1. INTRODUZIONE

Le norme EN 206 e le UNI 11104 fissano alcuni parametri per specificare il comportamento durabile per almeno 50 anni del calcestruzzo in funzione delle classi di esposizione. Questi parametri sono:

- il rapporto acqua cemento (a/c) massimo al di sotto del quale deve essere adottato quello specificato per un calcestruzzo durabile;

- il valore di resistenza caratteristica (R_ck) minimo al di sopra del quale è assicurata la durabilità del calcestruzzo;

- il dosaggio di cemento minimo richiesto per un calcestruzzo durabile.

Inoltre, l’Eurocodice 2, in aggiunta alle specifiche sopra riportate, stabilisce i valori di copriferro minimo per assicurare la durabilità assumendo un valore maggiore di 10 mm per le strutture in C.A.P. più vulnerabili dalla corrosione rispetto alle strutture in C.A. Infine questi valori del copriferro, che si riferiscono a una vita di servizio di 50 anni, vanno aumentati di altri 10 mm per strutture con una durabilità di 100 anni.

La Tabella 1 mostra a titolo di esempio quanto sopra esposto per la classe di esposizione XC cui si deve la corrosione dei ferri di armatura per esposizione all’anidride carbonica presente nell’aria. In particolare, quando le strutture in calcestruzzo armato sono esposte all’aria umida, dove nell’ambiente si alternano cicli di asciutto e bagnato, possiamo esaminare la classe di esposizione XC4 che verrà analizzata in dettaglio in questo articolo per evidenziare due tipi di critiche:il cemento da una parte ed i valori di a/c e di R_ck dall’altra.

2. IL DOSAGGIO MINIMO DI CEMENTO

L’indicazione del dosaggio minimo di cemento e la mancanza della precisazione sul suo tipo nella norma EN 206 come anche nella norma UNI 11104 rappresentano due aspetti negativi per l’adozione di queste norme per prescrivere calcestruzzi durabili in funzione della classe di esposizione.

Il dosaggio minimo di cemento dipende, in accordo alla regola di Lyse (1), dal diametro massimo e dal tipo (alluvionale o frantumato) dell’inerte, dalla classe di consistenza del calcestruzzo fresco, dall’eventuale presenza di additivi riduttori di acqua che –a parità del rapporto acqua/cemento- comportano anche una riduzione del dosaggio di cemento; pertanto indicare un dosaggio di cemento minimo senza specificare questi parametri che influenzano la reologia del calcestruzzo fresco è praticamente in disaccordo con i principi generali della tecnologia del calcestruzzo: per fare un esempio estremo come si potrebbero impiegare 340 kg/m³ di cemento previsto in XC4 (Tabella 1) se il calcestruzzo è destinato ad una diga con diametro massimo di 60 mm e una classe di consistenza asciutta proprio per ridurre il dosaggio di cemento a livelli di 150-200 kg/m³ al fine di non aggravare i gradienti termici e le conseguenti fessurazioni di origine termica?

Questo aspetto del problema è aggravato dalle indicazioni delle Norme Tecniche per le Costruzioni (NTC). A differenza delle norme tecniche EN 206 ed UNI 11104, le NTC sono norme legali che rendono cogenti anche le norme tecniche EN ed UNI se queste vengono richiamate nelle NTC.

A proposito della composizione di un calcestruzzo durabile, (che include il dosaggio minimo di cemento ed il rapporto a/c), nel paragrafo 11.2.1 le NTC stabiliscono che occorre “dare indicazioni in merito alla composizione della miscela” e scegliere la classe di esposizione secondo la norma EN 206-1 oppure la UNI 11104-1. A seguito di questi richiami nelle NTC sulla composizione del calcestruzzo, il dosaggio minimo di cemento, che appare nella EN 206-1 e nella UNI 11104-1 deve essere obbligatoriamente rispettato. Ed ancora nel paragrafo 11.2.11 le NTC ribadiscono che in fase di progetto, la prescrizione, valutate opportunamente le condizioni ambientali, del sito ove sorgerà la costruzione, deve fissare le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare (composizione e resistenza meccanica), i valori dei copriferri e le regole di maturazione. Tutto ciò crea confusione nelle contestazioni sulla qualità del calcestruzzo durabile: spesso, in queste occasioni, consulenti tecnici del PM impreparati su questo argomento attribuiscono all’impiego di un calcestruzzo “depotenziato” le eventuali defaillance perchè il dosaggio minimo di cemento non è rispettato, ancorchè la resistenza meccanica misurata su provini cubici del calcestruzzo (R_cm28) fornito e di quello determinato sulle carote estratte dalla struttura in opera risultino molto più alto di quelle richieste per assicurare la compattezza e la durabilità del materiale.

