastico (plastic shrinkage) e quindi privo di qualsiasi resistenza meccanica a trazione (R_t=0). La protezione della superficie del calcetruzzo in fase plastica (nelle pavimentazioni) o appena indurita (nelle strutture appena sformate) può avvenire con una delle seguenti metodologie, applicate immediatamente e protratte permanentemente per qualche tempo (da 3 a 7 giorni), finchè il calcestruzzo non abbia raggiunto una adeguata t ( 1 MPa):

- spruzzare acqua nebulizzata;
- coprire con teli impermeabili;
- proteggere con teli di iuta bagnati;
- applicare una membrana anti-evaporante con l’ausilio di un agente stagionante (curing compound, in inglese).

Fig. 1 -Penetrazione della CO2 in un calcestruzzo stagionato e non stagionato prima della esposizione alla CO2.

L’applicazione del curing compound, come è mostrato nella Fig. 13 della Parte I di questo articolo, è sicuramente il procedimento più semplice ed economico in quanto - una volta applicato - non richiede il controllo e l’impegno continuo di manodopera previsti con gli altri sistemi di stagionatura. Tuttavia, il suo intervento complica e rallenta comunque il processo produttivo sul cantiere dovendosi utilizzare, subito dopo la rimozione dei casseri, delle impalcature dalle quali appunto si procede all’ applicazione della membrana anti-evaporante. Äitcin (4) ha segnalato che la stagionatura è disattesa anche dalla maggior parte delle imprese nord-americane per la semplice ragione che essa, qualunque sia la sua specifica modalità esecutiva, ha un costo. D’altra parte la stagionatura non potrà essere mai apprezzata fino a quando, in assenza di un accurato controllo immediato dello stato fessurativo, non ci si renderà conto della sua importanza ai fini della durabilità delle opere. Pertanto, a meno che la stagionatura non venga specificamente prescritta, controllata, e rimborsata, con un costo ad hoc previsto in capitolato e disgiunto dagli altri costi esecutivi, la stagionatura viene di fatto ignorata. Le cause dalle mancata stagionatura sono in sostanza imputabili alla complicazione esecutiva, al mancato riconoscimento del costo, ed all’assenza di controllo da parte della Direzione Lavori.

2.2 Il calcestruzzo auto-stagionante (SCC'')

Una soluzione al problema della stagionatura iniziale più gradita dalle imprese - per il minor intralcio delle fasi esecutive - appare l’impiego di additivi capaci di ridurre il ritiro, noti come Shrinkage Reducing Admixture o SRA, a base di eteri poliglicoli (5). In questo caso, infatti, il prodotto viene aggiunto nell’impasto e non già applicato sulla superficie, come avviene per la membrana anti-evaporante con qualche ulteriore complicazione sul cantiere per la sua applicazione. Ovviamente, anche per l’impego dell’additivo SRA, deve essere inserita una specifica voce nel capitolato che preveda il rimborso all’impresa per questo costo aggiuntivo. Allo stato attuale il suo impiego, in misura di 3-4 litri di prodotto per metro cubo di calcestruzzo, presenta un costo elevato che si aggira su 15-20 euro/m³. Inoltre, il calcestuzzo che ne risulta , che possiamo definire calcestruzzo auto-stagionante (Self-Curing Concrete in inglese) o SCC’’ , non appare ancora una soluzione tecnicamente accettabile e definitiva. Infatti, come è mostrato nei grafici della Fig. 2, che presenta il comportamento di un calcestruzzo contenente SRA in confronto a quello di un calcestruzzo di riferimento privo di questo additivo, si registra una discreta riduzione del ritiro soprattutto quello iniziale (durante le prime 1-2 settimane), ma non una sua completa eliminazione soprattutto a tempi più lunghi (6). Più avanti (nel § 4) verrà mostrato come questa applicazione possa, invece, essere utilmente impiegata, purchè in combinazione con gli agenti espansivi, per eliminare completamente gli effetti del ritiro igrometrico.
Per quanto attiene il meccanismo di azione, l’SRA sorprendentemente non riduce l’evaporazione dell’acqua come è mostrato nella Fig. 3: l’evaporazione dell’acqua, infatti, rimane sostanzialmente la stessa nel calcestruzzo con SRA ed in quello di riferimento senza SRA.

