COME LAVORARE IL CALCESTRUZZO IN CLIMA MOLTO FREDDO

Se la temperatura scende al di sotto di 0°C ed il calcestruzzo non ha ancora raggiunto un minimo di resistenza meccanica (almeno pari a 5 MPa), la formazione di ghiaccio, con il conseguente aumento di volume, può creare delle tensioni tali da danneggiare irrimediabilmente il materiale.

D’altra parte, nel periodo invernale, anche senza la formazione di ghiaccio subito dopo il getto, il calcestruzzo rimane esposto al rischio della gelata (finchè appunto non raggiunge una R_c di 5 MPa) per un tempo relativamente lungo a causa del rallentamento dello sviluppo di resistenza meccanica dovuto alle basse temperature.

Si pone allora il problema di stagionare il calcestruzzo ad una temperatura sufficientemente elevata (per esempio: 10°C), per un tempo sufficientemente lungo (per esempio: 7 giorni) affinchè il rischio della gelata sia rimosso. Come vedremo, la soluzione di questo problema può comportare un maggior costo rispetto ad una stagionatura in clima moderato. Sarà compito dell’impresa valutare se questo extra-costo è affrontabile rispetto all’alternativa di rinviare il getto ad un periodo climatico più favorevole. E’ ovvio che lavorando in aree con climi freddi per un lungo periodo dell’anno, l’alternativa del rinvio presenta meno probabilità di essere la soluzione economicamente più favorevole.

La soluzione del problema di lavorare in climi molto rigidi deve tener conto di tre aspetti tutti confluenti verso un’unica direzione: mantenere la temperatura del calcestruzzo al di sopra di quella ambientale; ciò che conta, infatti, ai fini del decorso nel tempo della resistenza meccanica, come anche del rischio causato dalla formazione del ghiaccio, non è la temperatura ambientale ma quella del calcestruzzo.

Per risolvere il problema occorre, in ordine cronologico:

1. riscaldare il calcestruzzo durante la miscelazione attraverso il riscaldamento dei suoi ingredienti (preferibilmente l’acqua)

2. calcolare il raffreddamento del calcestruzzo durante il trasporto

3. tener conto dell’inevitabile raffreddamento del calcestruzzo durante il getto dalla betoniera nel cassero

4. isolare termicamente il getto per mantenere la temperatura a 10°C riducendo al minimo la dissipazione del calore di idratazione sviluppato.

I punti 1 e 2 fanno parte delle responsabilità di chi produce il calcestruzzo; i punti 3 e 4 sono certamente sotto la responsabilità dell’impresa di costruzione: questa dovrà perciò inevitabilmente coordinarsi con il produttore di calcestruzzo, soprattutto se questo non appartiene all’impresa, fornendo precise disposizioni sulla temperatura che deve avere il calcestruzzo all’arrivo sul cantiere, oltre che sulle normali specifiche (R_ck, L, D_max, t_c).

La soluzione del problema avviene con la sequenza 4 →3 →2 →1, anzichè con quella cronologica 1 →2 →3 →4.

L’approccio alla soluzione del problema, salvo che per il punto 1 affrontabile con un semplice calcolo teorico, è prettamente sperimentale, data la complessità dei numerosi parametri ottenuti nelle prove di campo effettuate in passato soprattutto nei Paesi con climi molto rigidi.

1.1 Come isolare termicamente il getto per mantenere la temperatura del calcestruzzo a 10°C in climi invernali

Se il calcestruzzo dopo il getto ha una temperatura di 10°C, è possibile mantenere questo livello termico per un certo periodo di tempo anche se la temperatura dell’ambiente scende abbondantemente al di sotto di 0°C.

