FESSURE DOVUTE AL RITIRO IGROMETRICO

Il ritiro igrometrico è una contrazione di volume che si verifica nel calcestruzzo, durante l’indurimento, causata dalla perdita di umidità verso un ambiente insaturo. 

Se il ritiro igrometrico potesse avvenire liberamente, senza alcun vincolo, non rappresenterebbe alcun problema per la maggior parte degli elementi strutturali in conglomerato cementizio. 

Purtroppo, a causa della presenza di vincoli interni ed esterni (interazione con l’armatura metallica di rinforzo, collegamento con altre parti della struttura, attrito con il sottofondo per le lastre su terreno, etc ...) la contrazione da ritiro è parzialmente o totalmente ostacolata e trasformata in una sollecitazione di trazione.

Dal momento che, come è noto, in calcestruzzo è un materiale scarsamente resistente trazione, le sollecitazioni di trazione prodotte dal ritiro igrometrico impedito superano facilmente la resistenza a trazione del materiale, determinando la formazione di fessure.

Le fessure prodotte dal ritiro igrometrico rappresentano uno dei principali problemi che interessano le strutture in cemento armato in quanto sono spesso causa di precoce degrado, perdita di funzionalità o, semplicemente, difetto estetico. 

Infatti, le fessure costituiscono una facile via di accesso all’interno della struttura per agenti aggressivi come l’anidride carbonica e i cloruri che possono così promuovere una rapida corrosione delle armature metalliche pur in presenza di un calcestruzzo impermeabile in quanto caratterizzato da un basso rapporto a/c. 

Le fessure dovute al ritiro igrometrico, inoltre, possono compromettere la funzionalità delle pavimentazioni in calcestruzzo sottoposte ad intenso traffico veicolare oppure di strutture marine o di contenimento di liquidi cui viene richiesta una perfetta tenuta all’acqua.

Infine, le fessure possono costituire un problema anche nel caso di elementi architettonici non esposti ad ambienti particolarmente aggressivi in quanto ne compromettono, in genere, l’aspetto estetico.


CALCESTRUZZI A RITIRO COMPENSATO

Probabilmente l’impiego di calcestruzzi a ritiro compensato è il metodo più efficace per eliminare o, almeno, minimizzare la formazione di fessure dovute al ritiro igrometrico nelle strutture in cemento armato.

Questa tecnica si basa su un’espansione volumetrica che viene indotta nel calcestruzzo, mediante una reazione chimica tra un agente espansivo e l’acqua.

Normalmente l’espansione indotta chimicamente si verifica durante i primi 2-7 giorni di vita del calcestruzzo per cui essa si sviluppa e termina molto più rapidamente delle contrazioni causate dalla perdita di umidità. Per questo motivo, affinché tale espansione iniziale possa essere vantaggiosamente utilizzata per compensare le contrazioni dovute al successivo ritiro igrometrico, essa deve essere adeguatamente contrastata e trasformata in una coazione di compressione che, nel tempo, compensa le trazioni prodotte dal ritiro igrometrico impedito. 

Il vincolo più efficace per contrastare l’espansione iniziale è rappresentato dalle armature metalliche normalmente presenti nelle strutture in cemento armato. In genere la percentuale di armatura necessaria ai fini statici è più che sufficiente a garantire un efficace contrasto per l’espansione. Si deve, però, porre una cura aggiuntiva nel posizionare tali armature all’interno della sezione in modo tale da garantire un contrasto il più possibile uniforme nei confronti dell’espansione.

Il comportamento espansivo di un calcestruzzo a ritiro compensato viene valutato in base alla norma UNI 8148 [1] mediante misura della variazione di lunghezza di un tondino d’acciaio annegato in un provino prismatico confezionato con il conglomerato espansivo, scasserato al termine della presa (circa 6-8 ore dopo il confezionamento) e mantenuto in particolari condizioni di stagionatura. Sulle modalità di stagionatura previste dalla norma si tornerà successivamente.

