Introduzione : la segregazione dell’SCC

La produzione del calcestruzzo autocompattante (SCC) ricco in parti fini ed in superfluidificante si contraddistingue da quella di un calcestruzzo superfluido (slump > 210 mm) per una maggiore fluidità (slump flow > 600 mm) senza che venga però compromessa la stabilità del materiale nello stato fresco, senza cioè che si verifichi la raccolta di acqua sulla sommità del getto (bleeding) accompagnata da una sedimentazione degli aggregati più grossi verso il fondo del getto. L’insieme di questi due fenomeni, che prende il nome di segregazione, rappresenta la maggiore difficoltà alla produzione dell’SCC su scala industriale rispetto a quella di laboratorio dove tutti i parametri che influiscono su questo problema - in particolare la granulometria delle polveri e l’umidità degli aggregati - sono ovviamente ben controllati e mantenuti costanti.
Nella pratica del processo produttivo, invece, la variazione di umidità della sabbia e dell’inerte grosso è la regola più che l’eccezione perché i materiali lapidei sono esposti alla variazione delle condizioni climatiche. Un aumento anche modesto dell’umidità degli aggregati, rispetto a quella sperimentata in laboratorio, comporta un forte rischio di segregazione. D’altra parte, una riduzione della parte fine della sabbia provoca anch’essa un maggior rischio di segregazione. Un ulteriore causa di segregazione può essere determinata da un eccesso anche lieve di additivo superfluidificante.
Perché temere la segregazione nell’SCC
La segregazione è assolutamente da evitare in generale per la mancata uniformità della composizione del calcestruzzo (diversi rapporti acqua/cemento, a/c, ed inerte/cemento, i/c) con conseguenti variazioni in situ della resistenza meccanica, del modulo elastico, del ritiro, del comportamento viscoso e talvolta anche dell’aspetto nella struttura appena sformata (Fig. 1). In particolare, nel caso dell’SCC la segregazione è ancora più temibile perché blocca il processo produttivo durante il pompaggio, nella caduta libera lungo uno scivolo, ecc.. Inoltre, in un calcestruzzo segregabile la pasta cementizia fluida, che funge da fluido trasportatore, viene sospinta in avanti e gli aggregati grossi che rimangono indietro collidono tra loro provocando l’arresto del conglomerato dove maggiore è la congestione delle armature metalliche (Fig. 2).

