1. INTRODUZIONE: cosa è la micro-poro-meccanica

La micro-poro-meccanica (MPM) è la scienza che studia la micro-porosità per interpretare le prestazioni fisico-meccaniche dei materiali. I  primi studi della MPM furono incentrati sul comportamento termodinamico di alcuni gas ma soprattutto dell’acqua  nei micropori di supporti solidi e sfociarono in equazioni divenute poi famose, quali:

- le leggi di Kelvin e  di Wheeler sulla tensione del vapore acqueo in funzione del raggio dei micropori;
- l’equazione di Brunauer Emmet e Teller  - più nota come BET -  per lo studio dell’area superficiale specifica in un solido micro-poroso attraverso l’adsorbimento  di acqua o di azoto;
- l’equazione di Washburn per calcolare la pressione che spinge l’acqua  nei pori capillari di un solido idrofilo (suzione e risalita capillare).

Più recentemente la MPM è diventata uno strumento molto importante  per affrontare le ricerche sul comportamento meccanico dei solidi porosi che vanno dal calcestruzzo al legno, dai laterizi alle malte, dai supporti catalitici ai materiali argillosi. I numeri di Gennaio e Maggio 2004 della rivista Materials and Structures (1, 2) sono stati interamente dedicati ad approfondire gli sviluppi recenti della MPM nel settore dei materiali da costruzione e le possibili ricadute sul progresso delle costruzioni.

2. SCC: micro-porosità del materiale e prestazione della struttura

 In questo articolo verranno esaminati due aspetti (uno micro-strutturale, e l’altro prestazionale) che, grazie all’approccio micro-poro-meccanico, possono portare ad un approfondimento della micro-struttura del calcestruzzo autocompattante, più noto come SCC (da Self-Compacting Concrete), e ad un miglioramento delle sue prestazioni strutturali. Questi aspetti sono:

A) la micro-struttura della matrice cementizia che avvolge gli inerti e le barre di armatura nell’SCC in confronto all’analoga situazione in un calcestruzzo “ordinario” ;
B) le prestazioni dell’SCC, in confronto sempre ad un calcestruzzo “ordinario”, per il comportamento strutturale in termini di resistenza meccanica, ritiro igrometrico, deformazione viscosa, ed aderenza ferro-calcestruzzo.

3. PARTE SPERIMENTALE: preparazione dei calcestruzzi

 Il primo problema che si pone in questo confronto è: quale è il calcestruzzo “ordinario” con cui confrontare l’SCC ? La scelta qui adottata è stata la seguente : un calcestruzzo che possiede lo stesso rapporto acqua-cemento (a/c) e lo stesso dosaggio di cemento Portland (c) dell’SCC; nel caso specifico è stato adottata  una classe di consistenza (S4), tipica di un calcestruzzo  fluido (slump = 180 mm), ma non assimilabile al comportamento reologico dell’SCC (slump flow = 750 mm).
Nella Tabella 1 sono mostrati i dettagli composizionali dei vari ingredienti espressi nei tradizionali dosaggi in kg/m³ di conglomerato con due varianti per l’SCC: nel primo (SCC/L), il filler è costituto da calcare macinato (< 63 m); nel secondo (SCC/P),  il filler è costituito da cenere volante (anch’essa < 63 m)  che notoriamente, rispetto al calcare considerato inerte (L), si comporta invece da pozzolana (P) e modifica,  quindi, chimicamente la microstruttura della matrice cementizia.

Tabella 1 - Composizione e lavorabilità dei calcestruzzi.

La cenere è stata introdotta in volume pari a quello del calcare e, tenendo presente la minor massa volumica (2,25 contro 2,65 kg/L), il dosaggio  della cenere è leggermente inferiore a quello del calcare (135 contro 160 kg/m³). L’impiego dei due filler (calcare e cenere) negli SCC è avvenuto a spese di un pari volume di aggregato (soprattutto quello grosso)  in modo da poter mantenere gli stessi dosaggi di cemento (c) e di acqua (a), e quindi lo stesso a/c. Queste modifiche hanno consentito di rispettare le tre “regole” fondamentali (4)*per produrre SCC con un slump flow di oltre 700 mm, senza segregazione in accordo alle disequazioni [1-3]:

0,85 < V_a/V_c+f  < 1,20     [1]
170 L/m³ < V_c+f  <  200 L/m³      [2]
V_G< 340 L/m³      [3]

dove V_a rappresenta il volume di acqua, V_c+f è il volume dei fini (cemento + filler), e V_G è il volume di inerte grosso tutti espressi in litri (L) per metro cubo di calcestruzzo.

