Il calcestruzzo 1

Interrato di una casa realizzato in calcestruzzo

Il calcestruzzo è un conglomerato artificiale costituito da una miscela di legante , acqua e aggregati ( sabbia e ghiaia ) e con l'aggiunta, secondo le necessità, di additivi , e/o aggiunte minerali che influenzano le caratteristiche fisiche o chimiche del conglomerato sia fresco [1] che indurito .

Attualmente il legante utilizzato per confezionare calcestruzzi è il cemento , ma in passato sono stati realizzati calcestruzzi che utilizzavano leganti differenti come la calce aerea o idraulica .
Raramente è stato utilizzato anche il gesso per realizzare calcestruzzi "poveri".
Il calcestruzzo fresco viene gettato nel cassero e costipato con vibratori , ma esistono formulazioni moderne del calcestruzzo dette autocompattanti ( SCC ) che non richiedono la costipazione.
Il cemento, idratandosi con l'acqua, indurisce e conferisce alla miscela una resistenza tale da renderlo simile ad una roccia .
È oggi utilizzato per realizzare le parti strutturali di un edificio ed è il materiale da costruzione più impiegato nel mondo. [2]

Il termine calcestruzzo, che deriva dal latino calcis structio (struttura a base di calce) non è in realtà quello utilizzato da Marco Vitruvio Pollione nel suo trattato De architectura , dove tale tecnica viene definita come opus caementicium (di cui si parlerà più approfonditamente in seguito). Nella descrizione contenuta nel De architectura , il termine caementum (dal verbo caedo che significa tagliare in pezzi) indicava il rottame di pietra usato per confezionare il calcestruzzo.

Il termine caementum dal latino classico, divenuto cementum nel latino volgare, conservò prima il significato di "rottame di pietra", per poi assumere nel tardo Medioevo , con il termine italiano di cemento, il significato di tutto il conglomerato, cioè l'attuale calcestruzzo. Solo alla fine del XVIII secolo il termine cemento assunse quello attuale di legante idraulico , mentre al conglomerato venne definitivamente assegnato il termine calcestruzzo.

Il conglomerato cementizio, come tutti i materiali lapidei, ha una buona resistenza a compressione, cioè si comporta discretamente quando è sottoposto a sforzi di compressione, mentre il suo comportamento agli sforzi di trazione diretta o di trazione per flessione è notevolmente scadente.

Per questi tipi di sollecitazione viene sfruttato l'ottimo connubio con l'acciaio, utilizzato sotto forma di tondini , a cui si demanda l'assorbimento degli sforzi di trazione, dando origine così al materiale composito notoriamente indicato con il nome di calcestruzzo armato .

Il Pantheon a Roma

Il notevole pregio riconosciuto al calcestruzzo dai suoi primi utilizzatori era la possibilità di ottenere rocce artificiali di qualsivoglia forma.

È difficile precisare quali siano le origini della tecnica di costruire in conglomerato, poiché pare che già gli Assiri e gli Egizi realizzassero costruzioni impiegando materiale minuto. Anche i Greci conoscevano questa tecnica, avendola utilizzata per la realizzazione dell' acquedotto di Argo , del serbatoio di Sparta ed altre costruzioni di cui rimane ancora traccia.

Furono però i Romani a darle grande impulso, utilizzandola per la realizzazione di un notevole numero di opere, ancora oggi in buono stato di conservazione. I romani impiegavano il calcestruzzo nelle costruzioni di strade , nelle fondazioni e nelle costruzioni murarie . Le tecniche dell' opus incertum , dell' opus reticulatum e dell' opus caementicium sono descritte da Vitruvio nel suo De Architectura . L' opus caementicium consisteva nell'elevare muri deponendo strati sovrapposti di malta e materiali inerti. I paramenti esterni in mattoni o pietre squadrate, che fungevano da casseri permanenti, venivano rapidamente riempiti di malta, all'interno della quale erano conficcati rottami di pietra o mattone.

