Gli additivi SF impiegati per ridurre acqua e cemento, a pari rapporto acqua/cemento, fanno aumentare il volume dell’aggregato che si oppone al ritiro e questa diminuzione è tanto più evidente quanto maggiore è il rapporto aggregato/cemento (1).
Gli additivi SRA (Shrinkage-reducing admixtures) agiscono sulla riduzione del ritiro senza intervenire nella modifica della composizione del calcestruzzo ma modificando la tensione superficiale dell’acqua (1).
Un secondo obiettivo di questo articolo riguarda lo studio della influenza della cosiddetta cenere volante beneficiata (Beneficiated Fly Ash, BFA) sul ritiro dei calcestruzzi in presenza di additivi superfluidificanti ed SRA.
2. PARTE SPERIMENTALE: MATERIALI E METODI
Materiali
La Tabella 1 mostra la composizione del cemento Portland (CEM I 42.5 R), della cenere volante normale e di quella beneficiata (BFA). Quest’ultima è stata ottenuta per rimozione del carbone incombusto dalla cenere volante mediante una tecnica elettrostatica e l’estrazione mediante sospensione in aria della frazione più tondeggiante e più fine delle particelle di cenere (Fig.1).
Conseguentemente è possibile produrre un calcestruzzo con BFA più prestazionale di quello con cenere normale sia per la lavorabilità del calcestruzzo fresco che per la minore porosità del calcestruzzo indurito. A seguito della trasformazione di cenere normale in BFA la percentuale di carbone incombusto è stata ridotta da 6,6 a 0,8 % mentre la dimensione media delle particelle è passata da 20 a 5 µm.
E’ stato impiegato un additivo superfluidificante (SF) a base di policarbossilato in 30% in acqua. Come additivo riduttore di additivo (SRA) è stato impiegato neopentil glicole capace di ridurre la tensione superficiale dell’acqua da 72,8 a 32,4 N/mm2 quando utilizzato in forma di una soluzione acquosa al 2%.
Le Tabelle 2 e 3 mostrano le composizioni dei calcestruzzi con cenere volante (CV) e BFA rispettivamente tutti alla stessa consistenza (slump = 230-240 mm). Di seguito sono riportate le sigle per identificare questi calcestruzzi:
CONTROL mix: calcestruzzo senza aggiunte minerali e senza additivi;
CV mix;
CV + SRA mix: calcestruzzo con cenere volante e additivo SRA;
CV + SF mix: calcestruzzo con cenere volante e additivo superfluidificante SF;
CV + SRA/ SF mix: calcestruzzo con cenere volante e additivi SF e SRA;
BFA mix: calcestruzzo con BFA senza additivi;
BFA + SRA mix: calcestruzzo con BFA e additivo SRA;
BFA + SF mix: calcestruzzo con cenere volante e additivo superfluidificante SF;
BFA + SRA/ SF mix: calcestruzzo con BFA e additivi SF e SRA.
Metodi
Su provini cubici (150 mm) stagionati a 20 °C è stata misurata la resistenza meccanica a compressione da 1 a 90 giorni.
I calcestruzzi sono stati esposti ad ambienti insaturi di vapore in due diverse condizioni: provini liberi di subire la contrazione sui quali è stato misurato il ritiro igrometrico in laboratorio e lastre esposte all’aria in prove di campo vincolate alle estremità per impedire il ritiro.
In laboratorio su provini prismatici (100x100x500 mm) sformati a 2 giorni ed esposti in ambiente insaturo con UR a 50% a 20 °C è stato misurato il ritiro igrometrico libero da 10 a 120 giorni.
