le strutture aeree fuori terra in climi freddi: degrado promosso dai

BBC Betonrossi Basic Concrete a cura di Luigi Coppola e del Servizio Tecnologico di Betonrossi S.p.A.
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LE STRUTTURE AEREE FUORI TERRA
IN CLIMI FREDDI:
DEGRADO PROMOSSO DAI CICLI
DI GELO-DISGELO
I
l degrado delle strutture in servizio può essere esaltato dalle oscillazione
cicliche della temperatura intorno a 0°C40 a seguito dell’incremento della pressione dell’acqua presente nei pori capillari del calcestruzzo capace di provocare tensioni distruttive sia
nei confronti della matrice cementizia che degli aggregati. Se nei pori capillari il volume
di acqua liquida occupa quasi completamente quello del poro, per effetto della formazione
dei primi germi di ghiaccio l’acqua non congelata viene espulsa generando la nascita di una
pressione idraulica determinata dalla resistenza opposta al flusso di acqua.
La pressione (H) generata da questi fenomeni può essere definita mediante l’equazione
di Darcy:
H = dq/dt . 1/A . 1/K . l
dove: dq/dt è il flusso di acqua, cioè il volume di acqua liquida espulso dal poro nell’unità di tempo. Maggiore è la velocità di abbassamento della temperatura, maggiore
sarà il volume di ghiaccio formatosi nell’unità di tempo e, quindi, più elevato risulterà
il flusso di acqua espulso dal poro. Il grado di saturazione influenza il valore della
pressione dell’acqua non congelata. Se il grado di saturazione41 fosse inferiore al
91.7%, infatti, anche nella ipotesi di completo congelamento dell’acqua liquida presente nel poro il volume di ghiaccio formatosi non sarebbe sufficiente a riempirlo completamente e, conseguentemente, non ci sarebbe acqua in eccesso che viene espulsa;
A è la sezione del poro attraverso il quale l’acqua viene espulsa e K il coefficiente di
permeabilità della matrice cementizia. La pressione idraulica risulterà, pertanto, tanto
più elevata quanto minore è la dimensione dei pori e quanto minore il grado di interconnessione tra gli stessi (cioè quanto minore è il coefficiente di permeabilità);
l è la distanza che l’acqua liquida in pressione deve percorrere per raggiungere un poro
che possa ospitarla.
Il grado di saturazione può essere ridotto attraverso l’adozione di calcestruzzi caratterizzati da una bassa porosità. Tuttavia, questo provvedimento non risulta sufficiente ad
impedire che la matrice cementizia si degradi per effetto dei cicli di gelo-disgelo. Infatti,
se da una parte l’impiego di un calcestruzzo con basso rapporto a/c attenua la pressione
indotta dalla formazione di ghiaccio per effetto del minor grado di saturazione dall’altra la
diminuzione del coefficiente di permeabilità (diminuisce K), della dimensione media dei
pori capillari (diminuisce A) e dell’interconnessione tra gli stessi (aumenta l) determina un
aumento della pressione capillare che nei casi reali supera la resistenza del calcestruzzo
degradandolo. In definitiva, quindi, nelle strutture esposte a climi rigidi la diminuzione
del rapporto a/c non rappresenta una soluzione efficace alla risoluzione dei problemi
connessi con l’incremento di pressione dell’acqua liquida presente nelle porosità del conglomerato.
La soluzione al problema della gelività del calcestruzzo è rappresentata dall’impiego nel
confezionamento del conglomerato di additivi aeranti capaci, attraverso una stabilizzazione dell’aria presente nell’impasto, di garantire nella matrice cementizia la formazione di un
sistema di microbolle omogeneamente disperso in cui la pressione dell’acqua liquida generata dalla formazione del ghiaccio nei pori capillari possa scaricarsi prima di attingere valori superiori alla resistenza del materiale. L’aria stabilizzata in un calcestruzzo in presenza
di un additivo aerante viene individuata dal termine “inglobata” (o “aggiunta” secondo la
UNI-EN 206/1 2001) per distinguerla da quella “intrappolata” di un conglomerato confezionato in assenza del tensioattivo.
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Modulando opportunamente il dosaggio di additivo aerante si può conseguire un valore
della distanza tra le bolle (spacing) che consenta di limitare la pressione dell’acqua impedendo che la stessa superi la resistenza della matrice cementizia. In sostanza, quindi, la
resistenza al gelo del calcestruzzo conseguente all’aggiunta dell’additivo aerante deriva
dalla riduzione del cammino (l nell’equazione) che l’acqua non congelata deve percorrere
per trovare una microbolla vuota in cui poter scaricare la sua pressione. Le prove sperimentali indicano che questo risultato si consegue quando la distanza tra le bolle risulta inferiore a 200 - 250 µm.
