Che gli additivi superfluidificanti abbiano rivoluzionato la tecnologia del calcestruzzo negli ultimi trenta anni crediamo che nessuno possa metterlo in dubbio. Da quando apparvero sul mercato negli anni ‘70 del secolo scorso, con le invenzioni di Hattori in Giappone e di Aignesberger in Austria, le due famiglie di prodotti -a base rispettivamente di naftalinsolfonato (NS) e di melammina solfonata (MS) - si sono scontrate per quasi un ventennio, prima di arrendersi alla nuova famiglia di superfludificanti a base di poliacrilati o policarbossilati (PC) che dir si voglia.
L’avvento di questi ultimi additivi verso l’inizio degli anni ‘90, rappresentò un progresso straordinario, sia in termini di efficacia nel ridurre l’acqua di impasto (a) - e quindi di cemento (c) a pari rapporto a/c - sia in termini di conservazione della lavorabilità anche in condizioni avverse, cioè per lunghi tempi di trasporto del calcestruzzo preconfezionato soprattutto in climi caldi.
Il progresso in questo settore non si è mai arrestato e con il nuovo secolo sono apparsi gli ultimi ritrovati con caratteristiche talvolta spettacolari. Accenneremo a due categorie di superfluidificanti che a nostro avviso si distinguono per la loro genialità: i superfluidificanti destinati alla prefabbricazione, con l’obiettivo di eliminare completamente la maturazione a vapore anche in climi freddi (5-10 °C), ed i superfluidificanti studiati per aggiungere una funzione accessoria, ma non per questo secondaria, anzi fondamentale come quella di ridurre il ritiro o addirittura di eliminarlo.

Superfluidificanti per calcestruzzo prefabbricato

Sono prodotti che presentano una particolare configurazione chimica ,che consiste nella presenza di lunghe catene laterali a base di polietere, grazie alla quale viene ridotta la tendenza di queste molecole ad essere fissate sulla superficie dei granuli di cemento . Rimandiamo il lettore desideroso di dettagli chimici alla letteratura tecnica disponibile (1,2), e ci limitiamo in questa sede ad illustrare, con un esempio pratico, il comportamento di due calcestruzzi del tutto identici salvo la composizipone dell’additivo superfluidificante: policarbossilico “tradizionale” (PC) o a base etere (PE) innovativo. La Fig. 1 illustra l’andamento della resistenza meccanica dei due calcestruzzi maturati senza vapore alla temperatura di 20° C o alla temperatura di 10° C: in entrambi i casi il calcestruzzo con PE presenta una maggiore resistenza a compressione maggiore di quella del calcestruzzo con PC, ma il divario diventa enorme nella maturazione alle basse temperature. Poichè l’additivo PE è un pò più costoso del tradizionale PC, i vantaggi appaiono meno convenienti nella maturazione a temperature estive e comunque superiori a 15 °C. Ma con la stagione invernale, il maggior costo dell’additivo PE è ampiamente compensato dalla possibilità di eliminare il trattamento a vapore che invece non è possibile con i normali ritmi produttivi per i PC tradizionali.

Fig. 1 - Influenza dei superfluidificanti PC e PE sulla resistenza meccanica iniziale a 20°C e 10°C.

Superfluidificanti per calcestruzzo preconfezionato

Si è già accennato al fatto che i superfluidificanti della famiglia PC presentano il vantaggio, rispetto a quelli della prima generazione NS ed MS, di conservare meglio la lavorabilità iniziale soprattutto in climi caldi, quando maggiormente si fa sentire il fenomeno indesiderato della perdita di lavorabilità durante il trasporto dall’impianto di betonaggio al cantiere. Non sono mancati i progressi in questa prestazione: essi sono stati realizzati con l’artificio di introdurre nell’impasto un additivo la cui molecola (A) inizialmente fluidifica poco e che, durante il trasporto, si trasforma nella molecola B capace di esplicare sempre più l’effetto fluidificante. In sostanza, grazie alla reazione tra la molecola iniziale (A) e la calce (C) che si libera durante l’idratazione del cemento, il calcestruzzo conserva immutata la sua lavorabilità iniziale per la progressiva formazione della molecola B:

Non è che le cose siano così prevedibili, come abbiamo sopra tentato di illustrare semplificando un problema in realtà molto complesso, perchè il numero di variabili che influenza il processo [1] sono tante e non tutte facilmente prevedibili (tipo e classe di cemento, aggiunte minerali, temperatura, velocità di agitazione dell’autobetoniera, ecc.).
Un additivo ancor più prestazionale appare un superfluidificante che presenta, all’interno della sua molecola, un gruppo chimico capace di agire da riduttore del ritiro (Shrinkage-Reducing Admixture, noto come SRA) e che viene lentamente liberato dopo il getto nelle casseforme senza che l’impresa abbia da provvedere alla protezione del calcestruzzo dal rapido asciugamento della superficie nella delicata maturazione iniziale. Non si finirà mai di ricordare abbastanza quanto sia importante questa operazione (bagnatura , protezione con teli ,o applicazione di membrane anti-evaporantti) quasi sempre trascurata dalle imprese e che spesso provoca la formazione di fessure quando le condizioni igrometriche diventano appena un pò più avverse del normale e favorevoli ad una rapida essiccazione del calcestruzzo (clima caldo, asciutto e ventilato). Data la situazione dei moderni cantieri da costruzione, sempre più sprovvisti di manodopera esperta ed affidabile, l’impiego di un additivo superfluidificante con caratteristiche anti-ritiro semplifica notevolmente l’organizzazione del cantiere e garantisce la durabilità delle strutture messa a repentaglio dalla presenza di fessure provocate dalla trascurata stagionatura umida del calcestruzzo*.

*Va riconosciuto che il fenomeno della stagionatura umida è molto più curata dai produttori di calcestruzzo prefabbricato mediante nebulizzazione di acqua sulla superficie dei manufatti dopo la loro sformatura.

Nella Fig. 2 è schematicamente illustrato l’andamento del ritiro igrometrico di un calcestruzzo con R_ck di 35 MPA nelle tre possibili versioni: senza additivo (control), con superfluidificante PC o con superfluidificante PC-SRA. Si passa da un ritiro igrometrico a 6 mesi con UR del 50% di 800 µm/m nel calcestruzzo senza additivo, ad un ritiro di 350 µm/m con l’additivo superfluidificante PC grazie alla riduzione di acqua e cemento del 25% a pari lavorabilità ed a/c, fino ad un ritiro di appena 180 µm/m se si impiega un superfluidificante PC-SRA che, oltre a ridurre acqua e cemento, riduce ulteriormente il ritiro da 350 a 180 µm/m per il rilascio della molecola di SRA. Incidentalmente si può ricordare che il meccanismo di azione della molecola di SRA sul ritiro si basa sulla riduzione della tensione superficiale dell’acqua i cui menischi sono responsabili della pressione capillare che spinge i prodotti di idratazione del cemento l’un l’altro (Fig. 3) con la conseguenza di provocare una contrazione volumetrica del materiale (3).

Fig. 2 - Ritiro del calcestruzzo senza additivi (control), di quello con PC, e di quello con PC-SRA.

Fig. 3 -Esempio di menischi di acqua (in verde) che provocano l'avvicinamento delle fibre di C-S-H, come indicato dalle freccie, e quindi la contrazione da ritiro.