Non sono disponibili documenti normativi o raccomandazioni nazionali o europee a riguardo della progettazione di elementi strutturali e non strutturali realizzati con calcestruzzo a ritiro compensato. Tale argomento, però, viene approfonditamente trattato nel report dell’ACI (American Concrete Institute) numero 223-98 [2]. Secondo questo documento il progetto di strutture in calcestruzzo a ritiro compensato deve includere i seguenti quattro step:

a) Stima del ritiro igrometrico dell’elemento strutturale. La stima del ritiro libero finale dell’elemento strutturale (in assenza dell’espansione iniziale) deve essere eseguita prendendo in considerazione l’influenza delle caratteristiche del calcestruzzo impiegato (privato dell’agente espansivo), dell’umidità relativa media dell’ambiente di esposizione, delle dimensioni dell’elemento e della percentuale di armatura metallica. Allo scopo possono essere utilizzate formulazioni presenti nella letteratura tecnica [3] o tratte da documenti normativi come, ad esempio, la UNI EN 1992-1-1 (EC2) all’Appendice B o il D.M. 14/01/08 al par. 11.2.10.6. 

b) Scelta dell’espansione necessaria. Al fine di garantire l’assenza di formazione di fessure da ritiro igrometrico, è opportuno che l’espansione indotta inizialmente nell’elemento strutturale sia maggiore o, al limite uguale al ritiro igrometrico finale atteso per quel dato elemento strutturale. In realtà, un’espansione iniziale inferiore al valore del ritiro finale è in genere sufficiente a garantire l’assenza di fessure da ritiro igrometrico a patto che le sollecitazioni di trazione che si sviluppano una volta che le contrazioni da ritiro superano in valore assoluto l’espansione iniziale siano inferiori alla resistenza a trazione del materiale. Si fa notare, però, che esistono, nelle strutture in cemento armato, ulteriori fenomeni che possono provocare sviluppo di sollecitazioni di trazione nel calcestruzzo le quali, sommate a quelle prodotte dal ritiro igrometrico, potrebbero comunque innescare la formazione di fessure. Ci si riferisce, in particolare, alle contrazioni prodotte da abbassamenti della temperatura ambientale. Altra fonte di possibili fessurazioni sono le coazioni residue che si producono nelle strutture in conglomerato cementizio per effetto dell’iniziale riscaldamento dovuto allo sviluppo del calore di idratazione del cemento e del successivo raffreddamento. Siccome il riscaldamento iniziale e il successivo raffreddamento avvengono in una fase in cui il modulo elastico del calcestruzzo cresce molto velocemente, ad un bilancio sostanzialmente nullo delle deformazioni (dilatazione iniziale nella fase di riscaldamento e contrazione successiva, nella fase di raffreddamento) non corrisponde un bilancio altrettanto nullo delle tensioni con formazione, più precisamente, di coazioni di trazione residuali dovute al fatto che, nella fase di raffreddamento, il materiale è più rigido che in quella iniziale di dilatazione termica. Per quanto sopra, se si vuole avere la ragionevole certezza di eliminare la formazione di fessure, è necessario che la somma in valore assoluto della sollecitazione di compressione iniziale e della resistenza a trazione del materiale (a maturazione ultimata) sia maggiore della somma delle coazioni di trazione che possono innescarsi nell’elemento strutturale per effetto dei fenomeni sopra descritti. 

c) Stima dell’espansione necessaria nella prova secondo UNI 8148: L’espansione effettiva che si produce nell’elemento strutturale è diversa da quella misurata nei provini prismatici confezionati secondo la norma UNI 8148. la principale differenza è dovuta alla diversa percentuale di armatura metallica presente nel provino rispetto alla struttura reale. Il grafico riportato in Fig. 1, tratto dal già citato report ACI 223-98 e basato su dati pubblicati da Russell nel 1973, mette in relazione l’espansione effettiva che avviene nell’elemento strutturale (e che deve compensare il ritiro atteso nello stesso secondo quanto detto in precedenza) con l’espansione misurata nei provi i prismatici testati secondo la UNI 8148 al variare della percentuale geometrica di armatura metallica nel primo. In questo modo è possibile valutare qual è l’espansione minima che dovrà essere ottenuta nei test eseguiti nella fase di pre-qualifica del calcestruzzo a ritiro compensato secondo la UNI 8148.

d) Proporzionamento del calcestruzzo: In questa fase si definisce la quantità di agente espansivo necessario, per tentativi o sulla base di precedenti risultati sperimentali, per ottenere l’espansione richiesta e vengono eseguiti i test di espansione contrastata secondo la più volte citata UNI 8148 in modo da verificare l’esattezza del proporzionamento eseguito.