Per quanto attiene il tipo di cemento, esso diventa importante nel caso specifico della XC4 per ridurre il calore di idratazione; ma né la norma europea EN 206 né quella nazionale UNI 11104 indicano quale è il particolare tipo di cemento da impiegare in funzione della classe di esposizione. Esistono, poi, classi di esposizione, quali XS, XD ed XF -dove il cloruro di origine marina, industriale o proveniente dai sali disgelanti- provoca gravi corrosioni dei ferri di armatura che a parità di tutte le altre condizioni (in particolare a parità di a/c) possono essere fortemente mitigate dall’impiego del cemento d’altoforno (CEM III), pozzolanico (CEM IV) e composito (CEM V) capaci tutti di adsorbire il cloruro (2) frenandone l’avanzamento verso i ferri di armatura. Anche in questi casi particolari le norme EN 206 e UNI 11104 non raccomandano l’impiego di questi cementi.

3. IL RAPPORTO ACQUA/CEMENTO E LA R_ck

I rapporti acqua/cemento che sono coinvolti nelle specifiche di un calcestruzzo possono essere così individuati (Tabella 2):

- (a/c)₁ indica il rapporto acqua/cemento che dipende dalla Rck funzione delle caratteristiche strutturali e che nell’esempio specifico sarà assunta 30 MPa;
- (a/c)₂ indica il rapporto acqua/cemento che corrisponde al valore massimo (≤ 0.50) mostrato in Tabella 1;
- (a/c)_2R indica il rapporto acqua/cemento che occorre adottare per garantire il valore minimo di R_ck (≥ 40 MPa) mostrato in Tabella 1.

Non necessariamente i tre valori di rapporto acqua/cemento coincidono e quindi occorre adottare il più basso valore (a/c)* per soddisfare tutti e tre i requisiti ed in particolare la (R_ck)*, che corrisponde alla resistenza caratteristica da adottare.


4. INFLUENZA DELLA CLASSE DI RESISTENZA DEL CEMENTO

Nell’esempio che segue saranno calcolati i valori di (a/c)* e di (R_ck)* da adottare in funzione dei seguenti cementi:

- CEM 32.5 R;
- CEM 42.5 R;
- CEM 52.5 R.

Nei paragrafi che seguono sarà assunto un controllo statistico di tipo B con uno scarto quadratico medio (s) di 5 MPa. Nella Fig. 1 è mostrata la resistenza a compressione media a 28 giorni (R_cm28) in funzione del rapporto a/c per calcestruzzi confezionati con i summenzionati tre cementi. Ovviamente, a parità di rapporto a/c la R_cm28 aumenta all’aumentare della classe di resistenza del cemento impiegato.

4.1 Cemento 32.5 R

Nella Tabella 3 sono mostrati i risultati ottenuti nel calcestruzzo confezionato con CEM 32.5R attraverso quattro stadi da A a D per calcolare:

- il rapporto (a/c)₁;
- la R_cm28;
- il rapporto (a/c)_2R;
- il rapporto (a/c)* e la (R_ck)* da adottare per la durabilità della struttura.

Nella Fig. 2 sono mostrati i calcoli della R_cm28 e del rapporto a/c quando si impiega il CEM 32.5R:

- stadio A della Tabella 3 → la R_cm28, derivante da considerazioni strutturali con R_ck = 30 MPa, è pari a 30 + 1.4•5 = 37 MPa e corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 37 MPa in Fig.2) ad un rapporto (a/c)₁ = 0.52.