Occorre tener conto dei seguenti fattori:

- spessore minimo della struttura (s_m) ↑
- temperatura dell’ambiente (T_a’) ↑
- dosaggio di cemento (c) ↑
- resistenza termica (r_t) del cassero e della eventuale protezione aggiuntiva ↑

Le frecce indicano in che direzione occorre muoversi per ciascun fattore al fine di semplificare la soluzione del problema. Tuttavia, alcuni di questi parametri non sono governabili dall’impresa: sicuramente non lo è T_a’, ed in gran parte non lo è sm che dipende dal progetto della struttura.
Pertanto dopo aver ipotizzato conservativamente T_a’ e fissato s_m, si passa a calcolare i valori di c e di r_t necessari a garantire la soluzione del problema. La resistenza termica può essere governata mediante la scelta di un idoneo materiale isolante di adeguato spessore.

Nella Tabella che segue sono indicati i valori di resistenza termica specifica (r’_t), per diversi materiali, riferita a 1 cm di spessore.

La soluzione al problema dell’isolamento termico del getto può avere come scopo o quello di salvaguardare il calcestruzzo dal rischio della prima gelata o quello di raggiungere un minimo di resistenza meccanica (pari a circa l’80% di quella conseguibile a 20°C) in modo che la struttura possa essere sottoposta ai carichi che solitamente nascono dalle esigenze esecutive del cantiere: nel primo caso sono sufficienti 3 giorni di stagionatura a 10°C; nel secondo caso ne occorrono 7.

A seconda del tempo di stagionatura richiesto (3 o 7 giorni) ed a seconda del tipo di struttura (opere fuori terra o poggiate su terreno), nelle Figure dei moduli che seguono vengono riportati i valori di r_t in funzione di T_a’, s_m e c. In effetti mentre T_a’ è un dato non governabile ma solo ipotizzabile, s_m, dipende dal progetto della struttura , il valore di c, pur essendo anch’esso determinato dal mix-design, può essere aumentato per favorire lo sviluppo di un maggior calore, purchè non esistano limitazioni per il ritiro o il creep della struttura.

Nella Figura di seguito riportata è illustrato come utilizzare le Figure dei moduli seguenti: se per esempio si deve stagionare per 3 giorni un muro di sostegno in calcestruzzo con uno spessore minimo di 50 cm per il quale dal mix-design è stato calcolato un valore di c pari a 300 kg/m³, nella ipotesi che la minima temperatura ambientale (T_a’) sia –3°C, il valore di r_t richiesto per soddisfare tutte le suddette esigenze è di 0.35 m² · °C · W^-1.

Pertanto, supposto che si disponga di casseri in legno spessi 2 cm, (pari ad un r_t di 0.088 · 2 = 0.176 m² · °C · W^-1), occorre prevedere un isolamento termico aggiuntivo così calcolabile:

0.35-0.176 = 0.174 = r’_t · x

dove r’_t ed x sono rispettivamente la resistenza termica specifica e lo spessore del materiale isolante che si intende sovrapporre al cassero di legno. Scegliendo, per esempio, il polistirolo espanso (r’_t = 0.347) occorre utilizzare dei fogli di spessore pari a:

1.1.1 Calcolo della resistenza termica dei casseri (r_t) per opere fuori terra: stagionatura a 10°C per 3 giorni

Nelle Figure che seguono sono riportati i valori delle resistenze termiche del cassero necessari a mantenere un’opera fuori terra in calcestruzzo alla temperatura di 10°C per 3 giorni, in funzione del dosaggio di cemento (c), dello spessore minimo della struttura (s_m) e della temperatura ambientale (T_a’). L’utilizzazione dei grafici sotto riportati è illustrata nel paragrafo 1.1.

1.1.2 Calcolo della resistenza termica dei casseri (r_t) per opere fuori terra: stagionatura a 10°C per 7 giorni

Nelle Figure che seguono sono riportati i valori delle resistenze termiche del cassero (r_t) necessari a mantenere un’opera fuori terra, alla temperatura di 10°C per 7 giorni, in funzione del dosaggio di cemento (c), dello spessore minimo della struttura (s_m) e della temperatura ambientale (T_a’). L’utilizzazione dei grafici sotto riportati è illustrata nel paragrafo 1.1.

