Comportamento a breve e lungo termine di elementi in calcestruzzo armato a base di legante solfoalluminoso (CSA)

Sebbene tali leganti trovino largo impiego in applicazioni in cui sono richieste stabilità volumetrica ed elevata resistenza meccanica a breve termine, ad oggi risultano limitate le informazioni in merito al comportamento a lungo-termine di elementi strutturali in calcestruzzo armato realizzati con CSA.

Il presente lavoro riporta i primi risultati di un’ampia campagna sperimentale, finalizzata allo studio del comportamento a breve e lungo-termine di calcestruzzi ed elementi in calcestruzzo armato realizzati con CSA puro o in miscela con OPC. In particolare, è stato studiato il comportamento a breve e lungo-termine di diverse miscele di calcestruzzo ed il comportamento flessionale ed il quadro fessurativo di travi in calcestruzzo armato, al variare del tempo di maturazione, delle condizioni ambientali e di esercizio. I risultati evidenziano un comportamento soddisfacente delle miscele di calcestruzzo CSA rispetto alla miscela di riferimento OPC.

Short and long-term behavior of steel reinforced concrete elements made with calcium sulfoaluminate cement (CSA)

Comportamento a breve e lungo termine di elementi in calcestruzzo armato a base di legante solfoalluminoso (CSA)

D. Colonna¹, M. Leone¹, M. A. Aiello¹, M. Marchi², S. Tortelli², S. Vendetta³

1 Department of Engineering for Innovation, University of Salento, Lecce, Italy

2 Global Product Innovation, HeidelbergCement Group, Bergamo, Italy

3 Italcementi-HeidelbergCement Group, Brindisi, Italy

1 INTRODUZIONE

Ad oggi i cementi Portland (OPC) rappresentano ancora la tipologia di legante maggiormente utilizzata a livello internazionale nell’ambito dell’ingegneria civile per la realizzazione di costruzioni in calcestruzzo.

Ciononostante, negli ultimi anni, si osserva un maggiore e crescente interesse verso la ricerca e l’impiego di nuove tipologie di cementi definiti “ecocompatibili”, che garantiscono un minore impatto ambientale rispetto ai cementi OPC la cui produzione genera annualmente elevate emissioni di CO₂ stimate essere pari al 5% delle emissioni annue globali. In tal categoria di cementi, rientrano i cementi a base di calcio solfoalluminato (CSA), date le loro minori temperature di clinkerizzazione e relative minori emissioni di CO₂ (dell’ordine del 25%÷35%) rispetto ai cementi OPC.

Inoltre, le particolari proprietà, quali l’elevato sviluppo delle proprietà meccaniche nel breve periodo, i bassi valori di ritiro per essiccamento e la minore porosità dei calcestruzzi realizzati con CSA, consentono a tale legante di trovare potenziale impiego in svariate applicazioni per le quali tali caratteristiche risultano fondamentali e non garantite dall’utilizzo di calcestruzzi ordinari (Su et al. (1992), Ali et al. (1994), Sherman et al. (1995), Berekta et al. (1997), Péra & Ambroise (2004), Gartner (2004), Damtoft et al. (2008), Imbabi et al. (2012), Gartner (2012), Ludwig & Zhang (2015)).

I cementi CSA possono anche essere utilizzati in combinazione con i cementi OPC, al fine unire le proprietà meccaniche ed i vantaggi delle rispettive due tipologie di legante (Dachtar (2004), Cau Dit Coumes et al. (2009), Pelletier et al. (2010), Telesca et al. (2013), Trauchessec et al. (2015)). Le miscele OPC/CSA sono generalmente caratterizzate da minore resistenza a compressione nel breve termine ed una distribuzione porosimetrica caratterizzata prevalentemente da pori di grandi dimensioni rispetto alle miscele a base di solo CSA. Tali caratteristiche, tendono ad aumentare al crescere del quantitativo di legante OPC.

Ad oggi risultano ancora molti gli aspetti, legati all’impiego dei CSA per la realizzazione di calcestruzzi, che necessitano di ulteriori studi, specialmente nell’ambito del comportamento a lungo termine e durabilità di elementi in calcestruzzo armato.

Diversi lavori di ricerca (Zhou & Glasser (2000), Quillin (2001), Zhang & Glasser (2005), Chaunsali et al. (2015)) evidenziano come la presenza di un elevato contenuto di ettringite derivante dal processo di idratazione del CSA ed il relativo minore pH della matrice cementizia, incrementino la sensibilità alla carbonatazione a lungo termine e la corrosione delle barre di armatura. Tuttavia, si riscontrano ancora risultati contrastanti in merito a tale tematica, evidenziando la necessità di ampliare le campagne sperimentali.

La discussione dei risultati sperimentali riportati nel presente lavoro è parte di una più ampia campagna sperimentale, attualmente in corso, volta a studiare il comportamento a breve e lungo termine di calcestruzzi ed elementi in calcestruzzo armato, realizzati con legante puro CSA o in combinazione con cemento OPC. In particolare, ci si è posto l’obiettivo di valutare l’influenza del rapporto OPC/CSA sulle proprietà del calcestruzzo fresco e indurito, attraverso la caratterizzazione di cinque differenti miscele di calcestruzzo.

