www.edilweb.it - Acqua:fatti e misfatti sul cantiere

da Enco Journal: ABC del calcestruzzo

L'acqua è uno dei tre protagonisti - insieme al cemento e all'aggregato lapideo - nel processo produttivo del calcestruzzo. Senza l'acqua non si può produrre il calcestruzzo. Ma se si esagera con l'acqua si confeziona un mediocre calcestruzzo in termini di resistenza meccanica e di durabilità. Le tentazioni per abbondare in acqua sono fondamentalmente due: a differenza degli altri due ingredienti, il costo dell'acqua è pressoché nullo, cosicchè abbondare in acqua non comporta alcun aumento nel costo del prodotto finito; più acqua nel calcestruzzo significa ottenere un conglomerato più fluido, cioè più facile da lavorare e quindi più apprezzato sul cantiere dagli addetti alla messa in opera.
In realtà, ciò che penalizza la resistenza meccanica e la durabilità del calcestruzzo non è un'eccessiva quantità di acqua in assoluto, ma piuttosto un eccessivo rapporto tra la quantità di acqua (a) e quella del cemento (c). In altre parole, si può anche aumentare la quantità di acqua - se questo serve a migliorare la lavorabilità del calcestruzzo per esigenze di getto - a patto che si aumenti in misura proporzionale la quantità di cemento in modo da lasciare immutato il rapporto a/c tra questi due ingredienti.

Tabella 1 - Classe di consistenza.

CLASSE DI CONSISTENZA	SLUMP (mm)	DENOMINAZIONE CORRENTE
S1	0-40	terra umida
S2	50-90	plastica
S3	100-150	semi-fluida
S4	160-200	fluida
S5	> 210	super-fluida

LA MAGIA DEL MIX DESIGN

C'è un'espressione magica, che ha riscosso un notevole successo tra gli addetti ai lavori (forse per il fascino esotico delle parole straniere): mix-design. Per esperienza personale debbo dire che di mix-design si parla molto, ma se ne pratica poco. Mix-design significa letteralmente "progetto di miscela". Significa, in sostanza, progettare la composizione del calcestruzzo, esplicitando il dosaggio dei singoli ingredienti determinato dalle esigenze esecutive (lavorabilità al momento del getto, disponibilità dell'aggregato), dalle prestazioni e dalle condizioni ambientali in servizio (resistenza meccanica, durabilità, ecc.). Nella maggior parte dei casi, invece, il mix-design consiste nello "sparare" la composizione del calcestruzzo (cioè la famosa "ricetta") senza l'elaborazione necessaria, senza precisare le esigenze esecutive, le condizioni ambientali, le prestazioni richieste in servizio.
Riducendo all'osso il problema, il mix-design poggia su due principi fondamentali (che potremmo identificare con la regola di Lyse e la legge di Abrams) entrambi in relazione con la quantità di acqua impiegata per confezionare il calcestruzzo.

LA REGOLA DI LYSE

La regola di Lyse si riferisce alla quantità di acqua che occorre impiegare per confezionare calcestruzzi di diversa classe di consistenza. La classe di consistenza, identificata da un codice (da S1 a S5), corrisponde ad un intervallo di lavorabilità espressa attraverso la misura dello slump. Per esempio, la classe di consistenza S2 corrisponde ad un calcestruzzo di consistenza plastica con uno slump compreso tra 50 e 90 mm (Tabella 1).
La regola di Lyse può essere così riassunta in due enunciati molto semplici e tra loro complementari: a) per un dato diametro massimo dell'aggregato, maggiore è la classe di consistenza richiesta per il calcestruzzo fresco, maggiore deve essere la quantità di acqua nell'impasto; b) per una data classe di consistenza del calcestruzzo, maggiore è il diametro massimo dell'aggregato, minore è la richiesta d'acqua per conseguire la consistenza prefissata.
I dati mostrati nella Tabella 2, riassumono esemplificativamente i due enunciati della regola di Lyse. Per esempio, se il diametro massimo dell'aggregato è 20 mm, la quantità di acqua per raggiungere la consistenza di terra umida (S1) è di 180 Kg/m³ ed aumenta progressivamente fino a 230 Kg/m³ quando si deve raggiungere la consistenza superfluida (S5).
D'altra parte, se la lavorabilità del calcestruzzo è fissata (per esempio classe di consistenza S3), la quantità di acqua diminuisce da 230 a 200 Kg/m³ quando aumenta il diametro massimo da 8 a 32 mm.
I quantitativi di acqua di impasto riportati nella Tabella 2 sono puramente indicativi, giacché in realtà altri parametri possono modificare gli specifici valori. Ma ciò non inficia assolutamente la validità della regola di Lyse.
Ad esempio, con gli aggregati di frantumazione la richiesta d'acqua risulta più alta (di circa 10 Kg/m³) rispetto ai valori mostrati in Tabella 2. D'altra parte, con gli aggregati tondeggianti alluvionali, i corrispondenti valori risultano più bassi (di circa 10 Kg/m³) rispetto a quelli mostrati in Tabella 2. In altre parole, per una data fonte di aggregato seguita a valere che occorre aumentare l'acqua di impasto se si vuole aumentare la lavorabilità e se si diminuisce il diametro massimo dell'aggregato. Ogni produttore di calcestruzzo può organizzare una raccolta di dati equivalente alla Tabella 2 confezionando cinque impasti, con lavorabilità corrispondenti alle cinque classi di consistenza (da S1 ad S5), per prevedere la richiesta d'acqua in funzione del livello di lavorabilità. Per la confezione di questi cinque impasti si può adottare un dosaggio medio di cemento (per esempio 300 Kg/m³), tenendo presente che la richiesta d'acqua non dipende significativamente dal dosaggio di cemento.