* La quarta "regola" consiste nel bilanciare i dosaggi dell'additivo superfluidificante e di quello viscosizzante in modo da portare la lavorabilità al massimo (slump fow = 650-750 mm) senza problemi di segregazione.

La Fig. 1 mostra sinteticamente le principali variazioni nella composizione in termini di volume dei due calcestruzzi (S4 ed SCC): si può notare come ,per rispettare le tre disequazioni [1],  [ 2] e [3], nell’SCC si sia dovuto - rispetto al calcestruzzo S4 - aumentare il volume dei fini (in sostanza aggiungere il filler) e ridurre il volume di aggregato grosso.

Fig. 1 - Composizione in volume (L/m3) degli ingredienti nell'S4 e nell'SCC.

Con i tre calcestruzzi, due SCC (non vibrati) ed uno ordinario (S4 vibrato per 15 secondi), caratterizzati dalla  composizione indicata nella Tabella 1, sono stati stagionati  a 20 °C:

a) provini cubici per determinare la resistenza meccanica in ambiente con  UR >95 % da 1 a 28 giorni;

b) travetti non armati sformati a 1 giorno per misurare il ritiro igrometrico in ambiente con UR del 65 % fino a 180 giorni ;

c) provini cilindrici non armati sformati a 1 giorno, e sottoposti da 7 a 180 giorni (UR del 65 %) a sollecitazioni  permanenti pari ad 1/4 della resistenza meccanica a compressione posseduta a 7 giorni;

d) provini cubici armati**con barra in acciaio (ad aderenza migliorata e con diametro di 8 mm)  sottoposta a sfilamento dopo stagionatura di  28 giorni in ambiente con UR > 95%. Nella Fig. 2 è mostrato schematicamente la metodologia della prova di sfilamento in accordo al metodo RILEM-FIP-CEB (3).
Da ciascun calcestruzzo a diverse stagionature è stata prelevato un frammento di matrice cementizia sottoposta ad osservazione con microscopia elettronica a scansione (SEM da Scanning Electron Microscopy) per caratterizzarne visivamente la microstruttura da confrontare con la modellazione micro-poro-meccanica.

** Per i provini armati di calcestruzzo S4 la vibrazione è stata fatta variare: 0-15-30 secondi.

Fig. 2 - Provino per la prova di aderenza ferro-calcestruzzo secondo le raccomandazioni RILEM-FIP-CEB (3)

4. RISULTATI

Nei paragrafi che seguono sono mostrati i risultati sperimentali ottenuti per confezionare i due  SCC ed  il calcestruzzo di riferimento S4, e le proprietà di questi conglomerati allo stato indurito.

4.1 Composizione  dei calcestruzzi e proprietà reologiche
Nella Tabella 1 sono mostrate le composizione dei tre calcestruzzi, tutti ad alte prestazioni (HPC, High Performance Concrete), progettati per elementi prefabbricati maturati senza vapore per conseguire i seguenti tre obiettivi:

- raggiungere a 1 giorno una resistenza meccanica di almeno 25 MPa;
- ottenere una R_ck di almeno 60 MPa;
- non superare per a/c il valore di 0,45 per ragioni di durabilità (classe di esposizione XS3).

Il dosaggio di cemento Portland CEM I 52.5 R per raggiungere queste prestazioni nel calcestruzzo S4 (slump = 180 mm) è stato di circa 400 kg/m³ con un dosaggio di additivo superfluidificante  a base acrilica (polimero attivo = 30%) di circa 0,6 % sul peso di cemento.
Nei due SCC - di pari a/c e di pari dosaggio di cemento rispetto al calcestruzzo di riferimento S4 -  è stato aumentato il dosaggio di superfluidificante a 1,1% sul cemento, in presenza del filler calcareo, ed a 1,3 % quando si è impiegata la cenere volante.

4.2 Proprietà nello stato indurito
Nei paragrafi che seguono sono mostrati i risultati sperimentali ottenuti sui calcestruzzi induriti.