Ancorché l’espansione iniziale induca una sollecitazione di trazione nelle armature metalliche, non è, in genere, necessario eseguire una verifica statica dello stato tensionale indotto in quanto esso è sicuramente inferiore alle tensioni ammissibili per il materiale se vengono rispettati i valori minimi di armatura previsti negli eurocodici e nella normativa nazionale. Inoltre non è, in genere, richiesta una verifica dello stato tensionale prodotto nelle armature metalliche dalla combinazione degli effetti prodotti dai carichi esterni e dall’espansione iniziale, in quanto, come è noto, le sollecitazioni prodotte inizialmente dall’espansione sono destinate ad attenuarsi rapidamente e a diventare non significative prima che si possa ipotizzare una messa in carico ai massimi carichi di esercizio della struttura. In caso, però, siano previste significative sollecitazioni nella struttura nei primi giorni di vita, quando è verosimile che l’espansione residua nel calcestruzzo sia ancora importante, occorrerò eseguire le verifiche statiche nei confronti dei suddetti carichi combinando lo stato di sollecitazione prodotto dai carichi con quello prodotto dalla coazione espansiva. Questo è vero sia per le armature metalliche che per il calcestruzzo. Nel caso di quest’ultimo, la sollecitazione di compressione prodotta dall’espansione contrastata può essere agevolmente calcolata mediante considerazioni di congruenza o facendo riferimento al grafico di Fig. 3 anch’esso tratto dal ACI 223-98. 

I calcestruzzi a ritiro compensato possono essere realizzati, alternativamente, impiegando speciali cementi espansivi in luogo dei cementi ordinari classificati, in Europa, dalla EN 197/1, oppure aggiungendo degli agenti espansivi a calcestruzzi confezionati con cementi ordinari.

Il primo tipo di tecnologia è molto diffuso negli Stati Uniti ed è, anzi, l’unico contemplato dal documento ACI 223-98. Il secondo tipo di tecnologia è, invece, più diffuso in Europa dove non esistono norme che regolano la produzione di cementi espansivi e dove l’impiego di cementi speciali, non rispondenti alle caratteristiche composizionali e prestazionali definite nella EN 197/1 per opere strutturali non è, di fatto, ammesso.

CEMENTI ESPANSIVI

Il primo cemento espansivo venne sviluppato, contemporaneamente, in Russia e in Francia. In particolare, agli inizi degli anni ’40, Lossier mise a punto un cemento espansivo miscelando un cemento Portland ordinario con un agente espansivo a base di solfato di calcio e alluminati di calcio e con uno stabilizzatore consistente in loppa d’altoforno. L’espansione del sistema era assicurata dalla reazione tra il solfato di calcio, gli alluminati di calcio e l’acqua per produrre ettringite. 

L’ettringite è una sostanza nota nella tecnologia del calcestruzzo in quanto è spesso collegata a severe forme di degrado (per attacco solfatico) che avvengono nel calcestruzzo proprio per la notevole espansione che ne accompagna la formazione. Il degrado del calcestruzzo dovuto ai solfati può verificarsi per attacco solfatico esterno (ESA), quando il manufatto cementizio è a contatto con un ambiente esterno (acque o terreni) ricco di solfati, o per attacco solfatico interno(ISA) quando il solfato è presente sottoforma di impurità nelle materie prime (in particolare negli aggregati) o come conseguenza di particolari trattamenti termici [1]. In entrambi i casi il degrado avviene in quanto la reazione espansiva dovuta alla formazione di ettringite non avviene in maniera omogenea in tutto il volume di calcestruzzo ma è localizzata solo in corrispondenza delle zone dove è penetrato lo ione solfato (ESA) o dove è presente l’impurità. Si verificano, quindi, delle coazioni interne dovute all’espansione eterogenea che portano alla formazione di fessure e/o distacchi.

