Filler calcareo per calcestruzzo autocompattante

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L’impiego dei filler nella tecnologia del calcestruzzo moderno

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R. Birolini (*), R. Marino (**)
(*) Direttore Tecnico Nicem srl, Bergamo
(**) Docente esterno in Tecnologia dei Calcestruzzi
Facoltà di Ingegneria
Università dell’Aquila

Introduzione

Lo studio dei mix design dei calcestruzzi è sicuramente una delle più interessanti ed affascinanti aspetti della tecnologia del calcestruzzo moderno.
Nonostante l’enorme sviluppo tecnico-scientifico, registrato negli ultimi decenni, solo in poche occasioni si è fatto pienamente ricorso alle reali e concrete possibilità di migliorare i calcestruzzi prodotti facendo proprie aspetti e strumenti di innovazione mediante, per esempio, l’impiego di nuovi costituenti, l’utilizzo di nuove tecnologie di analisi e di sperimentazione in laboratorio, ma, soprattutto, di pensiero.
Quest’ultima osservazione, mi auguro, troverà riscontri pratici nella memoria.

Lo scopo del presente articolo è quello di evidenziare come l’apporto di nuovi materiali, nel caso specifico i filler calcarei, possono venire incontro alle esigenze della clientela, fatto salvo il principio base che un vero salto qualitativo lo si compirà a fronte di una maturazione e reale presa di coscienza da parte del prescrittore.
Nei corsi di formazione ripetiamo spesso che il calcestruzzo, prima di studiarlo, produrlo e venderlo, deve essere correttamente prescritto. Devono cioè essere ben chiare non solo le caratteristiche reologiche e fisco meccaniche del calcestruzzo oggetto della fornitura, ma anche altre proprietà che meglio identificano il calcestruzzo, in relazione all’ambiente e alla tipologia delle strutture, ognuna delle quali può richiedere determinati e mirati requisiti prestazionali dei materiali.
A testimonianza di ciò, negli ultimi anni assistiamo a iniziative di formazione e informazione da parte delle Associazioni di categoria, e di aziende produttrici di calcestruzzo, che hanno lo scopo di aiutare il prescrittore al suddetto salto di qualità. L’esempio più esplicito è rappresentato dal Progetto Concrete (www.progettoconcrete.it) coordinato da ATECAP con ASSOBETON, CONPAVIPER, ASSIAD, AITEC e SISIMIC..

La tecnologia moderna del calcestruzzo

Vi sono diverse possibili definizioni di calcestruzzo moderno [1], [2], ma la peculiarità principale consiste nel comprendere che vi sono nuovi materiali disponibili per uno studio tecnologico più approfondito dei conglomerati cementizi, con specifiche caratteristiche, che devono essere prescritte dal progettista, tenendo in considerazione la destinazione d’uso del calcestruzzo, la forma e la complessità dell’elemento strutturale e il modo con cui verrà gettato in opera il calcestruzzo.
Torneremo tra breve su quest’ultimo argomento, perché pensiamo che se, da una parte, le normative debbano creare la spinta alla innovazione, dall’altra ci siamo spesso trovati in certe forme, diciamo così, di “costrizione”, per il rispetto delle stesse, creando talvolta condizioni di discussione, e insieme di potenziale pericolo, sempre nei riguardi della struttura finita.
I materiali innovativi, crediamo, siano oramai piuttosto conosciuti. In letteratura sono facilmente reperibili articoli che trattano l’argomento in maniera precisa e puntuale, che focalizzano l’attenzione riguardo alle proprietà dei calcestruzzi sia allo stato fresco ma, soprattutto, allo stato indurito, con particolare attenzione alle resistenze meccaniche a compressione fino alle alte e altissime resistenze.
Tra i nuovi materiali non possiamo che annoverare i nuovi additivi superfluidificanti di recente generazione, i riduttori di ritiro, SRA, i viscosizzanti, VMA, le fibre sintetiche e metalliche, i filler ad alta attività pozzolanica, [3] e i filler calcarei.

I filler calcarei

La normativa europea UNI EN 12610-1 definisce il filler come aggregato, la maggior parte del quale passa allo staccio 0,063 mm, che può essere aggiunto ai materiali da costruzione per conferirne diverse proprietà.
La stessa norma definisce anche il termine di polveri, (fini), come classe granulometrica di un aggregato che passa allo staccio medesimo, cioè 0,063 mm.
Riguardo alle polveri, o fini, la UNI EN 12620, con l’Appendice D (normativa!! Non informativa!!) detta delle condizioni di controllo sulle polveri per tutelarne l’impiego in rapporto alla eventuale presenza di sostanze nocive che possono compromettere le caratteristiche del calcestruzzo sia allo stato fresco che a quello indurito.
In sintesi, possiamo semplificare questa distinzione, tra filler e polveri, osservando che, nel caso dei filler, si tratta di materiale aggiunto al conglomerato all’atto della sua miscelazione, nel caso di polveri, si tratta di fini già presenti negli aggregati da impiegarsi.
Le UNI 8520, parte 1 e 2, stabiliscono, inoltre, dei limiti sulle polveri, con valori di blu di metilene e di equivalente in sabbia.
Il prospetto seguente della 12620 entra nel merito dei requisiti granulometrici dei filler ed è riportato di seguito:

prospetto 7 della UNI EN 12620

prospetto 7 della UNI EN 12620

Si noti l’intervallo del passante allo staccio 0,125, che deve risultare compreso tra l’85-100%.
Un requisito, quest’ultimo, significativo, dal momento che alcune Raccomandazioni europee ed internazionali, riguardanti i calcestruzzi autocompattanti, SCC, definiscono filler e polveri quali materiali passanti allo staccio 0,125.
Di seguito, riporto un esempio di curva granulometrica di un filler calcareo, con tenore di carbonato di calcio al 99% circa, ottenuta con analizzatore granulometrico a laser. La massa volumica satura a superficie asciutta risulta essere di 2,71 kg/l.

curva granulometrica filler calcareo

curva granulometrica filler calcareo

Inoltre, è importante che il filler sia caratterizzato anche da una curva granulometrica distribuita delle varie frazioni. Come è noto, l’influenza di una distribuzione omogenea, e non mono granulare dei materiali solidi, sulle proprietà del calcestruzzo, è cosa assai nota ai tecnologi del calcestruzzo, anche nel campo dei materiali che hanno finezze paragonabili a quelle dei leganti idraulici.
Nella figura seguente si sono messe in relazione le distribuzioni granulometriche di due tipologie di filler con due di cementi, un 32,5 CEM B-LL e un 42,5 A-LL.

comparazione delle distribuzioni granulometriche di due filler e di due cementi

comparazione delle distribuzioni granulometriche di due filler e di due cementi

Si osservi, come la finezza dei campioni di filler sia leggermente superiore a quella dei cementi con il vantaggio di creare una sorta di continuità granulometrica che apporterà sostanziali modifiche al comportamento reologico della pasta cementizia unitamente alla microstruttura allo stato indurito.

Influenza sulle proprietà del calcestruzzo

Personalmente, ho cominciato a conoscere e a valutare, positivamente, l’importanza dei filler, come aggiunte alle miscele, quando è iniziato l’approccio, soprattutto nel corso degli ultimi anni, alla tecnologia dei calcestruzzi autocompattanti, i Self Compacting Concrete, SCC.
Gli americani, con il nuovo documento ACI 237R-07, ETS, definiscono l’SCC come Self Consolidating Concrete. Non è ancora chiaro il perché i normatori americani abbiano voluto cambiare la definizione, già internazionalmente conosciuta con il termine compacting, con il termine consolidating. E’ probabile, a mio parere, che mentre i giapponesi e gli europei focalizzano le loro attenzioni sull’aspetto reologico e di robustezza del materiale, gli americani guardino di più agli aspetti prestazionali sia durante la fase di maturazione che a quella finale, cioè allo stato indurito, dei calcestruzzi.
L’impiego dei filler permette di modificare, in maniera controllata e progettata, non solo gli aspetti reologici delle paste cementizie, connessi alla viscosità delle stesse, ma anche a quelli fisico-meccanici, legati, soprattutto, al miglioramento della zona di transizione e ad una microstruttura più compatta e quindi più resistente.
La zona di transizione, definita come quella parte della microstruttura che interessa l’interfaccia pasta-aggregato, sembra essere ancora oggetto di discussione, in rapporto anche ai diametri massimi dell’aggregato [1] impiegato nel confezionamento dei calcestruzzi. Personalmente, rimango convinto che la zona di transizione rappresenti un punto di debolezza meccanica della microstruttura. L’adesione della pasta cementizia, o matrice, all’aggregato, sia esso fine che grosso, dipende da vari fattori, non ultimo, però, dalla viscosità delle stesse paste, dalla loro capacità di adesione e di resistenza al flusso all’interno del conglomerato, dalla maturazione dello stessa.
Le moderne tecnologie ed apparecchiature di analisi permetteranno in futuro di indagare meglio sulle proprietà intrinseche delle paste, [4], affinché si possano valutare e ottimizzare il comportamento reologico, in funzione della lavorabilità e della successiva fase di maturazione.
In realtà, considerando l’evoluzione della moderna tecnologia, vi sono sempre più “occasioni” che determinano le condizioni mediante le quali è possibile l’impiego dei filler calcarei, anche per i calcestruzzi definiti tradizionali o ordinari.
Si pensi, ad esempio, alle carenze di polveri che caratterizzano le sabbie del nord Italia, spesso ottenute da miscelazioni intime di sabbie fini e con altre meno fini, con moduli di finezza, risultanti, compatibili con i valori usualmente impiegati nel confezionamento delle miscele. Il problema può nascere nel momento in cui si debbano impiegare quantità più elevate di tale materiale eterogeneo nei mix design, con potenziali pericoli dovuti ad una eventuale presenza di bleeding e un possibile aumento dell’aria intrappolata a svantaggio delle resistenze meccaniche finali.
Non solo, talvolta anche l’impiego di cementi d’alto forno, soprattutto di classe 32,5, possono creare, se il mix non è ben progettato, le stesse condizioni di bleeding del calcestruzzo, con tutte le conseguenze negative di cui sappiamo. Le ragioni, probabilmente, risiedono nel fatto che un cemento d’alto forno può presentare una certa discontinuità della curva granulometrica o distribuzione dei diametri delle particelle, con differenze di finezza dei costituenti (loppa e clinker) che hanno una certa influenza sulle proprietà reologiche del calcestruzzo fresco.
L’impiego dei filler calcarei, per le ragioni sopra citate, sono stati impiegati nella produzione di calcestruzzi destinati ad alcune strutture dell’Alta Velocità nel nord Italia, con riscontri positivi sia dal punto di vista reologico che prestazionale allo stato indurito. Si è trattato, in sintesi, di sopperire al contenuto di fini dei costituenti con una certa quantità di filler impiegati come aggiunta nelle miscele.

L’SCC è un nuovo calcestruzzo?

Lo sviluppo e la diffusione in tutto il mondo degli SCC è cosa ormai ben nota. Ai giapponesi si deve il merito di averlo studiato e progettato, classificato e diffuso in tutto il mondo, anche se è corretto ricordare che un calcestruzzo molto simile, se non uguale, è stato utilizzato per il bacino di carenaggio del porto di Trieste fin dalla metà degli anni ’70, con un mix decisamente innovativo studiato da M. Collepardi.
La domanda del presente paragrafo potrebbe essere provocatoria; la risposta potrebbero averla data i norvegesi, [5], e pensiamo che il loro approccio, sia tecnologico che di pensiero, meriti attenzione o, per lo meno, sia degno di verifica e di studio.
Dal momento che la ricerca tecnologica e scientifica sia orientata principalmente al comportamento del calcestruzzo allo stato fresco, la maggior parte degli articoli, riguardanti i calcestruzzi autocompattanti, hanno dato l’impressione che ci si trovi davanti ad una nuova tipologia di calcestruzzo oltreché ad un nuovo sistema di costruzione delle opere.
Su quest’ultimo aspetto, pensiamo che assolutamente non vi sia alcun dubbio, sul primo, invece, i norvegesi sostengono che l’SCC non è un nuovo tipo di calcestruzzo.
Pur rimanendo certamente validi i noti principi di base della “vecchia” tecnologia, è, però, necessario apportare una sorta di “aggiornamento” sia tecnologico che scientifico, con qualche nuova e ulteriore informazione dettata dalle moderne conoscenze.
In effetti, se consideriamo il calcestruzzo come materiale eterogeneo e che può essere costituito oramai da 7 o 8 costituenti, le varie combinazioni degli stessi possono essere diverse e non è semplice costruirsi un quadro di riferimento di come i materiali si possano combinare fra loro, avendo come principale obiettivo le proprietà reologiche o, in altri termini, di lavorabilità o consistenza.
L’approccio norvegese tenta di semplificare questa situazione, considerando il calcestruzzo costituito da due fasi, secondo due modelli: il modello della fase fluida, o matrice, e quello della fase solida, cioè gli aggregati, (particle-matrix models).
Nei due modelli considerati, la matrice rappresenta il componente “liquido” che incorpora la fase solida ed ha il compito di riempire tutti i “vuoti”.
Per matrice si intende il volume di pasta costituito dall’acqua efficace, dagli additivi e da tutti i componenti solidi passanti al setaccio 0,125 mm, oltre naturalmente all’aria intrappolata. La fase solida è invece costituita da tutto il trattenuto al setaccio 0,125 mm che sarà governata dalle proprietà già conosciute come la distribuzione granulometrica, la forma e la dimensione degli aggregati.
La combinazione di queste due fasi può essere graficamente rappresentata dalla seguente figura:

modello della fase solida e della matrice

modello della fase solida e della matrice

dove si evince che la lavorabilità del calcestruzzo (consistenza) dipende dal rapporto in volume delle due fasi che costituiscono il materiale calcestruzzo.
Non solo, ma dal momento che la matrice è un liquido viscoso, lo studio delle sue proprietà reologiche può essere effettuato con determinate apparecchiature che ne misurino, ad esempio, la resistenza di flusso, Q, rispetto, per esempio, all’acqua.
Nella tabella seguente sono riportati alcuni valori riferiti a differenti tipologie di calcestruzzo:

valori tipici della resistenza al flusso di alcune matrici costituenti diversi calcestruzzi

valori tipici della resistenza al flusso di alcune matrici costituenti diversi calcestruzzi

Si osservi come, progressivamente, il passaggio dal calcestruzzo ordinario all’SCC, comporti un aumento della resistenza al flusso, dovuto ad un minor rapporto a/c ma, soprattutto, all’impiego di filler, di idonei additivi superfluidificanti riduttori d’acqua ed eventuali additivi viscosizzanti.
Ulteriori studi, condotti con differenti calcestruzzi, caratterizzati da curve granulometriche alternativamente compatte e più “aperte” (con presenza di “vuoti”), e differenti volumi di matrice, con diversa resistenza di flusso, hanno dimostrato che esiste una sorta di linea di demarcazione, in termini di slump, in cui sono predominanti i due modelli, quello della fase fluida e quello della fase solida.
Il diagramma seguente ha lo scopo di mettere in relazione due calcestruzzi confezionati con differenti volumi della matrice, due differenti curve granulometriche, due differenti resistenze al flusso, in rapporto al valore dello slump:

 

funzioni di lavorabilità dei calcestruzzi confezionati con due differenti volumi di pasta e due differenti aggregati

funzioni di lavorabilità dei calcestruzzi confezionati con due differenti volumi di pasta e due differenti aggregati

Si noti che il punto di intersezione delle due funzioni logistiche, che rappresentano il comportamento reologico, misurato mediante l’abbassamento al cono di Abrams, dei due differenti calcestruzzi, corrisponde a 15 cm di abbassamento al cono, con circa 305 litri del volume della matrice.
Al di sotto dei 15 cm, si osserva come sia necessario un minor volume di matrice per far “muovere” il calcestruzzo, al di sopra, invece, dei 15 cm, il comportamento dei due calcestruzzi si inverte e a parità di slump (esempio 25 cm) è necessario, invece, un maggior volume di pasta.
La conclusione di questa analisi, il lettore non ce ne voglia, è che sotto l’aspetto della lavorabilità, i calcestruzzi fino ad uno slump S3 sono “dominati” dalla fase solida, particle model, mentre i calcestruzzi più fluidi, normalmente classificati come S4/S5, sono “dominati” dalla fase fluida, cioè dalla matrice, matrix model.
A dimostrazione di questa considerazione, dal diagramma si evince che le due curve logistiche tendono nella parte superiore del grafico ad un asintoto, entrando specificatamente nel campo tipico degli SCC, dove, sappiamo, il volume della matrice trova la sua massima importanza.
Dominio della matrice significa che il volume della stessa è sufficiente a mantenere una certa distanza tra i vari granuli dell’aggregato, riducendo il contatto fra loro, eliminando attriti e frizioni interne e fenomeni potenziali di blocking, cioè di “bloccaggio” in corrispondenza delle armature.
Corrispondentemente, dominio della fase solida significa che la consistenza del calcestruzzo è, invece, “dominata” dal contatto fra i vari granuli dell’aggregato, tipico dei calcestruzzi ordinari.
La conclusione di queste brevi considerazioni è che l’aumento della lavorabilità dei calcestruzzi comporti progressivamente una maggiore attenzione alla reologia delle paste più che alla distribuzione granulometrica ottimale degli aggregati.
A maggiore dimostrazione di quanto affermato, all’ultimo simposio internazionale della RILEM sugli SCC, Ghent 2007, alcuni autori si sono “cimentati” sulle varie possibili combinazione degli aggregati per i calcestruzzi autocompattanti: la conclusione è stata che, al momento, non esiste una curva teorica che possa rappresentare al meglio il fuso granulometrico misto dei componenti solidi.
Infine, il concetto di robustness, tradotto come robustezza, delle miscele, fino ad oggi pressoché sconosciuto nel campo dei calcestruzzi ordinari o tradizionali, assume invece un ruolo rilevante anche nel caso di calcestruzzi a media e ad alta fluidità.

