IL RITIRO IGROMETRICO: CAUSE E CONSEGUENZE

Il calcestruzzo - a differenza di altri materiali come l’acciaio, il vetro, la ceramica, ecc - oltre a subire una contrazione di origine termica a seguito del raffreddamento ambientale, subisce anche una contrazione di origine igrometrica determinata dall’essicazione indotta da un ambiente insaturo di vapore (UR < 95%). Questa seconda contrazione - solitamente chiamata “ritiro” - risulta essere molto più pericolosa in quanto può raggiungere valori molto più elevati (fino a 500-1000m/m) che non le contrazioni legate alle variazioni termiche ambientali in servizio*.

* Non rientrano in questa categoria le contrazioni diferenziali che si instaurano in un getto massivo a seguito del gradiente termico tra nucleo più caldo e periferia più fredda.

La ragione per la quale il ritiro è molto temuto in una struttura in c.a. è dovuto al fatto che in realtà il calcestruzzo non è libero di contrarsi, ma risulta essere impedito dalla presenza di vincoli quali i ferri di armatura, gli attriti per il contatto con sottofondi, ed i collegamenti con altre strutture. Ne consegue che il ritiro (e), che si sarebbe verificato se la struttura fosse libera di muoversi, si trasforma in realtà in una sollecitazione a trazione (s_t) secondo l’ equazione [1]:

s_t = Ee [1]

dove E è il modulo elastico del calcestruzzo. In realtà la sollecitazione s_t può essere in parte mitigata dal rilassamento della tensione provocata dallo scorrimento viscoso a trazione (C):

st = E (e-C) [2]

Si può stabilire se la sollecitazione a trazione s_tè in grado o meno di fessurare il calcestruzzo se si conosce l’andamento nel tempo di s_t e di R_t (resistenza a trazione). In Fig. 1 sono mostrate tre situazioni in corrispondenza delle quali si verifica:

A) una mediocre stagionatura che favorisce lo sviluppo del ritiro e, e quindi l’instaurazione di una forte sollecitazione a trazione (s_t) che supera la resistenza a trazione R_t con conseguente fessurazione al tempo t₁;
B) una stagionatura umida iniziale (1-2 giorni) che ritarda lo sviluppo del ritiro e, e quindi della tensione di trazione s_t: la fessurazione viene ritardata al tempo t₂ > t₁;
C) una stagionatura umida così accurata e prolungata (almeno 7 giorni) da favorire un forte rallentamento iniziale nello sviluppo del ritiro e nell’insorgere della tensione s_t, al punto che la resistenza a trazione R_t - favorita invece dalla stagionatura umida - non viene più raggiunta dalla tensione di trazione s_t: in questo caso la fessurazione non avviene mai.

La situazione rappresentata dalla situazione C) in Fig. 1 è piuttosto rara perchè comporta una stagionatura umida prolungata durante il cui periodo cresce R_t mentre e e s_t rimangono nulli. La stagionatura umida, o quanto meno la protezione della superficie con teli o membrane anti-evaporanti, dovrebbe essere attuata immediatamente al momento della scasseratura soprattutto quando l’ambiente si presenta asciutto, caldo e ventilato. Nel caso dei pavimenti la situazione è ancora più grave perchè la superficie del calcestruzzo rimane subito e sempre in balia delle condizioni termo-igrometriche dell’ambiente, a meno che non venga immediatamente protetta nella fase di presa e/o bagnata subito dopo il suo indurimento.

	Fig. 1 - Andamento della sollecitazione a trazione (st) e della resistenza meccanica a trazione (Rt) in funzione del tempo.

Le fessure indotte dal ritiro igrometrico rappresentano un attentato alla durabilità delle opere in c.a. in quanto - nonostante il basso rapporto a/c adottato in conformità della norma UNI EN 206 - la presenza delle fessure consente agli agenti aggressivi ambientali di penetrare il calcestruzzo e di raggiungere eventualmente i ferri di armatura. Inoltre, nel caso dei pavimenti industriali, in corrispondenza delle fessure le sollecitazioni meccaniche dovute al transito di carrelli possono ulteriormente aggravare la situazione di degrado. Per eliminare le fessure indotte dal ritiro sono possibili due approcci:

• ridurre il ritiro e in modo che la curva della tensione di trazione s_t in funzione del tempo t non raggiunga mai la resistenza a trazione R_t come si verifica per il caso A di Fig.2;
• annullare il ritiro e in modo che la curva della tensione di trazione s_t in funzione del tempo t rimanga sempre adagiata sull’ascissa o addirittura risulti in posizione opposta a quella della sollecitazione di trazione, e cioè in condizione di una sollecitazione di compressione c estremamente favorevole ad una situazione di stabilità dimensionale (caso B di Fig 2): questa situazione è simile a quella che si instaura nel calcestruzzo precompresso caratterizzato, appunto, da una sollecitazione di compressione s_c nel calcestruzzo e di trazione s_t nei ferri di armatura.
  
