I calcestruzzi ad ALTISSIMA RESISTENZA: proprietà e comportamento meccanico

Atti del Seminario : “Aspetti Meccanici del Calcestruzzo e Comportamento Strutturale” - Senise (PZ), 17 gennaio 2015
 

1.INTRODUZIONE
I calcestruzzi ad altissime prestazioni (Ultra-High Performance Concrete, UHPC) sono materiali a base cementizia fibro-rinforzati che presentano rispetto ai calcestruzzi tradizionali una migliore risposta meccanica a compressione (con resistenze sistematicamente superiori ai 100-120 MPa) e una buona resistenza a trazione (dell’ordine dei 15 MPa) accompagnata da una notevole duttilità con deformazioni ultime prossime a 0.4%.
La nascita degli UHPC è molto recente ed il loro primo impiego è da datarsi alla fine degli anni ’90 dapprima in Francia e successivamente negli USA. Tale materiale rientra nella categoria dei materiali cementizi innovativi o ingegnerizzati (Engineered Cementitious Concrete, ECC) e nasce per ovviare alle problematiche connesse all’impiego dei calcestruzzi ordinari soprattutto in termini di scarsa duttilità e durabilità.
Infatti gli UHPC presentano una microstruttura ottimizzata, con un basso grado di imperfezioni e impurità, in grado di consentire una durabilità assai migliore rispetto ai materiali cementizi ordinari riducendo drasticamente i costi di manutenzione delle strutture e mitigando gli impatti ambientali propri del normale ciclo vitale di un manufatto in calcestruzzo ordinario (dalla produzione del calcestruzzo, alla manutenzione, alla dismissione).
Inoltre il suo impiego consente di ampliare le possibilità espressive ed architettoniche delle strutture in calcestruzzo rendendole “leggere”.

