Calcestruzzi leggeri e pesanti ad alta temperatura


Memoria tratta dagli atti delle GIORNATE AICAP 2014, Bergamo 22-24 maggio 2014.

SOMMARIO
Recenti prove condotte al Politecnico di Milano sulla caratterizzazione termo-meccanica di calcestruzzi speciali hanno riguardato due mescole, l’una con aggregato a base di polistirene espanso sinterizzato – EPS e l’altra con aggregato baritico, maturata quest’ultima in due condizioni ambientali differenti. L’obiettivo è stato quello di rendere disponibili dati nuovi o aggiornati su due famiglie estreme di calcestruzzo strutturale (fc = 26-35 MPa). Una quarta mescola con aggregato ordinario è stata poi studiata per confronto. Circa 100 cilindri riscaldati a diverse temperature di riferimento fino a 700-750°C hanno permesso di valutare le resistenze in compressione ed in trazione indiretta per spacco, il modulo elastico, e la diffusività termica. L’introduzione di due indici di danno, basati rispettivamente sui decadimenti del modulo elastico e della velocità delle onde ultrasoniche, ha poi permesso di mettere in luce l’effetto che la temperatura ha sulla deviazione dalla linearità nei conglomerati studiati, il cui decadimento meccanico è risultato in linea con quello dei calcestruzzi ordinari. Tuttavia, il calcestruzzo baritico conserva più a lungo il proprio comportamento lineare, mentre il calcestruzzo con EPS richiede più cemento per garantire proprietà meccaniche accettabili.

LIGHT-WEIGHT AND HEAVY CONCRETES AT HIGH TEMPERATURE

SUMMARY
Two light-weight mixes, and one heavy mix cured in two different environments have been recently investigated in Milan, to have new or fresh information on a recently-proposed concrete containing small beads made of expanded syntherized polystyrene (EPS) and on one baritic concrete, and to make comparisons with a fourth reference concrete (fc = 26-35 MPa) . All mixes were subjected to thermal cycles up to 700-750°C. Roughly one hundred cylinders were tested in compression and in tension by splitting, to evaluate the compressive and tensile strengths, and the elastic modulus. Damage indexes were worked out as well, on the basis of the elastic modulus and of the ultrasonic velocity, to have information on materials deviation from linear-elasticity at various temperatures. Last but not least, the thermal diffusivity was derived by instrumenting five cylinders. At any temperature, both concrete types behave similarly to ordinary concrete, but baritic concrete tends to retain its linear behavior longer than both EPS and ordinary concretes, and EPS concrete is weakened by the macroporosity due to EPS beads, thus requiring much higher cement contents.


