INTRODUZIONE

Il controllo e la verifica dell’accettabilità delle materie prime nella produzione del calcestruzzo industrializzato, in ottemperanza alle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC) emanate in conformità al DM del 14 Settembre 2005, deve avvenire in accordo con le Linee Guida (LLGG) del Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore del Lavori Pubblici.

Nel paragrafo 7.2 delle summenzionate LLGG è indicata la frequenza con cui le verifiche devono essere eseguite su tutte le materie prime del calcestruzzo industrializzato; in assenza di questi controlli non è possibile ottenere la certificazione FPC (Factory Process Control) rilasciata da un Organismo Ispettivo, terzo ed indipendente oltre che autorizzato dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici. Conseguentemente il Direttore dei Lavori, in assenza di questa certificazione, non deve autorizzare il getto del calcestruzzo per strutture in calcestruzzo armato (CA) e calcestruzzo armato precompresso (CAP).

Quasi tutti i controlli consistono nella verifica dei documenti di consegna e nell’accertamento della marcatura CE e dei documenti di consegna. Tuttavia questi controlli, benché necessari, non sono sufficienti per garantire un’effettiva costanza composizionale delle materie prime. Si pensi all’aggregato, ad esempio: la documentazione suddetta relativa alla marcatura CE rappresenta spesso solo le prove iniziali (ITT) a seguito delle quali il controllo di produzione di fabbrica, parte integrante della marcatura CE, prevede una ripetizione delle prove con cadenza variabile (valutazione delle particelle fini frequenza settimanale, determinazione della forma dei granuli frequenza mensile, massa volumica e assorbimento d’acqua frequenza annuale, impurezze organiche leggere frequenza semestrale). Spesso tale verifica periodica non compare nella “carta d’identità” del materiale quindi quest’ultimo, pur essendo marcato CE in quanto possiede le prove ITT, è manchevole dei risultati delle prove periodiche di aggiornamento.

Esistono controlli più specifici e soprattutto più agili, in funzione dei sempre ristrettissimi tempi dell’imprenditoria edile, per garantire la costanza della composizione delle materie prime? Ed ancora: la verifica che queste posseggano effettivamente il marchio CE può garantire, come si richiede per un calcestruzzo industrializzato, una costanza di prestazione del prodotto finito? La risposta a questi quesiti è:

- sì, esistono controlli specifici e rapidi per accertare la costanza di qualità nelle caratteristiche delle materie prime che arrivano sull’impianto produttivo, attraverso il monitoraggio della presenza e della variazione quantitativa dei composti inorganici cristallini in esse contenuti;

- no, la marcatura CE non garantisce che in tutte le forniture non esistano variazioni, talvolta anche significative, delle caratteristiche delle materie prime.

In sostanza, la marcatura CE si basa su prove iniziali di caratterizzazione dei prodotti che vengono periodicamente verificate con frequenze diverse per ogni tipologia di prova in modo tale che tra un controllo di una fornitura e l’altra non si verifichino variazioni sostanziali nelle caratteristiche del prodotto. Tuttavia, sebbene la marcatura CE rappresenti statisticamente un notevole progresso, rispetto al passato, essa non può fornire una puntuale garanzia di identità qualitativa e quantitativa delle materie prime per ogni specifica fornitura, pur potendone garantire la qualità in senso lato.


CONTROLLO RAPIDO E PUNTUALE DI OGNI FORNITURA

Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere una tecnica strumentale nota come diffrazione dei raggi X (XRD) per il controllo rapido e puntuale delle caratteristiche per ogni fornitura di ciascuna materia prima solida inorganica cristallina per la produzione di un calcestruzzo industrializzato.

Di seguito sono descritte le modalità per utilizzare questa tecnica strumentale nell’accertamento delle caratteristiche di ogni fornitura di cemento e di aggregati. La stessa tecnica può essere altrettanto vantaggiosamente adottata per caratterizzare rapidamente ogni fornitura di cenere volante, loppa d’altoforno macinata, filler calcareo.