Fig. 2 - Variazione dimensionale in funzione del tempo per calcestruzzi (con e senza SRA) stagionati a umido durante la prima settimana (6).

Fig. 3 - Evaporazione di acqua (e) dal calcestruzzo con SRA ed in quello di riferimento senza SRA.

Una spiegazione a questo strano comportamento (riduzione del ritiro da essiccamento senza, però, ridurre l’essiccamento stesso del calcestruzzo) è stata trovata attribuendo (5, 6) l’effetto dell’SRA alla riduzione della contrazione (e_r) a seguito della diminuzione della tensione superficiale dell’acqua che rimane nei pori capillari. E’ noto (5), infatti, che a seguito della perdita di acqua in ambienti insaturi di vapore con U.R. < 95%, si formano i menischi di acqua responsabili dell’ attrazione tra le superfici del solido, costituito prevalentemente da fibre di C-S-H, come è mostrato schematicamente in Fig. 4. L’attrazione - e quindi la contrazione da ritiro - riguarda soprattutto i pori con diametro tra 2,5 e 50 nm, ed è tanto maggiore quanto maggiore è la tensione superficiale. Conseguentemente, i prodotti chimici che costituiscono l’SRA, che provocano una riduzione nella tensione superficiale dell’acqua, sarebbero responsabili della riduzione della deformazione da ritiro (Fig. 2) senza modificare il trasferimento di acqua dal calcestruzzo verso l’ambiente insaturo di umidità (Fig. 3).

Fig. 4 - Esempi di menischi di acqua (in verde) che provocano l'avvicinamento delle fibre di C-S-H, come indicato dalle frecce, e quindi la contrazione da ritiro.

3. RITIRO TERMO-IGROMETRICO E CALCESTRUZZO AUTO-COMPRESSO (SCC''')

3.1 Il ritiro termo-igrometrico

Anche in un calcestruzzo nel quale siano state prese le misure per un’accurata stagionatura iniziale si possono verificare, successivamente, fessurazioni a causa delle inevitabili variazioni termo-igrometriche nella vita di servizio, ed in particolare a causa delle contrazioni indotte dal raffreddamento nei periodi di clima freddo e/o dal ritiro igrometrico nei periodi di clima asciutto. Queste contrazioni, infatti, provocano entrambe, in una struttura in c.a. vincolata nei movimenti, tensioni di trazione capaci di fessurare il calcestruzzo notoriamente dotato di una modesta resistenza a trazione. Al contrario, le variazioni dimensionali opposte - quelle provocate dal riscaldamento nei periodi caldi o dal rigonfiamento igrometrico (swelling, in inglese) nei periodi piovaschi - non sono in grado di provocare fessurazioni in quanto le tensioni di compressione generate da queste variazioni termo-igrometriche non sono in grado di superare la resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo. Solitamente, laddove ci sono condizioni più sfavorevoli (maggiori escursioni termo-igrometriche, maggiori vincoli al movimento, geometrie monoassiali, ecc.), è necessario creare giunti di contrazione posizionati strategicamente per evitare che i movimenti termo-igrometrici del materiale abbiano a provocare tensioni non sopportabili dalle strutture. Per esempio, nelle pavimentazioni industriali in calcestruzzo particolarmente vulnerabili da questo tipo di tensioni per l’elevato rapporto superficie-volume, soprattutto se in ambienti esterni dove maggiormente si fanno sentire le variazioni termo-igrometriche, si deve ricorrere al taglio della pavimentazione immediatamente dopo la stagionatura iniziale. La pavimentazione deve essere, cioè, segmentata in lastre per lo più quadrate (solitamente di 50-90 m²), con lato che deve essere tanto minore quanto maggiore è il rischio di variazioni dimensionali indotte dai cambiamenti termo-igrometrici (7).