Nel cemento espansivo messo a punto da Lossier (e in tutti quelli analoghi, sviluppati successivamente che sfruttano la formazione di ettringite come sistema espansivo) se si prendono le dovute precauzioni in merito ai vincoli interni ed esterni presenti nella struttura, non si verificano situazioni di degrado in quanto l’espansione è distribuita omogeneamente nel volume di calcestruzzo ed è “controllata”, ossia, l’aumento di volume è ottimizzato in modo da non creare eccessive coazioni.

Nel caso specifico del cemento Lossier, il “controllo” della reazione veniva effettuato dalla loppa d’altoforno che si sostituiva gradualmente agli alluminati di calcio nella combinazione con il solfato, ponendo un limite all’espansione.

Altri cementi espansivi vennero messi a punto negli anni successivi, tutti basati su una produzione controllata di ettringite. 

La norma Americana ASTM C845-90 and ACI 223-98 classifica i cementi espansivi attualmente disponibili in commercio prevedendone i seguenti tre differenti tipi: 

1) cemento tipo K (cemento Klein), contenente “solfo-alluminato tetracalcico” (C₄A₃)¹ , solfato di calcio (C)¹ and ossido di calcio libero (C)¹;

2) cemento tipo M, prodotto miscelando cemento Portland con alluminati di calcio (CA)¹ e (C₇A₁₂)¹;

3) cemento tipo S, che contiene un eccesso di alluminato tricalcico (C₃A)¹ e solfato di calcio (CS)¹ rispetto ai quantitativi normalmente contenuti nel cemento Portland e in quelli di miscela.

Tra i cementi espansivi sopra elencati, il più diffuso è il tipo K che può essere alternativamente prodotto co-macinando cemento Portland ordinario con un agente espansivo prodotto separatamente, ovvero, mescolando opportunamente le materie prime da inserire nel forno in modo da ottenere direttamente un clinker espansivo. In entrambi i casi, la reazione espansiva può essere rappresentata come segue*:

C₄A₃+6C+8C+96H → 3(C₃A•3C•32H) (1)

*Notazione contratta della chimica del cemento dove: C = CaO, A = Al₂O₃, S = SiO₂, H = H₂O e= SO₃

La reazione espansiva inizia non appena si verifica il contatto tra acqua e cemento ma impiega da 3 a 7 giorni per esaurirsi. Questa relativa “lentezza” della reazione che porta alla formazione di ettringite, assicura che la maggior parte dell’espansione si esplichi quando il calcestruzzo ha raggiunto un grado di indurimento sufficiente ad aderire alle barre di armatura determinando un adeguato contrasto nei confronti dell’espansione stessa. 

D’altro canto, dal momento che la formazione di ettringite richiede un elevato quantitativo di acqua (sono necessarie 32 molecole d’acqua per ogni molecola di ettringite che si forma) perché venga raggiunto il livello di espansione potenziale pianificato, è necessario assicurare alla struttura un’adeguata stagionatura umida per almeno 7 giorni. 

Oltre alla durata del trattamento di stagionatura, ai fini del raggiungimento dell’espansione potenziale, è fondamentale anche il tipo di sistema impiegato.

La Fig. 3, tratta dall’ACI 223-98, mostra l’effetto di vari metodi di stagionatura sull’espansione effettivamente ottenuta in strutture realizzate con calcestruzzi a ritiro compensato a base di cementi espansivi di natura ettringitica. Come si può notare, l’aspersione continua di acqua sulla superficie o la protezione della stessa con teli mantenuti umidi (wet burlap) sono sistemi preferibili in quanto assicurano apporto di acqua dall’esterno che contribuisce alla reazione per la formazione di ettringite. Altri metodi di curing come quelli che prevedono la semplice protezione con teli impermeabili, ma senza aggiunta di acqua dall’esterno, possono causare una riduzione dell’espansione iniziale fino al 50% rispetto a quella ottenuta con i metodi che assicurano apporto di acqua dall’esterno al calcestruzzo.

Membrane antievaporanti ottenute spruzzando cere o resine (curing compound) sulla superficie del getto possono risultate totalmente inefficaci se non forniscono una copertura completa di tutta la superficie e non prevengono l’evaporazione di acqua per almeno 7 giorni.

