IL CALCESTRUZZO LEGGERO STRUTTURALE CON INERTI DI POMICE 1. PREMESSA L’impiego di calcestruzzi leggeri in ambito struttu- rale è una pratica diffusa ormai da più di mezzo secolo. Le prime significative ed interessanti appli- cazioni di questo materiale, infatti, si sono avute a partire dagli anni ‘50 negli Stati Uniti con la costru- zione del ponte sulla baia Chesapeake nel Maryland (7 km di lunghezza) e con la realizzazio- ne di alcuni edifici a torre come i due palazzi della sede della Prudential Life Insurance Co. di Chicago (28 piani). Negli anni successivi, numero- se grandi opere quali ponti, coperture di grande luce e grattacieli sono state realizzate facendo uso totale o parziale di calcestruzzi leggeri strutturali. Fin dalle prime applicazioni, la quasi totalità dei calcestruzzi leggeri strutturali è stata realizzata facendo uso di aggregati leggeri artificiali, in parti- colare, argille e scisti espansi sicché, anche in ambito normativo, si è finito per far coincidere la definizione di calcestruzzo leggero strutturale con quella di calcestruzzo con aggregati leggeri di argilla o scisti espansi (UNI 7548). Nella presente memoria vengono illustrati i risulta- ti di una campagna sperimentale in cui, partendo dai risultati di alcune precedenti esperienze, ci si è posti l’obiettivo di mettere a punto calcestruzzi leg- geri caratterizzati da prestazioni meccaniche tali da poter essere utilizzati in ambito strutturale, impiegando un aggregato leggero naturale, la pomice di Lipari, in alternativa agli aggregati artifi- ciali normalmente utilizzati. Le prove sperimentali condotte hanno evidenziato che è possibile, utilizzando un attento mix design e additivi per calcestruzzo di ultima generazione, confezionare calcestruzzi leggeri con pomice di Lipari caratterizzati da buona lavorabilità, assenza di segregazione, massa volumica compresa tra 1600 e 1800 kg/m 3 e resistenza caratteristica a compressione compresa tra 25 e 30 MPa. I valori di resistenza a trazione e di aderenza acciaio/cal- cestruzzo riscontrati sono paragonabili a quelli propri di un conglomerato ordinario di pari resi- stenza meccanica a compressione. Il calcestruzzo leggero con inerti di pomice, al pari degli altri calcestruzzi leggeri, è caratterizzato da un modulo elastico inferiore a quello conseguibile con un conglomerato ordinario di pari resistenza meccanica a compressione, in conseguenza della minore rigidità dei granuli di aggregato leggero rispetto agli aggregati impiegati per la produzione dei normali calcestruzzi. Questa caratteristica, apparente sfavorevole, rappresenta però un van- taggio in presenza deformazioni impresse dovute alle variazioni termiche, al ritiro o al creep alle quali consegue una stato di coazione più blando in virtù della maggiore deformabilità. Di estremo interesse sono i dati di penetrazione dei cloruri e dell’anidride carbonica registrati in prove di esposizione accelerata. I calcestruzzi rea- lizzati con aggregati di pomice, a dispetto della loro elevata porosità, hanno mostrato una penetra- zione dei cloruri nettamente inferiore a quella regi- strata in calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c. La penetrazione dell’anidride carbonica è risultata uguale o leggermente minore di quella registrata nei calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c. Ne consegue che i calcestruzzi realizzati con aggre- gati di pomice mostrano la stessa durabilità dei calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c (e, quindi di prestazioni meccaniche notevolmente superiori) se esposti ad ambienti che prevedono rischio di carbonatazione e una durabilità nettamente miglio- re di questi, se esposti ad ambienti marini o conte- nenti cloruri. R. Troli*, S. Collepardi*, M. Collepardi** *Enco, Engineering Concrete - Spresiano (TV) **Politecnico di Milano
4
Embed
IL CALCESTRUZZO LEGGERO STRUTTURALE CON INERTI … · Il Calcestruzzo LC3 25/1.45 è stato confezionato facendo uso esclusivamente di aggregato leggero. Nel Nel Calcestruzzo LC 3
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
IL CALCESTRUZZO LEGGERO STRUTTURALE CON INERTI DI POMICE
1. PREMESSA
L’impiego di calcestruzzi leggeri in ambito struttu-rale è una pratica diffusa ormai da più di mezzosecolo. Le prime significative ed interessanti appli-cazioni di questo materiale, infatti, si sono avute apartire dagli anni ‘50 negli Stati Uniti con la costru-zione del ponte sulla baia Chesapeake nelMaryland (7 km di lunghezza) e con la realizzazio-ne di alcuni edifici a torre come i due palazzi dellasede della Prudential Life Insurance Co. diChicago (28 piani). Negli anni successivi, numero-se grandi opere quali ponti, coperture di grandeluce e grattacieli sono state realizzate facendo usototale o parziale di calcestruzzi leggeri strutturali.Fin dalle prime applicazioni, la quasi totalità deicalcestruzzi leggeri strutturali è stata realizzatafacendo uso di aggregati