3.2 Gli agenti espansivi

Un approccio alternativo all’impiego dei giunti da contrazione (o ad una loro drastica riduzione) è potenzialmente rappresentato dall’impiego degli agenti espansivi, cioè di prodotti capaci di aumentare il volume del calcestruzzo a seguito di reazioni chimiche controllate che avvengono in presenza di umidità. L’impiego degli agenti espansivi deve avvenire in un conglomerato che contenga ferri di armatura capaci di contrastare l’espansione e di trasformarla utilmente in uno stato di co-azione: di compressione per il calcestruzzo e di trazione per i ferri, proprio come avviene in un calcestruzzo pre-compresso, anche se di minore intensità rispetto a quest’ultimo. Per tornare all’esempio delle pavimentazioni industriali in calcestruzzo, si è arrivati a costruire lastre monolitiche di 600 m² in ambienti esterni, e di 900 m² in quelli interni, senza giunti di contrazione (8): o più esattamente, con l’unico giunto di contrazione che viene fatto coincidere con quello da costruzione, cioè con quel giunto che viene realizzato al termine di una giornata lavorativa per essere ripreso con il getto in calcestruzzo del giorno successivo.
Esistono fondamentalmente due tipi di agenti espansivi, dosati a circa il 10% in massa sul cemento. Quelli basati sulla reazione di trasformazione di un ossido (solitamente di calcio, CaO) in un idrossido come avviene per esempio nella reazione [3] :

e quelli basati sulla formazione di ettringite (3CaO·Al2O₃·3CaSO₄·32H₂O) come avviene per esempio nella reazione [4] :

La differenza fondamentale tra la [3] e la [4] non è tanto nel chimismo della reazione, quanto invece nella cinetica della reazione, e quindi della velocità di espansione a questa associata: la reazione [3] è molto più rapida della [4] come è mostrato nella Fig. 5, (9), dove si riporta schematicamente l’andamento comparativo dell’espansione in funzione del tempo per i due processi sopra menzionati.

3.2.1 Vantaggi del CaO come agente espansivo

Come si può vedere, per completare l’ espansione occorrono 1-2 giorni se si impiega come agente espansivo il CaO, ed oltre 5 giorni se si impiega il 4CaO·3Al₂O₃·SO₃·CaO. Affinché i fenomeni espansivi, contrastati dai ferri di armatura, possano tramutarsi in un’utile stato di co-azione, è necessario che avvengano in sintonia con lo sviluppo della resistenza meccanica del calcestruzzo e quindi dell’adesione ai ferri di armatura. Nella Fig. 6 sono riprodotti i grafici della Fig. 5 con l’aggiunta di alcuni possibili sviluppi della resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo (valori sull’ordinata di destra). Nel caso di uno sviluppo meccanico molto rapido (caso A, in Fig 6), entrambi i processi espansivi - quello del CaO e quello del 4CaO·3Al₂O₃·SO₃ - si verificano in un sistema già indurito e quindi capace di generare compressione nel calcestruzzo e trazione nelle barre di armatura. Al contrario, con uno sviluppo esageratamente lento della resistenza meccanica (caso C, in Fig. 6), l’espansione sia del CaO che del 4CaO·3Al₂O₃·SO₃ avviene troppo presto; la maggior parte dell’espansione - soprattutto quella del CaO - avviene quando il calcestruzzo è ancora plastico e qundi incapace di aderire ai ferri; in altre parole, non tutta l’espansione è tramutata in uno stato di co-azione (compressione del calcestruzzo e trazione dei ferri). Nel caso dell’ esempio illustrato in B dalla Fig. 6 si verifica una situazione intermedia per la quale l’espansione del CaO non è adatta, perchè troppo in anticipo rispetto all’indurimento del calcestruzzo, mentre quella del 4CaO·3Al₂O₃·SO₃è in sintonia con lo sviluppo della prestazione meccanica. Questi esempi spiegano perchè in passato (10) l’unico agente espansivo realmente impiegato, in quei pochi casi di impiego dei calcestruzzi a ritiro compensato o auto-compresso, sia stato quello basato sulla produzione di ettringite più congruente, che non l’idratazione del CaO, con lo sviluppo della prestazione meccanica.

Fig. 5 - Esempio di andamento nel tempo dell'espansione di due calcestruzzi contenenti due diversi agenti espansivi in fase di indurimento (9).

Fig. 6 - Espansione e resistenza meccanica (Rc) in funzione del tempo per calcestruzzi con CaO o ettringite (E).