Un’incompleta espansione iniziale dovuta a carenze di stagionatura umida, può risultare doppiamente negativa sia perché il ritiro igrometrico finale non può essere completamente compensato, sia perché una considerevole quantità di solfato non reagito permane nella struttura. Tale solfato non reagito sarà presente soprattutto nelle zone più corticali della struttura che sono quelle più affette da perdita di umidità per insufficiente stagionatura umida. Qualora, come spesso avviene, la struttura venisse in contatto in servizio con umidità proveniente dall’esterno, la reazione espansiva potrebbe “riaccendersi” interessando, però, solo quegli strati corticali dove è maggiormente presente il solfato non reagito e dove è più facile che avvenga un aumento di umidità in servizio. Ciò comporterebbe l’esplicarsi di reazioni espansive non uniformemente distribuite analoghe a quelle prodotte dall’attacco solfatico esterno. [3].

La forte dipendenza dell’efficacia dei cementi espansivi a base solfatica dalla qualità e dalla durata della stagionatura umida e il pericolo di possibili deleterie espansioni ritardate, in caso di insufficiente stagionatura, sono due tra i motivi che hanno fortemente limitato in passato la diffusione dell’uso dei calcestruzzi a ritiro compensato basati su questa tecnologia.
Un ulteriore inconveniente nell’utilizzo pratico dei calcestruzzi a ritiro compensato basato sull’impiego di cementi espansivi speciali è rappresentato dalla necessità di provvedere un silo aggiuntivo presso l’impianto di betonaggio per lo stoccaggio del cemento espansivo in affiancamento al cemento o ai cementi ordinari utilizzati normalmente.

Un ulteriore inconveniente nell’utilizzo pratico dei calcestruzzi a ritiro compensato basato sull’impiego di cementi espansivi speciali è rappresentato dalla necessità di provvedere un silo aggiuntivo presso l’impianto di betonaggio per lo stoccaggio del cemento espansivo in affiancamento al cemento o ai cementi ordinari utilizzati normalmente.

Sono disponibili nel mercato agenti espansivi esterni a base di solfo-alluminato tetra calcico da aggiungere al cemento portland ordinario nella produzione di calcestruzzi a ritiro-compensato. Questi agenti espansivi, però. non hanno trovato un ampio impiego in quanto le loro prestazioni in termini di espansione possono dipendere fortemente dalla composizione dello specifico cemento utilizzato.

In effetti, la reazione che porta alla formazione di ettringite coinvolge sostanze come il solfato di calcio e gli alluminati di calcio che sono contenute, in forme e quantità variabili, anche nel cemento Portland ordinario e nei cementi di miscela. Pertanto, la quantità di ettringite che si produce in seguito all’aggiunta di un determinato quantitativo di agente espansivo esterno, può risultare molto diversa, qualora venga utilizzato un cemento piuttosto che un altro.

Per lo stesso motivo un dosaggio improprio del agente espansivo esterno a base solfatica, in relazione allo specifico cemento utilizzato, può portare ad un indesiderato quantitativo di solfato non reagito nel calcestruzzo.

AGENTI ESPANSIVI A BASE DI OSSIDO DI CALCIO O DI MAGNESIO

Un altro metodo utilizzato (soprattutto in Europa e in Giappone) per produrre calcestruzzi a ritiro compensato è quello che sfrutta come reazione espansiva l’idratazione dell’ossido di calcio (CaO) e/o di magnesio (MgO) che porta alla produzione dei corrispondenti idrossidi secondo le seguenti reazioni:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ (2.1)
MgO + H₂O → Mg(OH)₂ (2.2)

Gli ossidi di calcio e di magnesio disponibili normalmente in commercio, usati in agricoltura o per produrre la calce aerea impiegata in edilizia nella realizzazione di malte per muratura ed intonaco, non sono adatti per essere impiegati come agenti espansivi. 

Infatti, tali ossidi, ottenuti per cottura di calcari e dolomite ad una temperature di circa 900°C, reagiscono troppo rapidamente con l’acqua quando il calcestruzzo si trova ancora in fase plastica o nelle prime fasi dell’indurimento e non ha, pertanto, sviluppato sufficiente capacità di aderire alle armature metalliche, requisito necessario perché l’espansione venga adeguatamente contrastata e trasformata in una coazione benefica di compressione. 

