Calcestruzzo alta resistenza

I calcestruzzi ad alte prestazioni o AP o HPC (High Performance Concretes) vengono indicati dalle linee guida sul calcestruzzo strutturale a cura del Servizio Tecnico Centrale della Presidenza del Consiglio Superiore dei LL.PP., come quei calcestruzzi che hanno una resistenza meccanica a compressione variabile tra 60 e 75 N/mm 2 , mentre le Linee Guida sui calcestruzzi strutturali ad alta resistenza, a cura sempre del summenzionato Servizio Tecnico Centrale, definiscono i calcestruzzi AP quelli aventi una resistenza cubica > 55 e ≤ 75 N/mm 2 e un rapporto a/c minore di 0, 45.
AA.VV. definiscono i materiali HPC come quei calcestruzzi ad alta resistenza meccanica caratterizzati da un valore della resitenza a compressione compreso nell'intervallo di 60 e 100 N/mm 2 .
Pertanto, sempre secondo la classificazione delle summenzionate linea guida, i calcestruzzi HSC (R ck > 75 e ≤ 115 N/mm 2 ) risulterebebro una sottoclasse degli HPC.
Rispetto agli HSC i calcestruzzi ad alta prestazione devono garantire, oltre che un'elevata resistenza meccanica, anche una maggiore lavorabilità ed un'elevata durabilità .
Pertanto una distinzione tra HSC ed HPC sta nel requisito obbligatorio dell'alta durabilità (che normalmente non è correlata alla resistenza)per questi ultimi
Tali caratteristiche sono garantite dall'utilizzo da una diversa composizione della miscela:

• un ridotto rapporto a/c (0, 40 -0, 25) per l'impiego di superadditivi
• impiego di aggiunte minerali, da sole o in combinazione tra loro, ad alto comportamento pozzolanicoe /o elevata area specifica ( microsilice , ecc.)
• aggregati di frantumazione di alta qualità ( basalto , granito , quarzite , ecc.) capaci di assicuare un'elevata resistenza meccanica intrinseca della roccia ed un'ottima adesione all'interfaccia tra l'elemento lapideo e la matrice cementizia.

Gli HPC fanno parte dei calcestruzzi DSP (Densified with Small Particles) .

Come evoluzione dei calcestruzzi HPC, attualmente è in fase di ricerca avanzata, per il momento quasi esclusivamente a livello di laboratorio o prove di campo, la messa a punto di calcestruzzi speciali ad altissima resistenza meccanica, spesso fibrorinforzati, denominati RPC (Reactive Powder Concrete) con prestazioni straordinarie molto superiori a quelle del calcestruzzo HPC.

Anche gli RPC fanno parte dei calcestruzzi DSP (Densified with Small Particles) .

Questi calcestruzzi innovativi prevedono resistenze meccaniche a compressione superiori a 200 N/mm 2 ( RPC200 ) e con tecniche produttive più sofisticate (trattamento termico che consiste nel sottoporre il calcestruzzo indurito ad una teperatura fino a 400 °C)si può arrivare fino a 800 N/mm 2 ( RPC800 ).

Oltre alla maggiore resistenza meccanica, con i materiali RPC viene radicalmente modificato il comportamento da fragile a duttile del calcestruzzo.

I calcestruzzi HPC sono stati sviluppati negli anni ’80 mentre gli RPC negli anni ’90.

Le basi tecniche e tecnologiche risalgono però agli anni ’50 con la teoria di Powers .

Powers constatò che riducendo il rapporto acqua/cemento, diminuisce la porosità capillare ed aumenta la resistenza meccanica a compressione del conglomerato.

Powers dimostrò che se teoricamente si potesse annullare completamente la tipica porosità presente nella microstruttura di una pasta cementizia si potrebbero raggiungere valori si 250 N/mm 2 .

Il secondo passo fondamentale per lo sviluppo dei calcestruzzi speciali si è avuto all’inizio degli anni ’70 con l’invenzione degli additivi superfluidificanti (a base di naftalina o melammina )i quali sono andati a migliorare l’azione dei fluidificanti, già utilizzati diversi anni prima.

La differenza tra i due additivi è più quantitativa che qualitativa.

Entrambi modificano la reologia del calcestruzzo fresco rendendolo più lavorabile, ma i superfluidificanti sono molto più efficaci permettendo l’adozione di rapporti a/c molto bassi (0, 35 – 0, 45), senza dover rinunciare alla lavorabilità del conglomerato, e garantendo così il raggiunfimento di resistenze meccaniche comprese tra 60 e 80 N/mm 2 , cioè nella zona medio – bassa dei calcestruzzi HPC.

L’inconveniente dei superfluidicanti è legato al loro massimo dosaggio (2-3% sul cemento, poiché si è costatato che valori superiori comportano una lieve caduta nella resistenza meccanica provocata dalla raccolta d’acqua ( bleeding ) nella zona di transizione tra la matrice cementizia e gli aggregati lapidei.

Pertanto tale inconveniente limita la massima resistenza meccanica ottenibile con i superfluidificanti a valori dell’ordine di 80 – 90 N/mm 2 .