LA LEGGE DI ABRAMS

Nel 1918, D.A. Abrams - più famoso, forse, per aver inventato il "cono" con cui si misura lo slump - enunciò una legge fondamentale nella tecnologia del calcestruzzo: la resistenza meccanica ad una determinata stagionatura (per esempio: 28 giorni) e ad una determinata temperatura (per esempio: 20°C) aumenta al diminuire del rapporto acqua/cemento secondo l'equazione:

R = K₁/K₂^a/c

dove R è la resistenza meccanica a compressione e K₁ e K₂ sono due costanti che dipendono dal tempo e dalla temperatura di stagionatura oltre dal tipo di cemento.

Tabella 2 - Richiesta d'acqua in funzione del
diametro massimo dell'aggregato e della classe di consistenza.

Diametro (mm)	Richiesta d'acqua (kg/m³) per classe di consistenza
	S1	S2	S3	S4	S5
8	195	210	230	250	255
16	185	200	220	240	245
20	180	195	215	225	230
25	175	190	210	215	225
32	165	180	200	210	220

Per esempio, con una stagionatura di 28 giorni a 20°C (cioé con i parametri stabiliti dalla normativa vigente per determinare la resistenza caratteristica), la correlazione tra R (espressa come resistenza caratteristica) ed a/c per i calcestruzzi confezionati con un cemento portland al calcare di classe 42.5 può essere rappresentata dalla curva della Figura 1.

Fig.1 - Resistenza caratteristica in funzione del rapporto a/c. Per R_ck = 30 N/mm² occorre adottare
un rapporto a/c di 0.63. Se si riaggiunge acqua ed il rapporto a/c diventa 0.67 la R_ck scende
a 24 N/m².

L'ACQUA "GIUSTA"

Sulla base dei due principi sopra illustrati e quantitativamente espressi attraverso la Tabella 2 e la Figura 1, possiamo ora determinare l'acqua "giusta" che occorre per soddisfare simultaneamente due fondamentali esigenze: quelle dell'impresa (lavorabilità) e quelle del progettista (resistenza meccanica). Un'esemplificazione numerica chiarirà meglio il metodo di calcolo. Supponiamo, per esempio, che per il getto sia richiesto un calcestruzzo a consistenza semi-fluida (classe di consistenza S3) e che l'aggregato disponibile abbia un diametro massimo (D_max) di 25 mm.
Utilizzando la Tabella 2 si individua la richiesta d'acqua (a) che è di 210 Kg/m³.

Supponiamo, inoltre, che la resistenza caratteristica (R_ck) prevista in capitolato, sulla base di considerazioni statiche ma anche di durabilità (per esempio calcestruzzo armato in ambienti interni: classe di esposizione 1), sia 30 N/mm² con un controllo di tipo A.
Dalla Figura 1 (che correla R_ck con il rapporto a/c) si deduce che il rapporto a/c deve essere 0.63.
Avendo fissato il valore dell'acqua "giusta" in 210 Kg/m³ (per esigenze di lavorabilità), ed avendo fissato il rapporto a/c in 0.63 (per esigenze di resistenza meccanica), ne consegue che il dosaggio di cemento (c) deve essere uno ed uno solo:

a/c = 210/c = 0.63; c = 333 Kg/m³

Val la pena si segnalare che se l'esigenza del cantiere, per la difficoltà del getto (ferri e forma delle strutture), comporta una maggiore lavorabilità (per esempio: consistenza super-fluida, S5), occorre aumentare la richiesta d'acqua e conseguentemente il dosaggio di cemento, anche se la R_ck (30 N/mm²) rimane immutata.
La richiesta d'acqua con classe di consistenza S5 e D_max di 25 mm diventa 225 Kg/m³ (Tabella 2).
Pertanto, per rispettare lo stesso rapporto a/c di 0.63 occorre adottare un maggior dosaggio di cemento (c):