Con ciascuno dei calcestruzzi è stata confezionata anche una lastra lunga 8 m, larga 400 mm e spessa 60 mm; tutte le lastre sono state appoggiate su terreno (Fig.2) ed esposte per 120 giorni all’aria nelle stesse condizioni di UR, di temperatura e di vento dopo essere state bloccate alle estremità in modo che il ritiro vincolato si traducesse in una tensione di trazione (σt) con rischio di fessurazione se σt > Rt. Su ciascuna lastra sono state misurati il numero e l’ampiezza massima delle fessure. La geometria delle lastre, ed in particolare l’eccessivo rapporto lunghezza/larghezza eguale a 20 favorisce la formazione di fessure indotte dal ritiro vincolato.
3. RISULTATI
Res. meccanica dei calcestruzzi con cenere volante e BFA
La Figura 3 mostra la resistenza meccanica del calcestruzzo di riferimento senza aggiunte minerali (CONTROL mix) e quelle dei calcestruzzi con cenere normale (CV mix) e cenere beneficiata (Control BFA). A causa della sostituzione del 20 % di cemento con BFA si registra una modesta riduzione di resistenza alle stagionature iniziali (1-7 giorni) e un aumento di resistenza meccanica di circa il 10 % tra 28 e 90 giorni. Se il cemento è sostituito dalla cenere volante la riduzione di resistenza meccanica è maggiore e persiste anche alle lunghe stagionature ancorché in misura trascurabile.
Risultati simili sono stati ottenuti in presenza di additivi e nelle Tabelle 2 e 3 si trovano i valori di resistenza meccanica a 28 giorni. In presenza di SRA si registra una lieve diminuzione di resistenza (5 %) rispetto al corrispondente calcestruzzo senza SRA.
Calcestruzzi con cenere volante (CV)
La Tabella mostra che tutti i calcestruzzi con cenere volante (CV) sono stati confezionati con lo stesso rapporto acqua/(cemento + CV) di 0,62 adottato per il calcestruzzo senza cenere e additivi legante CONTROL mix. D’altra parte il rapporto acqua/cemento di tutti i calcestruzzi con CV è maggiore (0,77 contro 0,62) di quello del CONTROL mix per la minore quantità di cemento Portland.
Un adeguato dosaggio di additivo superfluidificante (circa 1,3 % sul peso del materiale cementizio) è stato impiegato nei calcestruzzi CV + SF mix o CV + SRA/SF mix per ridurre l’acqua di impasto e del cemento del 30% rispetto ai calcestruzzi CONTROL mix o CV + SRA mix rispettivamente a parità di slump (circa 235 mm). La riduzione dell’acqua e del cemento è stata compensata da un pari aumento in volume dell’inerte cosicché il rapporto inerte/cemento che è di 5,2 nei calcestruzzi senza superfluidificante SF diventa 8,2 nei corrispondenti calcestruzzi con SF.
La presenza di SRA (1% sul peso del materiale cementizio) non provoca alcuna modifica nella composizione dei calcestruzzi rispetto a quello senza SRA.
Ritiro igrometrico libero dei calcestruzzi con CV
La Figura 4 mostra il ritiro igrometrico libero dei calcestruzzi con CV rispetto al calcestruzzo di riferimento CONTROL mix senza cenere. La sostituzione del 20% di cemento con CV in assenza di additivi chimici provoca una riduzione del ritiro igrometrico di circa il 15% e questo risultato è in accordo con quelli riportati nei riferimenti bibliografici (8-10).
La Fig. 4 mostra anche che in presenza di SF, a causa dell’aumento del rapporto inerte/cemento da 5,2 a 8,2 si registra un’ulteriore riduzione nel ritiro igrometrico libero del calcestruzzo con cenere (CV + SRA mix) rispetto al CONTROL mix: circa 25% dopo 120 giorni di esposizione all’ambiente insaturo di vapore con UR del 50%.
La Fig. 4 mostra anche che in presenza di SRA il ritiro del calcestruzzo con cenere (CV + SRA mix) volante diminuisce rispetto al CONTROL mix di circa il 22% a 120 giorni per effetto della riduzione nella tensione superficiale dell’acqua.
La Fig. 4 mostra infine che con la combinata presenza degli additivi SF ed SRA il ritiro libero del calcestruzzo CV + SRA/ SF mix diminuisce del 37% rispetto al ritiro del CONTROL mix.