Anche l'invenzione del legante non è di epoca romana, dato che può essere fatta risalire al III millennio a.C. , quando in Egitto era utilizzata la malta di gesso per la realizzazione di paramenti murari in conci di pietra. Fino a quando il legante della malta era costituito soltanto dalla calce, l'indurimento del calcestruzzo avveniva con estrema lentezza, poiché il progressivo consolidamento di una malta a base di calce è dovuto alla reazione dell'idrossido di calcio con l'anidride carbonica presente nell'aria con la successiva produzione di carbonato di calcio. Essendo quasi nulla la possibilità di contatto tra la calce idrata interna all' opus caementicium e l'anidride carbonica presente nell'aria, la reazione avveniva molto lentamente con prodotti finali a bassa resistenza. In alcune antiche costruzioni murarie in calcestruzzo confezionato con legante a base di calce sono state trovate, anche a distanza di vari secoli, quantità significative di calce non ancora trasformata in carbonato di calcio e quindi non ancora indurita.

L' opus caementicium fu portato al massimo grado di perfezione a partire dal I secolo a.C. quando la sabbia costituente la malta venne sostituita in parte o in tutto da pozzolana ( pulvis puteolana ) o da cocciopesto . La scoperta della pozzolana segnò una rivoluzione nella realizzazione di opere murarie. Dice infatti Vitruvio nel II libro del De Architectura che la pozzolana di Baia o di Cuma fa gagliarda non solo ogni specie di costruzione ma in particolare quelle che si fanno in mare sott'acqua . Grazie al comportamento pozzolanico della pozzolana e del cocciopesto il calcestruzzo faceva presa ed induriva, anche in acqua, senza la necessità del contatto con l'aria, consentendo così la produzione di malte ad alta resistenza e rapido indurimento.

Con la caduta dell' Impero Romano iniziò, soprattutto lontano da Roma , un inesorabile declino nella qualità delle costruzioni e la maniera di realizzare calcestruzzo come facevano i Romani venne dimenticata perché fu abbandonato l'impiego della pozzolana. Tale declino proseguì per tutto il medioevo . Durante il medioevo venne progressivamente dimenticata la tecnologia del calcestruzzo in favore di più semplici metodologie costruttive, sostituendo il legante cemento con grassello di calce .

Con il risveglio umanistico , soprattutto dopo il XIV secolo , si tradussero e si rilessero i testi latini di Plinio il Vecchio e di Vitruvio. È del 1511 la riedizione del De Architectura curata da un domenicano, Giovanni Monsignori ( Fra' Giocondo ). A questa seguirono numerosissime altre traduzioni, che contribuirono a chiarire sempre più il segreto di fare il calcestruzzo secondo i Romani. Così, soprattutto in Francia del Settecento , si riscoprì l'arte del ben costruire opere in calcestruzzo.

In questo continuo avvicinamento all'odierno calcestruzzo di cemento, vi fu la scoperta rivoluzionaria della calce idraulica da parte dell'ingegnere britannico John Smeaton. Questi, nella realizzazione del faro di Eddystone utilizzò, al posto della miscela calce - pozzolana, la prima calce idraulica da lui ottenuta dalla cottura di calcare contenente una discreta quantità (circa 11%) di impurezze argillose .

La scoperta della calce idraulica segna la transazione dal calcestruzzo romano a quello moderno, giacché gli sperimentatori, soprattutto con l'ausilio della nuova scienza chimica appena nata con Lavoisier sono in grado di governare un nuovo processo di sintesi che porterà prima alla calce idraulica artificiale e più tardi al moderno cemento Portland . Infatti, una volta scoperto che le impurità di silice e allumina , presenti nell'argilla che accompagnano naturalmente alcuni calcari, sono responsabili della formazione dei silicati ed alluminati di calcio capaci di indurire sott'acqua, iniziarono le sperimentazioni nella cottura di miscele artificiali di calcare e argilla a temperatura sempre più elevata fino ad arrivare ad una rudimentale scarificazione del prodotto finale.

Soprattutto in Inghilterra ed in Francia, tra la fine del Settecento e l'inizio dell' Ottocento , fiorirono invenzioni, brevetti ed iniziative industriali che portarono alla produzione dei primi leganti idraulici industriali, chiamati cementi. In particolare nel 1796 Parker fabbrica il primo cemento a presa rapida ( cemento Parker o cemento romano ), cuocendo nei suoi forni da calce le concrezioni marnose contenute nelle argille del Tamigi , mentre nel 1800 Lesage ottiene un materiale idraulico di alta resistenza calcinando i ciottoli calcarei di Boulogne sur Mer .