Tuttavia, questa situazione è cambiata con l’avvento dei superfluidificanti . Infatti, è diventato possibile ridurre adeguatamente il rapporto a/c al fine di raggiungere sempre una resistenza meccanica iniziale congruente con il processo espansivo del CaO, come schematicamente è stato mostrato nel caso A della Fig. 6. I vantaggi dell’impiego del CaO su quello del solfoalluminato, come agente espansivo, sono molteplici:

1) il CaO è molto più economico per la minore temperatura di cottura (solitamente 900°C) e per la semplicità del processo produttivo potendo essere prodotto in una tradizionale fornace a calce;

2) si può modulare la velocità di espansione modificando la velocità di trasformazione del CaO in Ca(OH)₂ attraverso il cambiamento della temperatura di cottura del calcare (con temperature più alte che favoriscono la sinterizzazione della calce e quindi una più lenta cinetica di trasformazione in idrossido di calcio) e della finezza di macinazione del CaO (con prodotti più fini che diventano più reattivi);

3) si richiede una stagionatura umida solo di 1-2 giorni - che di fatto coincide con il tempo di scasseratura nella maggior parte dei cantieri - contro i 5-7 giorni richiesti per il solfoalluminato per il quale, quindi, occorre una protezione aggiuntiva di altri 4-5 giorni, dopo la rimozione delle casseforme, della superficie del calcestruzzo e quindi con un maggiore impegno da parte dell’impresa.

Proprio questo ultimo aspetto ha fortemente ostacolato lo sviluppo dei calcestruzzi a ritiro compensato (shrinkage-compensating concretes, in inglese) o calcestruzzi auto-precompressi (Self-Compressed Concretes, in inglese o SCC’’’) basati sull’impiego degli agenti espansivi legati alla produzione di ettringite che avviene secondo la reazione [4]. Di questo problema e di come superarlo si discute nel successivo paragrafo.

3.3 I calcestruzzi a ritiro compensato o auto-precompressi
Per valutare l’importanza della modalità di stagionatura contrastata di un calcestruzzo che contiene agenti espansivi, in accordo alla norma UNI 8148, mutuata dalla norma americana ASTM C845-90. Nella Fig. 7 è mostrato lo stampo metallico (80x80x240 mm) all’interno del quale si getta il calcestruzzo per il confezionamento dei provini prismatici armati con una barra filettata del diametro di 5 mm. Nella parte bassa della Fig. 7 è mostrato un tipico provino sformato dallo stampo metallico non appena la presa consente appunto la sformatura (solitamente 4-12 ore a seconda della iniziale lavorabilità del conglomerato, della classe di resistenza del cemento impiegato, e del rapporto a/c adottato per l’impasto).

Fig. 7 - Cassaforma con barra di armatura e provino per la misura dell'espansione contrastata secondo UNI 8148 (9).

Appena il provino è sformabile se ne misura la dimensione; più esattamente si misura la lunghezza della barra metallica che fuoriesce dalle due estremità dal calcestruzzo (Fig. 8). Questa misura costituisce il riferimento iniziale (“punto zero”) rispetto al quale si determina il successivo processo di allungamento. Il provino viene quindi immerso in acqua a temperatura costante di 20°C e di tanto in tanto si ripete la misura della lunghezza della barra per determinarne l’allungamento a seguito del processo espansivo del calcestruzzo.Val la pena di precisare che questa misura avviene in condizioni particolarmente favorevoli all’espansione stessa per i seguenti motivi: innanzitutto il provino, oltre alla barra metallica centrale sulla quale il calcestruzzo agisce per la sua adesione, possiede anche, alle due estremità, due piastre metalliche, ortogonali al lato più lungo del provino prismatico, che consentono di scaricare tutta la potenzialità espansiva del calcestruzzo nell’allungamento della barra; in secondo luogo, l’espansione viene misurata immergendo il provino sotto acqua dal momento della sformatura fino all’esaurimento del processo espansivo.
Poichè queste particolari condizioni sono raramente riscontrate nella pratica esecutiva, la misura del’espansione contrastata così come prevista dalla normativa UNI 8148 o ASTM C845-90, rappresenta solo una indicazione del massimo potenziale espansivo di un calcestruzzo in condizioni standard che spesso poco hanno a che vedere con le condizioni reali di impiego. Ciò si verifica spesso anche per la misura di altre grandezze, a cominciare dalla resistenza meccanica determinata su provini di calcestruzzo compattati al massimo e stagionati a umido a 20°C, in condizioni, quindi, difficilmente realizzabili nella pratica di cantiere. Tornando ai calestruzzi a ritiro compensato, però, occorre ammettere che la misura dell’espansione contrastata rischia di perdere ogni significato quando si valuta questo comportamento nelle condizioni reali. Nella Fig. 9 sono riportate le misure di espansione contrastata di provini in calcestruzzo auto-compresso (SCC’’’ ) a base di solfoalluminato, sformati a 8 ore e conservati nelle seguenti condizioni:

- a contatto di acqua, come è previsto nella normativa, per 4 giorni e poi lasciati all’aria con U.R. del 65 %;

- ricoperti con teli impermeabili per 4 giorni (in condizione di umidità simile a quella che si stabilisce realisticamente nel calcestruzzo all’interno dei casseri) e poi lasciati all’aria con U.R. del 65 %;

- protetti con membrane anti-evaporanti (mediante applicazione di agenti stagionanti sui provini sformati a 8 ore) e lasciati all’aria (U.R. =65%);

- lasciati all’aria (U.R. =65%) subito la loro sformatura a 8 ore.

I risultati della espansione degli SCC’’’ mostrati in Fig. 9 sono fortemente influenzati dalla modalità di stagionatura, ed in particolare: rispetto all’espansione conseguita con la stagionatura standard a contatto di acqua, l’espansione si dimezza se si conserva il calcestruzzo per circa 4 giorni protetto da teli impermeabili (come si potrebbe verificare per strutture pur così a lungo stagionate dentro i casseri), e si annulla completamente in assenza di stagionatura dopo la sformatura a 8 ore (come si potrebbe in pratica verificare in una pavimentazione esposta all’aria dopo il getto e la lavorazione superficiale, senza un’adeguata stagionatura umida). Come si può vedere, per realizzare una qualche effettiva espansione occorre almeno lasciar maturare il calcestruzzo nelle casseforme per 4 giorni o applicare teli impermeabili per 2-3 giorni dopo la scasseratura a 1-2 giorni: entrambe le soluzioni sono troppo gravose per la pratica di cantiere e di fatto completamente disattese.
L’impiego di agenti espansivi a base di CaO sicuramente riduce i tempi di sformatura degli SCC’’’ rispetto a quelli che occorre adottare per un corrispondente calcestruzzo a ritiro compensato a base di solfoalluminato. Rimane però il fatto che, anche per il calcestruzzo con CaO, l’espansione che si realizza maturando l’SCC’’’ dentro i casseri (o protetto con teli impermeabili) si dimezza rispetto a quella teorica conseguibile per immersione del calcestruzzo sotto acqua dopo la sua sformatura a circa 6 ore (Fig. 10). Inoltre, poichè dopo la scasseratura e l’esposizione all’aria insatura di vapore subentra inevitabilmente il ritiro igrometrico, che tende a ridurre o ad annullare l’espansione precedentemente “accumulata”, è di fondamentale importanza ,per evitare le fessure da ritiro a lungo termine, che l’espansione accumulata nella fase iniziale sia la più elevata possibile, ma soprattutto che sia riproducibile con la massima semplicità possibile per l’organizzazione del cantiere. Come si mostrerà nel paragrafo successivo, questo obiettivo (riproducibilità dell’espansione con la massima semplicità possibile) è raggiungibile combinando la tecnologia dell'SCC''a base di additivo SRA (illustrata nel § 2.2) con quella dell’SCC’’’ a base di agente espansivo contenente CaO per il quale nel paragrafo 3.2.1 sono già stati illustrati tre vantaggi applicativi rispetto agli agenti espansivi a base di solfoalluminato.

Fig. 8 - Misura dell'espansione del provino attraverso l'allungamento della barra annegata nel calcestruzzo (9).

Fig. 9 - Influenza della stagionatura iniziale sulla curva "variazione dimensionale-tempo" (9).

Fig. 10 - Espansione del calcestruzzo con CaO (30 kg/m3) immerso sott'acqua (A) o protetto con teli impermeabili (B), dopo sformatura a 6 ore e lasciato all'aria dopo 36 ore.