Sono, quindi, state realizzate travi in scala reale in calcestruzzo armato con barre di acciaio, sulle quali sono state eseguite prove di flessione a breve  termine studiando il comportamento flessionale e il quadro fessurativo a vari step di carico. I valori dell’ampiezza delle fessure rilevati sperimentalmente sono stati successivamente confrontati con i relativi valori calcolati analiticamente mediante l’utilizzo di formulazioni di normativa (Model code (2010)). Inoltre, è stato analizzato il comportamento a lungo termine di analoghe travi in condizioni ambientali esterne e di esercizio (carico costante), mediante l’utilizzo di un set-up sperimentale appositamente progettato e realizzato sulla base di quanto riportato in (Vasanelli et al. (2013)).

Per tali campioni sono stati periodicamente monitorati i valori della freccia nella mezzeria ed il quadro fessurativo (larghezza, lunghezza e numero di fessure), valutandone sia l’evoluzione nel tempo che l'influenza della composizione del calcestruzzo sul comportamento flessionale a lungo termine delle travi.

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2 MATERIALI

Le indagini sono state condotte su cinque differenti tipologie di calcestruzzo (OPC, OPC+, 70/30 OPC/CSA, 50/50 OPC/CSA e 100CSA), realizzate variando il rapporto tra legante OPC e CSA adottato (Tabella 1).

Nel presente lavoro è stato utilizzato un cemento commerciale a base di calcio solfoaluminato (i.tech ALICEM® di Italcementi) mentre un CEM II A/LL 42.5 R (secondo (EN 197-1 (2011)) è stato utilizzato come OPC. Sabbia e ghiaia silicea aventi dimensioni massime pari a 20 mm e conformi a (EN-1260 (2008)) sono state utilizzate in tutte le miscele di calcestruzzo.

Tali miscele sono state realizzate utilizzando un rapport acqua/cemento (a/c) costante e pari a 0.5, ad eccezione della miscela OPC+ per la quale è stato utilizzato un rapporto a/c pari a 0.4, ciò al fine di ottenere proprietà meccaniche comparabili a quelle delle miscele OPC/CSA e della miscela di puro CSA.

Sono state utilizzate barre ad aderenza migliorata in acciaio B450C come riforzo continuo nelle travi in calcestruzzo armato.

3 CAMPAGNA SPERIMENTALE

Le proprietà delle miscele di calcestruzzo oggetto di indagine, sono state analizzate sia allo stato fresco in termini di slump, classe di consistenza e percentuale d’aria inglobata (UNI EN 12350-2 (2009), UNI EN 206-1 (2014), UNI EN 12350-7 (2009)) che allo stato indurito, in termini di resistenza a compressione, modulo elastico, resistenza a trazione per flessione ed indiretta (UNI EN 12390-3 (2009), UNI EN 12390-13 (2013), UNI EN 12390-5 (2009), UNI EN 12390-6 (2002)) a differenti periodi di maturazione del getto (1, 7, 28, 56, 90 e 365 giorni). I campioni testati sono stati tre cubi (150 mm), tre cilindri con diametro e altezza pari a 150 mm e 300 mm e due prismi (100 mm × 100 mm × 400 mm). Inoltre, è stato monitorato il ritiro per essiccamento nel tempo effettuando misurazioni su campioni prismatici (100 mm × 100 mm × 500 mm) conformemente a (UNI 11307 (2008)).

Il comportamento flessionale a breve termine (50 giorni dopo il getto) di travi in calcestruzzo armato con sezione trasversale 200 mm × 200 mm e lunghezza pari a 3000 mm è stato analizzato eseguendo prove di flessione a quattro punti. Per ogni tipologia di calcestruzzo è stata testata una trave (cinque travi in totale).

Tali travi sono state rinforzate longitudinalmente e trasversalmente rispettivamente mediante quattro barre longitudinali in acciaio di diametro nominale pari a 14 mm e staffe con diametro nominale di 8 mm.

Le staffe sono state disposte con passo pari a 70 mm in corrispondenza degli appoggi per una lunghezza di 520 mm misurata a partire dalle estremità delle travi, mentre con passo pari a 140 mm nella restante porzione delle travi. Il valore del copriferro è pari a 30 mm.

Durante l’esecuzione dei test di flessione sono stati monitorati i valori del carico applicato, le deformazioni delle barre longitudinali di acciaio tese e del corrente di calcestruzzo compresso e gli spostamenti verticali in differenti punti lungo la trave: mezzeria (SM), in corrispondenza dei coltelli di carico (SC), mezzeria della zona di taglio (ST), appoggi (SA), (Figura 1).

Le deformazioni del calcestruzzo compresso sono state registrate per mezzo di tre estensimetri posizionati sul lembo esterno del corrente compresso in corrispondenza della mezzeria della trave.

Le deformazioni delle barre di acciaio a trazione sono state misurate in corrispondenza della mezzeria delle travi utilizzando quattro estensimetri, applicati sulle barre di acciaio prima del getto dei campioni. I dati rilevati sono stati elaborati in termini di legame momento flettente-curvatura, massimo momento flettente, quadro fessurativo (a step di carico pari al 10%, 20%, 40% e 50% del carico di ultimo di progetto mediante l’utilizzo di microscopio digitale con zoom 60X).

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: Corrosion; reinforced concrete structures; seismic capacity; global seismic behavior, SISMABONUS / corrosione; strutture in calcestruzzo armato; capacità sismica; comportamento sismico globale, SISMABONUS.

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