Generalmente lo spartiacque che segna la transizione tra la calce idraulica di Smeaton e il cemento Portland realizzato viene fissato al 1818 , data nella quale l'ingegnere Vicat definisce la formula della calce idraulica artificiale.

Il primo industriale ad aver fabbricato cemento idraulico a lenta presa pare sia stato, nel 1824 , un fornaciaro di York , Joseph Aspidin, il quale diede al prodotto il nome di cemento Portland, a causa della somiglianza tra la malta e il conglomerato formati con quel cemento con un calcare compatto dell'isola di Portland in Inghilterra.

Nel 1844 J.C. Johnson mise in evidenza l'importanza dei processi di cottura ad alte temperature che portavano alla formazione del clinker , prodotto finale del procedimento. Infatti, mentre per la cottura della calce idraulica si richiedono 600 - 700 °C, si devono raggiungere i 1600 °C e più per ottenere i cementi a lenta presa, poiché deve prodursi un principio di vetrificazione .

Nel 1860 M. Chatelier stabilì la composizione chimica del cemento consentendo così la produzione industrializzata del calcestruzzo.

La Maison Hennebique , villino in cemento armato che Hennebique si costruì a Bourg-la-reine

La notevole diffusione del calcestruzzo si è però avuta con l'avvento del calcestruzzo armato . Il composto infatti ha ottima resistenza a compressione ma scadente resistenza a trazione e questo ne ha limitato l'uso per millenni.

La data di nascita del calcestruzzo armato è difficilmente individuabile, ma certamente è nel XIX secolo , grazie alla rivoluzione industriale che portò ad un'eccezionale produzione dei due materiali costituenti: acciaio e cemento , che si è avuto la sua diffusione su vasta scala.

Da un punto di vista strettamente tecnico, l'idea di utilizzare il ferro quale materiale resistente a trazione in abbinamento con altri materiali resistenti a compressione, quali la pietra, si può trovare già nei secoli XVII e XVIII in Francia. Esempi di tale abbinamento sono il Colonnato Est del Louvre realizzato da Perrault e il pronao della chiesa di Saint Genevieve a Parigi realizzato da Rondelet. Le evidenti difficoltà insite nell'unione dell'acciaio con la pietra hanno limitato l'uso di tale tecnologia a poche opere di particolare interesse ed impegno. L'idea statica però ha successivamente trovato pratica realizzazione quando si è abbinato l'acciaio ad un materiale plastico quale è il conglomerato cementizio. Già a partire dalla fine del XVIII secolo, il principio viene descritto e sperimentato da numerosi costruttori quali Loriot, Fleuret, e Raucourt de Charleville. Comunque, solo dal 1845 , con l'inizio della produzione industriale del cemento artificiale, i tentativi acquistano maggiore importanza.

Nel 1847 Coignet progetta la prima copertura in cemento gettato in casseforme e armato con ferri profilati . Sempre nel 1847 J.L. Lambot progetta un'imbarcazione il cui scafo è ottenuto attraverso il getto di un sottile involucro di calcestruzzo su una maglia di ferri piatti. Lo scafo viene esposto all' Esposizione Universale di Parigi del 1855 .

L'idea chiave del cemento armato: assegnare alle armature il ruolo di elementi tesi in una trave soggetta a flessione va fatta comunque risalire al brevetto del 3 novembre 1877 di Joseph Monier , giardiniere alla Orangerie di Versailles . Con la soletta Monier , il sistema Monier si afferma in Europa negli anni a cavallo del secolo. Il sistema Monier però non è basato su alcuna teoria o approccio sperimentale. Solo nel 1886 le prime analisi teorico - sperimentali sistematiche sulle strutture in cemento armato furono pubblicate dall'ing. Matthias Koenen su una rivista tecnica tedesca. L'anno successivo Koenen e l'ing. G.A. Wayss terminarono la stesura del testo Das System Monier , prima pubblicazione sulla teoria delle strutture in cemento armato.