  

CALCESTRUZZO CON RITIRO RIDOTTO

Esistono oggi materiali capaci di ridurre il ritiro anche in condizioni sfavorevoli di mancata stagionatura umida del calcestruzzo dopo la rimozione delle casseforme. Si tratta di additivi denominati SRA (Shrinkage-Reducing Admixtures) capaci di attenuare il ritiro igrometrico di circa il 50% nel periodo iniziale e di circa il 30% a tempi più lunghi (> 1 mese) come è schematicamente illustrato in Fig. 3.

In una versione più moderna, la molecola degli additivi SRA si presenta incorporata nella struttura degli additivi superfluidificanti di tipo policarbossilico capaci anch’essi di contribuire alla riduzione del ritiro grazie al loro effetto di riduzione dell’acqua di impasto per una data lavorabilità. Nel caso di questi superfluidificanti particolari, con la molecola di SRA incorporata nella struttura molecolare dei policarbossilati, come si verifica negli additivi della serie GiNIUS della GA General Admixtures, la molecola di SRA entra in azione gradulamente, rilasciata nella fase acquosa dagli additivi di tipo GiNIUS, con un’ulteriore riduzione del ritiro grazie a due distinti effetti benefici:

• trattengono l’umidità all’interno del calcestruzzo anche in ambienti insaturi di vapore (effetto anti-evaporante);
• riducono la tensione superficiale dell’acqua (effetto tensioattivo) che rimane nei pori capillari e fanno quindi diminuire la pressione capillare che spinge l’una verso l’altra le particelle di cemento idratato.
  

Volendo rinunciare alla stagionatura ideale, ed accontentandosi di una accettabile stagionatura, le pavimentazioni dovrebbero essere trattate con agenti stagionanti subito dopo la finitura superficiale o l’applicazione dello spolvero indurente. Tuttavia, nonostante i danni provocati nelle pavimentazioni soprattutto dal ritiro plastico, la stagionatura viene spesso disattesa anche per le pavimentazioni. Perchè ?

La Fig. 4 mostra schematicamente il comportamento del ritiro in:

• un calcestruzzo non additivato (control);
• un calcestruzzo con meno acqua di impasto a seguito dell’aggiunta di un superfluidificante acrilico policarbossilico capace di ridurre l’acqua di impasto (come per esempio gli additivi della serie PRiMIUM della GA);
• un calcestruzzo con superfluidificante di tipo GiNIUS che, oltre a ridurre l’acqua di impasto, agisce anche sulla riduzione del ritiro grazie all’effetto anti-evaporante ed a quello tensioattivo.
  

CALCESTRUZZO A RITIRO RIDOTTO PER PAVIMENTI SENZA RETE METALLICA

Una versione ulteriormente migliorata di calcestruzzo a ritiro ridotto prevede l’aggiunta di fibre polimerche (Fig. 5), tipo quelle FIBER-COLL della GA che, grazie al loro rapporto d’aspetto (lunghezza/diametro) molto elevato ed al comportamento post-fessurativo a trazione (Fig. 6), possono bloccare lo sviluppo delle eventuali micro-fessure iniziali. In queste condizioni (additivo tipo GiNIUS più fibre tipo FIBER-COLL) il rischio di una propagazione delle fessure è ridotto dalla presenza delle fibre che intercettano e bloccano le eventuali poche fessure appena formate. Questa strategia si sta rivelando particolarmente favorevole nel settore delle pavimentazioni industriali, dove l’impiego di calcestruzzo a ritiro ridotto e fibro-rinforzato ha portato a ridurre e perfino ad eliminare le armature metalliche con grandi vantaggi nella esecuzione pratica delle pavimentazioni.