1. INTRODUZIONE

Le proprietà termiche e meccaniche del calcestruzzo esposto all’alta temperature sono state studiate a lungo nel passato, anche in anni recenti, e possono oggi dirsi ben conosciute e codificate. Tuttavia, l’introduzione di calcestruzzi innovativi e l’interesse crescente per certe mescole cementizie adatte a compiti specifici richiedono l’esecuzione di ulteriori prove al fine di appurare se – e fino a che punto – le proprietà termo-meccaniche di questi calcestruzzi speciali siano simili a quelle del calcestruzzo ordinario, in presenza di alta temperatura e/o incendio. Questo è il caso dei due estremi – in termini di densità – considerati nel presente lavoro, e cioè i calcestruzzi leggeri contenenti particelle di polistirene espanso sinterizzato (EPS [1-4]) ed i calcestruzzi pesanti contenenti aggregato baritico [5-8]. Nel primo caso le particelle di EPS hanno funzione di mero alleggerimento, non contribuendo alle proprietà meccaniche (se non nel senso di diminuirle), ma permettono una notevole riduzione della densità (fino al 10-20% nei calcestruzzi strutturali) ed un netto aumento della capacità isolante, per non citare il contributo alla sostenibilità delle costruzioni. Le particelle di EPS – spesso in forma di sferette – provengono infatti dalla macinazione del polistirene, con cui sono fatti gli elementi isolanti e gli imballaggi usati per proteggere moltissimi prodotti dell’industria; tuttavia, non vi sono in letteratura informazioni sul comportamento all’alta temperatura dei calcestruzzi alleggeriti con EPS [9].
Nel caso dei calcestruzzi baritici, l’obiettivo è di aumentare le proprietà di barriera alle radiazioni, usando aggregato pesante che può portare ad incrementi di densità del 20-50%; in tale caso sono disponibili dati risalenti agli anni cinquanta e sessanta del secolo passato, agli albori della progettazione delle centrali elettro-nucleari [10-13], ma nuovi dati a conferma ed estensione di quelli del passato sono oggigiorno richiesti dalla necessità di estendere la vita utile delle centrali elettro-nucleari in attività da anni, per non menzionare i laboratori delle strutture ospedaliere contenenti apparecchiature a raggi X ed i siti di stoccaggio dei rifiuti radioattivi. Un rinnovato interesse per i calcestruzzi baritici è quindi in atto, con alcune ricerche recenti sul loro comportamento a caldo [6,14].
I risultati di due progetti di ricerca paralleli recentemente conclusi al Politecnico di Milano sul comportamento all’alta temperatura di calcestruzzi alleggeriti con introduzione di particelle di polistirene espanso sinterizzato (EPS = Expanded Polystyrene Syntherized) e di calcestruzzi pesanti contenenti aggregato baritico sono presentati in questo lavoro, con riferimento sia ad un calcestruzzo ordinario, che alle curve indicate dai documenti ACI e fib per il decadimento meccanico dei calcestruzzi ordinari (silicei e calcarei) dopo esposizione all’alta temperatura.
I risultati indicano per le due mescole EPS studiate nel primo progetto (mv = 1850-1950 kg/m3) una maggiore sensibilità all’alta temperature rispetto alla mescola ordinaria di riferimento, e prestazioni meccaniche accettabili solo con uso di forti quantitativi di cemento, ma anche elevate proprietà isolanti a qualsiasi temperatura (fino a 700°C).
Per la mescola baritica studiata nel secondo progetto e maturata in due condizioni ambientali differenti (mv = 3100-3200 kg/m3) i risultati confermano che il calcestruzzo baritico si comporta in modo simile al calcestruzzo ordinario ed addirittura meglio oltre i 400°C, in quanto gli effetti negativi della microstruttura fratturata della barite vengono bilanciati dalla limitata differenza fra le dilatazioni termiche dell’aggregato grosso baritico e della malta baritica.
Ambedue le tipologie di calcestruzzo sono caratterizzate da un comportamento più fragile di quello del calcestruzzo ordinario, fino ad almeno 500-550°C, e ciò è indicato dalle curve tensione-deformazione in compressione. Il calcestruzzo con EPS risulta poi essere molto deformabile a qualsiasi temperatura.
Infine, gli indici di danno basati sul modulo elastico e sulla velocità delle onde ultrasoniche mostrano che i rami di carico delle curve sforzo-deformazione sono più lineari nel calcestruzzo baritico rispetto sia al calcestruzzo con EPS, che al calcestruzzo ordinario, e ciò nell’intero intervallo T = 20-700/750°C.

2. TIPI DI CALCESTRUZZO E LORO AGGREGATI

2.1 Calcestruzzo con EPS

Il calcestruzzo contenente EPS è stato studiato per contenuti di EPS molto diversi, tipicamente dal 10 al 50% in volume ([1-4], si vedano anche le referenze in [9]). Tuttavia prestazioni meccaniche adeguate all’uso strutturale si possono ottenere solo limitando il contenuto volumetrico di EPS a meno del 20% (fc >= 17.2 MPa secondo ACI 213R-87, 1999). Sono però necessari alti contenuti di cemento, ad esempio da 350 a 500 kg/m3, senza includere la microsilice o la cenere volante, che spesso vengono usate per aumentare la resistenza e la lavorabilità del materiale (si vedano le referenze in [9]).
A seconda del contenuto di EPS (da 2 a 12 kg/m3 negli studi condotti finora, con densità compresa fra 20 e 40 kg/m3 dopo sinterizzazione), la densità del calcestruzzo può presentarsi con valori compresi fra 500 e 2000 kg/m3, ma solo fra 1450 e 1850 kg/m3 il calcestruzzo con EPS può essere consi-derato come un materiale leggero strutturale, sempre secondo le già citate norme ACI 213R-87 (1999).
Il polistirene espanso sinterizzato è in generale disponibile in forma di sferette di diametro 3-8 mm o di particelle di varia geometria, tutte ottenute macinando gli scarti provenienti dagli imballaggi o dagli elementi isolanti.
Con riferimento alle proprietà meccaniche, la resistenza a compressione ed il modulo elastico del calcestruzzo con EPS sono funzioni linearmente decrescenti del contenuto volumetrico di EPS (si vedano le referenze in [9]) e della densità, mentre la resistenza a trazione indiretta per spacco diminuisce meno che linearmente [2]. La microsilice aumenta l’adesione fra particelle di EPS e malta cementizia [2], mentre la cenere volante diminuisce l’assorbimento di acqua e limita la migrazione dell’umidità [3].
Tre sono almeno le ragioni per cui il calcestruzzo con EPS potrebbe essere più sensibile del calcestruzzo ordinario all’alta temperatura: (a) i fenomeni chimico-fisici attivati dal calore (fusione / decomposizione / accensione a 100 / 230 270 /450 500°C); (b) l’effetto di intaglio provocato dai vuoti occupati dalle particelle di EPS; e (c) la combustione dell’EPS, le cui particelle sono aria per il 95% del loro volume.