225/c = 0.63; c = 357 Kg/m³

LA RIAGGIUNTA D'ACQUA

Come si è potuto vedere nell'esempio sopra illustrato, la variazione di consistenza del calcestruzzo fresco (da S3 ad S5, cioè da un calcestruzzo semi-fluido a superfluido) comporta un aumento di acqua (da 210 a 225 Kg/m³), ma anche di cemento (da 333 a 357 Kg/m³). Ne deriva conseguentemente che l'aumento di lavorabilità, senza penalizzazione di resistenza meccanica, ha un costo identificabile nel maggior dosaggio di cemento (circa 20 Kg/m³). In realtà, l'aumento di lavorabilità può essere conseguito anche con aggiunta di additivi, senza modificare la richiesta d'acqua e il dosaggio di cemento. Ma ciò non cambia i termini del problema: l'aumento di lavorabilità, a pari R_ck, comporta un aumento del costo del calcestruzzo derivante dall'impiego dell'additivo o dall'aumento nel dosaggio di cemento.
Questa considerazione si riflette in pratica nei listini del calcestruzzo che vengono offerti, per una determinata R_ck, a prezzi che aumentano con la lavorabilità richiesta.
Come reagiscono solitamente le imprese a questa diversità dei prezzi del calcestruzzo in funzione della diversa lavorabilità? Ordinano il calcestruzzo alla consistenza più bassa disponibile (generalmente S3 e talvolta S2), e riaggiungono sul cantiere dentro l'autobetoniera l'acqua che occorre per portare il livello della lavorabilità a quello che realmente si richiede (generalmente S4 ma più spesso S5). La riaggiunta d'acqua - ovviamente non accompagnata da una proporzionale riaggiunta di cemento per mantenere inalterato il rapporto a/c - comporta un aumento di lavorabilità (regola di Lyse), ma anche una penalizzazione della resistenza caratteristica prevista in capitolato (legge di Abrams).
Per rimanere all'esempio sopra illustrato, si può anche facilmente calcolare il grado di penalizzazione nella R_ck a seguito di una riaggiunta d'acqua sul cantiere per trasformare un calcestruzzo semi-fluido (S3) in superfluido (S5):

S3 => a = 210 Kg/m³; S5 => a = 225 Kg/m³

Poiché il cemento è rimasto inalterato (c = 333 Kg/m³ per la classe di consistenza S3), il rapporto a/c aumenta da 0.63 a 0.67:

210/333 = 0.63 => 225/333 = 0.67

Conseguentemente, dopo la riaggiunta d'acqua, l'aumento del rapporto a/c comporta una diminuzione della R_ck effettiva che, dopo la riaggiunta d'acqua, diventa circa 24 N/mm² (Figura 1).

Getto di calcestruzzo superfluido (S5) in opera fortemente armata

CHI E' RESPONSABILE?

