1. INTRODUZIONE

Il ritiro igrometrico (ε) è la proprietà che maggiormente influenza il comportamento fessurativo del calcestruzzo. Raramente, se non in provini di laboratorio, il ritiro può manifestarsi senza alcun impedimento (ritiro libero); quasi sempre, soprattutto nelle strutture reali, esistono vincoli che ostacolano il ritiro che si traduce pertanto in una sollecitazione di trazione

σ_t = E • ε [1]

dove E è il modulo elastico del calcestruzzo.
La Figura 1 mostra schematicamente che la fessura avviene quando la sollecitazione di trazione (σ_t) è maggiore della resistenza a trazione (f_t):

σ_t> f_t [2]

Quando ciò avviene il calcestruzzo si fessura. La fessurazione può aggravare la vulnerabilità delle strutture in calcestruzzo armato (C.A.) in quanto attraverso le fessure gli agenti aggressivi, ed in particolare quelli che attaccano i ferri di armatura, possono penetrare il copriferro e provocare la corrosione dell’acciaio. Perciò per evitare la fessurazione il ritiro ε deve essere adeguatamente ridotto affinché la tensione di trazione indotta dal ritiro impedito diminuisca (σ_t’) e risulti minore di f_t:

σ_t’< f_t [3]

Esistono due strategie per raggiungere questo obiettivo con l’ausilio di additivi chimici capaci, attraverso meccanismi diversi, di migliorare il quadro fessurativo delle strutture in C.A. e quindi di migliorare la durabilità soprattutto nei confronti di composti che pregiudicano la corrosione dei ferri di armatura:

- cloruri in ambienti marittimi e in strutture di alta montagna esposte al trattamento con sali disgelanti nella stagione invernale;

- aria umida (con O₂, CO₂ e H₂O) che può promuovere la corrosione da carbonatazione dei ferri di armatura.

Gli additivi disponibili a questo scopo sono i superfluidificanti e gli additivi riduttori del ritiro SRA (Shrinkage Reducing Admixtures).

Gli additivi superfluidificanti debbono essere impiegati per ridurre l’acqua di impasto (a) e, a pari rapporto acqua/cemento (a/c), per ridurre in eguale misura anche il dosaggio di cemento (c). La diminuzione in volume di acqua e di cemento è compensato da un pari aumento del volume di inerte (V_i) cui corrisponde un maggior quantitativo di inerte (i) in kg/m³. Si verifica quindi una diminuzione della pasta cementizia (c+a) responsabile del ritiro igrometrico e un incremento dell’inerte (i) che si oppone al ritiro. La Figura 2 mostra i risultati sperimentali ottenuti da Lea (1) sul ritiro igrometrico libero (cioè in assenza di impedimenti) di calcestruzzi con diversi a/c e i/c; a parità di a/c il ritiro standard diminuisce se si aumenta il rapporto inerte/cemento da 3 a 7. Per esempio in un calcestruzzo con a = 200 kg/m³ e c = 300 kg/m³ → a/c = 0,60; se il quantitativo di inerte è 1920 kg/m³, il rapporto inerte/cemento = 1920/300 = 6,4 ed il ritiro standard a 6 mesi è eguale a 470 • 10-6 = 470 µm/m

L’impiego di additivi SRA consente di ridurre il ritiro igrometrico senza modificare la composizione del calcestruzzo. Il meccanismo, abbastanza complesso, si basa sulla presenza di prodotti (generalmente a base di poli-glicoli) capaci di ridurre la tensione superficiale (γ) dell’acqua e conseguentemente la pressione capillare P che si genera per la formazione dei menischi di acqua (Fig. 3) responsabili del ritiro della pasta di cemento (2):

P = 2γ / r • cos Θ [4]

dove r è il raggio del menisco d’acqua nel capillare e Θ è l’angolo di bagnatura dell’acqua liquida con la superficie della pasta cementizia. Se si riduce γ, diminuisce P secondo la [4] e diminuisce quindi la spinta che avvicina le fibre di C-S-H le une verso le altre con conseguente contrazione (ritiro) del sistema cementizio.