I calcestruzzi fluidi

L’approccio allo studio reologico e prestazionale dei calcestruzzi ordinari con slump S5 o con tavola a scosse F5 o F6, non può essere considerato solamente mediante il solo rapporto a/c e l’impiego di idoneo superfluidificante.
E’ necessario, infatti, stabilire la giusta combinazione tra il volume della matrice e quello della fase solida e le prove in fase di qualifica, che si devono effettuare, hanno lo scopo di definire e ottimizzare tale rapporto.
Sempre nel caso di calcestruzzi fluidi e superfluidi, la metodologia consigliata, per la determinazione della consistenza, è quella relativa alla prova di spandimento mediante la tavola a scosse, secondo la UNI EN 12350-5. L’impiego del cono di Abrams, infatti, non è in grado di fornire tutte le informazioni necessarie alla definizione corretta del rapporto tra le due fasi costituenti la miscela di calcestruzzo.
Del resto, è noto come la UNI EN 206-1, al capitolo 5, Requisiti per il calcestruzzo e metodi di verifica, paragrafo 5.4.1, Consistenza, sottolinei, nella nota, la mancanza di sensibilità della determinazione della consistenza al di fuori di certi intervalli: nel caso dell’abbassamento al cono di Abrams, l’intervallo di affidabilità risulta essere di >10 mm e Nella maggior parte dei casi, quindi, possiamo trovarci nelle condizioni di una reale necessità di aumento del volume della pasta e vederci contemporaneamente “costretti” ad aumentare i fini attraverso una maggiore quantità di cemento e acqua.
L’impiego dei filler calcarei può risolvere tale situazione, con miglioramenti delle miscele sotto l’aspetto reologico e prestazionale, allargando le potenziali destinazioni d’uso dei calcestruzzi.
In Austria, ad esempio, molti calcestruzzi destinati ai conci prefabbricati in opera nelle gallerie, sono stati confezionati con non meno di 20 kg al metro cubo di filler calcarei, a testimonianza che pur nell’ambito della tecnologia tradizionale, per calcestruzzi superfluidi, di un certo pregio, si fa uso come aggiunta di detti materiali.

Conclusioni

L’impiego dei filler calcarei può rappresentare una alternativa qualitativa alla soluzione di problematiche connesse alla progettazione dei mix design del calcestruzzo.
Non solo nei calcestruzzi auto compattanti, ma anche nella tecnologia tradizionale i filler calcarei possono caratterizzare le miscele in termini di viscosità e robustezza apportando un significativo miglioramento tecnologico, indirizzato al soddisfacimento delle reali esigenze del progettista e dell’impresa costruttrice.
In sintesi, è sul volume della matrice che si concentreranno, e si dovranno concentrare, in futuro le nostre attenzioni nell’approccio allo studio delle miscele, con particolare riferimento alle prestazioni reologiche ottenute dalla combinazione tra legante idraulico, filler e idonei superfluidificanti riduttori d’acqua e viscosizzanti.

Ringraziamenti

Si ringrazia la società NICEM srl per le schede tecniche fornite.

Bibliografia

[1] S. Collepardi, E’ duttile è tenace il calcestruzzo del 2000, Enco-Journal n. 2, 1996
[2] M. Collepardi, Calcestruzzo per sempre, Enco-Journal n. 2, 1996
[3] A. Borsoi, M. Collepardi, S. Collepardi, E. N. Croce, Cenere volante “beneficiata” a confronto con cenere volante normale e fumo di silice, Enco-Journal n. 33, 2006
[4] S. Shah, ACBM, Chicago, Next horizon of high performance concrete, Royal University of Technology, Stockholm, Dicembre 2006
[5] NB Publication n. 29, Norway: Guidelines For Production And Use Of Self Compacting Concrete, 2007

Normative UNI EN citate nel testo
Libri e Proceeding consultati

  1. M. Collepardi, Il Nuovo Calcestruzzo, IV Edizione, Editore Il Tintoretto, Treviso, 2006
  2. L. Coppola, Concretum, I Edizione, Editore Mc Graw-Hill, 2007
  3. V. Alunno Rossetti, Il Calcestruzzo, Materiali e Tecnologia, Editore Mc Graw-Hill, 2003
  4. R. Marino, Vari Autori, La durabilità delle opere in calcestruzzo, Calcestruzzi SpA, Editore La Fiaccola, 2007
  5. Fifth International Rilem Symposium, Self Compacting Concrete, SCC 2007, Ghent