Chi è responsabile di questa manipolazione frequentemente praticata sui cantieri? La risposta è necessariamente complessa ed articolata giacché coinvolge tutta la catena degli operatori: dal produttore di calcestruzzo all'impresa, dal progettista al direttore dei lavori.
Si potrebbe cominciare dal produttore di calcestruzzo le cui responsabilità, in realtà, sono modeste o nulle. Sono nulle, per esempio, quando offre a listino diverse opzioni di lavorabilità per una data R_ck, quando registra sulla bolla di consegna la effettiva classe di consistenza consegnata, e quando chiede di controfirmare la bolla a chi richiede di riaggiungere acqua in autobetoniera sul cantiere.
Non sono invece nulle le responsabilità, ma comunque limitate, quando in assenza di una specifica richiesta della classe di consistenza da parte dell'impresa, il produttore di calcestruzzo offre un impasto poco lavorabile solo per tenere basso il costo e battere la concorrenza di chi vorrebbe offrire un calcestruzzo più fluido, più costoso e più adeguato alle obiettive difficoltà di getto sul cantiere.
Sicuramente maggiori sono le responsabilità dell'impresa quando modifica la lavorabilità del calcestruzzo consegnato con riaggiunta d'acqua. Nel momento, poi, in cui l'impresa controfirma la bolla di consegna attestando che ha espressamente richiesto una riaggiunta d'acqua firma anche un atto di oggettiva e documentata responsabilità in caso di contestazione da parte del direttore dei lavori o del collaudatore. Infatti, in caso di contestazione, un eventuale controllo della struttura mediante carotaggio che dovesse dimostrare la inadeguatezza del materiale, sarebbe facilmente correlabile con la riaggiunta d'acqua e la conseguente penalizzazione nella resistenza meccanica.
Il progettista ritiene, in genere, che la lavorabilità del calcestruzzo sia un dettaglio esecutivo di irrilevante importanza e comunque debba essere affrontato dall'impresa. Eppure nessuno come il progettista dovrebbe conoscere la difficoltà di realizzare le proprie strutture. Nessuno come il progettista dovrebbe sapere il reale grado di difficoltà che il calcestruzzo incontra nell'avvolgimento dei ferri di armatura e nel riempimento dei casseri laddove le sezioni sono ridotte e la possibilità di vibrare l'impasto sono remote, se non inesistenti .
Un buon progettista dovrebbe valutare la difficoltà di realizzazione delle proprie strutture e rendere tanto più facile l'operazione pratica del getto quanto più difficile ne è stimata l'esecuzione. Si tratta, in sostanza, di scegliere quale dei cinque livelli di consistenza (da S1 a S5 come è mostrato in Tabella 1) è il più adeguato in relazione alla difficoltà esecutiva ed alla tecnica adottata. Se, per esempio, si deve realizzare una diga o una pavimentazione con vibrofinitrice è d'obbligo un calcestruzzo a consistenza di terra umida (S1). Se, invece, si deve costruire una ciminiera con la tecnica dei casseri rampanti, si deve prescrivere un calcestruzzo a consistenza plastica (S2) o al massimo semi-fluida (S3). Ma nella stragrande maggioranza dei casi, con la eccezione delle tipologie strutturali ora menzionate, è inutile ignorare la situazione sociale della manodopera presente nei nostri cantieri e la inadeguatezza tecnica dei sistemi di compattazione. E' necessario in questi casi, prescrivere in capitolato una consistenza fluida (S4) e molto spesso superfluida (S5). Se non ci penserà il progettista in fase di progetto e di stesura del capitolato, sarà l'ultimo degli operai del cantiere - con il classico gesto della mano a pollice in giù - a richiedere di riaggiungere acqua per superare le difficoltà del getto. Il grande progettista Silvano Zorzi, che di queste cose se ne intendeva, si poneva il problema della "difficile semplicità" e sosteneva che occorre rendere tanto più semplice l'esecuzione quanto più difficile è la struttura.
Sulle responsabilità del direttore dei lavori per la riaggiunta d'acqua sul cantiere credo ci sia poco da discutere. Di solito il direttore dei lavori non assiste ai getti del calcestruzzo, nè affida ad un suo collaboratore l'incarico di sorvegliare questa importantissima fase della costruzione attraverso il controllo della lavorabilità ed il prelievo dei "cubetti" secondo le prescrizioni di legge. Eppure sarebbe molto facile, anche in assenza al momento dei getti, da una parte diffidare l'impresa dalle riaggiunte d'acqua in betoniera, e dall'altra chiedere copia della bolla di consegna dove il fornitore del calcestruzzo - a difesa dei suoi interessi - ha fatto registrare la eventuale richiesta d'acqua da parte dell'impresa. Se poi il direttore dei lavori dovesse verificare che la lavorabilità del calcestruzzo consegnato dal fornitore è assolutamente inadeguata alla difficoltà del getto, avrebbe tutti i poteri - ferma restando la R_ck - di innalzare la lavorabilità del calcestruzzo consegnato ad un livello maggiore e tale da non dover essere più manipolato con riaggiunte d'acqua sul cantiere.
Un dato è certo: in tutti quei casi in cui la direzione dei lavori non è latitante, ma assiste sul cantiere attraverso i controlli della lavorabilità ed il prelievo dei cubetti, la riaggiunta d'acqua non è consentita ed i risultati prestazionali dell'opera - in termini di resistenza meccanica e durabilità - sono indubbiamente conseguiti.