1.1.3 Calcolo della resistenza termica dei casseri (r_t) per opere poggiate sul terreno: stagionatura a 10°C per 3 giorni

Nelle Figure che seguono sono riportati i valori delle resistenze termiche del cassero (r_t) necessari a mantenere un’opera poggiata sul terreno, alla temperatura di 10°C per 3 giorni, in funzione del dosaggio di cemento (c), dello spessore minimo della struttura (s_m) e della temperatura ambientale (T_a’). L’utilizzazione dei grafici sotto riportati è illustrata nel paragrafo 1.1.

1.1.4 Calcolo della resistenza termica dei casseri (r_t) per opere poggiate sul terreno: stagionatura a 10°C per 7 giorni

Nelle Figure che seguono sono riportati i valori delle resistenze termiche del cassero (r_t) necessari a mantenere un’opera poggiata sul terreno, alla temperatura di 10°C per 7 giorni, in funzione del dosaggio di cemento (c), dello spessore minimo della struttura (s_m) e della temperatura ambientale (T_a’). L’utilizzazione dei grafici sotto riportati è illustrata nel paragrafo 1.1.

1.1.5 Raccomandazioni sul tipo di cemento e di additivo per calcestruzzi in climi freddi

Per quanto riguarda il valore di c che appare nelle Figure dei 4 moduli precedenti occorre precisare che:

- il valore di c è quello determinato dal calcolo del mix-design con il vincolo aggiuntivo che il tipo di cemento deve essere II A/L 42.5 R, in quanto i cementi 32.5 e 32.5 R sono inadeguati sia per il basso calore di idratazione sviluppato, sia per il lento decorso della R_c in climi freddi;

- qualora per ragioni di durabilità si debba prevedere l’impiego di un CEM III A o CEM IV A (tutti più “freddi” e/o più lenti del II A/L 42.5 R) è necessario prevedere anche un additivo accelerante di indurimento: il tipo ed il dosaggio di questo additivo dovranno essere tali che la Rcm1 del calcestruzzo con cemento d’altoforno o pozzolanico più additivo, eguagli quella del corrispondente calcestruzzo con II A/L 42.5 R a pari a/c;

- qualora si intenda adoperare il CEM I 52.5 R, il valore di c calcolato dal mix-design risulta più cautelativo che non quello relativo al II A/L 42.5 R ai fini della determinazione di r_t;

- può essere economicamente conveniente aumentare il dosaggio di cemento (per esempio: da 240 a 300 o 350 kg/m³) piuttosto che aumentare r_t e quindi lo spessore di materiale termoisolante; in tal caso la R_ck e le altre caratteristiche vanno ricalcolate sulla base del nuovo valore di c; è da tenere comunque presente che l’aumento potrebbe non essere compatibile con la prescrizione per esempio di un basso ritiro o di un basso creep;

- in alternativa all’aumento di c preso in considerazione nel punto precedente si può valutare l’opportunità di impiegare un additivo accelerante con prestazioni equivalenti a quelle conseguite con l’aumento di c: in tal caso non verrebbero modificate le proprietà dipendenti da a/c, i/c e c (R_ck, S, C).

1.2 Come tener conto del raffreddamento del calcestruzzo durante il getto dalla betoniera nel cassero

Una volta che si sia stabilito il valore di r_t necessario alla conservazione della temperatura del calcestruzzo a valori di almeno 10°C, nelle condizioni ambientali (T_a’) e di progetto, è necessario che il calcestruzzo al momento del getto abbia una temperatura T_cls/g > 10°C per ovviare al raffreddamento che inevitabilmente avviene durante il getto: la differenza T_cls/g –10°C dovrà essere tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura ambientale T_a’, e quanto più sottile è lo spessore minimo (s_m) della struttura. Per esempio, se T_a’ è pari a –10°C è necessario che T_cls/g risulti almeno di 16°C per una struttura con sm minore di 90 cm.

