Ingegneria caratteristiche calcestruzzo

GUIDA ALLA SPECIFICA PRESTAZIONALE DEL CALCESTRUZZO
L'attuale produzione di calcestruzzo in Italia non utilizza appieno le potenzialità offerte dagli additivi superfluidificanti, in particolare nell'industria del preconfezionato e con riferimento alla normativa per la durabilità. Infatti statistiche recenti sul consumo del calcestruzzo indicano che almeno il 70% del calcestruzzo a resistenza è di Rck 25 o minore e che meno del 5% è di Rck 35 o maggiore. Inoltre solo il 10% è di classe di consistenza S4 o S5 (come sarebbe richiesta dalla UNI 8981), mentre il 90% è di classe S2 ed S3 (consistenza plastica che è sinonimo di aggiunta di acqua in cantiere con conseguente perdita di resistenza anche oltre il 50%). Tutto questo a grave detrimento della durabilità, che richiederebbe prevalentemente calcestruzzo a rapporto  acqua /cemento  non   superiore  allo  0.55  e quindi resistenze meccaniche a compressione  superiori o eguali a Rck 35 oltre a classi di consistenza S4 ed S5.
Alla base di questa grave situazione, un vero circolo vizioso, c'è la consapevolezza del Progettista della pratica impossibilità di estirpare l'usanza dell'aggiunta d'acqua non controllata in cantiere se la consistenza è di classe S2 o S3; è perciò diffusa l'idea di rischiare di meno progettando a livello di resistenza più basso.
Questo documento vuole essere uno strumento di lavoro per il Progettista al quale oggi non può essere richiesto di essere esperto di tutto, ma la sua multidisciplinarietà deve prevedere la consulenza continua di tecnologi esperti dei materiali e dei problemi legati al cantiere.
Il Progettista può affrontare il problema della ricerca della prestazione attraverso le strade del:

• calcestruzzo durabile secondo la normativa europea UNI EN 206-1;
• calcestruzzo a ritiro compensato;
• calcestruzzo impermeabile;

Massimo rapporto acqua/cemento in funzione dell'aggressività ambientale
Tabella 1 - Classi d'esposizione ambientale del calcestruzzo

Classe	Ambiente d'esposizione	Esempi di condizioni ambientali
1 – Nessun rischio di corrosione delle armature o d'attacco al calcestruzzo
X0	Molto secco	Interni di edifici con umidità relativa molto bassa
2 – Corrosione delle armature indotta da carbonatazione del calcestruzzo
XC1	Secco	Interni di edifici con umidità relativa bassa
XC2	Bagnato, raramente secco	Parti di strutture di contenimento liquidi; Fondazioni
XC3	Umidità moderata	Interni di edifici con umidità da moderata ad alta - Calcestruzzo all'esterno riparato dalla pioggia
XC4	Ciclicamente secco e bagnato	Superfici a contatto diretto con acqua non comprese nella classe XC2
3 – Corrosione indotta dai cloruri
XD1	Umidità moderata	Superfici esposte a spruzzi diretti d'acqua contenente cloruri
XD2	Bagnato, raramente secco	Piscine - Calcestruzzo esposto ad acque industriali contenenti cloruri
XD3	Ciclicamente secco e bagnato	Parti di ponti; pavimentazioni - Solette di parcheggi per auto
4 – Corrosione indotta dai cloruri dell'acqua di mare
XS1	Esposizione alla salsedine marina ma non in contatto diretto con acqua di mare	Strutture sulla costa o in prossimità della costa
XS2	Sommerse	Parti di strutture marine
XS3	Nelle zone di maree, nelle zone soggette a spruzzi	Parti di strutture marine
5 – Attacco da cicli di gelo/disgelo
XF1	Grado moderato di saturazione, in assenza di agenti disgelanti	Superfici verticali esposte alla pioggia e al gelo
XF2	Grado moderato di saturazione, in presenza di agenti disgelanti	Superfici verticali di opere stradali esposte al gelo e ad agenti disgelanti nebulizzati nell'aria
XF3	Grado elevato di saturazione, in assenza di agenti disgelanti	Superfici orizzontali esposti alla pioggia e al gelo
XF4	Grado elevato di saturazione, in presenza di agenti disgelanti	Impalcati stradali e ponti esposti ad agenti disgelanti - Superfici verticali e orizzontali esposte al gelo e a spruzzi d'acqua contenenti agenti disgelanti
6 – Attacco chimico
XA1	Aggressività debole	Ved.Tabella 2
XA2	Aggressività moderata	Ved.Tabella 2
XA3	Aggressività forte	Ved.Tabella 2

