Nanocompositi organominerali per calcestruzzi durevoli

L’impiego di nanocompositi di silicati idrati metallici e superfluidificanti policarbossilati (MeSH/PCE) rappresenta lo sviluppo più avanzato degli additivi per calcestruzzo. Questi nuovi additivi promuovono la reazione di idratazione del cemento e il precoce sviluppo delle resistenze meccaniche.

Inoltre, modificano il meccanismo di idratazione del cemento e migliorano la microstruttura della pasta di cemento idratata, rendendola meno permeabile all’acqua e agli agenti aggressivi. Questo additivo è stato impiegato per l’erezione dei piloni del nuovo ponte di Genova e ha permesso di accorciare i tempi di esecuzione dell’opera, migliorando al contempo la durabilità del calcestruzzo.


Il nuovo additivo Mapefast Ultra è stato utilizzato per il nuovo ponte di Genova

La possibilità di accelerare lo sviluppo delle resistenze meccaniche di un manufatto in calcestruzzo è importante sotto diversi punti di vista: per esempio, può servire per accorciare i cicli produttivi riducendo i tempi di scassero, oppure può stimolare l’indurimento della miscela cementizia in climi freddi. L’uso di acceleranti di indurimento è particolarmente interessante qualora nel mix-design del calcestruzzo vengano impiegati cementi di miscela.

Questi ultimi, infatti, a fianco dei notevoli benefici garantiti dalla presenza dei Materiali Cementizi Supplementarti (MCS) come, ad esempio, il minor impatto ambientale e la migliore durabilità, soffrono di un più lento sviluppo delle resistenze meccaniche a causa della ridotta reattività dei MCS. Tale minore reattività può essere compensata dall’aggiunta di additivi acceleranti.

Sono noti da tempo diversi additivi chimici, sia di natura organica che inorganica, capaci di influenzare in tal senso la reazione di idratazione del cemento; fra di essi troviamo il tiocianato di sodio, il nitrato di calcio, il formiato di calcio e, in determinate condizioni, alcune alcanolammine quali trietanolammina e triisopropanolammina. Tuttavia, nessuno di questi supera le prestazioni del cloruro di calcio, CaCl2, il cui utilizzo è tuttavia precluso nelle strutture in calcestruzzo armato a causa del pericolo di corrosione dei ferri d’armatura. Inoltre, quasi tutti gli acceleranti di indurimento convenzionali, se non adeguatamente impiegati, rischiano di compromettere le resistenze meccaniche a lungo termine.

Recentemente, è stato sviluppato un accelerante di indurimento di nuova generazione, basato su una sospensione acquosa di un nanocomposito ibrido organico/inorganico fra un silicato idrato di calcio drogato con metalli di transizione (MeSH) e polimeri superfluidificanti polieterecarbossilati (PCE) (Fig.1).

Il nuovo additivo funziona attraverso un meccanismo di nucleazione secondaria: il CSH prodotto dall’idratazione del cemento tende a precipitare sulla grande superficie disponibile dei nano-nuclei di MeSH/PCE anziché sulle particelle di cemento anidro, come accade normalmente, e accelera fortemente lo sviluppo delle resistenze meccaniche. Inoltre, la matrice cementizia che si forma in presenza di MeSH/PCE è più densa, con conseguenti benefici in termini di durabilità del manufatto grazie alla ridotta permeabilità agli agenti dannosi quali cloruri, solfati e CO2.

Il nuovo additivo, il cui nome commerciale è Mapefast Ultra, è stato impiegato nella realizzazione delle pile che sorreggono il nuovo ponte di Genova (Ponte San Giorgio) durante i mesi freddi, quando le basse temperature avrebbero rallentato eccessivamente il processo di indurimento del calcestruzzo e compromesso il regolare avanzamento dei lavori. In questa memoria sono descritte le caratteristiche meccaniche e di durabilità del calcestruzzo realizzato con il nuovo additivo accelerante.

 

Nanocompositi organominerali per calcestruzzi durevoli

 

FIGURA 1: La sospensione di MeSH/PCE (a sinistra) è costituita da unità strutturali polisilicatiche stabilizzate da molecole di PCE, come mostrato nella figura di destra. La struttura è stata ricavata dall’elaborazione di analisi SAXS e WAXTS con analisi 29SiNMR ed EXAFS nell’ambito di un approccio modellistico unificato (Grigio: Ca2+, Azzurro: Cu2+, Blu: (SiO4)4-).

 

Materiali e metodi

Il nuovo additivo MeSH/PCE è stato sintetizzato combinando, a temperatura ambiente, una soluzione di sali di Calcio e Rame con una soluzione di silicato di sodio in presenza di una soluzione di PCE sotto intensa agitazione. Al termine della reazione il prodotto è recuperato sotto forma di una sospensione acquosa stabile di nanoparticelle MeSH/PCE con un contenuto solido del 23% (Fig. 1).

I test di laboratorio sul calcestruzzo addizionato con MeSH/PCE sono stati condotti sullo stesso mix-design utilizzato per la costruzione delle pile portanti del Ponte San Giorgio; tale mix è riportato in Tab.1.

 

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Tabella 1:Mix-design del calcestruzzo impiegato per la costruzione delle pile del Ponte San Giorgio.

 

I polimeri impiegati (Dynamon XTend W400N e Dynamon LZ551) sono superfluidificanti PCE commerciali prodotti da Mapei; il primo è un riduttore d’acqua ad alta prestazione, il secondo è un mante- nitore di lavorabilità. Il dosaggio dei due polimeri è stato selezionato in modo da garantire lavorabilità iniziale e a 90 minuti confrontabili, sia per l’impasto di riferimento che per quello contenente MeSH/PCE (Tab. 2). Il cemento impiegato è classificato CEM III/A 42.5N secondo la norma EN 197- 1 (cemento alla loppa d’altoforno, 40% loppa e altri costituenti secondari) ed è prodotto da Italcementi. Il calcestruzzo risultante appartiene alla classe di resistenza C35/45 secondo la norma EN 1992-1-1.

Lo sviluppo delle resistenze meccaniche è stato misurato su cubi di 150 mm di lato, maturati in camera umida a 23±2 °C, RH = 98±1% fino al momento del test. Le misure di permeabilità all’acqua sotto pressione sono state eseguite secondo la norma EN 12390-8; la penetrazione dei cloruri è stata misurata secondo la norma ASTM C1202-19; la resistenza alla carbonatazione accelerata è stata valutata secondo la norma EN 12390-12.

 

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