2.2 Calcestruzzo baritico

Le proprietà di attenuazione delle radiazioni da raggi x e gamma, e di assorbimento neutronico possono essere raggiunte sia sostituendo alcuni componenti del calcestruzzo ordinario (per esempio l’aggregato ordinario con aggregato pesante), sia aggiungendo nuovi componenti (per esempio i super-plasticizzanti organici solubili, al fine di aumentare la compattezza dei getti e ridurre il contenuto di acqua, senza limitare la lavorabilità).
Per aumentare le proprietà di attenuazione delle radiazioni vengono usati calcestruzzi ad alta densità, contenenti aggregati pesanti, mentre per favorire l’assorbimento neutronico si fa ricorso ad aggregati anche di normale densità (2500-2800 kg/m3), ma contenenti acqua di cristallizzazione [5,10,12]. In generale, se il livello delle radiazioni è abbastanza basso (come nelle camera a raggi x delle strutture ospedaliere) la densità richiesta per il calcestruzzo non supera i 3500 kg/m3, tant’è che i valori usuali sono compresi fra 2800 e 3500 kg/m3, in analogia alle scelte operate nella realizzazione di strutture quali i depositi per rifiuti debolmente radioattivi provenienti dalle centrali elettro-nucleari [13].
Fra gli aggregati usati per rendere il calcestruzzo più pesante, la barite (= solfato di bario) occupa una parte di tutto rilievo (mv = 4000-4500 kg/m3), anche perché è vantaggiosa da tre punti di vista: (a) stabilità chimica (temperatura di fusione = 1580°C); (b) vicinanza dei coefficienti di espansione termica fra aggregato grosso baritico e malta baritica (cemento idratato + aggregato baritico fine); e (c) accentuato comportamento reologico della barite a qualsiasi temperatura, rispetto agli ordinari aggregati silicei o calcarei. Si noti che le proprietà di cui ai punti (b) e (c) permettono di ridurre l’incompatibilità cinematica fra aggregato grosso e malta cementizia, a tutto vantaggio dell’integrità del calcestruzzo esposto all’alta temperatura.
Due sono almeno le ragioni per cui il calcestruzzo baritico potrebbe essere più sensibile del calcestruzzo ordinario all’alta temperatura: (a) la microfratturazione delle rocce baritiche, i cui piani di scorrimento potrebbero agire come corsie preferenziali per lo spacco dell’aggregato [10]; e (b) i vari prodotti sensibili al calore (come calcedonio, quarzo e zeoliti [10]) che riempiono le microfratture della barite.