Tabella 2 - Classi di esposizione ambientale - attacco chimico

	GRADO DI ATTACCO
	XA1 (debole)	XA2 (moderato)	XA3 (forte)
Agente aggressivo nelle acque
pH	6,5 - 5,5	5,5 - 4,5	4,5 - 4,0
CO2 aggressiva, mg/l	15 - 30	30 - 60	60 -100
ioni ammonio NH4+, mg/l	15 - 30	30 -60	60 - 100
ioni magnesio Mg2+, mg/l	100 -300	300 - 1500	1500- 3000
ioni solfato SO4, mg/l	200 - 600	600-3000	3000 - 6000
Agente aggressivo nel terreno
ioni solfato SO4, mg/kg di terreno seccato all'aria	2000 - 6000	6000 - 12000	> 12000

Nelle classi di esposizione ambientale caratterizzate da possibile aggressione chimica (XA1, XA2, XA3) il cemento deve essere di tipo solfato resistente. In alternativa l'aggiunta al cemento ordinario di fumi di silice in percentuali del 5-10 % sul peso del cemento consente di ottenere effetti equivalenti al cemento solfato resistente.
Nella Tabella 3 vengono specificate le caratteristiche del calcestruzzo ai fini della durabilità delle opere.
Tabella 3 – Massimo rapporto acqua/cemento ammesso e classi di esposizione

Classe di esposizione ambientale UNI EN 206	Massimo rapporto a/c
XS2; XS3; XA3; XD3; XF4	0.45
XS1; XD2; XF2; XA2; XF3; XC4	0.50
XA1; XD1; XF1; XC3	0.55
XC1;XC2	0.60
X0	0,65

Noto il massimo rapporto acqua/cemento ammesso, attraverso dei diagrammi sperimentali è possibile risalire alla corrispondente resistenza a compressione.
Aria aggiunta In funzione dell'aggressività ambientale
La presenza di microbolle d'aria di diametro inferiore a 0.2 mm introdotte dall'azione di additivi aeranti consente, in prossimità dei pori capillari pieni d'acqua in fase di solidificazione, di scaricare la pressione idraulica grazie al trasporto d'acqua dai pori capillari verso le microbolle.
Ogni microbolla ha una sfera d'azione di diametro 0.2-0.3 mm la quale impedisce che la formazione di ghiaccio ingeneri pressioni idrauliche tali da provocare la disgregazione del calcestruzzo. Affinché il calcestruzzo sia quindi protetto da tali sollecitazioni è necessario che le microbolle siano uniformemente distribuite, di diametro inferiore a 0.2 mm e che le sfere di azione appartenenti alle singole microbolle siano sovrapposte.
La normativa UNI 9858 e la EN 206 prevede, ai fini della durabilità nei confronti del gelo-disgelo, che il calcestruzzo contenga dal 4 al 6% di aria aggiunta. In fase di mix design (progettazione della miscela) è' opportuno tenere conto poi dell'effetto di riduzione della resistenza a compressione conseguente alla presenza di aria aggiunta.
Tabella 6 – Aria aggiunta e classi di esposizione in funzione del diametro massimo

Classe di esposizione ambientale UNI EN 206	Aria aggiunta %
	Dmax 8 mm	Dmax 16 mm	Dmax 32 mm
XF2	6	5	4
XF3	6	5	4
XF4	6	5	4

