1. INTRODUZIONE

L’attuale governo ha ripreso in considerazione la costruzione del Ponte sullo Stretto di Messina. In questo articolo vengono presentate alcune problematiche riguardanti il calcestruzzo da impiegare nella costruzione del Ponte se e quando verrà realizzato.

In base ai dati progettuali il Ponte si presenta esteriormente come un’opera costruita quasi esclusivamente in acciaio. Tuttavia, sono previsti circa 750 mila metri cubi di calcestruzzo (“nascosto”) per le sei strutture (tre per ogni regione) in c.a. Le sei strutture comprendono le fondazioni (nelle quali sono immerse le quattro torri alte circa 380 metri che sorreggono tutta la struttura) e i due blocchi d’ancoraggio (ai quali si attestano i cavi di sospensione). Il calcestruzzo di queste strutture richiede l’adozione di particolari accorgimenti E’ necessario innanzitutto definire i requisiti del calcestruzzo fresco e indurito sulla base delle esigenze costruttive e progettuali. In questo articolo, utilizzando la tecnica del mix-design, viene individuata la composizione del calcestruzzo e ne vengono delineate le prestazioni - inclusa la durabilità a lungo termine di questa opera - sulla base dei materiali e tecnologie oggi disponibili.

Le esigenze costruttive richiedono che venga impiegato un calcestruzzo autocompattante (SCC, Self-Compacting Concrete) con uno slump flow di almeno 600 mm. Questa scelta dipende dall’elevatissima densità delle armature metalliche nelle fondazioni delle quattro torri nelle quali è praticamente impossibile inserire i vibratori per assicurare una completa compattazione del calcestruzzo. Occorre anche garantire una conservazione della lavorabilità di almeno 60 minuti tra la fine del mescolamento nell’impianto di betonaggio e la fine del getto anche in condizioni avverse (T= 25 - 40 °C).

L’importanza dell’opera impone una vita utile di servizio di almeno 200 anni con la sola manutenzione ordinaria. A questo scopo, il rapporto acqua/legante dovrà essere molto più basso di quello che si deve adottare per una struttura esposta all’acqua di mare (XS3 ==> a/c ≤ 0.45) con una durabilità di almeno 50 anni.


2. MATERIE PRIME

Tutte queste caratteristiche impongono di impiegare:

• cemento d’altoforno CEM III B 32.5 N (con clinker Portland ≤ 40%) caratterizzato da un calore di idratazione unitario a tre giorni (q₃) ≤ 150 kj/kg per evitare eccessivi sviluppi del calore di idratazione e rischi di fessurazione indotta da gradienti termici tra nucleo e periferia del getto fondazionale;
• aggregato locale di frantumazione conforme ai criteri di idoneità (ed in particolare non alcali-reattivo) con diametro massimo D_max = 20 mm compatibile con i requisiti reologici di un SCC;
• aggiunte minerali (cenere volante e/o fumo di silice) per portare il volume dei fini ad almeno 170 L/m3 e mantenere basso il dosaggio di cemento per ridurre il calore sviluppato per idratazione del cemento ed evitare gradienti termici eccessivi (∆T > 25 °C) tra il nucleo e la periferia di un getto massivo delle fondazioni (circa 125.000 m³ di calcestruzzo per fondazione);
• additivo di tipo acrilico per conseguire, con acqua di impasto ≤ 180 kg/m³, uno slump flow ≥ 600 mm con perdita di lavorabilità (∆L) trascurabile: ∆L ≤ 10 mm con tempo di trasporto ≥ 60 minuti a temperature che nella stagione estiva raggiungono 40°C;
• additivo viscosizzante per ridurre la segregazione soprattutto per calcestruzzi con aggregati di D_max superiori a 20 mm.

3. PRESTAZIONI

Le prestazioni del calcestruzzo nello stato fresco ed in quello indurito sono:

• Massimo riscaldamento in condizioni adiabatiche: ∆T ≤ 25°C a 3 giorni dal getto.
• Classe di consistenza per SCC ⇒ slump flow ≥ 600 mm al momento del getto dopo un trasporto dall’impianto di betonaggio di almeno 60 min a temperature fino a 40°C;
• Classe di resistenza: C28/35 ⇒ R_ck ≥ 35 MPa con controllo di tipo B;
• Classe di esposizione: XS3 ⇒ durabilità a lungo termine per assicurare una vita utile di esercizio ≥ 200 anni per l’enorme importanza sociale dell’opera esposta al potenziale rischio di corrosione dei ferri di armatura non in contatto diretto con il mare ma immersi in terreno permanentemente saturo di acqua salmastra.
  
