Pavimenti in calcestruzzo, resistenza all'abrasione e durabilità: un approccio eco-sostenibile

Roberto Muselli - Esperto 21/03/2018 1483

Premessa

Una recente commessa imponeva lo studio di una pavimentazione in cls esterna caratterizzata da elevata resistenza all’abrasione. In molte delle sue parti essa doveva sostituire una pavimentazione esistente sulla quale erano visibili gli effetti delle sollecitazioni meccaniche provocate da traffico pesante cingolato. In relazione alla gravita’ di tali effetti, ed alla velocita’ con la quale si manifestano, una manutenzione ordinaria non era contemplabile e bisognava approcciare il progetto escludendo ogni possibilita’ di futura mantenzione ordinaria.

Scopo della presente e’ l’esposizione dei dati di ingresso e lo sviluppo del progetto di miscela che ha portato alla qualifica di un composito molto prestazionale e adatto allo scopo.

Resistenza abrasione: i Dati di ingresso del Progetto

  • prestazione del piano di posa
  • tenacità
  • durabilità ai cicli di gelo-disgelo con attacco da soluzioni saline disgelanti
  • resistenza all’abrasione
  • ritiro ridotto

Resistenza abrasione: Approccio teorico-realizzativo

Le richieste evidenziate nei dati di ingresso dovevano essere contemporaneamente soddisfatte da un calcestruzzo molto prestazionale in grado di possedere simultaneamente caratteristiche molto distanti dall’ordinario.

Prendendo spunto da studi condotti dai prof.  P. Laplante e P.C. Aitcin in relazione anche a quanto indicato dagli studi del prof. P.K. Mehta la scelta iniziale e’ stata quella di lavorare con aggregati sintetici aventi caratteristiche meccaniche ed elastiche superiori a quelle che normalmente caratterizzano gli aggregati naturali. Gli aggregati sintetici permettono inoltre di avere una continuita’ prestazionale piu’ costante in quanto la loro composizione non dipende da eventuali fortunate combinazioni di eventi naturali. Nel particolare gli aggregati sintetici impiegati provenivano dalla lavorazione di un sottoprodotto della produzione di acciaio laminato (coils) del polo siderurgico Arvedi e, quindi, la loro composizione dipende esclusivamente dalla continuita’ della composizione dell’acciaio da cui provengono.

Sulla base delle prestazioni degli aggregati sintetici impiegati sono stati formulati alcuni compositi per la realizzazione del piano di posa e della sezione del pavimento in cls.

Prestazione degli aggregati sintetici

Le caratteristiche richieste dagli aggregati dovevano essere massime in termini di:

  • Resistenza alla frammentazione Los Angeles 
  • Resistenza all’abrasione 

Di seguito una tabella di confronto delle prestazioni elasto-meccaniche:

PAVIMENTI_USURA_MUSELLI_002.jpg

Prestazione del piano di posa 

E’ stata posta in opera una miscela, composta esclusivamente da materiali provenienti da sottoprodotti siderurgici, caratterizzata da una consistenza in terra umida, posata con finitrici meccaniche successivamente compattata a rullo compressore ferro-ferro.

La frazione inerte della miscela e’ stata ottenuta impiegando esclusivamente aggregati sintetici in 4 pezzature fino a 40mm opportunamente miscelati secondo la curva di Fuller fra i quali la loppa granulata impiegata al posto della sabbia.  Di seguito la composizione della frazione inerte:

  • Coarse aggregate (Arvedi Inertex 20/40) = 25%
  • Coarse aggregate (Arvedi Inertex  0/20) = 35%
  • Fine aggregate (Arvedi Inertex 0/5) = 25%
  • Fine aggregate GGBS (Arvedi Loppa) = 15%

La parte legante e’ stata ottenuta impiegando una miscela di calce, loppa d’altoforno e cemento portland in proporzioni decrescenti con un dosaggio di cemento pari a 50kg/m3. Relativamente alla calce ed alla loppa, prodotti dallo stesso polo siderurgico, esse sono state preventivamente macinate fino ad ottenere una superficie specifica assimilabile a quella del cemento.