Nei primi anni dell'impiego reale del calcestruzzo armato, la leadership nel suo sviluppo commerciale fu assunta, soprattutto in Germania e in Austria, dalla ditta Wayss e Freytag con il sistema Monier. Tale situazione rimase inalterata siano al 1892 quando a Parigi esordì un apprendista muratore, François Hennebique . Nel 1892 , a cinquant'anni, Hennebique brevettò il sistema Hennebique , che raccoglieva le idee fondamentali del suo autore, selezionate nei suoi anni di attività. In questo sistema la trave era armata con ferri tondi filanti sulla faccia inferiore; alcuni di essi, in prossimità degli appoggi erano rialzati per far fronte agli inevitabili momenti negativi. Ma la caratteristica più saliente del sistema era la presenza di ferri piatti sagomati a U, i qual, disposti a collegare le armature tese con il calcestruzzo compresso, avevano la funzione di staffe, atte ad assorbire gli sforzi taglianti. Con tali caratteristiche il brevetto Hennebique riassumeva le migliori scoperte dei precedenti venti anni di attività nel settore. Sul suo brevetto Hennebique costruì un impero imprenditoriale e nel 1896 fondò anche la rivista Le Beton Armè , sulla quale venivano pubblicati articoli informativi ad alto contenuto scientifico.

A seguito dei problemi derivanti dalla edificazione dei manufatti costruiti per l'Exposition Universelle del 1900, la Commissione del Cemento Armato elaborò la Circolare Ministeriale del 20 ottobre 1906 . Con le Istituzioni Ministeriali il materiale fu sottratto così al controllo dei possessori di brevetti e fu quindi messo a disposizione di ogni imprenditore.

Calcestruzzo confezionato in cantiere

Una decisa evoluzione della qualità del calcestruzzo si è avuta con il passaggio dal calcestruzzo a dosaggio nel quale il progettista indicava quantitativamente le caratteristiche principali della miscela tali da garantire un prestabilito R ck (m 3 di sabbia, m 3 di ghiaia, kg, tipo e classe di resistenza del cemento ) al calcestruzzo a resistenza nel quale il progettista indicava solo la classe di resistenza del calcestruzzo (R ck ).
Recentemente si parla di calcestruzzo a prestazione [3] , poichè risulta necessario garantire al calcestruzzo anche una idonea durabilità e lavorabilità .
In questo caso il progettista deve indicare oltre alla classe di resistenza del calcestruzzo anche quella di esposizione e di consistenza, nonché la dimensione nominale massima dell' inerte .
Come si vedrà in seguito a queste classi corrispondono valori limite dei componenti principali della miscela.
Questa evoluzione si è avuta con il passaggio dal calcestruzzo confezionato in cantiere, dove gli operai addetti dovevano limitarsi ad inserire nella betoniera i componenti della miscela nelle proporzioni riportate negli elaborati progettuali, a quello preconfezionato prodotto industrialmente presso centrali di betonaggio, che dosando opportunamente la miscela secondo un ciclo di produzione certificato, che prevede anche prove su campioni induriti, garantiscono un prodotto hitech che rispetta le classi del calcestruzzo richieste dal progettista.
La qualità del conglomerato si è ulteriormente evoluta in seguito all'introduzione di aggiunte e additivi , che vanno a modificare comportamento e prestazioni delle miscele.
Oggi si producono in stabilimento anche manufatti finiti (prefabbricati), anche precompressi , quali i travetti e lastre per la realizzazione di solai in laterocemento ,

Al fine di garantire, alle strutture in calcestruzzo armato le prestazioni richieste dal progettista con riferimento specifico al grado di durabilità , alla lavorabilità e alla resistenza meccanica, deve essere effettuato dal produttore uno studio della miscela del calcestruzzo, detto progetto di miscela o mix design , che deve tenere in considerazione anche le caratteristiche delle materie prime disponibili.

Nell'eseguire un mix design si devono tenere in considerazione alcune correlazioni quali:

• la lavorabilità cresce all'aumentare della quantitativo di acqua utilizzata per l'impasto e dipende dalle caratteristiche degli inerti utlizzati(diametro massimo previsto e superficie dell'inerte: liscia o scabra) oltre che dalla presenza di eventuali additivi specifici;
• la resistenza meccanica invece è funzione del rapporto acqua/cemento e della quantità di cemento da utilizzare (se misurata a 28 gg dipende anche dal tipo e dalla classe del legante) al diminuire del prima e al crescere della seconda aumenta la resistenza meccanica;
• il grado di durabilità cresce in maniera inversamente proporzionale con il rapporto a/c.

Pertanto il parametro principale del progetto di miscela è il rapporto a/c che deve essere idoneo a garantire le prestazioni richieste al calcestruzzo.