Calcestruzzo senza ritiro (SFC)

Si è ormai avverato il “sogno” di produrre finalmente un calcestruzzo senza ritiro (Shrinkage-Free Concrete, SFC): con l’accoppiata di agenti espansivi - a base di calce cotta ad alte temperature (4) - e di questi geniali superfluidificanti - capaci di ridurre non solo l’acqua di impasto ma anche la tensione superficiale dell’acqua residua nei pori capillari (Fig. 3) - è oggi possibile produrre calcestruzzi permanentemente in uno stato di leggera precompressione senza che l’impresa sia tenuta a bagnare o comunque a proteggere i manufatti dall’essiccamento responsabile del ritiro igrometrico e quindi delle fessure (4).
Val la pena di ricordare che la formazione di fessure vanifica completamente lo sforzo di produrre calcestruzzi durabili in accordo alle vigenti normative di ispirazione europea (UNI EN 206), in quanto impenetrabili dagli agenti aggressivi (carbonatazione, corrosione indotta da cloruri, attacco solfatico, ecc.) per il basso rapporto a/c. Infatti un calcestruzzo fessurato diventa vulnerabile dalle aggressioni ambientali (Fig. 4) nonostante il basso rapporto a/c che garantisce sì una matrice cementizia di per sè impenetrabile, ma penalizata da fessure, attraverso le quali gli agenti aggressivi trovano una sorta di autostrada fino ai ferri di armatura.
Nella Fig. 5 è schematicamente illustrata la variazione dimensionale di un calcestruzzo con il superfluidificante geniale tipo PC-SRA (1.5 % sul cemento) e con l’aggiunta di agente espansivo (30 kg di CaO in sostituzione della sabbia) accanto ai tre calcestruzzi di pari R_ck (35 MPa) i cui ritiri sono già stati illustrati nella Fig. 2. E’ veramente straordinario il passaggio dal calcestruzzo non additivato con un ritiro di 800 µm/m a 6 mesi con UR del 50%, ai calcestruzzi additivati con ritiro ridotto (350 µm/m in presenza di un normale PC o 180 µm/m se si impiega il superfluidificante innovativo PC-SRA ) per arrivare finalmente ad un calcestruzzo SFC, cioè privo di ritiro grazie alla combinazione di calce e PC-SRA.

Fig. 4 - Corrosione dei ferri di armatura per carbonatazione prematura del copriferro in corrispondenza delle fessure indotte dal ritiro.

Fig. 5 - Comportamento del calcestruzzo senza ritiro (con PC+SRA+CaO) in confronto ai calcestruzzi tradizionali.

Conclusioni e previsioni

Le applicazione dell’ SFC sono ancora in fase di studio avanzato e riguardano:

• strutture in c.a. prive di giunti di contrazione nei pavimenti fino a 900 metri quadrati per interni e di 600 metri quadrati per esterni;
• gallerie dove il giunto di contrazione può arrivare a coincidere con quello di costruzione;
• strutture in faccia vista priva di fessure;
• strutture dotate di durabilità a lungo termine come si conviene ad opere di rilevante impegno sociale (MOSE, Ponte sullo Stretto di Messina, Ferrovia ad Alta Velocità, ecc.) in quanto confezionate con una matrice cementizia densa e compatta per il basso rapporto a/c, ma anche priva di fessurazioni per il geniale comportamento di additivi sempre più intelligenti.
  

BIBLIOGRAFIA

(1) D.Hanada, H. Sato, H. Yamamuro, T. Izumi and TMizumuma, “Developments of slump-loss controlling agent with minimal setting retardation”, Proceedings of the Seventh International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures, ACI SP 217, Berlin, pp. 127-142, 2003.

(2) T.Cerulli, P.Clemente, M.Decio, G.Ferrari, M.Gamba, D. Salvioni and F.Surico, “ A new superplasticizer for Early high- strength developments in cold climates”, Proceedings of the Seventh International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures, ACI SP 217, Berlin, pp. 127-142, 2003.

(3) N.S. Berke, L.Lì, M.C. Hicks and J. Bay, “Improvement of concrete performance with shrinkage-reducing admixtures”, Proceedings of the Seventh International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures, ACI SP 217, Berlin, pp. 37-50, 2003.

(4) M.Collepardi, A.Borsoi, S.Collepardi, G.Fazio e J.J. Ogoumah Olagot, “3-Self Concrete (3SC): la prossima sfida. Parte II. Calcestruzzi auto-stagionanti, auto-compressi ed auto-compattanti” Enco Journal N. 24, pp. 22-29, 2003.