3. COMPOSIZIONE E RESISTENZA A COMPRESSIONE DEI MATERIALI ALLO STATO VERGINE

I componenti e le caratteristiche fisico-meccaniche principali dei calcestruzzi studiati in questo lavoro sono riportati nella Tabella 1, con riferimento a due mescole con EPS (Mescole M1 and M2, differenti essenzialmente per il contenuto di cemento) e ad una mescola baritica invecchiata in due diverse condizioni ambientali dopo l’usuale periodo di maturazione di 28 giorni a T = 22°C e U.R. ≥ 95% (Mescola MM invecchiata per tre anni in camera climatizzata, e Mescola MD invecchiata per tre anni in ambiente normalmente secco/umido, cioè con T = 20-25°C e U.R. = 70-80%).
La composizione di una quarta mescola è pure riportata (M0), come riferimento. (La resistenza cilindrica media attesa è stata di 25-30 MPa).
Più in dettaglio, la Mescola M1 con EPS è stata progettata in modo da avere resistenza simile a quella della Mescola M0 di riferimento, mentre la Mescola M2 ha permesso di controllare l’eventuale aumento di resistenza ottenibile aumentando il contenuto di cemento in presenza di EPS. (E’ tuttavia ben vero che la Mescola M2 ha un contenuto eccessivo di cemento, cui corrisponde peraltro un modestissimo aumento di resistenza, si veda la Tabella 1).
Con le due mescole baritiche si è inteso rappresentare: (a) un calcestruzzo essiccato, come negli strati più periferici degli elementi massicci – Mescola MD; e (b) un calcestruzzo umido, come negli strati più interni, in cui l’invecchiamento avviene quasi in condizioni sigillate – Mescola MM. (Nel seguito i termini “mescola” e “calcestruzzo” vengono utilizzati come sinonimi).

4. PROVINI, CICLI TERMICI E STRUMENTAZIONE

Per ogni mescola sono stati gettati provini cilindrici lunghi (10 per le Mescole M0, M1 e M2, e 12 per le Mescole MM e MD) per le prove in compressione, in maggioranza con diametro Ø 100 mm, ma in alcuni casi con diametro Ø 150 mm (h/Ø = 2 in tutti i provini). Per le prove in trazione indiretta per spacco sono stati approntati cilindri corti in numero di sei per le Mescole M0, M1 e M2 (Ø = 100 mm; h = 30 mm) e di 12 per le Mescole MM e MD (Ø = 100 mm; h = 80 mm). Pertanto, per ogni mescola sono stati disponibili da 16 a 24 cilindri (Fig.1). Le Mescole M0, M1 e M2 sono state caratterizzate a 20, 150, 300, 500 and 700°C in compressione, e a 20, 300 e 600°C in trazione (Fig.2a), mentre per le Mescole MM e MD le temperature di riferimento sono state sei sia per la compressione, che per la trazione (20,105, 250, 400, 550 and 750°C).
Per ciascuna mescola, uno dei cilindri da riscaldare alla massima temperatura (700 o 750°C) è stato strumentato con due termocoppie poste nella sezione di mezzeria, sull’asse ed in prossimità della superficie esterna, al fine di valutare la diffusività termica fra 100 e 700 / 750°C. Dopo il raffreddamento, questi stessi cilindri sono stati provati in compressione, in quanto avevano raggiunto le temperature di riferimento di 700 o 750°C. Nonostante l’esiguo numero dei provini utilizzati per ciascun tipo di prova e per ciascuna mescola (2 provini nominalmente identici), la ripetibilità è stata eccellente, come mostrato in Fig.2b per la Mescola MD.
Le prove in compressione sono state condotte tutte in controllo di spostamento, con misura dell’accorciamento effettuata attraverso tre trasduttori resistivi posti a 120° a cavallo della sezione media di ciascun provino (base strumentale di 50 mm, Fig.1a). Inoltre, tre LVDT sono stati collocati fra le teste della pressa per monitorare il comportamento post-picco dei provini. Infine, le estremità dei provini sono state ricoperte con un sottile strato di acido stearico per ridurre l’attrito fra le teste della pressa ed il provino.

Le prove in trazione indiretta per spacco sono state effettuate in controllo di carico; rispetto allo standard EN 12390-6 (Ø = 150 mm e h/Ø =1) le dimensioni dei cilindri e delle strisce di carico sono state ridotte di 1/3 (Ø = 100 mm), ad eccezione della lunghezza. Infatti, per limiti imposti dalla bassa numerosità dei cilindri, il rapporto diametro/altezza h/Ø è risultato essere 0.3 nelle prove sulle Mescole M0, M1 and M2, e 0.8 nelle prove sulle Mescole MM and MD.

Nell'articolo completo:

5. DIFFUSIVITA’ TERMICA
6. PROPRIETA’ MECCANICHE RESIDUALI
7. INDICI DI DANNO
8. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
RINGRAZIAMENTI
BIBLIOGRAFIA