leggeri artificiali, in parti-colare, argille e scisti espansi sicché, anche inambito normativo, si è finito per far coincidere ladefinizione di calcestruzzo leggero strutturale conquella di calcestruzzo con aggregati leggeri diargilla o scisti espansi (UNI 7548).Nella presente memoria vengono illustrati i risulta-ti di una campagna sperimentale in cui, partendodai risultati di alcune precedenti esperienze, ci si èposti l’obiettivo di mettere a punto calcestruzzi leg-geri caratterizzati da prestazioni meccaniche talida poter essere utilizzati in ambito strutturale,impiegando un aggregato leggero naturale, lapomice di Lipari, in alternativa agli aggregati artifi-ciali normalmente utilizzati.Le prove sperimentali condotte hanno evidenziatoche è possibile, utilizzando un attento mix designe additivi per calcestruzzo di ultima generazione,confezionare calcestruzzi leggeri con pomice diLipari caratterizzati da buona lavorabilità, assenzadi segregazione, massa volumica compresa tra1600 e 1800 kg/m3 e resistenza caratteristica acompressione compresa tra 25 e 30 MPa. I valori
di resistenza a trazione e di aderenza acciaio/cal-cestruzzo riscontrati sono paragonabili a quellipropri di un conglomerato ordinario di pari resi-stenza meccanica a compressione.Il calcestruzzo leggero con inerti di pomice, al paridegli altri calcestruzzi leggeri, è caratterizzato daun modulo elastico inferiore a quello conseguibilecon un conglomerato ordinario di pari resistenzameccanica a compressione, in conseguenza dellaminore rigidità dei granuli di aggregato leggerorispetto agli aggregati impiegati per la produzionedei normali calcestruzzi. Questa caratteristica,apparente sfavorevole, rappresenta però un van-taggio in presenza deformazioni impresse dovutealle variazioni termiche, al ritiro o al creep alle qualiconsegue una stato di coazione più blando in virtùdella maggiore deformabilità. Di estremo interesse sono i dati di penetrazionedei cloruri e dell’anidride carbonica registrati inprove di esposizione accelerata. I calcestruzzi rea-lizzati con aggregati di pomice, a dispetto dellaloro elevata porosità, hanno mostrato una penetra-zione dei cloruri nettamente inferiore a quella regi-strata in calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c.La penetrazione dell’anidride carbonica è risultatauguale o leggermente minore di quella registratanei calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c. Neconsegue che i calcestruzzi realizzati con aggre-gati di pomice mostrano la stessa durabilità deicalcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c (e, quindidi prestazioni meccaniche notevolmente superiori)se esposti ad ambienti che prevedono rischio dicarbonatazione e una durabilità nettamente miglio-re di questi, se esposti ad ambienti marini o conte-nenti cloruri.
R. Troli*, S. Collepardi*, M. Collepardi***Enco, Engineering Concrete - Spresiano (TV)
**Politecnico di Milano
2. INTRODUZIONE
Si definiscono leggeri quei calcestruzzi caratterizzatida una massa volumica variabile tra 300 e 2000 kg/m3
essendo la massa volumica di un calcestruzzo ordina-rio compresa normalmente tra 2200 e 2600 kg/m3.La bassa massa volumica del calcestruzzo leggero èimputabile alla presenza di un sistema di vuoti i quali,oltre alla leggerezza, conferiscono al materiale miglio-ri proprietà di isolamento termico ed assorbimentoacustico(1).L’introduzione di un sistema di vuoti nel conglomeratocementizio e, quindi, la produzione del calcestruzzoleggero, si realizza sostanzialmente in tre modi(2):- sostituzione degli inerti ordinari con inerti leggerinaturali o artificiali caratterizzati, nella maggior partedei casi, da un’elevata porosità e, quindi, da una ridot-ta massa volumica;- inglobamento in una malta di un sistema di bolle d’a-ria oppure di gas di dimensioni dell’ordine del millime-tro, mediante aggiunta all’impasto di una schiuma pre-formata oppure di sostanze capaci di sviluppare gas inambiente alcalino;- utilizzo di un inerte grosso ordinario monogranulare icui granuli vengono legati da un sottile strato di solapasta di cemento, in modo da creare un sistema dialveoli grossolani tra i granuli dell’inerte.Nel primo caso si parla di “calcestruzzi con aggregatileggeri”, nel secondo di “calcestruzzi cellulari”, anchese a rigore si dovrebbe parlare di “malte cellulari”, nelterzo di “calcestruzzo alveolari”.I calcestruzzi leggeri strutturali appartengono allaprima di queste tre famiglie in quanto solo utilizzandoaggregati leggeri inseriti in una matrice cementiziaordinaria è possibile coniugare il requisito di “leggerez-za” con le esigenze di carattere statico richieste per unconglomerato da destinare alla realizzazione di struttu-re armate e precompresse. Suddetti calcestruzzi sononormalmente caratterizzati da massa volumica variabi-le tra 1400 e 2000 kg/m3 (DM 09/01/96) e da resisten-ze meccaniche a compressione maggiori di 15.Il costo per m3 di calcestruzzo leggero