Per essere idonei all’uso come agenti espansivi, l’ossido di calcio o di magnesio devono essere ottenuti per cottura a temperature superiori a 1000°C. Infatti, a tali temperature di produzione essi vengono soggetti ad un parziale processo di sinterizzazione che ne riduce la porosità e la reattività. Ossidi di questo tipo vengono detti “stracotti” o “cotti a morte”.

Un ulteriore rallentamento della reazione di espansione può essere ottenuto riducendo la finezza di macinazione dei granuli di ossido, purché “cotti a morte”. 

La Fig. 4 mostra schematicamente l’espansione contrastata ottenuta in laboratorio, con un calcestruzzo a ritiro compensato basato sull’impiego di ossido di calcio “cotto a morte” comparato con quello di un calcestruzzo realizzato con un cemento espansivo a base solfatica, a parità di tutte le altre condizioni. Come si può notare, il calcestruzzo espansivo a base di ossido di calcio raggiunge la massima espansione in meno di tre giorni mentre quello a base solfatica continua la propria espansione per almeno una settimana.

La rapida espansione dal CaO rende necessario l’impiego di un calcestruzzo a rapido sviluppo delle resistenze meccaniche al fine di sfruttare al meglio la reazione espansiva aumentando la frazione di questa che viene contrastata per effetto dell’instaurarsi di un’adeguata adesione tra calcestruzzo e barre di acciaio. Per ottenere un più rapido incremento iniziale delle prestazioni meccaniche, è possibile fare ricorso all’utilizzo di cementi di classe superiore e di tipo R (CEM 42.5R, o 52.5R) e/o ad un elevato dosaggio di additivi superfluidificanti per ridurre il rapporto a/c ed incrementare, di conseguenza le prestazioni. 

Essendo la reazione espansiva innescata dal solfo alluminato tetracalcico più lenta di quella dell’ossido di calcio, ancorché “cotto a morte”, i calcestruzzi a ritiro compensato a base solfatica sono meno dipendenti da questa problematica. 

D’altra parte, però, i calcestruzzi espansivi a base di CaO richiedono un più breve periodo di stagionatura umida (circa 2 giorni), al fine di raggiungere l’espansione finale prevista. Per questa ragione le loro prestazioni in termini di espansione sono meno affette da carenze di stagionatura umida e non vi è alcun rischio reale di permanenza nella struttura di CaO residuo che potrebbe portare a espansioni posticipate.

Sebbene sia possibile produrre cementi espansivi a base di ossido di calcio è decisamente più diffuso l’impiego di questo prodotto come componente esterno da aggiungere ad un calcestruzzo realizzato con cemento portland ordinario. 

Ciò è possibile in quanto, contrariamente a quanto avviene per gli espansivi a base solfatica, le reazioni (2.1) e (2.2) non sono influenzate dalla composizione chimica dello specifico cemento utilizzato per cui l’espansione prodotta da una determinata quantità di espansivo non cambia al variare del cemento utilizzato.

Esistono ulteriori vantaggi nell’utilizzo di un agente espansivo, in luogo di un cemento espansivo, nella realizzazione di calcestruzzi a ritiro compensato:

a) è possibile ottimizzare l’espansione chimica senza modificare la quantità di cemento e delle altre materie prime del calcestruzzo, con evidente semplificazione delle procedure di mix design; 

b) in caso di utilizzo simultaneo di calcestruzzo ordinario e di calcestruzzo a ritiro compensato nella stessa struttura è possibile utilizzare per entrambi un conglomerato caratterizzato da medesima composizione, ad eccezione dell’agente espansivo, ottenendo una maggiore uniformità di prestazioni e una maggiore razionalizzazione della produzione; 

c) l’uso combinato di un cemento Portland ordinario e di un agente espansivo a base di CaO è in genere economicamente più conveniente dell’uso di un cemento speciale a base di solfo-alluminato.