Val la pena di evidenziare che, sebbene questa strumentazione non sia disponibile in ogni centrale di betonaggio, tuttavia essa è presente in molti dei laboratori sperimentali delle facoltà di chimica, fisica, mineralogia, ingegneria o in laboratori privati di ricerca sui materiali da costruzione. Con questa tecnica strumentale è possibile ricevere risposte sulle caratteristiche delle materie prime a costi più che ragionevoli (da 100 a 200 Euro) e in tempi piuttosto brevi. Questo tipo di accertamento diventa molto utile quando, in caso di contestazione nei confronti di un fornitore di materia prima, il produttore di calcestruzzo può dimostrare, in modo inoppugnabile, la variazione qualitativa che si è verificata nella fornitura oggetto della contestazione rispetto alle forniture precedenti.

L'IMPRONTA DIGITALE DEI SOLIDI CON LA TECNICA XRD

L’utilizzazione della tecnica XRD consente di registrare una sorta di impronta digitale tipica di ogni sostanza solida cristallina presente in un cemento, in una tipologia di aggregato o in un’aggiunta minerale.

Nel caso della XRD, un fascio di raggi X colpisce il solido ridotto in polvere e pressato in forma di una pasticca alloggiata in un portacampione. I raggi X che vengono riflessi (più precisamente “diffratti”) sono inviati ad un sensore che registra l’intensità della radiazione ricevuta in funzione dell’angolo di incidenza tra il fascio dei raggi X e la superficie del campione in polvere pressato. Si fa variare progressivamente, a velocità costante, l’angolo di incidenza dei raggi da 5° a 60° e, mediante un goniometro, si registrano gli angoli in corrispondenza dei quali il sensore mostra un segnale di intensità (I) più o meno forte, sotto forma di picchi più o meno alti. Il risultato è un diagramma, detto “diffrattogramma” o spettro XRD, dove sono riportati in ordinata le intensità (I) in colpi/secondo dei raggi X diffratti e sull’ascissa l’angolo di emissione dei raggi.

Il diffrattogramma XRD è tipico di ogni composto solido cristallino e non esistono due cristalli diversi che abbiano lo stesso diffrattogramma, così come non esistono due uomini con la stessa impronta digitale. I diffrattogrammi di tutti i minerali solidi cristallini sono archiviati in una banca dati, come se tutte le persone venissero schedate attraverso la loro inconfondibile impronta digitale.

La Fig. 1 mostra il diffrattogramma del cloruro di sodio (A) e del carbonato di calcio (Calcite) (B); si può notare che i due composti presentano picchi di diffrazione diversi per la loro posizione sulla scala degli angoli e per la loro intensità. L’impronta digitale del cloruro di sodio è ben diversa da quella della Calcite!

Sulla stessa Fig. 1 è mostrato un diffrattogramma (C) che si riferisce ad una miscela dei due suddetti composti attraverso la registrazione contemporanea dei picchi sia del cloruro di sodio che del carbonato di calcio. L’interpretazione del diffrattogramma (C) della miscela è possibile solo grazie alla conoscenza dei diffrattogrammi, (delle impronte digitali!) dei composti puri del cloruro (A) e del carbonato (B).

Purtroppo però quasi mai ci si trova ad analizzare un composto puro o costituito da due soli minerali; in realtà il riconoscimento dei vari composti presenti in una miscela avviene attraverso un confronto tra “l’impronta digitale” della miscela registrata sperimentalmente e quella di tutti i prodotti la cui impronta digitale è già presente nella banca dati. Tali operazioni di confronto sono attualmente rese estremamente veloci grazie all’ausilio delle tecnologia informatica che mette a disposizione banche dati estremamente complete e software che rendono molto veloce la ricerca dei singoli minerali. C’è da dire però, ad onor del vero, che una parte fondamentale dell’indagine è svolta da un operatore che abbia buona esperienza nell’analisi delle materie prime del calcestruzzo: sebbene sia vero che le impronte digitali sono caratteristiche di ciascun minerale è pur vero che in una miscela complessa la disponibilità di una banca dati, seppur vastissima, sarebbe un mezzo inutile in mano ad un operatore, pur competente in diffrazione, ma poco esperto nello studio dei calcestruzzi.

