L'aria del calcestruzzo e la resistenza al gelo-disgelo

Calcestruzzo: composizione, caratteristiche e resistenza al gelo-disgelo

La pasta del calcestruzzo allo stato fresco è costituita da tutto ciò che passa al setaccio di 0,125 mm compresa l’acqua e l’aria.

All’indurito la vista di una sezione di calcestruzzo mostra gli aggregati grossolani ed intermedi avvolti da una malta sabbiosa e fine composta da frazioni solide di misura inferiore a 4-5 mm. La parte più fine della malta è denominata matrice cementizia.

La matrice cementizia corrisponde, quindi, alla pasta del calcestruzzo indurita senza la quantità di acqua che era presente allo stato fresco.

L’aria inglobata è definita come aria intenzionalmente incorporata a seguito dell’uso di appropriati additivi durante il confezionamento del calcestruzzo allo stato fresco.

Questa è da distinguere dall’aria accidentalmente intrappolata: i due tipi differiscono per la grandezza delle bolle laddove quelle inglobate hanno un diametro tipico di 50-100 μm mentre l'aria accidentale forma bolle molto più grandi, alcune quanto i segni familiari, anche se indesiderabili, visibili poi sulla superficie a vista dell’elemento in calcestruzzo.

È stata dimostrata l’aumentata resistenza ai cicli di gelo-disgelo del calcestruzzo addizionato con additivi aeranti purché siano contemporaneamente soddisfatte le seguenti condizioni:

• impiego di aggregati non assorbenti e non gelivi;
• impiego di cementi con contenuto relativamente elevato di alcali;
• rapporto a/c inferiore a 0,4;
• diametro delle bolle inferiore a 100 μm;
• spaziatura fra le bolle compreso fra 250-350 μm (spacing).

Aria del calcestruzzo allo stato fresco e aria della pasta

Fra le caratteristiche degli inerti vi è la tendenza, o meno, all’assorbimento di acqua determinata da caratteristiche fisiche peculiari. Essi, chiaramente, possono assorbire acqua a regime e rendere vulnerabile al gelo tutto il sistema.

Prendiamo in esame, per esempio, un aggregato calcareo con assorbimento 4%. Ma cosa succede al volume di aria rilevato dal porosimetro allo stato fresco quando si impiegano aggregati assorbenti?

Dipende dal grado di saturazione che, in quel momento, caratterizza l’aggregato medesimo.

La misura del contenuto di aria avviene con porosimetro a pressione.

Lo strumento restituisce la percentuale di aria totale del calcestruzzo:

• se gli aggregati sono impiegati in condizioni saturi a superficie asciutta il porosimetro restituirà l’aria del calcestruzzo coincidente con l’aria della sola pasta cementizia in quanto la pressione esercitata dallo strumento non potrà includere acqua nelle capillarità dell’aggregato;
• se gli aggregati non sono in condizioni saturi a superficie asciutta il porosimetro restituirà l’aria del calcestruzzo determinata dalla somma fra l’aria della pasta e l’aria degli aggregati disposti ad assorbire che, in seguito alla pressione, istantaneamente si satureranno.

Ammettiamo, ad esempio, di utilizzare aggregati con assorbimento 4% non saturi: dalla prova con il porosimetro si evince un contenuto totale di aria, ad esempio, del 6%.

Domanda:
questo calcestruzzo soddisfa la classe di esposizione XF?
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Effetto del pompaggio

Ogni ciclo di pompaggio diminuisce di almeno il 20% il contenuto di aria allo stato fresco e contribuisce a modificarne la distribuzione in sezione e lo spacing.

All’indurito il contenuto di aria ritorna ad aumentare per effetto della evaporazione dell’acqua che, tuttavia, è proporzionale al volume delle porosità non benefiche ai fini delle resistenze.

La concentrazione e lo spacing in sezione rimangono invariati.

L’aria utile alla resistenza al gelo è solo quella intenzionalmente inglobata cioè solo quella della pasta.

L’aria allo stato fresco può essere verificata con il porosimetro oppure con l’Air Void Analyzer.

Mentre il porosimetro restituisce il volume dell’aria del calcestruzzo cioè la somma fra l’aria presente nella pasta cementizia e l’aria presente negli aggregati, l'Air Void Analyzer restituisce informazioni sull’aria della sola pasta fornendo le due dimensioni utili: il diametro delle bolle e la loro spaziatura.

Affinchè la struttura delle bolle d’aria risulti efficace è evidente che non debbano presentarsi situazioni che contribuiscono alla loro concentrazione o alla loro fuoriuscita.

Tramite una tomografia all’indurito secondo ASTM C457, è possibile verificare la distribuzione dei vuoti, la quota nell’elemento indagato ove presente tale distribuzione, la loro dimensione e la loro spaziatura.

Il fabbisogno di aria del Calcestruzzo resistente al gelo

Esistono vari modelli di interpretazione della resistenza del calcestruzzo al gelo in relazione alla distribuzione di microbolle stabilizzate. Essi concordano tutti sul fatto che a parità di diametro delle bolle e prestazione della pasta, la spaziatura è l’elemento fondamentale per la durabilità.

Autori come Powers distinguono addirittura il comportamento al gelo in “low-frost” e “high-frost resistance” in relazione alla temperatura ed alla misura dello spacing:

“The average distance, void to void, through the paste should non exceed 0,02in., or thereabouts. This means that the maximum distance from a point in the paste to the nerest void is about 0,01in. or less.”

“La distanza media, da vuoto a vuoto, attraverso la pasta non deve superare 0,02 in. (0,500mm) o qualcosa del genere. Ciò significa che la distanza massima da un punto della pasta al vuoto più vicino è di circa 0,01in. (0,250mm) o meno.”