I valori di T_cls/g richiesti in funzione di T_a’ ed sm sono riportati nella Tabella di questo paragrafo.

1.3 Come calcolare il raffreddamento del calcestruzzo durante il trasporto

Una volta stabilito il valore di T_cls/g, è necessario tener conto che durante il trasporto la temperatura del calcestruzzo diminuisce, e la diminuzione ΔT - tra la temperatura del calcestruzzo prima del trasporto (T_cls/m) e quella al momento del getto (T_cls/g) - è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura dell’ambiente (T_a’):

ΔT = T_cls/m - T_cls/g = K_b(T_cls/g - T_a’)

dove K_b è la diminuzione ΔT in 1 ora di trasporto quando la differenza tra T_cls/g e T_a’ è di 1°C. Il valore di K_b è di 0.25 per le normali autobetoniere con calcestruzzo agitato durante il trasporto, e di 0.20 se il calcestruzzo viene trasportato senza agitazione.
Noto ΔT, si può calcolare la T_cls/m, cioè la temperatura del calcestruzzo subito dopo la miscelazione nella centrale di betonaggio:

T_cls/m = ΔT + T_cls/g

Esempio: la temperatura ambientale T_a’ al momento del getto è ipotizzata essere –5°C; per la temperatura del calcestruzzo al momento del getto è richiesto T_cls = 15°C. Si prevede che il trasporto dalla centrale di betonaggio al cantiere richieda 60’ con agitazione del calcestruzzo (K_b = 0.25). Si calcoli quale deve essere la temperatura del calcestruzzo subito dopo la miscelazione T_cls/m:

T_cls/m = ΔT + T_cls/g = 0.25 ∙ [15-(-5)] + 15 = 20°C

1.4 Come riscaldare il calcestruzzo durante la miscelazione

Se la temperatura richiesta per il calcestruzzo al momento della miscelazione è superiore ai valori delle temperature dei singoli ingredienti (T_a, T_c, T_s, T_G), è necessario riscaldare uno o più di questi ultimi ad una temperatura maggiore di T_cls per far sì che la temperatura finale della miscela risulti appunto T_cls. Il riscaldamento cui sottoporre il singolo ingrediente sarà tanto maggiore quanto maggiore è la differenza tra T_cls e la temperatura dei singoli ingredienti.

In generale si può ricorrere al riscaldamento dell’acqua, della sabbia e dell’inerte grosso, mentre è assolutamente da sconsigliare qualsiasi trattamento termico del cemento per non correre il rischio di innescare la falsa presa del cemento a seguito della disidratazione del gesso nel cemento stesso.

In pratica, laddove è possibile, ci si limita a riscaldare l’acqua perchè l’operazione è molto più semplice ed efficiente che non il riscaldamento degli inerti. In effetti il calore introdotto nel calcestruzzo attraverso il riscaldamento dell’acqua è limitato dal quantitativo relativamente modesto dell’acqua di impasto rispetto ai quantitativi ben più consistenti degli inerti. Tuttavia, occorre tener conto che l’acqua, con il suo calore specifico che è 5 volte più grande di quello degli inerti (4.18 contro 0.9 kJ·kg-1·°C-1), costituisce un eccellente serbatoio termico da cui trasferire il calore agli altri ingredienti.

In pratica è raccomandabile, per evitare una presa rapida del cemento, introdurre prima gli inerti freddi con l’acqua riscaldata, e solo dopo il cemento.
Per calcolare la temperatura T_ab dell’acqua introdotta in betoniera si può impiegare l’equazione:

Tenendo presente che una parte dell’acqua, oltre a quella introdotta nella betoniera (a_b), viene immessa nel calcestruzzo come umidità negli inerti ovviamente alla temperatura degli inerti, è opportuno, per trarre il maggior vantaggio dal riscaldamento dell’acqua, utilizzare inerti asciutti e quindi protetti dalle condense e dalle piogge.