- stadio B della Tabella 3 → (a/c)₂ = 0.50 corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 0.50 in Fig.2) a una R_cm28 di 38 MPa;

- stadio C della Tabella 3 → (a/c)_2R corrisponde alla (R_ck)* di 40 MPa per ragioni di durabilità che comporta una R_cm28 di 47 MPa da cui (seguendo la freccia in Fig.1) si arriva a 0.42;

- stadio D della Tabella 3 → scelta del rapporto (a/c)* più basso da adottare per confezionare il calcestruzzo.

In conclusione, i valori di (R_ck)* così calcolati corrispondono esattamente al valore di R_ck mostrato in Tabella 1 per garantire la durabilità della struttura in C.A. esposta nella classe di esposizione XC4. Al contrario, il rapporto (a/c)* calcolato per garantire la durabilità è 0.42 e quindi discretamente inferiore a quello prescritto di 0.45 mostrato in Tabella 1.

4.2 Cemento 42.5 R

Nella Tabella 4 sono mostrati i risultati ottenuti nel calcestruzzo confezionato con CEM 42.5R attraverso quattro stadi sopra menzionati:

- il rapporto (a/c)₁;
- la R_cm28;
- il rapporto (a/c)_2R;
- il rapporto (a/c)* e la (R_ck)* da adottare per la durabilità della struttura.

Nella Fig. 3 sono mostrati i calcoli della R_cm28 e del rapporto a/c quando si impiega il CEM 42.5R:

- stadio A della Tabella 4 → la R_cm28, derivante da considerazioni strutturali con R_ck = 30 MPa, è pari a 30 + 1.4•5 = 37 MPa e corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 37 MPa in Fig.3) ad un rapporto (a/c)₁ = 0.60.

- stadio B della Tabella 4 → (a/c)₂ ≤ 0.50 corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 0.50 in Fig.3) a una R_cm28 di 51 MPa che a sua volta corrisponde ad una R_ck di 51-1.4•5 = 44 MPa difficilmente disponibile nei listini del calcestruzzo preconfezionato. E’ conveniente pertanto arrotondare 44 MPa in ≈ 45 MPa. A questo valore di R_ck arrotondato corrisponde una R_cm28 = 45 +1.4•5 = 52 MPa. Seguendo il percorso della freccia da 52 MPa in Fig.3 si arriva al valore di a/c = 0.49. In altre parole il valore di a/c si adegua cambiando da 0.50 a 0.49 per arrivare ad un valore arrotondato della R_ck disponibile sul mercato;

- stadio C della Tabella 4 → (a/c)_2R corrisponde alla (R_ck)* di 40 MPa per ragioni di durabilità che comporta una R_cm28 di 47 MPa da cui (seguendo la freccia in Fig.3) si arriva a 0.52.

Pertanto, i valori di (R_ck)* così calcolato (45 MPa) è superiore al valore di R_ck (40 MPa) mostrato in Tabella 1 per garantire la durabilità della struttura in C.A. esposta nella classe di esposizione XC4. Al contrario, il rapporto (a/c)* calcolato per garantire la durabilità è 0.49 e quindi leggermente inferiore a quello prescritto di 0.50 mostrato in Tabella 1.

4.2 Cemento 52.5 R

Nella Tabella 5 sono mostrati i risultati ottenuti nel calcestruzzo confezionato con CEM 52.5R attraverso quattro stadi sopra menzionati:

- il rapporto (a/c)₁;
- la R_cm28;
- il rapporto (a/c)_2R;
- il rapporto (a/c)* e la (R_ck)* da adottare per la durabilità della struttura.

