RIASSUNTO

In questo lavoro sono state valutate le prestazioni di diverse miscele di calcestruzzo autocompattante preparate usando tre diversi tipi di fibre, in acciaio, polivinilalcol (PVA) e polipropilene ad elevata tenacità (PPHT) e due diverse aggiunte minerali (polvere di marmo e polvere da calcestruzzo demolito). Il rapporto acqua/cemento è stato mantenuto costante, pari 0,40. Il comportamento del calcestruzzo fresco è stato valutato mediante prove di fluidità per la determinazione dello spandimento (slump-flow), della deformabilità (V-funnel) e dello scorrimento confinato (L-box) mentre il comportamento del calcestruzzo indurito è stato valutato mediante prove di resistenza meccanica a flessione e compressione, prove di ritiro igrometrico libero e di ritiro plastico vincolato. Le prestazioni ottenute sono state eccellenti, in particolare per i calcestruzzi preparati con fibre PPHT.

INTRODUZIONE

L’obiettivo del lavoro è stato quello di progettare miscele di calcestruzzi autocompattanti per la produzione di elementi prefabbricati in spessore sottile che richiedano un minimo rinforzo in acciaio (rete elettrosaldata). Sono state quindi aggiunte fibre alla miscela del calcestruzzo autocompattante per contrastare l’insorgenza di fessurazioni alla brevi stagionature (imputabili a ritiro autogeno e plastico oppure a stress termici) o nel lungo periodo dovute a ritiro igrometrico (1-7). Da un punto di vista delle prestazioni meccaniche dovrebbe essere garantita una classe di resistenza del calcestruzzo pari ad almeno C 37/45 MPa per tenere in considerazione i requisiti richiesti in termini di resistenza a flessione allo scassero per consentire la movimentazione dell’elemento ed in termini di effetti imputabili a fenomeni di creep e fatica.

MATERIALI

Come legante è stato impiegato un cemento Portland di miscela tipo CEM II/A-L 42,5 R secondo EN-197/1. La finezza Blaine del cemento era 0,42 m²/g e la sua massa volumica pari a 3050 kg/m³. La composizione chimica del cemento è riportata in Tabella 1.

Come aggiunta minerale è stata impiegata una polvere ottenuta come scarto della lavorazione del marmo. La scelta è stata effettuata tenendo presenti alcuni suggerimenti riportati in letteratura (8), concernenti in particolare la finezza delle polveri per calcestruzzi autocompattanti. La finezza Blaine della polvere di marmo era 0,61 m²/g), mentre la sua massa volumica era pari a 2650 kg/m³; la sua composizione chimica è riportata in Tabella 1.

Alternativamente, come aggiunta minerale, è stata impiegata una polvere proveniente da processi di riciclaggio di calcestruzzo demolito. La polvere si forma durante la fase di macinazione del vecchio calcestruzzo, necessaria per separarlo dall’armatura metallica e ridurlo a pezzature idonee all’impiego come aggregato di riciclo, ed è stata ottenuta raccogliendo il materiale passante al setaccio con apertura 0,150 mm. La finezza Blaine della polvere di riciclo così ottenuta era pari a 0,73 m²/g, con una massa volumica di 2150 kg/m³; la sua composizione chimica è riportata in Tabella 1.

Come aggregati sono state impiegate una frazione di sabbia naturale (diametro massimo 6 mm) ed una frazione di ghiaietto di frantumazione (diametro massimo 15 mm). La distribuzione granulometrica delle due frazioni è mostrata in Figura 1 e le principali proprietà fisiche sono riportate in Tabella 2.

Come additivo riduttore d’acqua è stata impiegata una soluzione acquosa al 30% di polimero a base acrilica.

Come fibre, in alcune miscele sono state impiegate fibre in acciaio uncinate dosate allo 0,6% in volume. Tale dosaggio è stato stabilito sulla base di alcune informazioni riportate in letteratura (9-11), che mostrano come un aumento del contenuto di fibre dallo 0,5% all’1,0% comporti un calcestruzzo complessivamente meno preformante.
In alternativa, sono state impiegate fibre polimeriche, sia in polivinilalcol (PVA) sia in polipropilene ad elevata tenacità (PPHT), aggiunte con dosaggi rispettivamente pari a 0,8 % e 0,6% in volume. La lunghezza ed il diametro delle fibre, il valore del rapporto d’aspetto, il modulo elastico e la resistenza a trazione delle stesse sono riportati in Tabella 3. Inoltre, la loro morfologia è osservabile in Figura 2.

PROPORZIONAMENTO DELLE MISCELE DEI CALCESTRUZZI

Le miscele dei calcestruzzi preparati sono riportate in Tabella 4. Tutti i calcestruzzi erano caratterizzati dallo stato rapporto acqua/cemento pari a 0,40.