IL CALCESTRUZZO A RITIRO NULLO

Il precursore del calcestruzzo a ritiro nullo (ShFC, Shrinkage-Free Concrete) è noto con il nome di calcestruzzo a ritiro compensato (ShCC, Shrinkage-Compensating Concrete). Tuttavia, nel settore delle nuove costruzioni questo calcestruzzo ha avuto uno scarso successo per la difficoltà operativa di dover bagnare con acqua la superficie del manufatto subito dopo la presa.
La difficoltà a realizzare questa operazione risiede nel fatto che la maggior parte dei manufatti - ad eccezione delle pavimentazioni industriali - non sono scasserabili e pertanto diventa impossibile bagnare con acqua la superficie del calcestruzzo subito dopo la presa. La necessità di bagnare risiede nel fatto che, nel calcestruzzo a ritiro compensato ShCC, è presente un agente chimico capace di provocare un’azione opposta al ritiro, cioè un’ azione espansiva. Se l’espansione si verifica dopo la presa, quando il calcestruzzo ha cominciato ad indurire e ad aderire ai ferri di armatura, si verifica un benefico effetto di co-azione che consiste nella messa in trazione delle armature metalliche ed in una compressione del calcestruzzo. Questo principio di funzionamento richiede però che il materiale venga costantemente bagnato in superficie durante l’espansione (Fig. 7A) nel periodo compreso tra la presa e il termine dell’espansione (da uno a sette giorni a seconda del particolare agente espansivo). Questa operazione è praticamente possibile solo nel caso di calcestruzzo per pavimenti industriali o di conglomerato spruzzato come per esempio si verifica nel restauro del calcestruzzo degradato riparato mediante applicazione a spruzzo di malte premiscelate a ritiro compensato. Anche in queste situazioni, dove la tecnologia dell’ShCC è potenzialmente applicabile, si sono talvolta verificati frustranti insuccessi (pavimenti fessurati e malte distaccate) per il mancato rispetto da parte dell’impresa a mantener bagnata la superficie tra il tempo di presa e la fine dell’espansione (Fig. 7B).
Con la nuova tecnologia del calcestruzzo a ritiro nullo ShFC, la bagnatura della superficie del calcestruzzo non è più necessaria nè subito dopo la presa, nè a tempi successivi. Questa novità rende agevole l’adozione di questa tecnologia per la possibilità di eliminare alla radice qualsiasi forma di ritiro nella quale si possa manifestare (ritiro plastico, ritiro autogeno e ritiro igrometrico). Il pricipio dell’ShFC risiede nella combinata applicazione dell’additivo SRA, del quale si è parlato nel precedente paragrafo, con un agente espansivo capace di esplicare l’espansione dopo la presa e prima della sformatura delle cassaforme (1-2 giorni). L’ossido di calcio, CaO, purchè cotto ad una temperatura di 1000°C e macinato in modo da avere un assortimento granulometrico tra 10 e 200 m, si presta molto bene a questa tempistica giacchè, reagendo con l’acqua di impasto, si trasforma in calce idrata, Ca(OH)₂ generando una espansione della matrice cementizia ormai indurita. Questa espansione, come si è già detto non può avvenire, se non in modo trascurabile, in assenza di una bagnatura. Essa si manifesta, invece, anche in assenza di qualsiasi stagionatura umida se la calce è accompagnata dalla presenza di SRA per il summenzionato effetto anti-evaporante. Inoltre, a seguito dell’effetto tensioattivo, il ritiro che segue l’espansione risulta fortemente ridotto con la conseguenza di lasciare il sistema acciaio-calcestruzzo in uno stato di permanente coazione favorevole all’assenza di ritiro nel calcestruzzo (Fig. 8).

La tecnologia del calcestruzzo a ritiro nullo anche in assenza di stagionatura raggiunge il massimo della prestazione se l’agente riduttore del ritiro SRA è incorporato nella molecola dell’additivo superfluidificante policarbossilico (PC) - come si verifica nell’additivo di tipo GiNIUS della GA - per la somma sinergica di tre effetti che partecipano alla eliminazione del ritiro:

• riduzione dell’acqua di impasto e riduzione del ritiro igrometrico;
• rilascio graduale della molecola di SRA da parte del polimero policarbossilico (PC/SRA) ed eliminazione del ritiro plastico, autogeno ed igrometrico per l’effetto tensioattivo;
• presenza dell’agente espansivo che, anche in assenza di stagionatura umida, provoca un’azione opposta a quella del ritiro igrometrico grazie all’effetto anti-evaporante della molecola di SRA.

CALCESTRUZZO A RITIRO NULLO PER COSTRUZIONI SENZA GIUNTI

Questa strategia si presenta particolarmente interessante in tutte le costruzioni (solai, gallerie, muri,pavimentazioni industriali) dove l’assenza di stagionatura umida al momento della sformatura è fonte di indesiderati problemi fessurativi provocati dal ritiro: normalmente per ovviare a questi difetti si provvede al taglio del manufatto per programmarne la fessurazione in corrispondenza dei cosiddetti giunti di contrazione. Con la tecnologia del calcestruzzo a ritiro nullo è possibile aumentare la distanza fra i giunti di contrazione senza ulteriori trattamenti stagionanti delle superfici scasserate almeno dopo 1 giorno dal getto. Inoltre, è possibile realizzare pavimentazioni industriali fino a 800-1000 metri quadrati senza giunti di contrazione, ma lasciando soltanto il giunto di costruzione al termine della giornata lavorativa per la ripresa della pavimentazione nei giorni successivi. L’unico accorgimento da adottare consiste nel proteggere con teli impermeabili, per almeno 1 giorno, la superficie del pavimento al termine dell’applicazione dello spolvero indurente: questa operazione è equivalente alla stagionatura che si realizza nelle strutture casserate e sformate ad 1 giorno.