L’USO COMBINATO DI ESPANSIVI A BASE DI CAO E DI ADDITIVI RIDUTTORI DI RITIRO (SRA)

Gli additivi riduttori di ritiro, meglio noti come SRA (Shrinkage-Reducing Admixtures), sono prodotti luiquidi a base di sostanze organiche come il propilen glycole etere o il neo pentil glicole, che, introdotti nel calcestruzzo in quantità variabili tra l’1 e il 2% in peso rispetto al cemento, sono in grado di ridurne il ritiro igrometrico fino al 50% [5].

Secondo alcuni autori [6] l’efficacia degli SRA deve essere ascritta alla diminuzione delle tensione superficiale dell’acqua (γ) prodotta da tali sostanze la quale provocherebbe una diminuzione della tensione capillare P causata dalla formazione di menischi all’interno dei pori capillari della pasta cementizia cui, secondo alcune teorie è attribuita la responsabilità del ritiro igrometrico del calcestruzzo (Fig. 5).

Recentemente [7] si è dimostrato che l’uso di un additivo SRA in combinazione con un agente espansivo a base di ossido di calcio consente di realizzare calcestruzzi a ritiro compensato efficaci anche in assenza di prolungate operazioni di stagionatura. In particolare, studiando il comportamento espansivo di provini prismatici realizzati con calcestruzzo a ritiro compensato con e senza SRA e sottoposti ad una stagionatura costituita da protezione dall’evaporazione per 24 ore con film di polietilene e, successivamente, esposizione all’aria (60% R.H) si è appurato che l’influenza positiva dell’SRA si manifesta in due differenti aspetti (Fig. 6):

- una riduzione del ritiro igrometrico che interessa il provino quando esposto all’ambiente insaturo (effetto sostanzialmente atteso per la presenza dell’SRA (β); 

- un inaspettato aumento dell’espansione iniziale che si verifica quando il provino è protetto dall’evaporazione dal film di plastica (α).

In sostanza, impiegando contemporaneamente un agente espansivo a base di ossido di calcio e un agente SRA è possibile realizzare calcestruzzi a ritiro compensato più semplici da gestire in quanto la compensazione del ritiro igrometrico risulta meno dipendente dalle operazioni di curinged ottenibile anche con tecniche di stagionatura più facili da realizzare in cantiere come una semplice protezione con teli impermeabili da mantenere per un breve periodo di tempo.

L’effetto sinergico α in Fig. 6 è stato confermato da altri autori [8] i quali ipotizzano che la causa di ciò possa essere ricercata nella massiccia formazione di cristalli allungati di idrossido di calcio che avverrebbe nell’idratazione dell’ossido di calcio in presenza dell’SRA.

Gli stessi autori in [9] propongono un’altra spiegazione del fenomeno: essendo l’SRA una molecola organica con azione idrofobica, potrebbe rallentare la solubilità in acqua del CaO, ritardandone l’idratazione e aumentando, quindi la frazione di questa che viene contrastata.

Un effettivo ritardo attribuito alla presenza di SRA è stato verificato in [10] nell’idratazione di un agente espansivo a base di ossido di magnesio.

La differenza di comportamento tra calcestruzzi a ritiro compensato ordinari (con solo agente espansivo) e di ultima generazione (contenenti sia l’agente espansivo che l’SRA) è tale che si è reso necessario provvedere ad una modifica della già citata norma UNI 8148.

La versione precedente della norma, emessa nel 1980, prevedeva che i provini prismatici, una volta scasserati, venissero mantenuti costantemente sott’acqua fino al termine delle misure di espansione. Questo tipo di stagionatura, ideale per un calcestruzzo a ritiro compensato, oltre a non corrispondere in nessun modo a quanto realmente avviene in cantiere, comportamento una sovrastima dell’effettiva espansione iniziale, non consentiva di distinguere il comportamento di calcestruzzi con SRA da quelli senza SRA. Nella nuova versione della norma, emessa nel 2008, accanto al metodo di stagionatura precedente, oggi identificato come metodo A, è stato aggiunto un metono di stagionatura alternativo (metodo B) caratterizzato da una protezione dei provini per 48 ore con un film di polietilene alla temperatura di 20°C e la successiva esposizione, fino al termine della prova ad un a,binete insaturo costituito da T = 20°C e U.R. = 55%.