Al fine di ottimizzare la distribuzione granulometrica delle particelle solide nel calcestruzzo, le frazioni di aggregato fine e grosso sono state opportunamente combinate, tenendo presenti anche le indicazioni concernenti il proporzionamento dei calcestruzzi autocompattanti riportate in letteratura, ad esempio in termini di dosaggio massimo (340 l/m³) di aggregato grosso (12, 13). Per raggiungere un dosaggio di particelle finissime di 190 l/m³ è stato necessario aggiungere alla miscela, accanto al cemento, in alternativa polvere di riciclo (ad un dosaggio di 58 kg/m³) o polvere di marmo (ad un dosaggio di 70 kg/m³), con diverso dosaggio in dipendenza della diversa massa volumica delle polveri. In questo modo è stato possibile ottenere un rapporto acqua/materiale finissimo che ricadesse nell’intervallo 0,35÷0,36.

L’additivo superfluidificante è stato dosato all’1,4% sul peso del cemento per raggiungere uno spandimento (slump flow) di 650÷700 mm (vedi Tabella 5).

Il dosaggio di cemento impiegato era piuttosto elevato, pari a 500 kg/m³. Per questo motivo è stata valutata sperimentalmente l’eventuale fessurazione del calcestruzzo alle brevi stagionature dovuta a ritiro autogeno e/o stress termici (indotti da elevate velocità di sviluppo del calore di idratazione del cemento).

PREPARAZIONE E STAGIONATURA DEI PROVINI

Per ogni miscela di calcestruzzo sono stati confezionati 9 provini cubici (lato 100 mm) e 9 provini prismatici (100 x 100 x 450 mm), rispettivamente per prove di compressione e flessione, in conformità alla norma UNI EN 12390-1. Questi provini sono stati gettati in casseforme d’acciaio e sottoposti a stagionatura umida a 20°C (UNI EN 12390-2).

Inoltre, per ogni miscela sono stati confezionati 3 provini prismatici (100 x 100 x 500 mm) in conformità alla norma UNI 6555 ‘Determinazione del ritiro idraulico’. Dopo un giorno di stagionatura umida, i provini sono stati mantenuti in ambiente con temperatura (20 ± 2 °C) e umidità relativa (50 ± 2 %) costanti.

Sono stati anche confezionati per ogni miscela 3 provini cilindrici, di altezza 300 mm con diametro di 100 mm, per valutare il modulo elastico statico in compressione in conformità alla norma UNI 6556.

Infine, sono stati confezionati ulteriori provini prismatici (uno per ogni miscela) eseguendo il getto in un angolare d’acciaio 75 x 75 mm, spesso 8 mm e lungo 1030 mm (Figura 3) per il German angle test. Subito dopo il confezionamento tali provini sono stati mantenuti all’aria ed esposti all’irradiazione di una lampada alogena (150 W) per simulare l’effetto dell’irraggiamento solare diretto. La lampada è stata collocata a 100 mm dalla superficie superiore del getto; in questo modo la temperatura della superficie del calcestruzzo a partire da 4 ore dal getto viene mantenuta costantemente ad un temperatura di 77 ± 1 °C.

RISULTATI E DISCUSSIONE

Spandimento (Slump Flow)
Sono stati misurati lo spandimento, rappresentato dal diametro medio (Φ_fin) del calcestruzzo a fine prova, il tempo di spandimento per raggiungere il diametro di 500 mm (t₅₀₀) ed il tempo trascorso per raggiungere la configurazione finale (t_fin).
Come riportato in Tabella 5, tutte le miscele hanno mostrato un livello di fluidità adeguato per calcestruzzi autocompattanti ed anche una sufficiente viscosità. L’esame visivo ha escluso in ogni caso sia l’effetto alone, dovuto ad essudazione d’acqua, sia l’effetto sombrero, dovuto a segregazione.

Deformabilità (V-funnel)
Come riportato in Tabella 5, il tempo t di efflusso dall’imbuto a V è stato in ogni caso compreso nell’intervallo 5-8 secondi, ampiamente entro i limiti di accettabilità.

Scorrimento confinato (L-box)
I risultati ottenuti mediante scatola ad L con barre disposte orizzontalmente sono riportati in Tabella 5, nella quale sono indicati la differenza di livello ∆H_fin del calcestruzzo tra inizio e fine scatola ed il tempo t_stop impiegato per raggiungere la configurazione finale. Tutte le miscele hanno mostrato buoni, in alcuni casi eccellenti, risultati in termini di mobilità in spazi ristretti, particolarmente quando è stata impiegata polvere di riciclo. Inoltre, in nessun caso è stato rilevato visivamente il fenomeno della segregazione di flusso.

Prove di compressione
La resistenza a compressione dei provini è stata valutata in conformità alla norma UNI EN 12390-3 dopo 1, 7 e 28 giorni di stagionatura.

I risultati ottenuti sono riportati in Figura 4. La classe di resistenza minima richiesta (C 37/45) è stata sempre raggiunta. In particolare, ad eccezione della miscela ‘PVA-PR’, la resistenza media a compressione dopo 28 giorni di stagionatura raggiungeva valori di circa 60 MPa.

Prove di flessione
La resistenza a flessione è stata valutata secondo la norma UNI EN 12390-5 su provini prismatici.

Il comportamento in flessione del calcestruzzo è stato studiato dopo 1, 7 e 28 giorni di stagionatura ed i risultati ottenuti sono riportati in Figure 5. Essi mostrano l’efficacia delle fibre in acciaio nel produrre un miglioramento del comportamento in flessione del calcestruzzo (accentuato in questo caso dalla particolare forma uncinata delle fibre, mostrata in Figura 2). Tuttavia, anche le miscele di calcestruzzo autocompattante preparate con fibre polimeriche (PVA e PPHT) hanno mostrato soddisfacenti prestazioni sotto sollecitazioni flessionali.

Modulo elastico statico e tenacità
Il modulo elastico statico è stato determinato in compressione su provini cilindrici (300 mm di altezza con diametro di 100 mm) secondo la norma UNI 6556.

Inoltre, la tenacità è stata valutata determinando il valore dell’area sottesa dalla curva sforzo-deformazione ottenuta in compressione. Si sono determinati due valori di tenacità: uno è stato calcolato integrando l’area fino alla deformazione corrispondente al valore massimo di resistenza del calcestruzzo ed è stato denominato A-picco; l’altro (denominato A-0,45%) è stato calcolato integrando l’area fino al valore della deformazione pari a 0,45% (generalmente maggiore della deformazione precedente).

I risultati ottenuti dopo 28 giorni di stagionatura sono riportati in Figura 6. I valori del modulo elastico statico sono compresi nell’intervallo prevedibile per un calcestruzzo ordinario della classe di resistenza ottenuta. In particolare, il diverso valore del modulo di Young della fibra (Tabella 3) non sembra influenzare il valore del modulo elastico statico del calcestruzzo.

La tenacità del calcestruzzo autocompattante è risultata sempre elevata, indipendentemente dalla deformazione considerata, specialmente per le miscele confezionate con fibre di acciaio o PPHT. In particolare, il rapporto fra i valori A-0,45% ed A-peak, indicativo del comportamento post-fessurativo, cade nell’intervallo 2,35÷2,75 per tutte le miscele.

Ritiro igrometrico
La Figura 7 mostra i risultati ottenuti fino a 180 giorni. Si possono prevedere ritiri igrometrici compresi fra 550 e 400 µm/m per tutte le miscele dopo 1 anno di esposizione ad umidità relativa del 50%. L’efficacia dell’aggiunta di fibre, di qualsiasi tipo, nel contrastare il ritiro igrometrico del calcestruzzo è del tutto evidente. Infatti, sulla base di dati riportati in letteratura (14), per un calcestruzzo della stessa composizione senza fibre si può ipotizzare un ritiro igrometrico di circa 800 µm/m dopo sei mesi di esposizione alla stessa umidità relativa.

German Angle test
Questo metodo di valutazione del ritiro vincolato del calcestruzzo è stato sviluppato dalla Accademia Tecnica di Aachen in Germania ed adottato come Norma Tecnica (TP BE-PCC) dal Dipartimento di Costruzione Autostrade del Ministero Federale dei Trasporti (15). In questo caso, il German Angle test è stato effettuato in condizioni di esposizione severe (sotto irradiazione di una lampada alogena) allo scopo di simulare l’effetto del riscaldamento solare sul ritiro plastico del calcestruzzo alle brevissime stagionature.
Solo le due miscele di calcestruzzo preparate con fibre di acciaio hanno mostrato una certa microfessurazione (in verità, molto lieve), mentre le altre miscele non hanno mostrato alcuna apparizione di fessure. Tuttavia, il tempo di apparizione della fessurazione è risultato inferiore al giorno di stagionatura, indicando in tal modo il ritiro plastico come responsabile della fessurazione e la minor efficacia delle fibre di acciaio rispetto a quelle polimeriche nel contrastare tale tipo di ritiro.

CONCLUSIONI

Tutti i calcestruzzi, preparati per la produzione di elementi prefabbricati sottili, hanno soddisfatto sia i requisiti di autocompattabilità allo stato fresco sia la classe di resistenza meccanica richiesta di 45 MPa allo stato indurito.

L’aggiunta di fibre si è dimostrata molto efficace nel contrastare sia la fessurazione alle brevissime stagionature (particolarmente le fibre in PVA e PPHT) sia il ritiro igrometrico a tempi più lunghi di stagionatura (particolarmente le fibre in acciaio) del calcestruzzo autocompattante, che costituisce generalmente un problema per questo calcestruzzo, ricco di materiali finissimi (cemento e filler) e povero della frazione di aggregato grosso.

Per quanto concerne ulteriori aspetti relativi alla durabilità, come carbonatazione o profondità di penetrazione dei cloruri e resistenza al gelo, risultati incoraggianti sono riportati in un precedente lavoro relativo ad una miscela molto simile di calcestruzzo autocompattante rinforzato con fibre di acciaio (16).

In conclusione, un’ottima miscela allo stato indurito sembra essere quella preparata con fibre di acciaio e polvere di riciclo. Allo stato fresco, nonostante non esistano significative differenze di comportamento fra le diverse miscele, le migliori proprietà reologiche sono state messe in evidenza dalla miscela preparata con fibre in PVA e polvere di riciclo, che peraltro è risultata quella lievemente inferiore in termini di prestazione meccanica.

RIFERIMENTI
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