“The paste surrounding the bubbles contains capillarry pores more or less filled with a solution of electrolytes called the freezable water”.

“La pasta che circonda le bolle contiene pori capillari più o meno riempiti con una soluzione di elettroliti chiamata acqua congelabile”.

All’inizio del congelamento solo una parte di acqua congelerà aumentando di volume. L’acqua ancora liquida potrà uscire dalla capillarità ed entrare nei serbatoi creati dalle bolle evitando di espandere la struttura della pasta in maniera deleteria anche a temperature discendenti.

La pressione con la quale questa acqua esce dalle capillarità e si muove verso la bolla più vicina deve essere inferiore alla resistenza della pasta. Per questo motivo il rapporto a/c risulta determinante.

Tips & Tricks: ingredienti e attività propedeutiche

Un calcestruzzo aerato si presenta scorrevole e l’impiego di aerante è accompagnato da un marcato effetto sulla lavorabilità che, tuttavia, è meno intenso per calcestruzzi ricchi di cemento mentre risulta molto più accentuato con miscele magre.

Inteso che l’aerante promuove la mobilità, è possibile tarare la lavorabilità con gli additivi riduttori di acqua per controllare il rapporto a/c consapevolmente con il fatto che per ogni punto di aria la resistenza a compressione viene penalizzata del 7-8%.

L’aria stabilizzata aumenta la capacità di bleeding e ne riduce gli effetti cioè la velocità con la quale si manifesta riducendo i fenomeni di sedimentazione. Per questo motivo la formazione di lattime biancastro viene ridotta come pure la permeabilità capillare.

Tuttavia:

• cementi con elevato contenuto di finissimi contrastano la formazione di aria come pure un contenuto di alcali inferiore a 0,8%;
• cementi low-alkali contrastano la formazione di microbolle;
• filler finissimi sono disareanti;
• l’acqua riciclata è da evitare;
• occorrono miscelazioni veloci ed energiche per far “montare” gli additivi: il tempo di miscelazione è fondamentale.
• la miscelazione prolungata espelle un certo volume di aria;
• il caldo contribuisce a elevate perdite di aria. Anche la stagionatura a vapore del calcestruzzo può provocare fessurazioni iniziali a causa dell'espansione delle bolle d'aria.

Pavimentazioni resistenti al gelo

L’uso di calcestruzzo aerato per la realizzazione di pavimentazioni posate a mano e lavorate con frattazzatrici è sconsigliato per motivi legati alla produzione ed alla tipo di attività di posa cui i nostri posatori sono abituati, soprattutto per la consistenza molto fluida al getto e per la realizzazione dello strato di usura e della finitura superficiale.

In relazione alla produzione: il mescolatore è fondamentale.

In relazione alla posa: non si può gettare con slump superiore a 14-18 cm per evidenti complicazioni sulla corretta spaziatura fra le bolle nella sezione della pavimentazione.

Per prima cosa bisogna focalizzare sul tipo di finitura. Se si pensa ad un calcestruzzo aerato è evidente l’ubicazione esterna. Di conseguenza la finitura dovrà essere antiscivolo e ruvida. In questo caso si suggerisce la finitura scopata.

Se si usa la frattazzatrice rotante questa deve essere leggera e montare pale larghe tenute basse. Non usare il disco per frattazzare. Si deve iniziare la frattazzatura quando sulla superficie si lasciano le impronte, ma non si sprofonda. In quasto caso, dopo la prima frattazzatura passare subito la scopa.

Il pavimento è finito.

Aspettare troppo l’indurimento, operare con frattazzatrice rotante poi passare la scopa è sbagliato. In quel caso, infatti, si fa fatica a “rompere” e l’operatore tende a buttare acqua per promuovere la frattazzatura. Questa operazione tende a chiudere troppo la superficie che risulterà troppo densa e non propedeutica alla resistenza al gelo. Inoltre è la tecnica perfetta per cercarsi delaminazioni coesive.

Se, inoltre, si applica spolvero anidro oppure si vuole raggiungere una finitura semi-liscia a pale combinate la frittata è fatta!

Si consiglia la finitura del calcestruzzo aerato senza l’uso di frattazzatrici rotanti: appena staggiato si passa il bull-float, la fresno a manico lungo e poi subito la scopa. Il pavimento è finito.

L’uso di frattazzatrici rotanti con tutte le procedure abituali ivi compresa, eventualmente, l’applicazione di spolvero, deve prevedere l’impiego di calcestruzzo non aerato resistente al gelo.

La norma UNI 11104 indica il calcestruzzo C35/45 XD3 come ideale per queste applicazioni.
In questo caso suggerisco di posticipare la verifica della resistenza almeno a 90gg al fine di poter utilizzare cementi più lenti, impiegarne meno e poter progettare una miscela secondo i consigli esposti nel nuovo Codice di Buona Pratica Conpaviper (quarta edizione).

Oppure implementare l’uso di un calcestruzzo di “prestazione equivalente” - vedi Cap. 7.4.4 Approccio alternativo all’uso di calcestruzzi aerati in caso di cicli di gelo-disgelo e sali disgelanti del nuovo Codice di Buona Pratica per Pavimentazioni in Calcestruzzo ad uso Industriale (quarta edizione - Conpaviper).

Infine, consiglio la lettura dei due articoli sotto proposti:

Pavimenti industriali realizzati in inverno: ecco gli aspetti da tenere in considerazione nella scelta del calcestruzzo
Intervista all'ing. Gianluca Pagazzi
 
Calcestruzzo per pavimentazioni industriali realizzate in inverno
Approfondimento tecnico a cura dell'ing. Gian Luigi Pirovano