Questo significa che per aumentare la lavorabilità, senza l'utilizzo di additivi, bisogna aumentare la quantità di acqua ma proporzionalmente anche il tenore di cemento per mantenere costante il valore a/c atteso necessario per non compromettere il grado di durabilità e la resistenza meccanica del materiale.

Ma un idoneo progetto di miscela è condizione necessaria ma non sufficiente a garantire in opera un calcestruzzo con le qualità richieste dal progettista.

Infatti la qualità del calcestruzzo in opera dipende dal processo esecutivo, il quale è indipendente dal mix design.

Infatti è necessario posare a regola d'arte il conglomerato fresco che deve essere gettato e costipato in maniera adeguata (a rifiuto) ed inoltre subito dopo la sua scasseratura per un adeguato numero di giorni (almeno 3) si dovrà procedere ad un'idonea stagionatura del getto, per proteggerlo dall'evaporazione eccessiva.

Secondo la normativa vigente, per una corretta progettazione ed esecuzione delle strutture in cemento armato, il calcestruzzo deve essere specificato in funzione della classe di resistenza, della classe di esposizione, della classe di consistenza e della dimensione nominale massima dell'aggregato.

Il calcestruzzo è classificato in classi di resistenza in base alla resistenza a compressione, espressa come resistenza caratteristica R ck oppure f ck .

La resistenza caratteristica R ck viene determinata sulla base dei valori ottenuti da prove di compressione monoassiale su provini cubi di 150 mm di lato, maturati 28 giorni; la resistenza caratteristica f ck viene determinata invece utilizzando provini cilindrici di 150 mm di diametro e 300 mm di altezza.

Tra i due valori esiste la seguente relazione:

• f ck = 0, 85 R ck

la differenza tra i due valori dipende fondamentalmente dal diverso stato tensionale che si genera nel provino a seguito delle prove di compressione, che dipende dal fatto che i provini cubici sono tozzi mentre quelli cilindrici sono snelli.

Le norme UNI EN 206 – 2006 e UNI 11104:2004, che sono state recepite dal D.M. 14 gennaio 2008, attualmente in vigore e pertanto sono divenute cogenti anche dal punto di vista legale per tutte le opere in c.a., e c.a.p. regolamentate dalla Legge n. 1086/1971, individuano per i calcestruzzo normale e pesante (per il calcestruzzo leggero si vedano le norme) le seguenti classi:

• C8/10
• C12/15
• C16/20
• C20/25
• C25/30
• C28/35
• C30/37
• C32/40
• C35/45
• C40/50
• C45/55
• C50/60
• C55/67
• C60/75
• C70/85
• C80/95
• C90/105
• C100/120

Per ogni classe di resistenza, il primo dei valori rappresenta f ck e il secondo R ck , ambedue espressi N/mm 2 .

Nel caso in cui nelprogetto di miscela si debba prevedere una determinata percentuale di vuoti d'aria, di norma 4-6%, al fine di garantire al calcestruzzo una migliore resistenza ai cicli di gelo/disgelo , i valori della resistenza caratteristica devono essere ridotti di circa il 20%.

In base ai valori della resistenza caratteristica a compressione, i calcestruzzi sono suddivisi nei seguenti campi:

• calcestruzzo non strutturale: C8/10 - C12/15
• calcestruzzo ordinario (NSC): C16/20 C45/55
• calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC): C50/60 - C60/75
• calcestruzzo ad alta resistenza (HSC): C70/85 - C100/115

Le norme UNI EN 206 – 2006 e UNI 11104:2004 introducono 6 classi di esposizione per il calcestruzzo strutturale (dove oltre al massimo rapporto a/c e al minimo contenuti di cemento viene indicata anche la minima classe di resistenza), tali classi sono state riportate anche nelle Linee Guida sul Calcestruzzo strutturale edite dal Servizio Tecnico Centrale della Presidenza del Consiglio Superiore dei LL.PP.:

• Assenza di rischio di corrosione dell'armatura - X0
• Corrosione delle armature indotta da carbonatazione:
  • XC1 - asciutto o permanentemente bagnato: a/c max = 0, 60; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 300; minima classe di resistenza: C25/30
  • XC2 - bagnato, raramente asciutto: a/c max = 0, 60; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 300; minima classe di resistenza: C25/30
  • XC3 - umidità moderata: a/c max = 0, 55; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XC4 - ciclicamente asciutto e bagnato: a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
• Corrosione delle armature indotta da cloruri esclusi quelli provenienti dall'acqua di mare:
  • XD1 - umidità moderata: a/c max = 0, 55; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XD2 - bagnato, raramente asciutto: a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XD3 - ciclicamente bagnato e asciutto: a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
• Corrosione delle armature indotta da cloruri presenti nell'acqua di mare:
  • XS1 - esposto alla salsedine marina ma non direttamente in contatto con l'acqua di mare: a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XS2 - permanentemente sommerso: a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
  • XS3 - zone esposte agli spruzzi o alla marea: a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
• Attacco dei cicli di gelo/disgelo con o senza disgelanti:
  • XF1 - moderata saturazione d'acqua, in assenza di agente disgelante: a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 320; minima classe di resistenza: C32/40
  • XF2 - moderata saturazione d'acqua, in presenza di agente disgelante: a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C25/30
  • XF3 - elevata saturazione d'acqua, in assenza di agente disgelante: a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C25/30
  • XF4 - elevata saturazione d'acqua, con presenza di agente antigelo oppure acqua di mare: a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 360; minima classe di resistenza: C28/35
• Attacco chimico (da parte di acque del terreno e acque fluenti):
  • XA1 - ambiente chimicamente debolmente aggressivo (UNI EN 206-1: a/c max = 0, 55; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XA2 - ambiente chimicamente moderatamente aggressivo (UNI EN 206-1): a/c max = 0, 50; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XA2 - ambiente chimicamente fortemente aggressivo (UNI EN 206-1): a/c max = 0, 45; dosaggio minimo di cemento (kg/m 3 ) = 360; minima classe di resistenza: C35/45.

Le classi di resistenza minime (N/mm 2 ) sono espresse con due valori, riferiti il primo a provini cilindrici di diametro 150 mm ed altezza 300 mm (f ck )e il secondo a provini cubici di spigolo pari a 150 mm (R ck ).

In letteratura, la classe di esposizione ambientale viene indicata con D ck , in analogia alla classe di resistenza che viene comunemente indicata con R ck .

Cono di Abrams

la lavorabilità del calcestruzzo fresco, designata con il termine consistenza dalla normativa vigente, è un indice delle proprietà e del comportamento del calcestruzzo nell'intervallo di tempo tra la produzione e la compattazione dell'impasto in situ nella cassaforma .

Secondo le norme UNI EN 206 – 2006 e UNI 11104:2004 , la consistenza deve essere determinata mediante le seguenti prove dai cui risultati vengono definite le classe di consistenza del calcestruzzo.

• Classi di consistenza mediante abbassamento al cono di Abrams :
  • S1 - consistenza umida: abbassamento (slump) da 10 a 40 mm
  • S2 - consistenza plastica: abbassamento (slump) da 50 a 90 mm
  • S3 - consistenza semifluida: abbassamento (slump) da 100 a 150 mm
  • S4 - consistenza fluida: abbassamento (slump) da 160 a 210 mm
  • S5 - consistenza superfluida: abbassamento (slump) ≥ 220 mm.

• Classi di consistenza mediante il metodo Vebè :
  • V0 - tempo Vebè: ≥ 31 s
  • V1 - tempo Vebè: da 30 a 21 s
  • V2 - tempo Vebè: da 20 a 11 s
  • V3 - tempo Vebè: da 10 a 6 s
  • V4 - tempo Vebè: da 5 a 3 s
• Classi di consistenza mediante misura della compattabilità:
  • C0 - indice di compattabilità: ≥ 1, 46
  • C1 - indice di compattabilità: da 1, 45 a 1, 26
  • C2 - indice di compattabilità: da 1, 25 a 1, 11
  • C3 - indice di compattabilità: da 1, 10 a 1, 04
  • C4 (solo per calcestruzzi leggeri) - indice di compattabilità: < 1, 04
• Classi di consistenza mediante la misura dello spandimento
  • F1 - diametro spandimento: ≤ 340 mm
  • F2 - diametro spandimento: da 350 a 410 mm
  • F3 - diametro spandimento: da 420 a 480 mm
  • F4 - diametro spandimento: da 490 a 550 mm
  • F5 - diametro spandimento: da 560 a 620 mm
  • F6 - diametro spandimento: ≥ 630 mm

In Italia la consistenza del calcestruzzo è espressa in termini di classi di abbassamento al cono o di classi di spandimento.