Fig. 11 -Variazione dimensionale (e) di calcestruzzi tutti con espansivo a base di CaO (30 kg/m3), sformati a 6 ore e diversamente stagionati. Il calcestruzzo D contiene anche SRA (4 kg/m3).

E invece no: l’SRA, oltre a ridurre il ritiro dopo la iniziale espansione, fa aumentare anche l’effetto espansivo durante la stagionatura iniziale come si può osservare confrontando il maggior allungamento del calcestruzzo D rispetto a quello B tra 6 e 36 ore. La Fig. 11 mostra anche che l’impiego combinato di SRA e CaO, in condizioni realistiche del calcestruzzo D conservato entro casseforme per circa 36 ore dal getto, è di poco inferiore a quello teorico realizzato in condizioni di laboratorio (sformatura del calcestruzzo a 6 ore ed immersione sotto acqua per il calcestruzzo A) assolutamente impraticabili per strutture in c.a. casserate.
Si noti, infine, come l’effetto dell’SRA sia nell’aumento dell’espansione del CaO, sia sulla diminuzione nel ritiro dopo la rimozione della pellicola impermeabile (equivalente alla rimozione dei casseri), lascia di fatto nel calcestruzzo D una co-azione equivalente ad una espansione contrastata di circa 300-400 mm/m che mette la struttura al riparo dalla fessurazione provocata da eventuali ritiri igrometrici a lungo termine - che poco probabilmente possono raggiungere questa entità (11) - o da raffreddamenti, in servizio a lungo termine, pari a circa 30-40 °C (12) anch’essi poco probabili nelle condizioni climatiche delle nostre regioni. Nulla osta, del resto, a progettare stati di co-azione anche maggiori di 300-400 mm/m in condizioni climatiche più avverse per le variazioni termo-igrometriche.
Per completare il quadro di questa tecnologia, val la pena di sottolineare che l’aggiunta di SRA, in un calcestruzzo auto-compresso a base di solfoalluminato, si limita a ridurre il ritiro igrometrico dopo la rimozione della cassaforma o della pellicola protettiva ma non aggiunge, nella fase della stagionatura iniziale dentro il cassero, l’aumento di espansione contrastata registrato con l’ossido di calcio. Questo è un altro decisivo vantaggio per l’agente espansivo base di CaO, rispetto a quello a base di solfoalluminato, che si somma ai tre vantaggi tecnico-economici già illustrati nel paragrafo 3.2.1.

5. 3-SELF-CONCRETE: (SCC’)+(SCC’’)+(SCC’’’)

La produzione di un calcestruzzo auto-stagionante (SCC’’) ed auto-compresso (SCC’’’: § 4), cioè privo di ritiro e con una espansione contrastata residua di 300-400 m/m in servizio, non è facilmente coniugabile con i vincoli produttivi di un calcestruzzo auto-compattante, SCC’ (Parte I di questo articolo). Tuttavia, laddove questa combinazione sia possibile si può parlare di una vera e propria rivoluzione tecnologica: il calcestruzzo tre-volte-self (3-Self-Concrete, in inglese, 3SC) che non richiede compattazione, stagionatura e giunti anti-ritiro da parte dell’impresa.
La maggior difficoltà di combinare le caratteristiche dell’SCC’ con quelle dell’SCC’’ + SCC’’’ consistono nel sintonizzare il processo espansivo del CaO con la conservazione della fluidità richiesta per un SCC’, (slump-flow di almeno 600 mm al momento del getto). Un calcestruzzo di questo tipo difficilmente potrà indurire ed aderire ai ferri di armatura (per instaurare lo stato di co-azione richiesti: compressione nel calcestruzzo e trazione nell’acciaio) prima di 12-16 ore dal getto; ciò comporta che si perda una buona parte dell’espansione (tra 8 e 16 ore) del CaO che invece è indispensabile per mantenere lo stato di co-azione in servizio equivalente a 300-400 mm/m di espansione controllata. Nella Fig. 12 è mostrato schematicamente il diverso comportamento espansivo di un calcestruzzo SCC’’+SCC’’’ a consistenza semi-fluida (S3), che fa presa in meno di 8 ore, e di un calcestruzzo autocompattante (3SC) che fa presa in circa 16 ore: a parità di composizione (incluso il dosaggio di cemento, acqua, filler, CaO ed SRA) i due calcestruzzi differiscono per il diverso tipo e dosaggio di additivo superfluidificante acrilico.
Questo inconveniente può essere superato agendo da una parte su un più rapido indurimento del calcestruzzo auto-compattante (cemento con classe di resistenza maggiore, additivo superfluidificante meno ritardante, ecc.), sempre, però, rispettando la condizione reologica richiesta al momento del getto (slump-flow ³600 mm); dall’altra impiegando un tipo di CaO leggermente più lento nel processo espansivo e quindi maggiormente in sintonia con il processo di indurimento (Fig. 13).
La scelta di un CaO più sinterizzato (cotto cioè a temperature più elevate) e/o macinato meno finemente consente in pratica di trovare un adeguato compromesso tecnico per produrre un 3SC capace di garantire uno stato di coazione equivalente ad una espansione contrastata di 300-400 µm/m in servizio.