2. PARTE SPERIMENTALE: MATERIALI E METODI

Materiali

E’ stato impiegato un cemento Portland (CEM I 42.5 R secondo la normativa UNI EN 197-1).

Come additivo superfluidificante (SF) è stato impiegato un prodotto a base di policarbossilato al 30% in acqua per ridurre l’acqua di impasto e, a pari rapporto a/c, il dosaggio di cemento in eguale misura.

Come additivo SRA è stato impiegato neopentil glicol capace di ridurre la tensione superficiale da 72.8 mN/m per l’acqua pura a 32.4 mN/m per una soluzione acquosa di SRA al 2%.

Come aggregati sono stati impiegati una sabbia naturale (0-4 mm) and una ghiaia di 4-25 mm.

La Tabella 1 mostra la composizione delle seguenti miscele di calcestruzzo tutte ad un eguale rapporto a/c di 0,62 con uno slump di 230-240 mm. Queste sono le sigle adottate per le 4 miscele di calcestruzzo:

- CONTROL mix: calcestruzzo senza additivi ;
- SF mix: calcestruzzo con superfluidificante (1% sul cemento);
- SRA mix: calcestruzzo con l’additivo SRA (1% sul cemento);
- SF/SRA mix: calcestruzzo con superfluidificante e additivo SRA (entrambi all’ 1% sul cemento).

Metodi

E’ stata misurata la resistenza meccanica a compressione su provini cubici (150 mm) stagionati a 20 °C con UR > 95 % per 1, 7, 28 e 90 giorni.

Su provini prismatici (100x100x500 mm), scasserati a 2 giorni, è stato misurato il ritiro igrometrico libero a 20 °C con UR = 50 % da 2 settimane a 1 anno.

Sono state eseguite prove di campo per studiare il ritiro contrastato in lastre (lunghe 8 metri, larghe 400 mm e spesse 60 mm) bloccate alle estremità e lasciate all’aria aperta nelle stesse condizioni di temperatura, di umidità relativa e di velocità del vento. Sulle lastre confezionate con i quattro calcestruzzi ed esposte per 4 mesi nelle stesse condizioni ambientali sono state misurati il numero e lo spessore delle fessure indotte dal ritiro contrastato. Si tratta di prove molto severe per la forma geometrica (rapporto lunghezza/larghezza eguale a 20) favorevole alla formazione di fessure indotte dal ritiro igrometrico.

3. RISULTATI

La Tabella 1 mostra che nei calcestruzzi SF mix e SF/SRA mix vi è una riduzione di circa il 30% sia nell’acqua di impasto che nel dosaggio di cemento rispetto al CONTROL mix di riferimento senza additivi. A questa riduzione della pasta di cemento corrisponde un significativo aumento nel volume di inerte e il rapporto inerte/cemento aumenta da 5,2 (nel CONTROL mix) a 8,1 nei calcestruzzi con superfluidificante SF mix e SF/SRA mix.

La Figura 4 mostra che la resistenza meccanica a compressione di tutti i calcestruzzi con il rapporto a/c di 0,62 è compresa nell’intervallo di 30-35 MPa. In particolare la resistenza meccanica dell’SF mix è eguale a quella del CONTROL mix sia alle brevi che alle lunghe stagionature, mentre quella del calcestruzzo con SRA presenta una piccola riduzione di resistenza probabilmente dovuta all’influenza del neopentil glicole sul grado di idratazione del cemento.

La Figura 5 mostra l’influenza del superfluidificante sul ritiro igrometrico libero in ambiente con UR del 50%: poiché il rapporto inerte/cemento del calcestruzzo SF mix è molto più alto (8,1 contro 5,2) di quello del CONTROL mix (Tabella 1), il ritiro libero igrometrico è ridotto del 15-20 % rispetto a quello del calcestruzzo senza superfluidificante: l’effetto è in relazione con la diminuzione di pasta di cemento responsabile del ritiro e l’aumento dell’inerte i cui rigidi granuli si oppongono al ritiro della matrice cementizia con un effetto tanto maggiore quanto più alto è il rapporto inerte/cemento (Fig. 2).