4.2.1 Microstruttura della matrice cementizia
Nella Fig. 3  è mostrata la microstruttura della matrice cementizia del calcestruzzo S4 in confronto a quella delle matrici cementizie dei due SCC (Fig. 4-5). Per quanto la differenza sia attenuata dal basso rapporto a/c (0,45), che porta ad una ridottissima micro-porosità in tutte le matrici cementizie, si osserva che in presenza del filler - anche di quello calcareo che non presenta alcuna attività pozzolanica - la micro-porosità risulta ancor più bassa rispetto a quella del calcestruzzo di riferimento con beneficio di tutte le prestazioni meccaniche dell’SCC allo stato indurito.

Fig. 3 - Osservazione SEM della matrice cementizia del calcestruzzo S4.

Fig. 4 - Osservazione SEM della matrice cementizia dell'SCC/L.

Fig. 5 - Osservazione SEM della matrice cementizia dell'SCC/P.

4.2.2 Resistenza meccanica a compressione
Nella Fig. 6 è mostrato l’andamento della resistenza meccanica a compressione da 1 a 28 giorni: i dati evidenziano un incremento di circa il 20% nella resistenza meccanica a tutte le stagionature  passando dal calcestruzzo di riferimento S4 a quella degli SCC nonostante il rapporto a/c (0,45) ed dosaggio di cemento (circa 400 kg/m³) siano gli stessi.

4.2.3 Comportamento deformazionale
Nelle Fig. 7, 8 e 9 sono rappresentate rispettivamente le deformazioni (e) dei provini di calcestruzzo S4, SCC/L, ed SCC/P. La curva rossa rappresenta la deformazione totale. In ciascun grafico sono mostrate:

a) la deformazione da creep (e_C) in ambiente con UR del 65% a seguito della sollecitazione - 1/4 della resistenza -applicata a 7 giorni (area rossa);
b) la deformazione da ritiro igrometrico (e_S) in ambiente con UR = 65% registrata da 7 a 180 giorni in assenza di sollecitazione (area verde);
c) la deformazione elastica (e_E) registrata immediatamente all’applicazione della sollecitazione a 7 giorni dalla confezione dei provini (area grigia).

Nella Tabella 2 sono mostrati comparativamente la deformazione elastica immediata (e_E) misurata a 7 giorni e quella da ritiro (e_S) insieme a quella viscosa (e_C) registrate dopo 180 giorni.

Fig. 6 - Resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo S4 e degli SCC con filler calcareo (L) e cenere volante (P).

Fig. 7 - Calcestruzzo S4: deformazione elastica (eE), da ritiro igrometrico (eS) e viscosa (eC) in ambiente con UR = 65% con sollecitazione di 13,8 MPa applicata a 7 giorni pari a 1/4 di R7 (55 MPa).

Fig. 8 - SCC/L: deformazione elastica (eE), da ritiro igrometrico (eS) e viscosa (eC) in ambiente con UR = 65% con sollecitazione di 17 MPa applicata a 7 giorni pari a 1/4 di R7 (68 MPa).

Fig. 9 - SCC/P: deformazione elastica (eE), da ritiro igrometrico (eS) e viscosa (eC) in ambiente con UR = 65% con sollecitazione di 16.3 MPa applicata a 7 giorni pari a 1/4 di R7 (65 MPa).

Tabella 2 - Deformazioni a 180 giorni del calcestruzzo S4 e di quelli autocompattanti con calcare SCC/L o cenere volante (SCC/P).