La classe di consistenza deve essere valutata in funzione della struttura da realizzare al fine di rendere più facile l'operazione di posa in opera.

Con riferimento alle classi di abbassamento al cono:

• se si deve realizzare una diga o una pavimentazione con vibrofinitrice è d'obbligo un calcestruzzo a consistenza S1;
• se si devono realizzare strutture, quali ciminiere, serbatoi pensili, ecc., con la tecnica dei casseri rampanti si deve prescrivere un calcestruzzo a consistenza S2 o al massimo S3;
• in tutti gli altri casi si dovrà utilizzare un calcestruzzo S4 o S5.

Le dimensioni massime dell' aggregato sono in relazione con lo spessore del copriferro e con l' interferro minimo delle armature metalliche.

Se il calcestruzzo è classificato in funzione della dimensione massima dell'inerte, la classificazione farà riferimento alla dimensione nominale più elevata della frazione di aggregato più grossa che si indica con D max .

D max rappresenta la dimensione massima dello staccio con il quale è determinata la dimensione dell'aggregato secondo la UNI EN 12620.

La dimensione massima dell'aggregato deve essere scelta in modo che il calcestruzzo possa essere gettato e compattato attorno alle barre d'armatura senza pericolo di segregazione .

Secondo quanto stabilito dalle NTC e dalla relativa Circolare esplicativa delle NTC, il diametro massimo dell'inerte deve essere tale che:

• D max < 1/5 della dimensione minima dell'elemento strutturale per evitare di aumentare la eterogeneità del materiale;
• D max < dell'interferro(in mm) - 5 mm per evitare che l'aggregato più grosso ostruisca il flusso del calcestruzzo attraverso i ferri di armatura;
• D max < 1/3 dello spessore del copriferro per evitare che tra i casseri e l'armatura sia ostruito il passaggio del calcestruzzo.

La vita nominale di un'opera strutturale è intesa come il numero di anni nel quale la struttura, purché soggetta a manutenzione ordinaria, deve poter essere usata per lo scopo al quale è destinata.

La vita utile deve essere stabilita in fase progettuale, con riferimento alla durabilità delle costruzioni, del dimensionamento delle strutture e della scelta dei materiali, ecc. (p.to C.2.4.1 della Circolare n.617/09).

Il D.M. 14.01.2008 ad esempio prevede per opere ordinarie una vita nominale ≥ 50 anni

È bene chiarire che la vita utile non è la vita effettiva dell'opera, che dipende da fattori non prevedibili in fase progettuale.

Di norma la vita effettiva di un'opera è maggiore di quella nominale poiché spesso su questa si effettuano interventi di manutenzione strutturale che ne allungano la durata.

Le caratteristiche importanti del calcestruzzo, come la lavorabilità del conglomerato fresco e la resistenza a compressione di quello indurito, sono determinate dal rapporto acqua/cemento (a/c).
Quanto dichiarato è epresso da due leggi fondamentali:

• la legge di Abrams dalla quale si evince che all'aumentare di a/c diminusice la resistenza meccanica:
  • R = a 1 /(a 2 a/c )

dove:

• • R è la resistenza media a compressione
  • a 1 e a 2 sono costanti che dipendono dal tipo di cemento e dal tempo di stagionatura (es. 28 gg) e dalla temperatura in cui questa avviene.
• la Regola di Lyse dalla quale si evince che all'aumentare del tenore di acqua aumenta la lavorabilità . Tale regola può essere espressa con due enunciati equivalenti:
  • all’aumentare del diametro massimo dell’aggregato, diminuisce l’acqua di impasto necessaria raggiungere una determinata lavorabilità del calcestruzzo fresco, indipendentemente dal dosaggio di cemento;
  • fissato il diametro massimo di un determinato aggregato è necessario aumentare l’acqua di impasto per aumentare la lavorabilità del calcestruzzo fresco.

Pertanto a parità di contenuto di cemento risulta maggiormente resistente una miscela con un minore contenuto di acqua.

Il contenuto teorico ottimale di acqua ai fini della resistenza sarebbe quello stechiometrico , pari a 0, 28, che consiste nella sola acqua necessaria all'idratazione del legante.