Ritiro igrometrico vincolato del calcestruzzo con CV
La Tabella 4 mostra che dopo 4 mesi di esposizione all’aria, a causa del minor ritiro vincolato, il numero e l’apertura delle fessure che si sono formate nelle lastre vincolate alle estremità diminuiscono soprattutto se la sostituzione di cemento con cenere volante è accompagnata dalla presenza del superfluidificante SF o dell’additivo SRA. In particolare non è apparsa alcuna fessura nella lastra confezionata con cenere in presenza di entrambi gli additivi (CV + SRA/ SF mix).
Calcestruzzi con BFA
La Tabella 3 mostra le composizioni dei calcestruzzi con BFA a uno slump di circa 235 mm. Il rapporto acqua/cemento che è 0,62 nel CONTROL mix diventa 0,54 nel BFA mix e 0,52 nel BFA + SRA mix: l’effetto è da attribuire alla favorevole sfericità delle particelle di BFA e all’assenza di carbone incombusto. In presenza di additivo superfluidificante SF (1,2 % sul materiale cementizio) l’acqua di impasto e il dosaggio di cemento diminuiscono entrambi del 30 % e il rapporto acqua/cemento rimane circa 0,52 nei calcestruzzi BFA + SF mix e BFA + SF/SRA mix. La diminuzione di acqua e cemento provocata dal superfluidificante è compensata da un pari aumento di volume dell’inerte cosicché il rapporto inerte/cemento passa da 6,5 nel BFA mix e nel BFA + SRA mix a 10,3 nei calcestruzzi BFA + SF mix e BFA + SF/SRA mix.
Ritiro igrometrico libero dei calcestruzzi con BFA
La Fig. 5 mostra il ritiro libero dei provini in condizioni di laboratorio (UR = 50% a 20 °C). La sostituzione del 20 % di cemento con BFA riduce il ritiro libero del 20% a 120 giorni rispetto a quello del CONTROL mix. Perciò la riduzione di ritiro nel BFA mix (appare essere maggiore di quello registrato nella Fig. 4 nel corrispondente calcestruzzo con cenere (CV mix): 20 contro 15%.
In presenza di SF, a causa del significativo incremento nel rapporto aggregato/cemento da 6,5 a 10,3 si registra un notevole decremento nel ritiro igrometrico del BFA + SF mix che a 120 giorni è 30% minore di quello del CONTROL mix (Fig.5).
In presenza di SRA (Fig. 5) il calcestruzzo con BFA (BFA + SRA mix) presenta una diminuzione nel ritiro del 27 % rispetto al calcestruzzo di riferimento senza BFA ed additivo (CONTROL mix) dovuto alla variazione della tensione superficiale e alla pressione capillare che fa contrarre i menischi d’acqua tra le particelle di cemento idratato (1).
Il congiunto impiego di SF ed SRA in un calcestruzzo, dove parte del cemento portland è stato sostituito da BFA (BFA + SF/SRA mix), provoca una riduzione del ritiro libero igrometrico del 45% dopo 120 giorni di esposizione all’aria insatura di laboratorio (UR = 50% a 20 °C) come è mostrato in Fig.5.
Ritiro igrometrico vincolato nei calcestruzzi con BFA
La Tabella 4 mostra la diminuzione di fessure per numero ed ampiezza nelle lastre vincolate confezionate con calcestruzzo con BFA rispetto al calcestruzzo senza BFA (CONTROL mix). L’effetto aumenta con l’impiego degli additivi SF o SRA e ancor di più se sono impiegati entrambi gli additivi: in queste condizioni la lastra lunga 8 metri e larga 400 mm appoggiata su terreno e bloccata alle estremità non mostrava alcuna fessura dopo 4 mesi di esposizione all’aria: il fenomeno è da attribuire alla riduzione del ritiro igrometrico libero εr e quindi alla tensione di trazione σt che diventa inferiore alla resistenza a trazione Rt del calcestruzzo:
σt<Rt
4. CONCLUSIONI
Si è trovato che si verifica una significativa riduzione (20%) dopo 4 mesi di esposizione in un ambiente con umidità relativa UR del 50% a 20°C quando il 20% del cemento portland è stato sostituito da cenere volante (CV) o cenere beneficiata (BFA).