2. EVOLUZIONE DEI MATERIALI CEMENTIZI (I MATERIALI CEMENTIZI INNOVATIVI)
Il XX secolo è stato segnato dalla nascita ed ascesa del calcestruzzo armato quale principale materiale da costruzione per la realizzazione di nuovi tipologie architettoniche e strutturali. A partire infatti dalle prime applicazioni di Monier e Hennebique fino agli esperimenti più arditi di Nervi e Utzon, il materiale è riuscito nell’intento di conciliare le esigenze funzionali degli edifici moderni con i problemi connessi alla loro progettazione, garantendo ad ogni singolo progettista la possibilità di plasmare il materiale in una varietà di edifici e strutture mai vista in precedenza nella storia dell’architettura e dell’ingegneria.
Purtroppo però, a più di cent’anni dalla sua invenzione, accanto ai vantaggi che tale materiale comporta (quali facilità di esecuzione, costo ridotto dei componenti, versatilità di utilizzo), si riscontrano diversi svantaggi, sia dal punto di vista prestazionale sia della sostenibilità ambientale, che spesso fanno preferire al suo utilizzo quello dell’acciaio, maggiormente eco-compatibile e con migliore resistenza.
Al fine di far fronte a tali problemi, a partire dagli anni ’70 lo sviluppo di nuovi additivi e di aggiunte, minerali e non, accanto allo studio attento dei processi di stagionatura e del mix-design, hanno iniziato a trasformare il calcestruzzo in un materiale “high-tech” in grado di esprimere prestazioni sempre più avanzate e diversificate.
In tale periodo si assiste alla nascita dei cosiddetti calcestruzzi DSP (Densified with Small Particle) ovvero calcestruzzi in cui viene sperimentato il binomio fumo di silice-superfluidificante.
I Fumi di Silice (SilicaFume) vengono impiegati per aumentare la densità del calcestruzzo in quanto le sferette di silice tendono a disporsi nei vuoti interstiziali tra i granuli di cemento. Tale addensamento conferisce una maggiore resistenza meccanica rispetto ai calcestruzzi ordinari e una migliore resistenza agli agenti corrosivi ma comporta un notevole aumento dell’acqua necessaria al confezionamento del conglomerato. Tale inconveniente viene aggirato grazie all’utilizzo dei superfluidificanti che favoriscono un basso rapporto a/c in favore di un migliore comportamento micro-strutturale [1].
In altre parole, la pasta cementizia diviene più resistente degli aggregati che diventano il punto debole del materiale assieme ad un piccolissimo volume posto a confine tra aggregato e matrice cementizia detto “zona di transizione”. Per sfruttare al meglio le caratteristiche dovute alla densificazione del materiale diviene necessario utilizzare aggregati densi e compatti in grado di stabilire un miglior legame con la pasta cementizia.
Tuttavia anche il calcestruzzo DSP presenta alcuni limiti prestazionali nel comportamento deformativo dovuti per lo più alla natura estremamente fragile del materiale e “strettamente connessi con la microstruttura densa del materiale DSP e non già con la composizione chimica” [1].
Per ovviare a tali limiti di comportamento dei materiali DSP, all’inizio degli anni ’90 si è assistito alla nascita e allo sviluppo dei cosiddetti RPC (Reactive Powder Concrete):al materiale DSP sono aggiunte fibre d’acciaio, che aumentano la duttilità contribuendo alla riduzione dei fenomeni di rottura, o fibre in materiali polimerici che consento di mitigare sensibilmente il fenomeno dello spalling durante gli incendi.
Sulla scorta degli studi effettuati soprattutto in ambito francese[2], negli anni sono state sviluppate e brevettate varie tipologie di RPC, che si configurano per loro natura come veri e propri materiali compositi, anche per la presenza di fibre all’interno della miscela, contraddistinti con svariate sigle (HSC, HPC, FRC, UHPC, UHFRC),che migliorano la resistenza meccanica rispetto ai calcestruzzi ordinari.
A tal proposito, per comprendere la nomenclatura utilizzata e la classificazione utilizzata, si può fare riferimento ad alcune linee guide nazionali emanate in Italia dal Servizio Tecnico Centrale del CSLLPP ed in Francia dall’AFCG (Associazione Francese del Genio Civile) e dal SETRA (Servizio di Studi Tecnici delle Strade ed Autostrade).
Sia le “Linee guida sul calcestruzzo strutturale” sia le “Linee guida sui calcestruzzi ad alta resistenza” (emanate dal Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici) presentano le seguenti definizioni:
• calcestruzzo ad alte prestazioni (AP):conglomerato cementizio caratterizzato in generale da rapporto a/c minore di 0.45, avente resistenza caratteristica cubica superiore a 55 N/mm2, ed inferiore o uguale a 75 N/mm2;
• calcestruzzo ad alta resistenza (AR):conglomerato cementizio caratterizzato in generale da rapporto a/c minore di 0.35, avente resistenza caratteristica cubica superiore a 75 N/mm2 ed inferiore o uguale a 115 N/mm2.
Maggiormente chiarificatrice, e attinente anche con la maggior parte degli studi presenti in letteratura, risulta essere la definizione data nelle “Recommandations provisoires” del SETRA-AFGC (2002) che individua con il termine “Ultra-High Performance Fiber-Reinforced Concrete” (UHPFRC) un materiale a matrice cementizia con resistenza a compressione maggiore di 150 MPa (che abbia la possibilità di attingere ai 250 MPa) e che contenga fibre d’acciaio in grado di garantire un comportamento duttile sotto carichi e, se possibile, fare a meno delle armature di rinforzo passive.
Gli UHPFRC, che è anche sinonimo di UHPC, differiscono dalla prima generazione di calcestruzzi ad alte prestazioni detti High Performance Concrete o HPC [3] per:
• la resistenza a compressione che è sistematicamente maggiore di 150 MPa;
• l’uso sistematico delle fibre che garantiscono che il materiale non sia fragile e che modificano la normale richiesta di rinforzi attivi e/o passivi;
• l’alta presenza di legante e per la particolare composizione della miscela.
Tale materiale è quindi in grado di attingere resistenze a trazione relativamente alte attraverso la compartecipazione delle fibre che intervengono nelle distribuzione dei carichi in seguito alla rottura della matrice cementizia, eliminando l’uso dei rinforzi convenzionali o al massimo sostituendoli con cavi pre e/o post-tesi che assorbono gli sforzi principali mentre le fibre contribuiscono ad assorbire quelli secondari di trazione.

Nell'articolo completo:

PRINCIPALI APPLICAZIONI

TECNOLOGIA DEGLI UHPC

BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE