INTRODUZIONE

Con riferimento al concetto di sviluppo sostenibile, le tecnologie costruttive del 21° secolo dovrebbero prendere in debita considerazione i loro costi sociali ed ambientali (1). Fra gli altri aspetti, questo comporta preservare il territorio risparmiando risorse non rinnovabili, promuovere ed ottimizzare il riutilizzo ed il riciclo di materiali di scarto, migliorare le condizioni di salute umana (2). Anche la tecnologia del calcestruzzo dovrebbe indirizzare i propri sforzi verso la garanzia di uno sviluppo più sostenibile, e questo lavoro va proprio in questa direzione.

È stato preparato per la sperimentazione un calcestruzzo con aggregati riciclati (RAC) nel quale l’aggregato naturale di cava è stato sostituito al 30% con aggregato riciclato prodotto in un impianto di trattamento (macinazione, separazione di componenti indesiderabili e vagliatura) del calcestruzzo proveniente da demolizioni. Questa operazione consente di ridurre non solo il consumo di risorse non rinnovabili ma anche il conferimento in discarica di macerie da demolizione (3-6).

I risultati ottenuti da molti ricercatori (7-16) hanno dimostrato che il calcestruzzo RAC è idoneo all’impiego strutturale nella maggior parte delle applicazioni tecnologiche del calcestruzzo.

In questo lavoro il calcestruzzo RAC è stato caratterizzato dal punto di vista meccanico, mentre il suo comportamento strutturale è stato valutato su nodi trave-pilastro in scala reale sottoposti a carichi ciclici allo scopo di verificarne la duttilità e la capacità di dissipazione dell’energia assorbita. Sono stati realizzati anche campioni in calcestruzzo con soli aggregati naturali allo scopo di confrontare il comportamento dei due calcestruzzi.

Con riferimento ai nodi trave-pilastro, i risultati precedentemente ottenuti dagli autori su calcestruzzi con sostituzione totale dell’aggregato naturale con quello riciclato (17), così come quelli ottenuti da Xiao et al. (18) su strutture intelaiate in calcestruzzo RAC, erano apparsi incoraggianti.

MATERIALI

È stato impiegato un cemento portland al calcare tipo CEM II/A-L 42.5 R secondo la norma UNI EN 197/1. La finezza Blaine del cemento era di 420 m²/kg e la sua massa volumica di 3050 kg/m³. La composizione chimica del cemento è riportata in Tabella 1.

Come aggregati naturali sono stati impiegati un pietrisco (22 mm di diametro massimo), un pietrischetto (12 mm di diametro massimo), una sabbia (5 mm di diametro massimo) ed una sabbia fine (4 mm di diametro massimo).

Inoltre, è stata impiegata una frazione di aggregato in calcestruzzo riciclato (12 mm di diametro massimo), direttamente fornita da un impianto industriale di riciclaggio a Villa Musone (AN), nel quale le macerie da demolizione di edifici vengono idoneamente selezionate, macinate, depurate e vagliate attraverso la cosiddetta tecnologia R.O.S.E. (Recupero Omogeneizzato degli Scarti in Edilizia).

Le proprietà fisiche delle diverse frazioni di aggregato sono riportate in Tabella 2, mentre le loro distribuzioni granulometriche sono mostrate in Figura 1.

È stata anche utilizzata una soluzione acquosa al 30% di copolimero acrilico (carbossil-acril-estere) come additivo riduttore dell’acqua di impasto.

PROPORZIONAMENTO DELLA MISCELA DI CALCESTRUZZO

Il proporzionamento delle miscele di calcestruzzo è riportato nella Tabella 3. Sia il calcestruzzo di riferimento (REF) che il calcestruzzo con aggregato riciclato (RAC) sono stati confezionati con lo stesso rapporto acqua/cemento di 0,53 e la stessa lavorabilità allo stato fresco (slump di 180 mm).

Allo scopo di ottimizzare la distribuzione granulometrica delle particelle solide nel calcestruzzo, le frazioni di aggregato sono state opportunamente combinate in accordo alla distribuzione di Bolomey (19).

Il contenuto di cemento (350 kg/m3), l’acqua di impasto (185 l/m³), il dosaggio di additivo superfluidificante (1,0% in massa del cemento), i volumi di sabbia fine (20% del volume totale di aggregato), sabbia (20%) e pietrisco (30%), sono stati mantenuti costanti. Peraltro, la frazione di pietrischetto è stata dosata al 30% del volume totale di aggregato nella miscela di controllo, mentre è stata completamente sostituita con la frazione di aggregato in calcestruzzo riciclato (caratterizzata da una distribuzione granulometrica molto simile, come indicato in Figura 1) nella miscela di calcestruzzo RAC. Il diverso dosaggio (in kg/m³) tra il pietrischetto naturale e l’aggregato riciclato è dovuto alla loro diversa massa volumica (Tabella 2).

CONFEZIONAMENTO E STAGIONATURA DEI PROVINI

Sono stati confezionati cubetti di lato 100 mm per le prove di compressione e trazione indiretta in accordo alla norma UNI EN 12390-1. Provini prismatici di dimensioni 100 x 100 x 450 mm sono stati, invece, preparati per le prove di flessione secondo la norma UNI EN 12390-1. Inoltre, sono stati confezionati provini cilindrici (alti 300 mm con diametro di 100 mm) per la valutazione del modulo statico di elasticità secondo la norma UNI 6556. I provini cubici sono stati gettati in casseforme di polistirolo, mentre per i provini prismatici sono stati utilizzati stampi metallici e per quelli cilindrici casseforme in PVC. Tutti i provini sono stati sottoposti a stagionatura umida alla temperatura di 20°C (UNI EN 12390-2).

Per ogni miscela sono stati confezionati anche tre provini per le prove di aderenza (pull-out). Barre nervate di acciaio sono state annegate in cubi (150 mm di lato) di calcestruzzo per una lunghezza pari a 5 volte il diametro della barra (16 mm) secondo la Raccomandazione CEB RC 6 (20). Questi provini cubici sono stati gettati in casseforme di polistirolo e stagionati ad umido alla temperatura di 20°C.

I nodi trave-pilastro sono stati confezionati per ogni miscela di calcestruzzo secondo le “Recommendations for Design of Beam-Column Joints in Monolithic Reinforced Concrete Structures” dell’ACI-ASCE Committee 352. In Figura 2 viene mostrata la cassaforma utilizzata. I nodi trave-pilastro sono stati stagionati all’aria alla temperatura ambiente di circa 20°C per simulare le reali condizioni del cantiere.

RISULTATI E DISCUSSIONE

Prove di compressione

La resistenza a compressione è stata valutata in accordo alla norma UNI EN 12390-3 su provini cubici ruotati ortogonalmente rispetto alla direzione di getto in modo da avere facce di applicazione del carico sul provino sufficientemente planari e lisce da non richiedere operazioni di cappatura o rettifica. I provini sono stati caricati con velocità di deformazione costante fino a rottura.

La resistenza a compressione è stata misurata a 3, 7 e 28 giorni. I risultati sono riportati in Figura 3. A causa di un maggior grado di compattazione (0.98 contro 0.97) il calcestruzzo RAC ha mostrato una resistenza a breve stagionatura leggermente superiore a quella del calcestruzzo di controllo.

Prove di trazione indiretta

La resistenza a trazione è stata valutata in accordo alla norma UNI EN 12390-6 su provini cubici ruotati ortogonalmente rispetto alla direzione di getto. Il carico sui provini è stato applicato mediante due barre di acciaio lisce posizionate lungo l’asse di simmetria delle due facce opposte di applicazione del carico. La massima sollecitazione di trazione orizzontale è stata ottenuta dalla relazione:

dove P è il massimo carico (N) applicato in compressione e l è il lato del provino cubico (100 mm).

Le prove di trazione sono state effettuate a 3, 7 e 28 giorni. I risultati sono riportati in Figura 4. Tali risultati confermano che, per una resistenza a compressione simile, il calcestruzzo RAC risulta del 10% circa più debole in trazione rispetto al calcestruzzo di controllo con aggregati naturali, come peraltro già riportato in letteratura (21, 22).

Prove di flessione

La resistenza a flessione è stata valutata in accordo alla norma UNI EN 12390-5 su provini prismatici calcolando la massima sollecitazione di trazione raggiunta nella zona tesa della sezione mediana del provino, cioè il Modulo di Rottura (MOR in MPa). Il valore MOR è stato ottenuto dalla relazione:

dove è il massimo carico applicato (N), d è la distanza fra gli appoggi (400 mm) ed e è il lato della sezione trasversale quadrata del provino (100 mm).

Il comportamento flessionale dei provini è stato determinato a 3, 7 e 28 giorni. I risultati sono riportati in Figura 5 e confermano la minor resistenza a trazione del calcestruzzo RAC, la cui diminuzione risulta più accentuata soprattutto alle stagionature più lunghe.

Modulo statico di elasticità

Le curve sforzo-deformazione ed il modulo di elasticità sono stati determinati sottoponendo a compressione provini cilindrici del diametro di 100 mm ed altezza di 300 mm, in accordo alla norma UNI 6556.
I risultati ottenuti dopo 28 giorni di stagionatura sono riportati in Tabella 4. Tali dati confermano i risultati ottenuti da Xiao et al (18), secondo cui il modulo di elasticità del calcestruzzo RAC con 30% di sostituzione dell’aggregato grosso risulta del 10% inferiore a quello del calcestruzzo confezionato con aggregati naturali.

Prove di aderenza (pull-out)

Il calcestruzzo viene normalmente rinforzato con acciaio, sia sotto forma di barre di armatura che di cavi pretesi. Affinché il rinforzo in acciaio sia efficace, è necessario garantire una adeguata tensione di aderenza fra calcestruzzo ed acciaio. Pertanto, dopo 28 giorni di stagionatura si è valutata la resistenza allo sfilamento delle barre per i due calcestruzzi.

Le prove di sfilamento sono state effettuate in accordo alle Raccomandazioni CEB RC 6 (20) con barre di armatura nervate allo scopo di valutare l’effetto combinato dell’azione chimica e dell’ingranamento meccanico. Durante la prova sono stati registrati sia il carico applicato sia lo slittamento della barra. La tensione di aderenza (τ_dm) è stata calcolata come rapporto tra il massimo carico applicato (L) e l’area nominale della superficie della barra annegata nel calcestruzzo, normalizzando il valore medio effettivo della resistenza a compressione del calcestruzzo (f_cm) rispetto al valore di riferimento (f_c), nel seguente modo:

dove ds è il diametro medio della barra nervata, fcm è stato assunto pari a 30 MPa e fc è la resistenza a compressione media dei provini a 28 giorni.

I provini confezionati con il calcestruzzo RAC hanno messo in evidenza una tensione di aderenza superiore di circa il 15% rispetto a quella dei provini confezionati con soli aggregati naturali (Tabella 4). Questo risultato potrebbe essere imputato ad una maggiore affinità fra aggregato riciclato e pasta cementizia nel calcestruzzo RAC (24), che contribuisce a migliorare tanto l’interfaccia fra pasta ed aggregato quanto quella fra pasta e barra di armatura. In effetti, dati riportati in letteratura confermano che, a parità di resistenza a compressione, la tensione di aderenza fra calcestruzzo RAC e barre di acciaio nervate è superiore a quella nei calcestruzzi con aggregati naturali (18, 25).

Prove di carico ciclico su nodi trave-pilastro

Il comportamento dinamico dei due calcestruzzi è stato valutato attraverso prove di carico ciclico con bassa velocità di carico ed un basso numero di cicli relativamente ampi. Tale condizione di carico potrebbe essere messa in relazione a quella che si verifica in strutture reali soggette ad eventi sismici o forti azioni del vento, caratterizzata da una storia di carico con pochi cicli (generalmente meno di 100) ma con ampia escursione di sollecitazioni alternate (26), con barre alternativamente soggette a sforzi di trazione e compressione.
Due cerniere alle estremità superiore ed inferiore del pilastro vincolavano il nodo ed il pilastro è stato assialmente precaricato con 200 kN per simulare approssimativamente la stessa condizione di carico del nodo inserito in una struttura intelaiata. Oltre a tale carico statico, le azioni dinamiche, come quelle sismiche o dovute al vento, sono state simulate applicando uno spostamento verticale (± v) all’estremità libera della trave (Figura 6) per mezzo di un martinetto idraulico. Sono stati applicati quindici cicli di spostamento: tre cicli con un’ampiezza di ±25 mm, ulteriori tre cicli con un’ampiezza di ±50 mm, e successivamente tre serie di tre cicli con ampiezze crescenti di ±75 mm, ±100 mm ed infine ±125 mm. Un dinamometro posizionato all’estremità superiore del pilastro consentiva di monitorare il carico assiale (Q) trasmesso allo stesso pilastro mediante otto martinetti idraulici posizionati sotto la base del nodo per consentirne il sollevamento. L’estremo libero della trave veniva alternativamente traslato per mezzo di due martinetti idraulici in serie, in modo da garantire uno spostamento massimo di 200 mm. Uno dei due martinetti era dotato di un trasduttore induttivo per la misura dello spostamento (v, mm) e di un dinamometro per il monitoraggio del carico necessario (Q, kN) ad imprimere lo spostamento. Otto trasduttori induttivi sono stati posizionati sul nodo, quattro per lato (Figura 7), per registrare le rotazioni del nodo stesso.

I principali parametri (copriferro ed interferro, diametro della barra, lunghezza di ancoraggio, geometria della nervatura, modalità di getto e vibrazione, stagionatura, temperatura, tipo e velocità di carico) che influenzano il comportamento dinamico sotto carichi ciclici sono stati mantenuti costanti per entrambi i nodi trave-pilastro confezionati con i due diversi calcestruzzi. La disposizione delle barre di armatura è stata progettata in modo da concentrare il danno nella porzione di trave prossima al nodo (Figura 7), nel rispetto del concetto di ‘pilastro forte – trave debole’.

I risultati ottenuti dalle prove di carico ciclico sono mostrati nelle Figure 8 e 9, nelle quali il carico applicato (Q) viene riportato in funzione dello spostamento verticale (v) dell’estremità della trave. I risultati riportati in Tabella 5 indicano che con il calcestruzzo RAC si possono ottenere rapporti fra energia dissipata ed energia fornita quanto meno simili se non superiori rispetto al calcestruzzo di controllo (REF). In effetti, in entrambi i casi il cedimento è stato provocato dallo snervamento della barra tesa nella trave, indicando in tal modo la maggior influenza della tensione di aderenza fra calcestruzzo ed acciaio rispetto alla resistenza a trazione intrinseca del calcestruzzo.

CONCLUSIONI

In conclusione, confrontando i risultati ottenuti per i due calcestruzzi, si può notare che, quando la frazione di pietrischetto viene sostituita da aggregato in calcestruzzo riciclato (ad una percentuale del 30% del volume totale dell’inerte), si possono ottenere prestazioni pressoché simili. In particolare, a parità di resistenza a compressione, si riscontrano resistenze a trazione e flessione più basse e un minor valore del modulo elastico statico (generalmente -10%) per il calcestruzzo RAC. Peraltro, si osserva una tensione di aderenza fra calcestruzzo RAC e barra in acciaio nervata superiore del 15%.

Inoltre, sulla base delle curve di isteresi ottenute sui nodi trave-pilastro, è stato rilevato un ottimo comportamento del calcestruzzo RAC, particolarmente in termini di capacità di dissipazione dell’energia prima del collasso.

RIFERIMENTI

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