Per esempio la deformazione totale e_T a 180 giorni in Fig. 7 per il calcestruzzo S4 sollecitato a compressione con 13,8 MPa è 1010 µm/m: sottraendo la deformazione elastica che si verifica subito dopo l’applicazione del carico (265 µm/m), rimane una deformazione viscosa di 1010-265 = 745 µm/m.
Tuttavia a questo valore misurato in ambiente insaturo di vapore (UR = 65%), occorre sottrarre il ritiro igrometrico (470 µm/m), misurato a parte su travetti prismatici non armati in assenza di sollecitazione, e pertanto la deformazione viscosa “depurata” dal ritiro diventa 735-470 = 275 µm/m.
Passando dall’S4 all’SCC/L (Fig. 8) non si registra alcuna variazione né nella deformazione viscosa, né in quella da ritiro sebbene il rapporto inerte/cemento sia leggermente inferiore (4,1 contro 4,5) come è mostrato in Tabella 1. Tuttavia, se si considera nell’SCC/L il filler calcareo come una parte finissima dell’inerte, il passaggio dal calcestruzzo S4 all’SCC/L (con meno aggregato grosso e più finissimo) comporta una modifica nella distribuzione granulometrica ma non nel rapporto i/c che rimane 4,5 per entrambi i calcestruzzi (Tabella 1). Escludento l’azione chimica della reazione che si verifica con filler pozzolanici come la cenere volante, il passaggio di un calcestruzzo ordinario S4 all’SCC/L con filler calcareo consiste sostanzialmente nella modifica - a pari a/c ed i/c - della distribuzione granulometrica (Fig. 10) che si arricchisce delle parti microniche (<100 mm) a spese di quelle grosse (4-20 mm). Ciò comporta, come si è visto in Fig. 6, un aumento della resistenza meccanica di circa il 20% proprio per l’azione fillerizzante delle particelle microniche di calcare nella micro-porosità della matrice cementizia, sensa sostanziali modifiche nel comportamento deformazionale in presenza ed in assenza di carico (e_C ed e_S) governato dai valori di a/c ed i/c che sono rimasti immutati.
Quando, invece, si considera l’SCC/P con cenere volante (Fig. 9) la deformazione totale (e_T) risulta leggermente maggiore rispetto alle corrispondenti variazioni dimensionali nel calcestruzzo S4 (Fig. 7). In particolare il ritiro (e_S) a 180 giorni (470 mm/m) è sostanzialmente eguale a quello dell’S4, mentre la deformazione viscosa e_C è maggiore (430 mm/m contro 275 mm/m). Nel caso dell’SCC/P, la cenere volante non è assolutamente assimilabile, come il filler calcareo, alla parte finissima dell’inerte, ma piuttosto ad una componente pozzolanica aggiuntiva del materiale cementizio: in altre parole, il rapporto i/c ed a/c, considerando la cenere come un materiale cementizio e non inerte, diventano rispettivamente 3,1 e 0,34 contro i valori di 4,5 e 0,45 per il calcestruzzo S4 (Tabella 1). Così pure la distribuzione granulometrica dell’inerte dell’SCC/P - considerando la cenere come legante e non come inerte - diventa molto più vicina a quella dell’S4 che non a quella dell’inerte dell’SCC/L (Fig. 10).

Fig. 10 - Distribuzione granulometrica degli inerti nell'SCC/L, nell'S4 enella curva teorica di Bolomey (A=12; C=19%).

Fig. 11 - Morfologia di cenosfere e pleurosfere di cenere volante al microscopio elettronico a scansione.

Analizzando la situazione da questa prospettiva si giustifica che il ritiro igrometrico nell’SCC/P sia equivalente a quello dell’S4 (470 mm/m a 180 giorni) perché il minor rapporto i/c (3,1 contro 4,5) è compensato dalla minore porosità della matrice cementizia per il minor valore di a/c (0,34 contro 0,45). D’altra parte, la maggiore deformazione viscosa dell’SCC/P rispetto a quella dell’S4 (430 mm/m contro 265 mm/m a 180 giorni) è giustificabile dal rapporto i/c molto più basso (3,1 contro 4,5) e dalla maggiore deformabilità delle particelle di cenere in forma di cenosfere, cioè sfere vuote, o di pleurosfere parzialmente vuote (Fig. 11).

Fig. 12 - Aderenza ferro-calcestruzzo per il calcestruzzo S4 (vibrato 0-15-30 secondi) e per SCC/L ed SCC/P senza vibrazione.

Fig. 13 - A sinistra modello schematico di adesione tra barra d’acciaio e matrice cementizia dell’S4; a destra il modello con il calcestruzzo SCC con particelle di filler nei micropori della zona di transizione.