La “polvere fine” per ridurre la segregazione

Per ovviare a questo tipo di inconvenienti si deve impiegare un sistema cementizio molto ricco di “polvere fine” come il cemento, arrivando ad un volume compreso tra 170 e 200 L/m³: si è trovato sperimentalmente che se si supera il volume di 200 L/m³ il calcestruzzo diventa troppo “colloso” e presenta difficoltà di pompaggio; se, invece, il volume della “povere fine” scende al di sotto di 170 L/m³ aumenta, appunto, il rischio di segregazione. Se le parti fini fossero tutte di cemento, il volume minimo di 170 L/m³ espresso in dosaggio di cemento (che ha un peso specifico di 3,1 kg/L) corrisponderebbe a oltre 525 kg/m³, un dosaggio quasi sempre proibitivo per strutture di spessore superiore a 30 cm per i problemi di eccessivo calore di idratazione, e quindi di gradienti termici tra nucleo e periferia con conseguenti elevate probabilità di fessurazione. Né si può ignorare il rischio di fessurazione indotta dal ritiro igrometrico e da quello autogeno provocati anch’essi da un eccessivo dosaggio di cemento ed in particolare da un basso rapporto i/c.
Naturalmente questi rischi diventano ancora maggiori se il volume dei fini si sposta da 170 L/m³ verso il valore massimo di 200 L/m³. Per questi motivi il volume di parti fini deve essere solo in parte costituito da cemento (diciamo non più di 400 kg/m³, preferibilmente 350 kg/m³ e comunque in accordo al rapporto a/c prescelto in base ai criteri di resistenza caratteristica o di durabilità); il resto della “polvere fine” deve essere costituito soprattutto da filler calcareo o da cenere volante o da fumo di silice o anche di sabbia ricca in materiale fine (< 125 µm). Una “polvere fine” costituita da 350 kg/m³ di cemento e 200 kg/m³ di filler calcareo (con peso specifico di 2,7 kg/m³) rappresenta un tipico mix da SCC con un volume di “polvere fine” pari a: 350/3,1 + 200/2,7 = 113 +74= 187 L/m³, compreso quindi entro l’intervallo raccomandato di 170-200 L/m³. Nella Tabella 1 è mostrata la composizione completa di un SCC, con questi contenuti di cemento e filler calcareo, e le caratteristiche reologiche del conglomerato (slump flow = 650 mm; segregazione assente).
Con questo accorgimento diventa possibile produrre SCC privi di segregazione purché il rapporto in volume tra acqua di impasto (a) e “polvere fine” (V_f) sia circa pari a 1 e rimanga comunque entro l’intervallo di 0,85-1,20: con rapporti di a/V_f al di sotto di 0,85 diventa difficoltoso pompare e trasportare l’SCC in quanto diventa troppo “colloso”; con rapporto di a/V_f oltre 1,20 aumenta nuovamente il rischio di segregazione. Questo rischio, che è ovviamente nullo quando si lavora in condizioni controllate di laboratorio, diventa invece altissimo nella produzione su scala industriale per la esposizione degli aggregati alle oscillazioni delle condizioni atmosferiche e del contenuto di umidità introdotte nel calcestruzzo attraverso gli inerti.


La “polvere fine” ed un pò di VMA per prevenire la segregazione

La soluzione al problema della segregazione e quindi il decollo su scala industriale del processo produttivo dell’SCC sono avvenuti con la scoperta dei cosiddetti agenti modificatori di viscosità (VMA in inglese, da Viscosity Modifying Agents). Questi additivi consistono sostanzialmente in prodotti capaci di far aumentare la viscosità della pasta cementizia grazie alla dissoluzione nella fase acquosa di sostanze viscosizzanti come la cellulosa, l’amido, o i biopolimeri poliglucosidici come il Welan, noto anche come Welan Gum. L’aggiunta di VMA (circa 0,6% sul peso del cemento, pari a circa 2kg/m³ di calcestruzzo), in forma di additivo liquido predisciolto in acqua o in altri solventi adatti a mantenere il prodotto in fase liquida facilmente dosabile, comporta sostanzialmente una maggiore stabilità del sistema contro gli inevitabili aumenti di umidità degli inerti nella stagione piovosa e/o di riduzione nella finezza della “polvere fine”.
In sostanza, la combinazione di un adeguato volume di “polvere fine” (170-200 L/m³) con un pò di additivo VMA (circa 0,5%), è capace di migliorare la coesione della matrice cementizia, e rende il sistema SCC meno sensibile alle inevitabili oscillazioni igrometriche e granulometriche di un materiale come l’inerte del calcestruzzo preconfezionato prodotto in grossi quantitativi su scala industriale. Nella Tabella 2 sono mostrate comparativamente due composizioni di SCC :

- la prima, con solo “polvere fine” già mostrata in Tabella 1, è sensibile alle variazioni di umidità e di granulometria della “polvere fine”;
- la seconda composizione di SCC contiene “polvere fine” (187 L/m³) ed additivo VMA (2 L/m³), e risulta molto meno sensibile alle inevitabili variazioni di umidità degli inerti e di granulometria della “polvere fine”.