La Fig. 6 mostra l’influenza dell’additivo SRA sul ritiro igrometrico del calcestruzzo esposto in ambiente con UR del 50%: nel calcestruzzo SRA mix si registra una diminuzione del ritiro libero del 20-25 % rispetto al calcestruzzo senza additivo CONTROL mix. Questo effetto, in assenza di variazione nei rapporti a/c (0,62) ed i/c (5,2), è dovuto alla riduzione della tensione superficiale dell’acqua libera presente nei pori capillari provocata dal neopentil glicole ed alla conseguente riduzione della pressione capillare secondo l’equazione [4] che spinge le fibre di C-S-H le une verso le altre (Fig. 3) provocando una contrazione (ritiro) di volume nella pasta di cemento.

La Fig. 7 mostra l’influenza dell’azione combinata degli additivi SF ed SRA sul ritiro igrometrico del calcestruzzo: la riduzione di ritiro provocata dalla co-presenza degli additivi raggiunge il 30-35 % rispetto a quello del CONTROL mix. Questo effetto è in relazione con l’aumento del rapporto inerte/cemento (da 5,2 a 8,1) provocato dal superfluidificante SF e con la diminuzione della tensione superficiale dell’acqua causata dalla presenza dell’additivo SRA.

I risultati delle prove di campo sull’influenza degli additivi sul numero e sull’apertura delle fessure indotte dal ritiro igrometrico contrastato son mostrati in Tabella 2. Nella lastra confezionata con il calcestruzzo SF mix si registra una diminuzione del numero e delle aperture delle fessure rispetto alla lastra confezionata con il calcestruzzo senza additivi CONTROL mix. L’effetto è più marcato se si impiega l’additivo SRA e questo comportamento è in linea con il minor ritiro libero del calcestruzzo SRA mix (Fig. 6) rispetto al calcestruzzo SF mix (Fig. 5). In presenza dell’additivo superfluidificante. L’impiego combinato di superfluidificante e additivo SRA nel calcestruzzo SF/SRA mix comporta una ulteriore significativa riduzione nel numero e nell’ampiezza delle fessure generate dal ritiro vincolato della lastra: si è registrata solo una fessura con apertura di 150 µm lungo tutta la lastra.

4. CONCLUSIONI

Il rischio di fessura nelle strutture in calcestruzzo armato esposte al ritiro igrometrico può essere mitigato in due modi:

- attraverso una riduzione della pasta cementizia responsabile del ritiro igrometrico e un contemporaneo aumento del volume dell’aggregato; in questo lavoro l’obiettivo di una riduzione del ritiro libero del 20-25 % è stato raggiunto con un additivo superfluidificante impiegato riducendo l’acqua di impasto e, a pari rapporto acqua/cemento, riducendo anche il dosaggio di cemento; questo obiettivo può essere anche perseguito senza l’impiego di additivi superfluidificanti impiegando inerti con maggior diametro massimo e quindi con minore acqua di impasto e cemento secondo la nota regola di Lyse (4);

- attraverso l’impiego di un additivo SRA capace di ridurre il ritiro del 25-30% attraverso una diminuzione della tensione superficiale dell’acqua libera presente nei menischi tra le fibre di cemento idratato in forma di fibre di C-S-H;

- mediante una combinata aggiunta di additivo superfluidificante e di SRA con i quali si può arrivare a ridurre il ritiro libero del 30-35%.
La riduzione del ritiro igrometrico libero si tramuta in una riduzione della sollecitazione di trazione nelle strutture in calcestruzzo armato vincolate e quindi in una riduzione delle fessure per numero ed ampiezza.

5. BIBLIOGRAFIA

(1) F.M. Lea, “The Chemistry of Cement”, Arnold, London, 1970.
(2) J. Bae, N:S. Berke, R.J. Hoopes, and J. Malone, “Freezing and Thawing Resistance of Concretes with Shrinkage Reducing Admixtures”, RILEM Proceedings (2002), PRO 24 (Frost Resistance of Concrete: from Nanostructure Behaviour and Testing), pp. 327-333.
(3) M. Collepardi, S,. Collepardi e Roberto Troli, “Il Nuovo Calcestruzzo”, pag. 91-93, Edizione Tintoretto, Quinta Edizione 2009.