 Lavorabilità in funzione della durabilità e della qualità della posa
La lavorabilità, indice delle proprietà e del comportamento del calcestruzzo nell'intervallo di tempo tra la produzione e la compattazione dell'impasto nella cassaforma, viene comunemente valutata attraverso
la misura della consistenza. Per raggiungere la giusta compattazione del getto in opera, la classe di consistenza del calcestruzzo al momento della posa dovrà essere sempre pari o superiore alla classe di abbassamento al cono S4. 
Classi di consistenza inferiori possono essere considerate ma solo per particolari categorie di opere.
Tabella 7 - Classi di consistenza mediante misura dell'abbassamento al cono

Classe di consistenza	Abbassamento, cm	Denominazione corrente
S3	da 10 a 15	Semifluida
S4	da 16 a 21	Fluida
S5	> 21	Superfluida

Per i calcestruzzi reodinamici (in grado di cioè di autocompattarsi senza vibrazione esterna grazie alla sola energia del proprio peso) esistono prove di caratterizzazione specifiche effettuate ovviamente in assenza di costipazione meccanica.
Diametro massimo degli aggregati in funzione della geometria della struttura e della densità di armatura
In considerazione del tipo di geometria inoltre è necessario indicare nei disegni di progetto anche il diametro massimo dell'aggregato. Tale aspetto apparentemente banale evita di avere calcestruzzi con inerti di granulometria eccessivamente elevata in getti sottili o fortemente armati (con rischi di vespai e segregazione), betoncini o peggio ancora malte per getti di notevoli dimensioni (rischio di fessure da ritiro termico).
Come regola di base è corretto assumere che:
  Dmax < 0.25 volte la dimensione minima (spessore) della struttura;
  Dmax < 1.25 lo spessore del copriferro;
  Dmax < della minima distanza tra le barre di armatura

 

Tabella 8 - Diametro massimo (mm) in funzione del tipo di geometria e densità di armatura

Sezione minima della strutttura	Muri, travi e pilastri armati	Muri non armati	Solette molte armate	Solette poco armate o non armate
8 - 15 cm	12,5 - 19.0	25	12.5 - 19.0	19.0 - 37.5
15 - 30 cm	19.0 - 37.5	37,5	19.0 - 37.5	37.5 - 75
30 - 80 cm	25.0 - 75.0	75	25.0 - 75.0	75.0
80 cm	37.5 - 75	120	37.5 - 75	75 - 120

 Copriferro in funzione dell'aggressività ambientale
Ai fini di preservare le armature dai fenomeni di aggressione ambientale è necessario prevedere un idoneo copriferro; il suo valore, misurato tra la parete interna del cassero e la generatrice dell'armatura metallica più vicina, individua il cosiddetto "copriferro nominale". Il copriferro nominale cnom è somma di due contributi, il copriferro minimo cmin e la tolleranza di posizionamento h.
Vale pertanto: cnom = c min + h. I valori di copriferro minimo In funzione delle classi di esposizione del calcestruzzo sono indicati in Tabella 5.
Tabella 5- Copriferro minimo e classi di esposizione

Classe di esposizione	Cmin (mm)
	c.a	c.a.p
X0	15	30
XC1; XC2	20	30
XA1; XD1; XF1; XC3	25	35
XS1; XD2; XF2; XA2; XF3; XC4	35	40
XS2; XS3; XA3; XD3; XF4	35	40

REQUISITI DEL CALCESTRUZZO DURABILE E RIFERIMENTI NORMATIVI
Ai fini di una corretta scelta del tipo e classe di calcestruzzo occorre, oltre alle considerazioni di carattere strutturale (identificate con la Rck), classificare l'ambiente nel quale ciascun elemento strutturale dovrà essere inserito.
Per "ambiente", in questo contesto, s'intende l'insieme delle azioni chimiche e fisiche alle quali si presume che il calcestruzzo potrà essere esposto durante il periodo di vita delle opere e che causano effetti che non possono essere classificati come dovuti a carichi o ad azioni indirette (deformazioni impresse, cedimenti, variazioni termiche).
A seconda di tali azioni, sono individuate le classi e sottoclassi d'esposizione ambientale del calcestruzzo indicate di seguito (UNI EN 206 e Linee Guida sul calcestruzzo strutturale della Presidenza del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici).