Nella Fig. 4 sono mostrati i calcoli della R_cm28 e del rapporto a/c quando si impiega il CEM 52.5R:

- stadio A della Tabella 5 → la R_cm28, derivante da considerazioni strutturali con R_ck = 30 MPa, è pari a 30 + 1.4•5 = 37 MPa e corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 37 MPa in Fig.4) ad un rapporto (a/c)₁ = 0.65, sensibilmente maggiore di quelli registrati con gli altri cementi per le maggiori prestazioni meccaniche del CEM 52.5R.

- stadio B della Tabella 5 → (a/c)₂ ≤ 0.50 corrisponde (seguendo il tracciato della freccia da 0.50 in Fig.4) a una R_cm28 di 61 MPa che a sua volta corrisponde ad una R_ck di 61-1.4•5 = 54 MPa difficilmente disponibile nei listini del calcestruzzo preconfezionato e pertanto arrotondabilea ≈ 55 MPa. A questo valore di R_ck corrisponde una R_cm28 = 55 +1.4•5 = 62 MPa. Seguendo il percorso della freccia da 62 MPa in Fig.4 si arriva al valore di a/c = 0.49. In altre parole il valore di a/c si adatta per arrivare ad un valore arrotondato della R_ck disponibile sul mercato;

- stadio C della Tabella 5 → (a/c)_2R corrisponde alla R_ck di 40 MPa sensibilmente inferiore al valore di 55 MPa sopra calcolato in base al rapporto (a/c)₂ per il cemtno di classe 52.5 R.

Pertanto, il valori di (R_ck)* così calcolato (55 MPA) è superiore al valore di R_ck (40 MPa) mostrato in Tabella 1 per garantire la durabilità della struttura in C.A. esposta nella classe di esposizione XC4. Al contrario, il rapporto (a/c)* calcolato per garantire la durabilità è 0.49 e quindi quasi coincidente con quello prescritto di 0.50 mostrato in Tabella 1.

5. CONCLUSIONI

Nella Tabella 6 sono riassunti i valori di a/c e di R_ck che debbono essere rispettati per garantire la durabilità di una struttura in C.A. nella classe di esposizione XC4 in funzione della classe di cemento adottato. Il calcolo è stato limitato a tre cementi (32.5R, 42.5R, 52.5R) ma potrebbe ovviamente essere esteso anche ai cementi della corrispondente classe N.

I valori mostrati in Tabella 6 indicano che il valore di 40 MPa come R_ck minima per garantire la durabilità della struttura non è più sufficiente quando si adottano cementi 42.5R e 52.5R per i quali il valore richiesto per il rapporto a/c (circa 0.50) comporta valori di R_ck rispettivamente di 45 e 55 MPa e quindi superiori a quello previsto di 40 MPa.

Nella Tabella 6 si vede anche che, se si impiega un cemento 32.5R, per garantire una R_ck di almeno 40 MPa, come richiesto nella Tabella 1, occorre abbassare a 0.42 il rapporto a/c al di sotto del valore massimo (0.50) previsto dall’attuale UNI 11104.

Infine il dosaggio minimo di cemento richiesto nella Tabella 1 deve essere considerato fuorviante e comunque da escludere in strutture massive dove i dosaggi indicati in Tabella 1 possono risultare eccessivi ai fini dello sviluppo termico dovuto al calore di idratazione del cemento.

Sarebbe invece molto utile che venissero almeno consigliati i tipi di cemento capaci di contribuire a mitigare le aggressioni come per esempio il cemento d’altoforno, pozzolanico e composito nei confronti dei cloruri delle opere marittime e di quelle di alta montagna esposte al trattamento disgelante con sali a base di cloruro. Da questo punto di vista solo nel caso delle strutture esposte ai sali solfatici (classe di esposizione A) si raccomanda l’impiego di cementi resistenti ai solfati.


BIBLIOGRAFIA

(1) I. Lyse, “Tests on consistency and strength of concrete having constant water content”, Proceedings ASTM, 32, Part II, pp. 629-636, (1932).

(2) M. Collepardi, A. Marcialis, R. Turriziani, “Penetration of chloride ions in cement pastes and concretes”, Journal of American Society, 55, pp. 534-535, (1972).