Nel caso del cemento si può accertare la presenza dei quattro componenti mineralogici presenti nel cemento Portland (noti come C₃S, C₂S, C₃A e C₄AF), il solfato di calcio che funge da regolatore della presa (presente in forma di gesso bi-idrato, semi-idrato e anidro) ed eventuali componenti presenti nei cementi di miscela come per esempio il calcare.

LA TECNICA XRD APPLICATA AL CONTROLLO DELLA COSTANZA DI QUALITA' DELLE FORNITURE DI CEMENTO

A titolo di esempio si riporta un tipico controllo diffrattometrico che si svolge su diverse forniture di cemento anidro.

Nella Fig. 2 sono riportati i diffrattogrammi di una fornitura di cemento (C) che presenta alcune anomalie (perdita di lavorabilità più accentuata) rispetto a due precedenti forniture A e B. I diffrattogrammi delle forniture di cemento A e B, entrambe con una lavorabilità che si protrae per un tempo accettabile nei corrispondenti calcestruzzi freschi, sono tra loro molto simili al punto che i due diffrattogrammi sono quasi sovrapponibili. Essi però si differenziano significativamente dal diffrattogramma della fornitura di cemento C, il cui corrispondente calcestruzzo presenta una maggiore perdita di lavorabilità durante il trasporto dall’impianto al cantiere, con conseguente necessità di ri-aggiunte d’acqua sul cantiere e possibili contestazioni da parte dell’impresa per la minore resistenza del calcestruzzo. Il diffrattogramma della fornitura di cemento C, se registrato immediatamente alla consegna nella centrale di betonaggio, consente di aprire una non-conformità della materia prima cemento, di prendere immediatamente adeguate misure per gestire la non-conformità del calcestruzzo (variazione nel dosaggio di additivo, cambio nel tipo di additivo, oppure blocco nell’impiego della fornitura C, ecc.), di dimostrare al produttore del cemento la significativa variazione nella qualità dell’ultima fornitura (C) il cui diffrattogramma presenta rispetto a quelli delle due precedenti forniture (A e B) la mancanza dei picchi del gesso contraddistinti dal simbolo G. Insomma si è trattato nel caso specifico di una fornitura di cemento impropria, comunque diversa dalle precedenti, e documentabile in modo inoppugnabile dalla diversa “impronta digitale” del cemento della fornitura C rispetto a quelle precedenti.

CONCLUSIONI

L’impiego della diffrazione dei raggi X, nota come XRD, consente in tempi relativamente brevi di verificare che il cemento o l’aggregato di nuova fornitura siano conformi o meno alle precedenti forniture. In caso di difformità occorre aprire una pratica di non-conformità della materia prima che si traduce, generalmente, in qualche variazione del processo di certificazione del calcestruzzo nell’ambito del controllo del processo di produzione (FPC).

Questa variazione, ad esempio nel caso di diverse caratteristiche del cemento appena consegnato, può consistere comunque nell’utilizzo del cemento non-conforme, purché si adotti qualche modifica nella composizione del calcestruzzo (per esempio: aumento del dosaggio di additivo o cambio del tipo di additivo). Nel caso in cui la gestione della non-conformità si presenti di difficile soluzione, si può arrivare fino al blocco dell’impiego del cemento difforme, per non incorrere in variazioni inaccettabili per le prestazioni che ci si attende dal calcestruzzo.

La variazione di composizione mineralogica di un aggregato, rispetto alle precedenti forniture valutate accettabili per l’assenza di sostanze pericolose, non necessariamente comporta una variazione delle prestazioni a breve-medio termine del calcestruzzo (lavorabilità e resistenza caratteristica), purché il materiale lapideo presenti la stessa distribuzione granulometrica delle precedenti forniture. Tuttavia rimane un grosso interrogativo sulla gestione della non-conformità di questo aggregato in relazione al comportamento a medio-lungo termine, soprattutto per il rischio di una possibile reazione alcali-aggregato che deve essere assolutamente esclusa prima di impiegare questo aggregato nella produzione del calcestruzzo industriale attraverso test petrografici e chimico-fisici.