Vale la pena di far notare che, ai fini di una corretta compensazione del ritiro nell’elemento strutturale non è necessario che nella prova secondo UNI 8148 metodo B l’espansione indotta inizialmente sia superiore o uguale al successivo ritiro igrometrico del provino (Fig. 6). Infatti, le leggi fisiche che caratterizzano il passaggio di scala dal provino all’elemento strutturale effettivo sono diverse per in due fenomeni (espansione iniziale e ritiro igrometrico successivo) per cui si verifica, in genere che il ritiro igrometrico nell’elemento reale possa essere adeguatamente compensato anche se la curva espansione-ritiro nella prova secondo UNI 8148 metodo B attinge, alle stagionature successive, a valori negativi (ritiro).
Come spiegato in precedenza, ai fini di una completa compensazione del ritiro igrometrico è necessario che l’espansione contrastata nella struttura, valutabile a mezzo della prova secondo UNI 8148 (impiegando il metodo B per essere più attinenti alla realtà di cantiere) e trasformata per mezzo del grafico di Fig. 1 eguagli il ritiro igrometrico atteso, sempre, nella struttura e valutato con le modellazioni di letteratura o di normativa.

Sebbene tale effetto sinergico sia stato confermato da vari autori, l’effettivo meccanismo di interazione tra CaO ed SRA non stato ancora completamente chiarito e necessita di ulteriori indagini. Nonostante questa carenza, l’uso pratico di questa tecnologia è andato diffondendosi negli ultimi anni nel settore delle costruzioni con molte interessanti applicazioni.


BIBLIOGRAFIA

[1] UNI 8148/2008 “Agenti espansivi non metallici per impasti cementizi - Determinazione dell’espansione contrastata del calcestruzzo”.

[2] ACI 223R-98 “Standard Practice for the use of shrinkage compensating concrete”, ACI Manual of Concrete Practice, Detroit, MI,.

[3] M. Collepardi et al. “Il nuovo Calcestruzzo”, 5a Edizione, Ed. Tintoretto, 2009, pp. 263-273

[4] M. Collepardi et al. “Il nuovo Calcestruzzo”, 5a Edizione, Ed. Tintoretto, 2009, pp. 359-373

[5] M. Collepardi et al. “Il nuovo Calcestruzzo”, 5a Edizione, Ed. Tintoretto, 2009, pp. 230-235

[6] N.S. Berke et al. “Improving concrete performance whith Shrikage-Reducing Admixtures”, 7th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizer and Other Chemical Admixtures in Concrete, Berlin, Germany, Ed. V.M. Malhotra, pp. 37-50, 2003.

[7] M. Collepardi, A. Borsoi, S. Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot, R. Troli, “Effects of Shrinkage-Reducing Admixture in Shrinkage Compensating Concrete Under Non-Wet Curing Conditions”, Cement and Concrete Composities, 6, 2005, pp. 704-708.

[8] C. Maltese, C. Pistolesi, A. Lolli, A. Bravo, T. Cerulli and D. Salvioni, “Combined Effect of Expansive and Shrinkage Reducing Admixtures to Obtain Stable and Durable Mortars”, Cement and Concrete Research 12, 2005, pp 2244-2251

[9] C. Maltese, A. Lolli, C. Pistolesi, A. Bravo, and T. Cerulli, ”Combined effect of expansive and shrinkage reducing admixture on microstructure of mortars and concretes”, Proceeding of the International Conference on Durability of Concrete, Editor: V.M. Malhotra, Montreal, pp. 781-796, 2006).

[10] Z. Zhibin et al., “Synergistic effect of MgO-based expansive agent and shrinkage-reducing admixture on compensating the shrinkage of cementitious materials”, Proceeding of the 9th International Conference on International Conference on Superplasticizer and Other Chemical Admixtures in Concrete, Ed: T.Holland, R. Gupta and V.M.Malhotra, Seville, pp. 395-406, 2009).

[11] M. Collepardi, R. Troli, M. Bressan, F. Liberatore, G. Sforza, “Crack-Free Concrete for Outside Industrial Floors in the Absence of Wet Curing and Contraction Joints”, Suppl. of 8th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizer and Other Chemical Admixtures”, Sorrento, 2006, pp. 103-115.