• Massimo rapporto acqua/cemento (minima Rck) in funzione dell'aggressività ambientale
• Aria aggiunta In funzione dell'aggressività ambientale
• Lavorabilità in funzione della durabilità e della qualità della posa
• Diametro massimo degli aggregati in funzione della geometria della struttura e della densità di armatura ;
• Copriferro in funzione dell'aggressività ambientale

Requisiti complementari possono portare inoltre per casi specifici alla richiesta ad esempio del contenimento della fessurazione in fase plastica attraverso l'aggiunta di fibre in poliacrilonitrile o un elevatissimo grado di impermeabilità raggiungibile con l'utilizzo di fumi di silice.
Il Progettista può riconoscere nella seguente tabella come per ottenere calcestruzzi durabili sia necessario progettare con classi più elevate rispetto alle classiche 25 o 30 MPa. Infatti nella zona azzurra sono evidenziate le compatibilità tra le classi di resistenza più ricorrenti (Rck 25 e 30 MPa) e i gradi di aggressività. Si noti che con queste classi il calcestruzzo non è quasi mai durabile !!!!!!! In giallo invece sono evidenziate le aree nelle quali la tradizionale classe 25 o 30 MPa non garantisce affatto durabilità e per le quali è necessario pensare a classi di resistenza adeguate. Nella maggior parte dei casi infatti la Rck necessaria a garantire durabilità è superiore alla Rck necessaria per la verifica strutturale.

 

Aggress.tà dovuta a: Classi di esposizione ambientale   Linee Guida P.C.S.LL.PP e UNI EN 206-1 Carbonatazione Cloruri Mare Gelo Chimico Rischio nullo X0: Interni di edifici con Um rel. molto bassa < 45 % (Rck> 15 MPa)   Moderata XC1; Interni di edifici con Um. rel. bassa 45-65 %.(Rck> 25 MPa) XC2: Parti di strutture di contenimento liquidi. Fondazioni (Rck> 30 MPa) Normale XC3: Interni di edifici con umidità da moderata ad alta. Calcestruzzo all'esterno riparato dalla pioggia (Rck> 37 MPa) XD1: Superfici esposte a spruzzi diretti d'acqua contenente cloruri (Rck> 37 MPa)   XF1: Superfici verticali esposte alla pioggia e al gelo (Rck> 37 MPa) XA1: Aggress.  debole (Rck> 37 MPa) Alta XC4: Superfici a contatto diretto con acqua non comprese nella classe XC2 (Rck> 37 MPa) XD2: Piscine.  Calcestruzzo esposto ad acque industriali contenenti cloruri (Rck> 37 MPa) XS1: Strutture sulla costa o in prossimità della costa (Rck> 37 MPa) XF2: Superfici verticali di opere stradali esposte al gelo e ad agenti disgelanti nebulizzati nell'aria (Rck> 30 MPa + aria) XA2: Aggress.  moderata (Rck> 37 MPa) Molto Alta   XD3: Parti di ponti, pavimentazioni. Solette di parcheggi per auto (Rck> 45 MPa) XS2/S3: Sommerse , Nelle zone di maree, nelle zone soggette a spruzzi (Rck> 45 MPa) XF3: Superfici orizz. esposti alla pioggia e gelo (Rck> 37 MPa + aria) XF4: Impalcati strad. e ponti esposti ad agenti disgelanti. Sup.verti. e orizz. esposte al gelo e a spruzzi d'acqua cont. agenti disgelanti (Rck> 37 MPa + aria) XA3: Aggress.  forte (Rck> 45 MPa)

 

Le classi di esposizione di tipo XF1, XF2, XF3, XF4 richiedono 4-6 % di aria aggiunta (+A) . Anche se la normativa non prevede espressamento l'aria aggiunta per la classe XF1 consigliamo vivamente di equipare questa classe alle altre di tipo F le quali tutti prevedono il calcestruzzo aerato.
La Rck relativa indicata in tabella tiene conto della riduzione di resistenza dovuta alla presenza di aria nell'impasto