Fig. 12 - Andamento dell’espansione-ritiro e della resistenza meccanica in un calcestruzzo (SCC’’ + SCC’’’) a consistenza semifluida (S3) ed in un 3SC di pari composizione ad eccezione dell’additivo superfluidificante.

Fig. 13 -Miglioramento del comportamento da 3SC (A) ad 3SC (B) mediante aumento nella velocità di indurimento e riduzione nella velocità di espansione.

La Fig. 14 illustra schematicamente il comportamento di alcuni calcestruzzi 3SC che differiscono soltanto per il tipo di CaO impiegato, cioè prodotto per cottura a tre diverse temperature (1050-950-850°C).

Fig. 14 - Espansione contrastata (e) di calcestruzzi 3SC con agente espansivo a base di CaO (30kg/m3) tutti con slump flow di 700 mm sformati a 12 ore.

6. CONCLUSIONI

L’impiego di additivi SRA nel Self-Curing Concrete (SCC'') o quello degli agenti espansivi nel Self-Compressive Concrete (SCC’’’) possono rispettivamente attenuare il ritiro iniziale o compensare quello in servizio. Con nessuna delle due tecnologie si riesce tuttavia ad eliminare completamente gli stati tensionali, collegati con l’asciugamento ed il raffreddamento del calcestruzzo in servizio, che sono fonte di fessurazioni con grave pregiudizio per la durabilità dell’opera.
Se l’additivo SRA è impiegato congiuntamente con un agente espansivo a base di CaO, si ottiene sorprendentemente un’espansione più efficace ed una conservazione di uno stato di co-azione (compressione del calcestruzzo e trazione dell’armatura metallica) che equivale ad una espansione contrastata residua di 300-400 mm/m.
Questa particolare tecnologia (SRA + CaO) può essere infne combinata con quella del Self-Compacting Concrete (SCC’) per ottenere il 3-Self-Concrete (3SC), un calcestruzzo che si compatta, si stagione e si comprime da solo, purchè il tipo di CaO impiegato sia adeguatamente selezionato per sincronizzare la sua espansione con l’indurimento del calcestruzzo dopo la presa.

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(7) S. Collepardi, L. Coppola e R. Troli, “Pavimentazioni industriali in calcestruzzo”, Ed. Enco, Spresiano, 1988

(8) ACI 223-93 Standard practice for the use of shrinkage compensating concrete, ACI Manual of Concrete Practice. Part I: Materials and General Properties of Concrete, 26 pp, Detroit, Michigan, 1994

(9) M. Collepardi, “Il Nuovo Calcestruzzo”, 3^ Ed., Tintoretto, Villorba, 2003

(10) M. Polivka and C. Wilson, “Properties of Shrinkage-Compensating Concretes”, Klein Symposium on Expansive Cement, ACI SP-38, pp 227-37, Detroit, Michigan, 1973

(11) T.C. Powers, “Causes and control of volume change”, Journal of Portland Cement Association Research and Development Laboratiories, 1, pp 29-39, 1959

(12) D.G.R. Bonnell and F.C. Harper, “The thermal expansion of concrete”, National Building Studies, Technical Paper No. 7, HMSO, London, 1951