Di seguito la composizione della miscela legante:

  • Ladle slag (Arvedi Calcetek) kg/m3 = 100 
  • Blast Furnace Slag (Arvedi) kg/m3 = 60 
  • Cem Type II kg/m3 = 50 

In seguito alla idratazione della calce e del clinker si instaura un ambiente fortemente alcalino in grado di promuovere l’indurimento della loppa macinata in tempi sufficientemente rapidi. Nella suddetta miscela e’ stato comunque testato l’impiego di silicato di sodio e silicato di potassio in differenti proporzioni, con ottimi risultati sulle prestazioni meccaniche poi emerse in prove non industriali.

Di seguito le prestazioni raggiunte dalle prove su piastra:

Prova di portanza su piastra CNR B.U. n. 146

  • Prova 1 Md (0,35-0,25) (MPa) 375,00
  • Prova 2 Md (0,35-0,25) (MPa) 333,33
  • Prova 3 Md (0,35-0,25) (MPa) 375,00

Media 361,11MPa corrispondente a  3.680,00 Kg/cm2

Tenacità della pavimentazione

In base ai carichi il progetto, realizzato in sezione fessurata secondo il modello di Meyerhof, imponeva un modulo di deformazione del piano di posa superiore a 1000Kg/cm2, una sezione di 22cm e l’impiego di un cls FRC 2.0b. Relativamente a questa ultima richiesta la resistenza a compressione del calcestruzzo non poteva essere inferiore a 40N/mm2 ed il contenuto di fibre strutturali metalliche non poteva essere inferiore allo 0,3% in volume.

A margine della presente si riportano le principali caratteristiche fisiche delle fibre metalliche impiegate:

  • lunghezza 50mm
  • diametro della sezione circolare 1,05mm
  • numero di filamenti 5000/kg
  • resistenza a trazione 1400 N/mm2
  • dispositivo di contrasto allo sfilamento: doppia uncinatura alle estremita’

Durabilità ai cicli di gelo-disgelo con attacco da soluzioni saline disgelanti

L’estradosso doveva essere lavorato con frattazzatrici rotanti ed il grado di finitura doveva essere molto liscio per limitare al massimo il coefficiente di attrito con i cingoli metallici. Non era vincolante l’applicazione di indurenti superficiali anidri o in malta. Il requisito prestazionale del composito (tenacita’ed elevate prestazioni meccaniche) richiedeva di ottimizzare le prestazioni della pasta contrastando il piu’ possibile l’incremento della sua porosita’ in opera. Per questi motivi si e’ pensato di attuare efficaci procedure di maturazione umida al fine di ottimizzare l’idratazione del cemento e promuovere l’attivita’ pozzolanica introdotta con l’impiego di fumo di silice nella miscela.

L’impiego di microsilice in aggiunta al cemento ha consentito alla pasta  di assumere prestazioni equiparabili ad un superiore dosaggio di cemento (k=2) senza pero’ subirne le controindicazioni eventualmente correlate (aumento del calore di idratazione, della viscosita’ (1), del ritiro standard).  Per quanto contenuto nella BS 8500-1:2006 a complemento della BS EN 206-1 il target di prestazione meccanica C40/50 senza impiego di aeranti era da perseguire al fine del requisito di durabilita’ richiesta.

E’ quindi stato categoricamente escluso l’impiego di additivi aeranti. L’impiego di fumo di silice nella miscela ha contribuito a rendere ininfluente la presenza di CH allo stato indurito condizione che, unita al rapporto a/c molto basso richiesto dalla condizione di cui sopra (a/c =0,4), ha conferito al composito la durabilita’ richiesta all’azione dei sali disgelanti.


Nota (1):

Le stesse prestazioni meccaniche del calcestruzzo ottenute con l’impiego di un certo dosaggio di fumo di silice (non inferiore al 5% sul peso del cemento) si possono ottenere con un dosaggio di cemento doppio rispetto a tale quantita’. In queste condizioni, pero’, si assisterebbe ad un aumento della viscosita’ e del coefficiente di frizione tipiche di un sistema colloso  non compatibile con la posa manuale.  Per questo motivo, qualora vi sia la necessita’ di realizzare pavimentazioni in cls molto prestazionale posato a mano, e’ preferibile impiegare miscele di leganti contenenti materiali cementizi secondari come la loppa o il fumo di silice e la loro combinazione.


Resistenza all’abrasione delle pavimentazioni

In relazione agli studi di Laplante e Aitcin la resistenza all’abrasione e’ fortemente influenzata dalle relative resistenze all’abrasione degli aggregati (soprattutto quelli grossi) e della pasta. Per calcestruzzi con rapporto a/c molto basso (circa 0,30) il calcestruzzo assume una resistenza all’abrasione vicina (quasi….) a quella degli aggregati (prestazionali) che lo compongono.

