Il recupero delle strutture in calcestruzzo armato: l’influenza del ritiro sulle prestazioni in zona sismica

The recovery of reinforced concrete structures: the influence of the shrinkage for performances in seismic areas

Abstract. Oggi l’aumentata attenzione nella scelta di componenti per il mix-design delle miscele assicurala durabilità per le architetture in calcestruzzo armato. Da qualche tempo, in Italia e nel mondo, in numerose conferenze, congressi e seminari si è giunti alla conclusione che se è quasi impossibile predire precisamente la vita utile di un conglomerato è possibile far molto per limitare le cause sia interne che esterne del degrado. La reologia è una scienza che studia il flusso e la deformazione del materiale e quindi può essere applicata per i sistemi cementizi, allo stesso tempo deformabili e viscosi. Una deformazione reologica possibile nel calcestruzzo è il ritiro. Gli autori hanno condotto uno studio su provini di calcestruzzo confezionati presso la Colacem di Sesto Campano con resistenza e rapporti acqua / cemento diversificati ai fini della influenza di tale fenomeno sulla vulnerabilità sismica.

Abstract. Today the increased attention in the choice of components for the mix-design blends ensures durability for reinforced concrete architecture. For some time, in Italy and in the world, at numerous conferences, congresses and seminars, researchers have arrived to the results that if it is almost impossible to exactly predict how many years a concrete will remain in place, it is possible do a lot to limit both the external and internal causes of decay. The rheology is a science studying the flow and deformation of the material and therefore it can be applied for cementitious systems, at the same time deformable and viscous. A rheological deformation possible in the concrete is the withdrawal. The authors conducted a study on concrete samples made at Colacem in Sesto Campano with strength and water / cement relationship diversified for the purpose of the influence of this phenomenon on seismic vulnerability.

1. Fattori reologici per la vulnerabilità sismica

Gli elementi di resistenza al sisma sono per lo più identificati nella resistenza globale della struttura dove per resistenza globale deve intendersi sia l'organizzazione della struttura stessa secondo i criteri del capacity design, con i fattori legati alla gerarchia delle resistenze e alla duttilità, sia il contributo del materiale. Dal punto di vista tecnologico i progettisti sembrano però trascurare questo secondo aspetto che ancora all'attualità sembra troppo poco inquadrato nell'ottica più generale della sicurezza sismica. Tale analisi vede ancora un approccio non sufficientemente garantito per l'ottenimento di miscele che abbiano quelle caratteristiche prestazionali idonee a sopportare i carichi dinamici attesi. In particolare, appare ancora trascurata l'attenzione su alcuni aspetti legati ai comportamenti reologici del calcestruzzo e che se non affrontati nella giusta ottica possono vedere mix design non completamente rispondenti ai fini della sicurezza sismica aumentando il fattore di vulnerabilità e quindi del rischio. Infatti, proprio nella fase reologica, in quel delicato passaggio dalla fase liquida a quella solida, avvengono fenomeni legati fortemente ai componenti che possono inficiare sul nascere le capacità di resistenza anche in campo dinamico per la minore capacità di risposta delle cerniere plastiche sia nell'immediato che in proiezione temporale per la minore durabilità delle strutture. Occorre quindi affrontare le problematiche legate ai fenomeni del ritiro e della viscosità per ottenere un materiale che abbia la necessaria compattezza per rispondere a quanto richiesto nel concetto di sicurezza sismica.
Il ritiro è una variazione di volume che subisce il calcestruzzo durante la fase di presa e di indurimento che determina lo shrinkage del getto oppure uno swelling differenziandosi dalla viscostà e dal fluage che dipendono dai carichi applicati. Esso è innescato da perdita d'acqua che si manifesta con fessurazioni normalmente di limitato spessore che conducono a quei problemi di minore compattezza della miscela cui consegue una ridotta risposta sismica nell'ambito della resistenza globale della struttura come prima indicato. Ovviamente le ripercussioni negative riguardano anche i fattori di resistenza statica. Il fenomeno del ritiro è essenzialmente legato alla pasta di cemento che resta il componente che influenza in assoluto la maggiore o minore consistenza ed in particolare il ritiro autogeno causato dalla reazione di idratazione dei granuli di cemento che producono un sensibile aumento di temperatura calcolabile con la relazione:

Proprio il dosaggio di cemento resta il valore di riferimento per la verifica della buona composizione della miscela in funzione dei fenomeni del ritiro e considerando inoltre quelli relativi al creep. La viscosità va infatti sommata alle deformazioni per ritiro essendo funzione dell'umidità ambientale, della geometria degli inerti nonché dei valori di resistenza e del modulo elastico del calcestruzzo. Ulteriore fattore che può influenzare la resistenza ai carichi dinamici è la lavorabilità legata al valore progettuale del rapporto a/c. Per valori particolarmente bassi adoperati per interventi di consolidamento strutturale, tramite rifacimento dello spessore copriferro o aumento della geometria della sezione di una trave o di un pilastro, per raggiungere l'innalzamento dei livelli prestazionali sismici le condizioni legate alla cantieristica ed in particolare ai getti da eseguire diventano prioritarie. In particolare, per bassi valori del rapporto a/c il calcestruzzo diviene poco lavorabile riducendo di fatto la compattezza, oltre che la durabilità, esponendo la struttura ad un minore rendimento agli sforzi di taglio e non solo. Per i valori richiesti di compattezza, anche per la realizzazione delle cerniere plastiche che richiedono una determinata rigidezza, può non essere sufficiente l'uso tradizionale di additivi e di vibrazione richiedendosi altri parametri oltre la fluidità. Uno di essi è la coesione che è strettamente connessa alla flocculazione e alla capillarità essendo più elevata quanto minore è la dimensione dei granuli e per determinati valori del rapporto a/c. Sulla scorta di tali considerazioni la coesione è fondamentalmente dipendente dal volume di acqua ed in particolare questo volume influisce sui legami tra i granuli di cemento e la capillarità nel senso che aumentando oltre il limite di saturazione si avvia il processo di segregazione con le negative conseguenze conosciute. Si può dire che in funzione di tali parametri la coesione è la sollecitazione tagliante che bisogna applicare per deformare il calcestruzzo trascurando il carico di compressione. In sostanza, può essere definita come la forza di taglio necessaria per rimuovere il materiale lungo un piano di scorrimento per cui esiste una relazione importante ai fini della qualità del materiale in rapporto alla vulnerabilità della struttura.

Diventa allora fondamentale comprendere quale possa essere per il materiale la migliore soluzione che per i fattori reologici in zona sismica possa contribuire alla resistenza della struttura. La qualità del calcestruzzo è individuata dalla classe di resistenza Rck/fck, dalla classe di esposizione, dalla classe di consistenza e dal diametro massimo dell'inerte. E' estremamente importante ricordare che il giusto mix design non assegna di fatto l'idoneità alla struttura e che altro fattore determinante ai fini della qualità reologica è il grado di compattazione gc del calcestruzzo. Per stabilire la qualità del getto e quindi le migliori condizioni reologiche si stabilisce un valore di gc legato sia alla resistenza meccanica attesa per la struttura (Rcak) che alla resistenza caratteristica per il materiale Rck. Per realizzare strutture con la massima compattezza la condizione (puramente teorica) è g_c = 1,00. In queste condizioni:

Rcak = Rck (4g_c - 3,2) = 0,80 Rck

tenendo conto che il valore g_c = 1 è possibile solo con i calcestruzzi autocompattanti mentre il valore realistico, relativamente alla classe di consistenza, varia da 0,90 a 1,00. Il grado di compattazione è facilmente controllabile dopo 24 ore dal getto tramite il rapporto:

g_c = mv /mvo

dove:

• m_v è la massa volumica della carota estratta dalla struttura
• m_vo è la massa volumica del provino compattato a rifiuto secondo normativa.

Scelto un valore di gc in base alla classe di consistenza del calcestruzzo, alla difficoltà esecutiva ed alla qualità della manodopera, si può prescrivere un valore di Rck per il materiale in funzione della resistenza meccanica che si vuole realizzare nella struttura Rcak utilizzando il rapporto:

Rck = Rcak/(4g_c – 3,2)

(...continua la lettura nel pdf)