Un metodo di prova per la valutazione del rischio di FESSURAZIONE del CALCESTRUZZO in condizioni di ritiro vincolato

Un metodo di prova per la valutazione del rischio di FESSURAZIONE del CALCESTRUZZO in condizioni di RITIRO VINCOLATO

Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014

SOMMARIO
Il calcestruzzo, in condizioni di contrazione impedita, può andare incontro a fenomeni di fessurazione, che sebbene non pregiudichino in molti casi l'integrità strutturale, possono però rappresentare un serio rischio di veicolazione di sostanze aggressive. La condizione di impedimento alla libera deformazione può fare insorgere infatti, sia tensioni normali che tangenziali alla superficie di interfaccia del vincolo (es. pilastri incamiciati, a geometria chiusa) oppure semplicemente tangenziali (es. strati di rinforzo applicati su elementi generalmente piani a geometria aperta). In questo lavoro, l’attenzione è focalizzata sulla prima condizione di vincolo, facendo ricorso ad una metodica di prova derivata dal cosiddetto “ring test” (ASTM C1581). Tale metodo di prova, tuttavia, presenta sostanzialmente due criticità. La prima riguarda l’entità del grado di vincolo (DOR – Degree Of Restraint), generalmente non rappresentativo delle normali condizioni di impedimento espresse da strutture che ad esempio devono essere incamiciate. La seconda è da ricondurre all’inadeguatezza delle informazioni fornite dalla metodica di prova per descrivere compiutamente il comportamento fessurativo del calcestruzzo nelle predette condizioni di ritiro vincolato. Tale metodo, infatti, si limita a fornire, come unico risultato, il tempo di innesco della incipiente fessurazione. D’altra parte, ai fini di una corretta progettazione della vita di servizio di un’opera in calcestruzzo, è importante conoscere l’apertura della fessura all’innesco e la velocità di accrescimento della stessa. Il presente lavoro propone un metodo di prova basato sul “ring test” modificato rispetto al metodo ASTM ed in grado di fornire parametri utili ad una più idonea valutazione del comportamento a ritiro vincolato dei calcestruzzi. La metodica di prova è stata validata attraverso prove di ripetibilità e di robustezza estese a composizioni di calcestruzzo diversificate per resistenza meccanica, tipologia di additivo e rinforzo fibroso.

 1. INTRODUZIONE
Negli ultimi anni è divenuta sempre più crescente la consapevolezza che il fenomeno del ritiro del calcestruzzo è della massima importanza e non può essere trascurato nella progettazione strutturale. La presenza di vincoli fisici o di gradienti termo-igrometrici può infatti indurre l'insorgenza di stati tensionali che possono superare la resistenza a trazione del materiale, generando così fessurazioni anche di grado significativo. Tali problemi tecnici hanno anche un notevole impatto economico, in particolare, per forme realizzative in cui, per effetto del rapporto di superficie/volume, il fenomeno di ritiro igrometrico può risultare particolarmente accentuato (ad esempio nelle pavimentazioni industriali).
Attualmente, la maggior parte delle norme nazionali (UNI EN 11307:2008) ed internazionali (ISO 1920-8:2009, DIN 1045) forniscono solo la misura del ritiro totale del calcestruzzo in assenza di vincoli esterni (ritiro libero). Questa misura, pur consentendo di discriminare il comportamento di calcestruzzi di qualità diversa, tuttavia, non fornisce sufficienti informazioni per valutare i materiali nelle reali condizioni cui sono normalmente soggetti. Inoltre, la valutazione sperimentale di un materiale in contrazione impedita è di fondamentale importanza, non solo dal punto di vista strutturale, ma anche per considerazioni di durabilità. E' noto infatti, che esistono valori di apertura della fessura tollerati ai fini della durabilità in relazione allo stato limite di esercizio delle strutture in calcestruzzo (Eurocodice 2). E' noto inoltre che tale fenomeno appare più pronunciato nel caso di calcestruzzi ad alte e altissime prestazioni (rispettivamente HPC/UHPC), che normalmente forniscono eccellenti prestazioni di durabilità, ma che, a causa del loro relativamente elevato contenuto di pasta di cemento, possono essere soggetti a fessurazioni dovute al ritiro impedito, particolarmente nei primi giorni di maturazione. Questo comportamento è il risultato di un effetto combinato tra un più elevato ritiro libero nei primi giorni, ed un più alto modulo di elasticità. Le due cose si traducono in sollecitazioni potenzialmente in grado di superare la resistenza a trazione di questi materiali. Più in generale, anche i calcestruzzi fibrorinforzati (FRC) dovrebbero essere sperimentalmente caratterizzati in maniera più idonea per valutare il ritiro vincolato ed il potenziale rischio fessurativo mediante un metodo di prova che tenga conto anche del comportamento post-fessurativo (in cui la fibra di rinforzo gioca il principale ruolo).
In questo contesto, la valutazione sperimentale del calcestruzzo a ritiro vincolato è stata oggetto di numerosi studi; il metodo più comune è il cosiddetto "ring test" (Swamy e Stavrides [1], Grzybowski e Shah [2, 3] , Shah et al [4,5,6], Kovler et al [7] , Wiegrink et al [8] , Weiss et al [9,10,11], Hossain et al [12,13] See et al., [14] , Voigt et al [15], He et al [16] , Luna et al [17] , Turcry et al [18], Kwon et al [19, 20] e Hwang et al [21], Yoo et al., 2013 [22], Pour-Ghaz et al. [23]), che inizialmente era inquadrato in una specifica AASHTO (PP 34-99). Nel ring test, il calcestruzzo viene colato intorno a un toroide di acciaio in grado di contrastarne il ritiro libero; questo comporta un incremento delle tensioni di trazione nel calcestruzzo, mentre l’anello di acciaio, agendo da contrasto, è soggetto a compressione. In questo modo, è possibile simulare, trascurando le componenti d’attrito, gli effetti di ritiro impedito nel calcestruzzo. Una versione standardizzata del metodo del "ring test" è stata successivamente introdotta attraverso la ASTM C1581-04.
Il metodo ASTM si basa essenzialmente sul concetto di tempo di innesco della fessurazione, mentre la trazione che si sviluppa nel campione di calcestruzzo viene calcolata a partire dal livello di deformazione misurato in corrispondenzadell'anello interno in acciaio, il quale è quindi strumentato con trasduttori estensimetrici. Il metodo ASTM fornisce inoltre il tasso di sviluppo della sollecitazione di trazione nell’anello di calcestruzzo calcolato a partire dalla misura della deformazione.
Recentemente in letteratura sono state adottate tecniche strumentali più sofisticate [23,6,10,13,17] per fornire un'indicazione quantitativa della distribuzione e del livello di stress nell' anello di calcestruzzo durante l’incipiente fessurazione. Tuttavia, parametri “chiave” come quelli relativi alla risposta post-fessutiva del materiale in termini di apertura e corrispondente cinetica di accrescimento della fessura, particolarmente importanti nel caso di caratterizzazioni di FRC, sono attualmente stimati solo attraverso misure indirette.
Qualche sforzo più recente, in termini di variazioni alla norma ASTM è stato dedicato da Plizzari e Reggia [24], tuttavia, il grado di vincolo offerto dal ring di prova è lo stesso adottato nella norma ASTM, quindi potrebbe essere non rappresentativo di alcune condizioni reali di impedimento alla deformazione che si verificano in comuni applicazioni. In letteratura, infatti, le speculazioni sulla validità della geometria ad anello e sulla idoneità dimensionale dello stesso nella valutazione di calcestruzzi con aggregati più grandi o con fibre sono state ben argomentate (Luna et al. [6], Shah et al. [11]). Il metodo di prova ASTM, infatti è rigorosamente applicabile a miscele di calcestruzzo con una dimensione nominale massima dell’aggregato di 13 mm, essendo lo spessore della corona circolare di calcestruzzo pari a 372 mm (come noto, infatti, lo spessore minimo di calcestruzzo dovrebbe essere pari a tre volte la dimensione massima dell'aggregato) o ad una gamma limitata di condizioni reali di applicazioni.
Ad esempio, il grado di vincolo che si sviluppa nel ring ASTM potrebbe risultare troppo basso per rappresentare il caso di una nuova malta/calcestruzzo ad elevate prestazioni che venga utilizzato come strato di rinforzo per la riparazione/rafforzamento/adeguamento di un calcestruzzo esistente. Secondo la letteratura consolidata, un cambiamento nella dimensione dello stampo ad anello è quindi necessario ed implica l'adozione di un diverso spessore dell'anello d'acciaio che potrebbe avere l'effetto di modificare il grado di vincolo, così come i livelli della sollecitazione [25].
In questo contesto, il presente lavoro suggerisce lo sviluppo di un “ring test” alternativo avente dimensioni diverse rispetto a quello ASTM e che consenta un rilievo diretto dell'apertura di fessura e di alcuni parametri meccanici che descrivano l’insorgenza della fessurazione ed il comportamento del calcestruzzo in condizioni vincolate in post-fessurazione. L'assunzione di uno stampo ad anello di diverse dimensioni per l’esecuzione della prova è motivata dall’intento di assegnare un grado di vincolo (chiamato "DOR" nel seguito) più adatto. In dettaglio, come stampo è stato scelto un anello di contrasto in acciaio più spesso rispetto a quello ASTM. Inoltre è stato introdotto un intaglio preformato nell’anello di calcestruzzo allo scopo di rilevare direttamente il tempo di fessurazione e l'aumento dell'ampiezza dell'apertura di fessura con il tempo.
Il metodo proposto mira anche a sviluppare una procedura sufficientemente "robusta", (cioè in grado di apprezzare un significativo cambiamento nella composizione del calcestruzzo, e dal quale è ragionevole aspettarsi un diverso comportamento fisico - meccanico). Più specificamente, il metodo si propone di fornire il vantaggio di valutare più adeguatamente il potenziale di fessurazione del calcestruzzo mediante la valutazione del comportamento a ritiro vincolato, in particolare di calcestruzzi HPC/UHPC.
Riassumendo, quindi, la proposta di ring test modificata mira a qualificare e classificare miscele di calcestruzzo di varia composizione e prestazione in termini di resistenza allafessurazione da ritiro impedito, sulla base dei seguenti parametri:
- Tempo di Cracking (TC): tempo di fessurazione rilevato come il momento in cui si rileva un improvviso cambiamento di pendenza nell’andamento dell’apertura di fessura alla base (CMOD) ed all’apice (CTOD) dell’intaglio in funzione del tempo;
- CMOD Critico (CMODc): apertura della base dell’intaglio al momento della comparsa fessura;
- Ampiezza istantanea della fessura (ΔCMOD): apertura della fessura registrata al tempo di innesco;
- Tasso di apertura della fessura (vc): tasso di sviluppo del CMOD dopo l’innesco della fessurazione fino ad un valore di apertura predefinito. La conoscenza di questo parametro è molto importante dal punto di vista della durabilità e può rappresentare un utile strumento per la previsione della vita di servizio delle opere in calcestruzzo.

All'interno dell'articolo completo:

2. SIGNIFICATO TECNICO
2.1 Considerazioni tecniche alla base della scelta del “DOR”

3. PROGRAMMA SPERIMENTALE
3.1 Procedura di prova e set-up
3.2 Progetto della miscela

4. RISULTATI E DISCUSSIONE

5. CONCLUSIONI

BIBLIOGRAFIA