  

4. MIX DESIGN

Per un calcestruzzo autocompattante è necessario soddisfare i seguenti requisiti composizionali:

• Volume dei solidi fini (V_s), che comprende cemento e aggiunte minerali, compreso tra 170 e 200 L/m³; un valore di V_s minore di 170 L/m³ può provocare segregazione del calcestruzzo; un valore maggiore di 200 L/m³ rende il calcestruzzo troppo viscoso e difficile da pompare; pertanto:

200 L/m³ ≤V_s≥ 170 L/m³

• Rapporto in volume tra acqua (a) e quello dei fini solidi (V_s) compreso tra 0,85 e 1,20; un rapporto minore di 0,85 fa aumentare eccessivamente la viscosità dell’impasto fresco, mentre un valore eccessivo del rapporto oltre 1,20 fa aumentare il rischio di segregazione; pertanto:

1,20 ≥ a/V_s ≥ 0,85 [1]

dove:

V_s = V_c + V_CVC + V_MS [2]

con V_c, V_CV e V_MS che rappresentano rispettivamente il volume in L/m³ del cemento, della cenere volante (CV) e del fumo di silice noto anche come microsilice (MS).

• Volume dell’aggregato grosso con D_max di 20 mm non superiore a 340 L/m³ per evitare difficoltà di pompaggio e di auto-livellamento dopo il getto; pertanto:

V_A ≤ 340 L/m³ [3]

• Additivo superfluidificante di tipo acrilico o policarbossilico (per ridurre la perdita di lavorabilità ∆L a meno di 10 mm tra miscelazione e getto): quanto basta per ridurre l’acqua di impasto di almeno il 30% e per conseguire lo slump flow di almeno 600 mm con un dosaggio di additivo compreso tra 1,5 e 2% sul cemento.
• Additivo viscosizzante per ridurre il rischio di segregazione quando gli inerti sono bagnati e quindi con acqua effettiva maggiore di quella progettata: quanto basta per eliminare la segregazione e il bleeding del calcestruzzo se l’acqua effettiva supera del 10% quella programmata con un dosaggio di additivo compreso tra 0,5 e 1% sul cemento.
• Filler pozzolanico a base di cenere volante (CV) e microsilice (MS) per conseguire il volume dei solidi fini di almeno 170 L/m³ per un dosaggio di cemento CEM III B 32.5 N non superiore a 400 kg/m³ da non superare per ridurre il calore di idratazione e quindi il rischio di fessurazione di origine termica.

Il mix design del calcestruzzo, elaborato sulla base dei materiali e dei requisiti prestazionali sopra elencati e delle tecnologie attualmente disponibili, ha portato alla composizione mostrata nella Tabella 1.

La composizione teorica mostrata in Tabella 1, elaborata con la tecnica del mix design, senza poter disporre delle materie prime che saranno realmente disponibili al momento della realizzazione del Ponte, soddisfa tutti i requisiti composizionali del calcestruzzo autocompattante sopra elencati ed inoltre fornisce le seguenti caratteristiche:

• Slump flow = 600 mm
• a/c = 175/400 = 0,44 conforme alla richiesta classe di esposizione XS3;
• acqua/legante = a / (c + CV + MS) = 175 / (400 + 90 + 30) = 0,34 pari al 76% di quello richiesto (0,45) per la classe di esposizione XS3;
• R_ck = 55 MPa > 45 MPa richiesto dalla classe di esposizione XS3; il maggior valore (55 contro 45 MPa) è dovuto all’azione pozzolanica della cenere volante e del fumo di silice grazie ai quali il rapporto acqua/legante diventa molto più basso di quello richiesto per una “normale” durabilità (0,34 contro 0,45);
• ∆T: (riscaldamento adiabatico) in corrispondenza del picco termico dopo 3 giorni dal getto calcolato con un bilancio termico:

∆T = q₃•c/M_v•c_sp = 150•400/2395•1,1 = 23 °C [4]

dove q₃ è il calore unitario del cemento d’altoforno III B (150 kj/kg) sviluppato dopo 3 giorni di idratazione, M_v (2395 kg/m³) è la massa volumica del calcestruzzo calcolata sommando tutti gli ingredienti dell’impasto, c è il dosaggio di cemento (400 kg/m³) e csp è il calore specifico del calcestruzzo pari a 1,1 kj • kg^-1 •°C^-1.
Queste caratteristiche risultano conformi alle prestazioni riguardanti la classe di resistenza, la classe di consistenza e il massimo riscaldamento in condizioni adiabatiche elencate nel paragrafo 3.
Per quanto concerne la durabilità, al fine di progettare il calcestruzzo che per un tempo (t) di almeno 200 anni impedisca ai cloruri di diffondere attraverso un copriferro (x) di 50 mm, si può adottare la seguente equazione in accordo alla seconda legge di Fick (1):

x = 4 • (D • t)1/2 [5]

dove il coefficiente di diffusione D, per raggiungere l’obiettivo di una durabilità garantita per almeno due secoli, deve essere non superiore al valore calcolato con la [6]:

D = (x/4)²/t = (50/4)²/200 = 0,8 mm²•anno^-1/2 [6]

I dati disponibili in letteratura (2) indicano che il valore sperimentale di D per un calcestruzzo equivalente a quello mostrato in Tabella 1, con pari rapporto acqua/legante e in presenza di materiali pozzolanici (loppa d’altoforno, cenere volante e fumo di silice), é di circa 0,25 mm² • anno^-1/2 ; questo valore sperimentale risulta quindi di gran lungo inferiore al valore di D calcolato nella [6] già sufficiente per garantire che i cloruri impieghino 200 anni prima di arrivare ai ferri di armatura dopo aver penetrato un copriferro di 50 mm.
Pertanto, assumendo per D il valore di 0,25 mm²•anno^-1/2, il tempo che impiegherebbe il cloruro per penetrare un copriferro di 50 mm è così calcolabile impiegando l’equazione [7] derivata dalla [5]:

t = (50/4)² / 0,25 = 625 anni [7]

In altre parole, il valore massimo di D, che garantisca una penetrazione del copriferro (50 mm) da parte dei cloruri in 200 anni, è 0,8 mm² • anno^-1/2; poiché, però, per un calcestruzzo simile a quello progettato e mostrato in Tabella 1 è stato misurato un valore sperimentale di D di 0,25 mm² • anno^-1/2, il tempo necessario per la penetrazione di tutto il copriferro diventa 625 anni.

5. CONCLUSIONI

A causa della congestione di armature metalliche, presenti nelle fondazioni e nei blocchi di ancoraggio del Ponte sullo Stretto, sarà indispensabile impiegare un calcestruzzo autocompattante (SCC).

Progettando con la tecnica del mix design la composizione di un SCC in presenza di cenere volante e fumo di silice si arriva ad una composizione che presenta un basso riscaldamento adiabatico (23°C) se si impiega un cemento d’altoforno CEM III B 52.5 N; questa prestazione e indispensabile per un getto massivo quale è quello previsto per le fondazioni e i blocchi di ancoraggio.

Il basso rapporto acqua/legante (0.34), la presenza di materiali pozzolanici (loppa d’altoforno, cenere volante e fumo di silice) che rallentano la penetrazione dei cloruri attraverso il calcestruzzo, e l’adozione di un copriferro di 50 mm portano il tempo di innesco della corrosione a oltre 600 anni in base al calcolo del tempo richiesto dal cloruro a penetrare tutto il copriferro in accordo alla seconda legge di Fick. Ai fini della corrosione delle armature metalliche, presenti nelle fondazioni e nei blocchi di ancoraggio, questo calcolo è prudenziale e a vantaggio della sicurezza perchè la corrosione non potrà iniziare subito dopo che il cloruro avrà penetrato tutto il copriferro; infatti, dopo il tempo impiegato per la penetrazione del cloruro in tutto il copriferro (tempo di “innesco”), altro tempo sarà ancora necessario perché la corrosione raggiunga un valore a rischio per la riduzione della sezione delle armature.


6. BIBLIOGRAFIA

(1) Mario Collepardi, Il Nuovo Calcestruzzo, IV Edizione, pg. 127, 2006, Editore Tintoretto, Villorba (TV).

(2) Antonio Borsoi, Silvia Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot, Roberto Troli, “Il miglior cemento. Difficile da trovare. Ecco come fare”, Enco Journal N. 25, 2004.