La misura dello spacing tra le microbolle, peraltro abbastanza complicata, si può effettuare solo sul calcestruzzo indurito. Pertanto, eventuali errori in difetto nel dosaggio dell’additivo aerante verrebbero messi in evidenza quando ormai la struttura è stata già realizzata costringendo ad intervenire sul manufatto con complicati, se non impossibili, interventi di impermeabilizzazione tesi alla riduzione del grado di saturazione che compensino
il deficit di aria inglobata ed il conseguente elevato valore della distanza tra le microbolle.
Per questo motivo nelle prescrizioni di capitolato relative a calcestruzzi resistenti al
gelo si preferisce indicare anche il volume di aria inglobata. Lo spacing, infatti, è direttamente correlato con il volume totale di aria nell’impasto. Il valore prescritto dell’aria
inglobata, inoltre, è di facile determinazione sul calcestruzzo fresco mediante il porosimetro. Conseguentemente, se al momento della consegna del calcestruzzo in cantiere
questo dovesse evidenziare un volume di aria inferiore a quello prescritto sarà possibile
rigettare l’impasto evitando di realizzare la struttura con un conglomerato potenzialmente
gelivo. Nella Tabella che segue vengono riportati i valori consigliati per l’aria inglobata in
funzione del diametro massimo dell’aggregato.
Impianto di betonaggio - sede di Piacenza
Valori consigliati del volume di aria inglobata (in percentuale sul volume del calcestruzzo) in funzione del diametro
massimo dell’aggregato, valori dell’aria intrappolata per calcestruzzi completamente compattati ed extra-aria.
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Dmax (mm)
8
12
16
20
32
Intrappolata: a’ (%)
3.5 +/-1
2.5 +/-1
2.0 +/-1
1.5 +/-0.5
1.0 +/-0.5
Inglobata: a’in (%)
7.5 +/-1
6.5 +/-1
6.0 +/-1
5.5 +/-0.5
5.0 +/-0.5
Extra-aria:
(a’ - a’in) (%)
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
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Dall’esame dei dati riportati in Tabella emerge come l’impiego degli additivi aeranti per
rendere i calcestruzzi resistenti al gelo determini un volume di extra-aria mediamente pari
al 4% rispetto al volume di aria naturalmente intrappolata in un impasto perfettamente
compattato e conseguentemente una penalizzazione della resistenza di circa il 15-20% di
cui si deve tener conto nella progettazione dell’impasto ed, in particolare, nella scelta del
rapporto a/c.
Prescrizioni di capitolato per strutture fuori terra esposte al rischio di degrado per
cicli di gelo-disgelo.
In base alle considerazioni esposte si possono a questo punto esplicitare le prescrizioni di
capitolato per i calcestruzzi destinati a strutture esposte ai cicli di gelo disgelo. In linea di massima nel nostro Paese queste prescrizioni debbono essere attuate per tutte le strutture aeree42
che vengono realizzate lungo la fascia alpina anche ad altitudini relativamente basse (600-800
m s.l.m.) e quelle situate lungo la dorsale appenninica a quote superiori ai 1000 m s.l.m.
Prescrizioni di capitolato in accordo alla UNI 11104 per strutture aeree esposte ai cicli di gelo-disgelo in assenza di
sali disgelanti (tra parentesi quadrata i valori suggeriti dalla norma europea. Per l’aria si riportano anche i valori
suggeriti tra parentesi graffe).