strutturale èsuperiore a quello di un calcestruzzo ordinario. Ciò èdovuto, soprattutto, al maggior costo di produzionedegli aggregati leggeri artificiali rispetto a quelli ordina-ri, ma anche, alla bassa densità territoriale delle fontidi approvvigionamento di tali inerti che comporta unaelevata incidenza del costo di trasporto sul costo tota-le. Questo maggior costo del conglomerato leggero strut-turale rispetto a quello ordinario ha finito per relegarnel’uso a strutture “speciali” come ponti e coperture digrande luce ed edifici a torre di notevole altezza, dovei carichi permanenti costituiscono una porzione pre-ponderante dei carichi totali previsti. In questi casi,infatti, la riduzione di sezione resistente, conseguibilecon la diminuzione dei carichi permanenti, consente di
recuperare parzialmente o totalmente il maggiorcosto del materiale impiegato. Per essere utilizzatoin queste applicazioni “speciali”, il calcestruzzo leg-gero deve possedere, di regola, prestazioni mecca-niche notevoli (40÷50 MPa) che ne aumentano ulte-riormente il costo e limitano fortemente le possibili-tà di scelta sul tipo di aggregati da utilizzare per ilsuo confezionamento.In realtà, se fosse possibile confezionare calce-struzzo leggeri con costi ragionevolmente più bassi,si potrebbe estenderne l’uso anche a costruzioni più“ordinarie” traendone innegabili benefici. Utilizzando calcestruzzo leggero strutturale, adesempio, sarebbe possibile costruire sopraelevazio-ni di costruzioni esistenti che non sono sufficiente-mente resistenti da poter sopportare il peso di strut-ture in calcestruzzo ordinario. Realizzando solai rigi-di a lastra con conglomerato leggero strutturale,inoltre, sarebbe possibile eseguire interventi di ade-guamento sismico di edifici in muratura senza incre-mentare eccessivamente le azioni sismiche che,come è noto, sono proporzionali alle masse ingioco.Per queste applicazioni “di ogni giorno”, occorronocalcestruzzi leggeri caratterizzati da resistenzameccaniche non elevatissime (25÷30 MPa) analo-ghe, cioè, a quelle dei calcestruzzi ordinari normal-mente impiegati.
3. LA POMICE DI LIPARI
La pomice è una roccia ignea effusiva molto leggera e porosa, formatasi durante eruzioni di tipo esplosivo.Nel corso di queste eruzioni, i gas vulcanici dissolti nella parte liquida del magma espandono rapidamente edanno vita ad una sorta di schiuma la cui parte liquida, raffreddandosi e solidificandosi con altrettanta rapidi-tà, assume un aspetto vetroso attorno alle bolle di gas. Tutti i tipi di magma (basalto, andesite, dacite, e rioli-te) possono, in opportune condizioni, formare pomice, sebbene questo termine sia più spesso associato aimagmi di tipo acido (ad elevato contenuto di silice) che, essendo più viscosi, danno vita più facilmente ad eru-zioni di tipo esplosivo e intrappolano più facilmente le bolle di gas.La pomice di Lipari, rispetto a pietre analoghe di altra provenienza, si distingue per un più elevato contenutodi silice (70% contro il 50-60% medio delle altre pomici) che conferisce a questo materiale una maggioredurezza e una maggiore resistenza agli agenti chimici.Dal punto di vista della struttura fisica, la pomice di Lipari può essere definita come una schiuma solida carat-terizzata da una elevatissima porosità (fino all’85%). I pori possono essere distinti in macropori (dimensionedell’ordine di grandezza del millimetro) e micropori (dimensioni variabili da 1 a 100 mm).Il diametro medio dei micropori è di circa 5 mm e la loro lunghezza media si aggira intorno ai 1500 mm. Questovuol dire che granuli di pomice con dimensione superiore a 1500 mm (1,5 mm) presentano al loro interno poro-sità chiuse, ossia, non comunicanti con l’esterno.Le pareti divisorie tra i pori hanno uno spessore medio di 1 mm è sono organizzate in modo da costituire unastruttura sferica o pseudopoliedrica.Caratteristica particolare del giacimento di pomice dell’isola di Lipari è quello di essersi formato per effetto diun unico episodio eruttivo cosa che conferisce particolare omogeneità alle caratteristiche fisico-meccanichedel giacimento (Fig. 1).Per la sua composizione chimica costituita prevalentemente da silice amorfa, la pomice di Lipari ha unaapprezzabile attività pozzolanica cosa che comporta l’instaurarsi di legami chimici tra aggregati e pastacementizia e attribuisce alla struttura realizzata con il calcestruzzo leggero particolari doti di durabilità.La pomice è stata utilizzata come materiale da costruzione fin dall’antichità. L’esempio forse più noto e piùeclatante è stata la costruzione, nel II secolo d.C., della cupola del Pantheon (Fig. 2) nella quale, allo scopodi contenere i pesi, i costruttori fecero ampio uso di conglomerati a base di pozzolana, calce e pomice. Altroesempio notevole, anche se meno noto, di conglomerati realizzati, sempre in epoca romana, con aggregatileggeri naturali sono i moli del porto di Cosa, sito archeologico dell’Argentario.