Questo approccio alla soluzione dei vari problemi che possono mettere a repentaglio una produzione continua e di successo dell’SCC ha comportato alcune complicazioni sull’impianto di betonaggio che possono essere così riassunte :

i) installazione di almeno un silo addizionale rispetto ad un impianto tradizionale per lo stoccaggio di uno o più filler quindi per il diverso contributo al volume della “polvere fine”; per esempio 100 kg di filler calcareo corrispondono a 37 litri, mentre 100 kg di cenere volante corrispondoino a oltre 45 litri;

ii) controllo della granulometria del filler e della sabbia per evitare che variazioni eccessive di questi parametri possano provocare la segregazione;

iii) controllo in tempo reale dell’ umidità degli aggregati, e della sabbia in particolare, per evitare che introduzioni surrettizie di una eccesssiva umidità degli aggregati bagnati comporti un eccessivo aumento nel rapporto a/Vf e quindi un maggior rischio di segregazione nonostante la presenza di VMA;

iv) installazione di un dosatore addizionale per l’additivo liquido VMA oltre a quello, anch’esso indispensabile, di additivo superfluidificante.

Tutte queste complicazioni del processo produttivo costituiscono un ostacolo allo sviluppo dell’SCC sugli impianti di calcestruzzo preconfezionato soprattutto in quelli dove si deve iniziare la produzione di SCC. D’altra parte, esiste anche il rischio che qualche insuccesso iniziale presso il cantiere di costruzione, a seguito di questi fenomeni di segregazione, comporti una sorta di definitiva sfiducia da parte degli utenti (imprese) e dei prescrittori (progettisti).

SCC con “acqua viscosa” che agisce da “filler liquido”

La soluzione al problema della segregazione dell’SCC, che ne semplifica la produzione su scala industriale, è rappresentata dalla sostituzione della normale acqua di impasto con una acqua speciale, così viscosa da ostacolare la sedimentazione degli aggregati grossi a seguito del maggior impedimento al loro movimentazione in accordo alla nota legge di Stokes (Fig. 3):

V_s = [ (D_s - D_f) . r² . g ] / h [1]

dove: V_s è la velocità di sedimentazione di una sfera con raggio r e densità D_s in un fluido con densità D_f e viscosità . In base all’equazione [1], una maggiore viscosità (h) del fluido comporta una minore velocità di sedimentazione (V_s) delle particelle solide di raggio r. D’altra parte, la maggiore viscosità della fase acquosa presente nell’SCC comporta anche un ostacolo alla risalita dell’acqua, e quindi del bleeding: si consegue, quindi, un ulteriore elemento in favore di una segregazione nulla o comunque trascurabile.
Come raggiungere questa situazione dell’ “acqua viscosa” con un valore di molto maggiore di quella di una normale acqua di impasto? Si può impiegare un dosaggio di VMA molto maggiore di quello usualmente adottato in combinazione con un adeguato volume di “polvere fine” (170-200 L/m³). La colonna C della Tabella 3 mostra che un dosaggio di 1,8% sul cemento pari a circa 7 kg/m3 di additivo VMA consente di fare a meno di qualsiasi filler e di ottenere un SCC non segregabile anche con un dosaggio di cemento di 400 kg/m³ e quindi con un volume di “polvere fine” (V_f) che arriva appena a 400/3,1 = 129 L/m³. In sostanza, una concentrazione circa tre volte maggiore dell’additivo VMA (7 contro 2 Kg/m³) consente di ottenere un calcestruzzo più resistente alla segregazione che non l’SCC senza VMA (composizione A in Tabella 3), o l’SCC contenente “polvere fine” (187 L/m³) ed additivo VMA in misura di 2 kg/m³ (composizione B in Tabella 3).

CONCLUSIONI

L’impiego di un dosaggio “generoso” di agente viscosizzante (circa 7 L/m³) consente di fare a meno del filler in polvere: è come se invece di acqua normale si impiegasse un’acqua viscosa”. Questa tecnologia per produrre SCC senza dover aggiungere anche filler in polvere (composizione C della Tabella 3) presenta alcuni vantaggi:

I) eliminazione del silo del filler della “polvere fine” sull’impianto di betonaggio;
II) affidabilità del sistema nella completa eliminazione della segregazione anche in presenza di solo cemento;
III) possibilità di produrre in modo discontinuo l’SCC senza dover investire nel silo del filler e del suo stoccaggio quando non si produce l’SCC.