E’ interessante notare come per il calcestruzzo ordinario (S4) l’aderenza all’acciaio sia fortemente dipendente dal tempo di vibrazione: in assenza di vibrazione l’aderenza è bassa (10 MPa) per la presenza di macro-vuoti (aria intrappolata) all’interfaccia ferro-matrice cementizia che riduce la superficie di contatto; d’altra parte se si eccede nella vibrazione (da 15 a 30 secondi in Fig. 12) si raccoglie l’acqua di bleeding all’interfaccia ferro-calcestruzzo che provoca una riduzione nella superficie di contatto ferro-matrice cementizia e quindi di aderenza da 14 MPa a 12 MPa.
Nel caso dell’SCC, invece, che per definizione non deve essere vibrato né deve segregare, l’adesione della matrice cementizia alle barre d’acciaio (25-27 MPa) è favorita dalla presenza di un maggiore volume di materiale fino (V_C+F) come è mostrato in Fig. 13.

4. CONCLUSIONI
La presenza di filler nell’SCC, ancorché inerte come nel caso del calcare macinato, provoca una modifica nel comportamento  micro-poro-meccanico del materiale con conseguenze nelle prestazione del calcestruzzo in servizio. Rispetto ad un calcestruzzo di riferimento con classe di consistenza S4, confezionato con pari a/c, con pari dosaggio di cemento e vibrato a rifiuto, l’SCC con filler calcareo non vibrato presenta:

- un comportamento deformazionale nel ritiro igrometrico e viscoso sostanzialmente equivalente nonostante il minor contenuto apparente di aggregato  e quindi del rapporto inerte-cemento (i/c) (4,1 contro 4,5); in realtà questo rapporto non è modificato ove si consideri il filler calcareo come parte finissima dell’inerte;
- una migliore aderenza all’acciaio ed una maggiore resistenza meccanica a compressione alle brevi ed alle lunghe stagionature, nonostante sia stato adottato lo stesso a/c e lo stesso dosaggio di cemento.

Queste prestazioni - non prevedibili solo sulla base dei rapporti a/c ed i/c -  sono in linea con l’approccio micro-poro-meccanico. Infatti:

- negli SCC il ruolo del filler, anche quello del calcare considerato “inerte” dal punto di vista delle  reazioni chimiche, provoca una riduzione della micro-porosità  della matrice cementizia che favorisce una migliore adesione agli aggregati  ed alle barre di acciaio (transition zone); l’effetto del filler (sull’aderenza all’acciaio) è ovviamente migliore se è costituito da materiale pozzolanico come la cenere volante.
- d’altra parte, nel comportamento deformazionale il minor rapporto i/c dell’SCC/P con cenere - che di per sé provocherebbe una maggiore deformazione da ritiro - è compensato dalla minore micro-porosità, rispetto al corrispondente calcestruzzo “ordinario”, e quindi ad una minore di fuoriuscita di acqua provocato sia dall’ambiente insaturo (ritiro igrometrico);
- per quanto attiene, invece, il comportamento a seguito dell’applicazione di una sollecitazione permanente, si registra una maggiore deformazione dell’SCC/P rispetto al calcestruzzo ordinario S4 (ed all’SCC/L con calcare) per una maggior quota di matrice cementizia (cemento + pozzolana + acqua) meno rigida rispetto all’inerte calcareo, e per la presenza di micro-granuli vuoti o parzialmente vuoti di cenere e quindi più deformati.


RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia Antonio Borsoi e Glenda Fazio del Laboratorio Enco per la confezione dei calcestruzzi, le misure meccaniche e per le misure di variazione dimensionali.
Si ringraziano Tiziano Cerulli e Davide Salvioni del Laboratorio Mapei per le osservazioni al microscopio elettronico a scansione.


Bibliografia
(1) O. Coussy and G. Schere, Guest Editors, of Special Issue of Concrete Science and Engineering on Poromechanics of Cement - Based Materials.
(2) O. Coussy and G. Schere, Guest Editors, of Special Issue of Concrete Science and Engineering on Poromechanics of Concrete - Part II.
(3) M. Collepardi, A. Borsoi, S. Collepardi, F. Simonelli e R. Troli, “3 SELF CONCRETE (3SC): LA PROSSIMA SFIDA Parte I. Calcestruzzo autocompattante: produzione, messa in opera e prescrizioni”, Enco Journal, N° 24, pp. 15-21, 2003.
(4) M. Collepardi, “Scienza e Tecnologia del Calcestruzzo” 3^ Ed., Hoepli, Milano, pg 513-519, 1996.