Nella realtà tale contenuto di acqua non consente di idratare tutta la massa di cemento perché, trattandosi di un rapporto stechiometrico , non è possibile garantire il contatto di ogni granello di cemento con ogni particella d'acqua.

Un rapporto a/c così ridotto conduce pertanto a miscele talmente asciutte da avere l'aspetto di un terreno appena umido e quindi impossibili da lavorare.

Si opera perciò con rapporti acqua/cemento più alti e tipicamente tra lo 0, 45 e 0, 65.

Nel suddetto intervallo di valori, al diminuire del rapporto a/c si ha un aumento della durabilità dei manufatti, a discapito però della lavorabilità in fase di posa in opera.

Per tale ragione, nelle miscele reali, operando con valori di a/c inferiori a 0, 55-0, 60 si ricorre all'uso di additivi chimici finalizzati ad indurre una maggiore fluidità della miscela a parità di contenuto di acqua.

L'acqua citata nel rapporto acqua/cemento è l'acqua globalmente disponibile per l'idratazione, quindi può contribuire anche acqua libera contenuta negli aggregati bagnati o umidi.

La quantità d'acqua contenuta nell'impasto influisce anche sulla maturazione del conglomerato cementizio: un rapporto molto elevato, superiore a 0, 60, può indurre un' evaporazione intensa nella fase di presa del legante, che può generare una superficie del conglomerato estremamente porosa, una riduzione del grado di idratazione del cemento nella parte corticale e l'insorgere di micro lesioni che possono pregiudicarene la durabilità futura.

Appositi additivi servono anche ad impedire che ciò avvenga.

La formula di Powers permette di determinare la resistenza meccanica del calcestruzzo in funzione sia del rapporto a/c che del grado di idratazione del cemento α :

• R = 250(0, 6790α/(0, 3185α+a/c)) 3

Nei manuali, in particolare quelli più datati, per il confezionamento di un metro cubo di calcestruzzo si trova indicata una miscela composta all'incirca da 0.4 m³ di sabbia, 0.8 m³ di inerti grossi (ghiaia o pietrisco), dai 200 ai 400 kg di cemento a seconda delle caratteristiche meccaniche richieste e acqua nella misura del 40-50% in peso del cemento.

Altro dato fondamentale per determinare le caratteristiche del moderno calcestruzzo è la qualità del cemento: vi sono diversi tipi di cemento per diverse esigenze, sostanzialmente classificati in base alla resistenza caratteristica del legante.

Tale valore, espresso in Kg/cm² (o, nel S.I., in N/mm²), per il cemento convenzionale va dal valore 3.25 al valore 5.25.

Maggiore è questo valore, maggiore sarà la resistenza del calcestruzzo a 28 gg (dosando saggiamente inerti e acqua), e maggiore sarà il costo complessivo delle opere.

Prova di compressione monoassiale su un provino cilindrico di calcestruzzo

Oggi si classifica la qualità del calcestruzzo in base a diverse classi, quali quelle di resistenza, di esposizione e di consistenza come si vedrà in seguito.
In Italia la classe di resistenza del calcestruzzo è basata sul valore della resistenza caratteristica cubica a compressione (R ck ), definita come quel particolare valore della resistenza a compressione al di sotto del quale ricade solo il 5% dell’insieme di tutti i valori delle resistenze di prelievo ( frattile inferiore al 5% ).
Poiché la distribuzione statistica più utilizzata è la distribuzione normale Gaussiana , sia perché ad essa sono riconducibili molti fenomeni aleatori che per le proprietà di cui gode, il valore del frattile al 5% può essere calcolato con la seguente espressione:

• R ck = R m - 1, 64 sqm

dove.

• R m è la resistenza media dei prelievi;
• sqm è lo scarto quadratico medio.

La formula (1) per il calcolo della Rck ha però il difetto di valere se utilizzata con una popolazione di risultati in grado di rappresentare in modo affidabile la produzione (sufficientemente numerosa), cosa che in genere nella pratica non succede. Quale valore quindi scegliere per rappresentare il proprio calcestruzzo in modo da essere sufficientemente tranquilli che la propria fornitura superi i controlli di accettazione? Innanzitutto occorre capire come il valore di scarto quadratico viene calcolato e come viene controllato il calcestruzzo (fonte Andrea Dari).