PRESCRIZIONE DI CAPITOLATO
XF1
XF3
(a/c)max
0.50 [0.55]
0.50 [0.50]
Classe di resistenza minima
C32/40 [C30/37]
C25/30 [C30/37]
Aria inglobata
-
3%; {5-7.5%} ; [4%]
Spacing
-
< 200 - 250 µm
Aggregati (UNI 12620)
F4 MS35
F2 MS25
Dosaggio minimo di cemento (Kg/m3)
320 [300]
340 [320]
Relativamente alle suddette prescrizioni si possono fare le seguenti ulteriori considerazioni:
A) il controllo dell’aria inglobata sul calcestruzzo fresco dovrà essere esercitato con la
stessa frequenza dei controlli di accettazione per la Rck mediante il porosimetro su
un campione di calcestruzzo compattato con le stesse modalità che verranno impiegate nel
costipamento dei getti reali;
B) è opportuno specificare nelle prescrizioni di capitolato anche il valore massimo dello
spacing tra le microbolle da determinare eventualmente su carote di calcestruzzo indurito prelevate direttamente dalle strutture in opera;
C) richiedere al produttore del conglomerato una specifica documentazione che attesti
la resistenza al gelo dell’aggregato in accordo alla UNI-EN 12620 valutata mediante le
metodologia di prova UNI 1367 parte 1 o 2;
Le prescrizioni sopra riportate costituiscono la condizione necessaria per realizzare
opere durevoli in climi rigidi, ma possono risultare non sufficienti se non accompagnate
da una corretta progettazione dei particolari costruttivi. Nelle strutture orizzontali (terrazze, coperture piane, pensiline, etc.) occorre, ad esempio, garantire le pendenze necessarie per un corretto deflusso delle acque. Le stesse, inoltre, devono essere correttamente
raccolte e smaltite evitando che vengano in contatto con le superfici verticali degli elementi in calcestruzzo sottostanti. Ovviamente, ove non è possibile evitare il contatto con
l’acqua al fine di ridurre il grado di saturazione si potrà far ricorso alla realizzazione di protezioni impermeabili impiegando vernici acriliche in dispersione acquosa, guaine e vernici
bituminose oppure malte cementizie modificate con polimeri acrilici.
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Nelle pavimentazioni poggianti su terreno, inoltre, è indispensabile, oltre a garantire
una adeguata pendenza per un corretto smaltimento delle acque, evitare la risalita capillare
dal terreno mediante l’utilizzo di opportune barriere vapore43 o vespai drenanti onde impedire che il calcestruzzo subisca per l’elevato grado di saturazione presenti degradi distruttivi e precoci nelle zone corticali della lastra.
40)
L’abbassamento della temperatura al di sotto di 0°C rappresenta un serio inconveniente, non solo ad opera ultimata
quando la struttura è già in servizio, ma anche durante l’esecuzione dei getti. Infatti, se nel momento in cui la temperatura
scende al di sotto di 0°C il calcestruzzo non ha sufficiente resistenza può completamente disintegrarsi per effetto del congelamento dell’acqua contenuta al suo interno. Il rischio che questa situazione si verifichi nella pratica di cantiere è particolarmente alto perché lo sviluppo delle resistenze meccaniche del calcestruzzo risulta fortemente rallentato dalla bassa temperatura. Il problema viene superato con specifici accorgimenti che consistono nel riscaldamento degli ingredienti, e dell’acqua in particolare, nell’adozione di cementi a rapido indurimento (di classe 42.5R), di acceleranti dell’indurimento e nella
protezione delle strutture con fogli di materiale coibente che, evitando la dissipazione del calore prodotto dall’idratazione
del cemento, consentono al getto di raggiungere in breve tempo prestazioni meccaniche idonee a resistere alla formazione
del ghiaccio anche se le temperature ambientali sono particolarmente basse.
41)
Tenendo presente che la formazione del ghiaccio avviene con un aumento di volume rispetto a quello dell’acqua liquida
pari a circa il 9%, il volume occupato dall’acqua liquida all’interno del poro rispetto al volume totale dello stesso (x) affinché
a seguito del congelamento il ghiaccio riempia totalmente lo spazio disponibile risulta pari al 91.7%:
x + 0.09x = 100 ; x = 100/1.09 = 91.7%
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42)
Per le strutture interrate il problema dell’abbassamento della temperatura ambientale al di sotto di 0°C è poco significativo in quanto pur potendo gelare il terreno possiede sufficiente inerzia termica e, pertanto, la velocità di raffreddamento/riscaldamento risulta così esigua da non determinare la nascita di pressioni idrauliche tali da compromettere l’integrità
del calcestruzzo. Per ragioni analoghe il gelo-disgelo non costituisce motivo di preoccupazione nelle strutture in calcestruzzo
(idrauliche) che si trovano permanentemente immerse.
43)
Barriere vapore: fogli di politene stesi sulla “massicciata” costituita dal terreno naturale e da eventuali strati (realizzati
per migliorarne le caratteristiche geomeccaniche) di materiale lapideo sciolto (misto granulare) o legato con cemento (misto
cementato) prima del getto della pavimentazione in calcestruzzo. Vespaio drenante: strato spesso 30-40 cm costituito da
ghiaia o pietrisco monogranulare di grossa pezzatura (40-60 mm di diametro) privo di frazioni limo-argillose realizzato
sulla massicciata mediante stesura e successiva compattazione a rullo del materiale lapideo.