Questo effetto è risultato significativamente migliorato se la sostituzione è accompagnata da additivi superfluidificanti (SF) e/o SRA. Il comportamento della cenere beneficiata in presenza di additivi (BFA + SF/SRA mix) è molto migliore di quello che si registra nel ritiro igrometrico del corrispondente calcestruzzo con cenere volante (CV + SF/SRA mix).
Da un punto di vista pratico la diminuzione del ritiro libero (εr), misurato in provini in laboratorio, si tramuta in una minore tensione di trazione laddove le strutture reali non sono libere di muoversi per la presenza di vincoli che ostacolano il ritiro e generano tensioni di trazioni σt capaci di fessurare le strutture se σt > Rt dove Rt è la resistenza a trazione del calcestruzzo.
La diminuzione del ritiro libero si tramuta in una minore fessurazione per numero e ampiezza di fessure ed entrambi gli effetti mitigano significativamente il rischio di corrosione dei ferri di armatura se le strutture sono esposte in classi di esposizione aggressive come per esempio XC4, XS2 ed XF4.
5. BIBLIOGRAFIA
(1) M. Collepardi, S. Collepardi, e R. Troli, “Il Nuovo Calcestruzzo” Quinta Edizione, Editore Tintoretto, Villorba, 2009
(2) S. Tangtermsirikul, “Class C fly ash as a shrinkage reducer for cement paste”, Fuel and Energy Abstracts, pp. 346-346, 1996
(3) I. Kenji and Y. Megumi, “Fly ash mortar of autogenous shrinkage characteristics in early age”, Proceedings of Cement & Concrete, Japan Cement Association, pp. 176-181, 2001.
(4) H.K. Lee, K.M. Lee and Kim B. G., “Autogenous shrinkage of high-performance concrete containing fly ash”, Magazine of Concrete Research, pp. 507-515, 2003.
(5) J.E. Jonasson, “Shrinkage measurements of mortars with energetically modified fly ash” Samhällsbyggnad, Technical report 2005:11.
(6) P. Termkhajornkit, T. Nawa, M. Nakai, and T. Toshiki Saito, “Effect of fly ash on autogenous shrinkage”, Cement and Concrete Research, pp. 473-482, 2005.
(7) C. D. Atis “High-Volume Fly Ash Concrete with High Strength and Low Drying Shrinkage”, Journal of Materials in Civil Engineering, pp. 153-156, 2003.
(8) P. Chindaprasirt, S. Homwuttiwong and V. Sirivivatnanon , “Influence of fly ash fineness on strength, drying shrinkage and sulfate resistance of blended cement mortar”, Cement and Concrete Research, pp. 1087-1092, 2004.
(9) Y. Takada, H. Nishi, H. Quan, and H. Kasami, H, “ Study of the quality improvement of fly ash concrete with durability improving admixture” pp. 411-418, 2005.
(10) B. Ma, X. Wen, M. Wang, J. Jan and G. Jian, “Drying Shrinkage of Cement-Based Materials Under Conditions of Constant Temperature and Varying Humidity”, Journal of China University of Mining and Technology, pp. 428-431, 2007.
(11) A. Borsoi, M. Collepardi, S. Collepardi e E. Croce, “Cenere volante beneficiata a confronto con cenere volante normale e fumo di silice”, Enco Journal N. 33, 2006.
(12) M. Collepardi, S. Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot and R. Troli “Beneficiated Fly Ash Versus Normal Fly Ash or Silica Fume”, Proceedings of 9th CANMET/ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Warsaw (Poland), 20-25 May, pp. 1-8, (2007).
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