Il superamento di questo limite diventò possibile negli anni ’80, con l’avvento di una particolare aggiunta minerale: il fumo di silice .

Dall’applicazione della microsilice nel settore del calcestruzzo nacquero i primi calcestruzzi DSP (Densified with Small Particles) , nome coniato da Bache, che sfruttano sia il comportamento pozzolanico della microsilice che le minuscole dimensione delle particelle di cui è composta (50 – 100 volte più piccole di quelle del cemento).

Queste particelle si vanno ad allocare nei vuoti interstiziali lasciati da i granuli di cemento, con il risultato di ottenere un sistema meno poroso, più densificato e quindi meccanicamente più resistente oltre che impermeabile agli agenti aggressivi.

L’unico difetto del fumo di silice è legato alla elevata superficie specifica delle sue particelle che determina una maggiore richiesta di acqua durante il confezionamento del calcestruzzo, con conseguentemente aumento del rapporto a/c ed a annullamento dei benefici derivanti dalla densificazione delle microstrutture della matrice cementizia.

La combinazione superfluidificanti – fumo di silice si dimostrò vincente infatti i superfluidificanti eliminavano l’inconveniente della maggiore richiesta d’acqua in presenza di microsilice mentre quest’ultima eliminava l’inconveniente di una zona di transizione più porosa.

Pertanto si riuscì a confezionare calcestruzzi DSP con rapporti a/c molto bassi (0, 25 – 0, 35).

Con questa combinazione si è potuto raggiungere una resistenza a compressione di 100 N/mm 2 a 28 gg ( HPC100 )ed arrivare a 150 N/mm 2 in circa 3 anni.

Agli inizi degli anni ’90 un ulteriore progresso è stato conseguito da Richard e Cheyrezy, i quali hanno esasperato alcuni aspetti già insiti nel calcestruzzo HPC100, ed hanno apportato altre innovazioni tecnologiche, per arrivare ai materiali RPC, con i quali è possibile anche in tempi molto brevi, raggiungere i 200 N/mm 2 per la resistenza meccanica a compressione e migliorare radicalmente la resistenza flessionale (50 N/mm 2 ) e soprattutto la duttilità del materiale (energia di frattura di 10000-30000 J/m 2 cento volte superiore a quella dei HPC100).

Le principali modifiche dell’RPC200 al calcestruzzo HPC100 in termini di ingredienti e di composizione sono le seguenti:

• Cemento a basso tenore di celite ;
• Additivi superfluidi canti acrilici più efficaci di quelli tradizionali (a base di naftalina o melammina);
• Fumo di silice privo di incombusti
• Presenza di microfibre metalliche
• Assenza di aggregato grosso e presenza solo di polvere reattiva.

La matrice cementizia del materiale RPC200 si presenta molto più densa e quasi completamente priva di porosità capillare.

Lo sviluppo della resistenza meccanica a compressione, a temperatura ambiente (20 °C) a 1 giorno è già di 50 N/mm 2 e dopo 28 giorni e di circa 190 N/mm 2 .

La maggiore caratteristica dell’RPC200 rimane comun que la maggiore duttilità del materiale sollecitato a trazione o flessione .

• Mario Collepardi, "Calcestruzzi ad Altissima resistenz: HPC, DSP ed RPC" - l'Industria Italiana del Cemento n° 708 febbraio 1996
• L. Coppola - R. Troili - M. Collepardi, "Materiali Cementizia Innovativi dagli HPC verso gli RPC- parte I" - l'Industria Italiana del Cemento n°695 1995
• L. Coppola - R. Troili - - A. Borsoi - T. cerulli - M. Collepardi, "Materiali Cementizia Innovativi dagli HPC verso gli RPC- parte II" - l'Industria Italiana del Cemento n°105 febbraio 1995

• Calcestruzzo
• Cemento armato
• Clinker
• calcestruzzo ad alta resistenza
• Bleeding

I calcestruzzi ad alta resistenza meccanica o AR o HSC (High Strength Concrete ) sono materiali caratterizzati da una resistenza meccanica a compressione superiore a quella dei calcestruzzi ordinari o NR o NSC (Normal Strength Concrete).

Secondo quando stabilito dal CIB -FEB: ( High Strength Concrete. State of the Report ) appartengono alla categoria dei calcestruzzi HSC quei materiali la cui resistenza caratteristica a compressione risulti superiore a quella massima ammessa dai regolamenti nazionali vigenti in ciascun paese.

Poiché la normativa italiana non consente di assumere nei calcoli statici valori della resistenza caratteristica su cubi superiori a 55 N/mm 2 , automaticamente il limite inferiore di resistenza meccanica dei materiali HSC è individuabile in 60 N/mm 2 .

Le linee guida sul calcestruzzo strutturale a cura del Servizio Tecnico Centrale della Presidenza del Consiglio Superiore dei LL.PP., definisce calcestruzzi ad alta resistenza quei calcestruzzi con R ck variabile tra 85 e 115 N/mm 2 , mentre le Linee Guida sui calcestruzzi strutturali ad alta resistenza, a cura sempre del summenzionato Servizio Tecnico Centrale, definiscono i calcestruzzi AR quelli aventi una resistenza cubica > 75 e ≥ 115 N/mm 2 e un rapporto a/c minore di 0, 35.