Fig. 2 - Interno della cupola del Pantheon Fig. 1 - Giacimento di pomice nell'isola di Lipari
4. ATTIVITA' SPERIMENTALE
L'obiettivo della ricerca sperimentale è stato quello di ottimizzare la composizione di due calcestruzzi leggerirealizzati facendo uso di pomice di Lipari. I calcestruzzi sono stati messi a punto in modo da rispettare i vin-coli prestazionali e composizionali prefissati dalla normativa vigente (UNI 7548/1) per i calcestruzzi leggericon funzione strutturale tipo LC3 (Rck = 25 N/mm2; massa volumica a secco compresa tra 1200 e 2000kg/m3)
4.1 Prestazioni dei calcestruzzi messi a punto
Nell’ottimizzazione del calcestruzzo leggero strutturale si è fatto riferimento ai seguenti obiettivi prestazionalie alle seguenti denominazioni (UNI 7548/1):
Calcestruzzo LC3 25/1.45:• Rck = 25 N/mm2;• Massa Volumica: 1550-1650 kg/m3 (1450 kg/m3 su provini asciutti);• Lavorabilità dopo 30’: S4 (slump 16-20 cm);
Calcestruzzo LC3 30/1.65:• Rck = 30 N/mm2;• Massa Volumica: 1700-1800 kg/m3 (1650 kg/m3 su provini asciutti);• Lavorabilità dopo 30’: S4 (slump 16-20 cm);
4.2 Materiali utilizzati
Per l’esecuzione del programma sperimentale sono stati utilizzati:
Cemento: CEM I 52.5RAdditivi: Superfluidificante a base acrilicaAggregati leggeri: Pomice di Lipari in pezzatura da 0 a 10 mmAggregato ordinari: Sabbia di fiume silicea con pezzatura da 0 a 8 mm
Il Calcestruzzo LC3 25/1.45 è stato confezionato facendo uso esclusivamente di aggregato leggero. NelCalcestruzzo LC3 30/1.65 parte della pomice è stata sostituita con la sabbia di massa volumica ordinaria. A differenza di quanto è stato fatto in precedenti campagne sperimentali (3), (4), la pomice di Lipari è statautilizzata in una pezzatura effettivamente disponibile nella cava, senza alcuna vagliatura o asportazione dellefrazioni fini. Questo al fine di conservare la relativa economicità di questo materiale rispetto agli aggregati leg-geri artificiali.
4.3 Caratterizzazione delle materie prime
La prima fase della sperimentazione è consistita nella caratterizzazione delle materie prime e, in particolare,degli aggregati utilizzati (sabbia naturale e pomice "0-10" mm) sui quali sono state condotte le seguentideterminazioni: • Analisi granulometrica della sabbia naturale (UNI 8520/5);• Analisi granulometrica degli aggregati leggeri (UNI 8520/5 e non UNI 7549/3 per poter eseguire la combi-nazione granulometrica con la sabbia); • Massa volumica in mucchio della sabbia naturale asciutta (UNI 8520/6); • Massa volumica in mucchio dell’aggregato leggero asciutto (UNI 7549/4);• Massa volumica media s.s.a. e assorbimento della sabbia ordinaria (UNI 8520/13);• Massa volumica media degli dell’aggregato leggero asciutto (UNI 7549/5);• Coefficiente di imbibizione (assorbimento) a 30 minuti, 1 giorno e 7 giorni dell’aggregato leggero (UNI7549/6);
In Tabella 1 vengono riportati i dati relativi all’analisi granulometrica, assorbimento, massa volumica in muc-chio e massa volumica media rispettivamente per la sabbia e per l’aggregato leggero.