A partire da rapporto a/c = 0,4 ( a scendere) le elevate prestazioni meccaniche degli aggregati impiegati si tramutano in un incremento delle prestazioni meccaniche (compressione e trazione) e si manifestano con la riduzione del ritiro standard e, soprattutto, degli effetti del ritiro correlati alle deformazioni lente del conglomerato.

In base agli studi condotti, l’impiego di fumo di silice contribuisce alla resistenza all’abrasione del composito nella misura in cui contribuisce all’incremento delle sue resistenze meccaniche.

Gli studi sono stati condotti per rapporti a/c compresi fra 0,27 e 0,41.

Per il requisito di resistenza all’abrasione il target di resistenza a compressione doveva essere compreso fra 60 e 80 N/mm2.

Poiche’ il requisito prestazionale era molto importante e’ stato verificato l’uso di inerti sintetici ad alte prestazioni e fumo di silice in una miscela con rapporto a/l (acqua leganti) inferiore a 0,4.

Caratteristiche del calcestruzzo dimensionato. Composizione di miscela.

Sono stati testati due calcestruzzi caratterizzati dalla stessa composizione ad eccezione della frazione grossa dell’aggregato.

Di seguito le due miscele testate:

PAVIMENTI_USURA_MUSELLI_001.jpg

 

Come si puo’ notare dal risultato emerso con rapporto a/c 0,40 la sostituzione parziale dell’aggregato alluvionale grosso con aggregato sintetico ha portato ad un incremento della resistenza meccanica a compressione. 

L’impiego di inerti sintetici con migliori caratteristiche prestazionali rispetto ad un aggregato naturale ha consentito:

  • di ridurre la richiesta d’acqua nella miscela a parita’ di lavorabilita’
  • di migliorare le prestazioni meccaniche del calcestruzzo

In relazione all’impiego di fumo di silice le resistenze meccaniche attese alle stagionature piu’ lunghe sono sicuramente piu’ prestazionali rispetto ad un composito confezionato con il solo cemento. La prestazione aggiuntiva in termini di forza adesiva della pasta introdotta dal fumo di silice contribuisce a contrastare eventuali fenomeni di sfilamento delle fibre in occasione di possibili sollecitazioni da trazione in stato post fessurato.

Conclusioni

In base ai report di resistenza a compressione, la miscela sopra esposta qualificata come Inertex Cls soddisfa il requisito piu’ stringente di resistenza all’abrasione. Le sue prestazioni soddisfano inoltre i requisiti di tenacita’e durabilita’ ai cicli di gelo-disgelo e cospargimento di sali disgelanti. 

L’impiego congiunto di fumo di silice ed aggregati grossi sintetici caratterizzati da elevate prestazioni elasto-meccaniche, conferisce al composito una durabilita’ aggiuntiva, diminuzione del ritiro standard, la tendenza ad una maggiore tenacita’ ed una eccellente resistenza all’abrasione.

Le elevate prestazioni elasto-meccaniche del composito sono state raggiunte compatibilmente con il requisito di viscosita’ richiesto dalla posa manuale e il composito e’ risultato perfettamente frattazzabile e lavorabile con lisciatrici a pale rotanti.

Gli effetti delle deformazioni lente del conglomerato, introdotte anche dall’elevato dosaggio di cemento e dall’impiego di fumo di silice, sono efficacemente contrastati dalle elevate prestazioni elasto-meccaniche degli inerti sintetici impiegati in relazione ad un efficace diminuzione del ritiro standard della miscela unita anche ad efficaci procedure di maturazione umida applicate.

Il progetto fin qui discusso e’ ampiamente eco-sosteniblie in quanto caratterizzato da un massiccio impiego di materiali provenienti da riciclo sia nella frazione inerte che nella frazione legante. L’impatto ambientale in termini di GER e GWP e’ fortemente influenzato dalla riduzione del quantitativo di aggregati alluvionali e, soprattutto, dall’impiego congiunto di fumo di silice, loppa d’altoforno e calce da recupero in sostituzione del clinker. 

Le attivita’ di prova e sperimentazione hanno fatto emergere interessanti prestazioni leganti della loppa finemente macinata in ambiente alcalino in combinazione con silicato di sodio e di potassio.