Fino a qualche decennio fa i calcestruzzi HSC costituivano esclusivamente argomento di ricerca.

Con lo sviluppo della tecnologia di questi materiali, si è avuto anche un rapido incremento nelle applicazioni strutturali dei calcestruzzi HSC.

Attualmente, è facile la produzione dei calcestruzzi con resistenze a compressione prossime ai 100 N/mm 2 .

Tale facilità di produzione è dovuta sostanzialmente a:

• maggiore contenuto di alite nel cemento (il costituente che più contribuisce alla resistenza meccanica);
• elevato dosaggio di cemento (400 - 550 kg/m 3 )
• maggiore finezza di macinazione del cemento;
• l'utilizzo di additivi superfluidificanti di ultima generazione (acrilici)che ha consentito di ridurre drasticamente il rapporto a/c (0, 25 - 0, 35) senza penalizzare la lavorabilità del calcestruzzo;
• l'utilizzo di microsilice come aggiunta minerale, che ha consentito di ridurre la porosità della pasta di cemento e di migliorare, grazie alla diminuzione del bleeding , la qualità della zona di transizione
• eventuale utilizzo di fibre di acciaio per ridurre la fragilità del calcestruzzo.

Le normative vigenti in ogni paese relative al progetto delle strutture in c.a.o. e c.a.p. generalmente si basano su prove sperimentali ed esperienze condotte quasi esclusivamente su calcestruzzi con resistenza a compressione inferiore a 40 - 50 N/mm 2 .

Pertanto le correlazioni che consentono di determinare le caratteristiche fondamentali del calcestruzzo, quali il comportamento sforzo- deformazione, la resistenza a trazione, il modulo elastico, ecc., non sono direttamente estendibili ai calcestruzzi con resistenza maggiore ai 60 N/mm 2 .

Secondo le line guida sui calcestruzzi strutturali AR l'impiego di questi materiali è ammesso previo esame e valutazione da parte del Consiglio Superiore dei LL.PP. al quale dovrà essere presentata la documentazione di progetto (si veda il p.to 2 delle suddette linee guida)

L'esame dei diagrammi sforzo - deformazione a compressione di calcestruzzi HSC comparati con calcestruzzi tradizionali evidenzia quanto segue:

• il ramo ascendente dei materiali HSC è molto più lineare
• tale linearità si protrae fino a valori dello sforzo prossimi alla resistenza a compressione del materiale
• in corrispondenza del massimo sforzo, i materiali HSC presentano una maggiore deformazione
• una brusca caduta del ramo discendente ed una minore deformazione ultima entrambi indici di una maggiore fragilità dei materiali HSC.

Tale comportamento è da imputare al miglioramento della qualità del materiale all'interfaccia pasta cementizia - aggregato (diminuzione del bleeding ) grazie alla presenza del fumo di silice.

Nei calcestruzzi ordinari le microfessure all'interfaccia pasta-aggregato, causa dell'incurvamento del ramo ascendente, si iniziano a manifestare quando lo sforzo raggiunge il 65% della resistenza a compressione, mentre nei calcestruzzi ad alta resistenza tale fenomeno si innesca quando lo sforzo raggiunge l'80% della resistenza a compressione.

Numerose indagini sperimentali hanno evidenziato che il modulo di elasticità, il coefficiente di Poisson e la resistenza a trazione variano di poco al crescere della resistenza meccanica a compressione

I dati disponibili hanno evidenziato che i calcestruzzi HSC sono caratterizzati da una maggiore velocità di contrazione nella fase immediatamente successiva all'esposizione all'atmosfera insatura di vapore, rispetto ai materiali NSC. A lungo termine non si registrano sostanziali differenze nel valore di ritiro tra le due tipologie di calcestruzzo.

I dati sperimentali indicano che la deformazione viscosa di calcestruzzi ad alta resistenza è sostanzialmente inferiore rispetto a quello di un calcestruzzo ordinario.

I calcestruzzi ad alta resistenza, sono stati largamente utilizzati nella realizzazione delle piattaforme offshore dei mari del Nord e di ponti di grande luce , come il ponte Storebelt in Danimarca e il ponte Perthuiset in Francia, dove per le eccezionali sollecitazioni meccaniche ed ambientali era impossibile impiegare calcestruzzi NSC.

Altre applicazioni del calcestruzzo ad alta resistenza riguardano la costruzione dell'edificio della Grande Arche de la Defense a Parigi e le Two Union Square e Pacific First Center di Seattle.

I calcestruzzi HSC sono stati utilizzati anche nel settore dei contenitori per reattori nucleari e nella realizzazione di grandi tunnel sottomarini quali ad esempio quelli costruiti al di sotto del Canale della Manica per collegare Francia e Inghilterra.

• Luigi Coppola , "Calcestruzzo ad Alta Resistenza Meccanica"

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