Calcestruzzo e Polimeri: materiali compositi versatili dalle prestazioni specifiche

Calcestruzzo e Polimeri tra passato e presente
La classificazione tradizionale dei materiali, basata sulla composizione chimica, è stata da tempo superata con l’utilizzo sempre più diffuso dei materiali compositi, il cui sviluppo è stato notevole negli ultimi anni. L’idea di comporre materiali combinandone altri con lo scopo di unificarne le prestazioni non è certamente una novità, anche se questa definizione è talmente larga che potrebbe portare a definire come compositi quasi tutti i materiali presenti sul mercato in quanto costituiti da sostanze non pure.
In ambito tecnico è consuetudine restringere il campo dei compositi ai soli materiali rinforzati in cui vi è una matrice che ha il compito di garantire la coesione del materiale e racchiudere il rinforzo, e quest’ultimo, che generalmente è sotto forma di fibre e ha una determinata prestazione decisamente elevata rispetto alla matrice, ed è per questo che vi si additiva.
I compositi del calcestruzzo sono un’invenzione tanto antica quanto fondamentale nella storia delle costruzioni. Se la primordiale forma di calcestruzzo si può ricondurre all’ opus caementicium, tecnica costruttiva utilizzata dagli antichi romani, è da allora che il conglomerato cementizio viene addizionato con elementi fibrosi quali paglia o pelo animale, con lo scopo di contrastare la formazione di crepe e fessure saturandone le cavità.
Il Calcestruzzo armato è di per se un materiale composito, dove la matrice cementizia abbraccia il rinforzo metallico che ha lo scopo di fornire la prestazione a flessione, ed è certamente da quei primi brevetti che non si è mai fermata la ricerca su quei materiali che, inseriti nella miscela, potevano sopperire alle carenze di un materiale straordinario ma ben lungi dall’essere perfetto.
E’ nei primi decenni del ‘900 che si studiano fibre che potessero avere un potere antifessurativo se miscelate con il calcestruzzo armato, e se questo ha portato in un primo tempo al tragico impiego delle fibre d’amianto, fortunatamente abbandonate quando sono diventati noti i danni che questo materiale provoca sulla salute, è dalla metà degli anni ’70 che la ricerca si è orientata con decisione verso l’impiego delle fibre sintetiche: al 5° Salone delle Invenzioni di Ginevra, nel 1976, L’ingegnere svizzero Rudolf Enzler si aggiudica la medaglia d’oro con il suo “Sistema Forta-Ferro”, dando così l’incipit all’impiego delle fibre polimeriche per il rinforzo del calcestruzzo (Enzler, 1975).
Parte un periodo di grande fermento nella ricerca, che però vede la traslazione della sperimentazione dal cantiere al laboratorio, scollamento che portava inevitabilmente verso il confinamento della ricerca stessa limitandone la diffusione su larga scala, cosa che avviene quasi solo esclusivamente per la prefabbricazione pesante in conseguenza del boom economico di metà secolo. (Iori, Marzo Magno, 2011).
A ricomporre la frattura tra ricerca e costruzione, tra laboratorio e cantiere, sono le interessanti sperimentazioni della prima metà degli anni ’80 di Sergio Musmeci sulle grandi strutture reticolari spaziali da realizzare con il calcestruzzo impregnato con polimero, materiale che da allora diventa uno dei più stimolanti dal punto di vista della ricerca e dell’innovazione (Brodini, 2008).

Fig. 1 - Copertura modulare a maglia rombododecaedrica, Sergio Musmeci, 1978 circa, china su carta fonte: Archivio Sergio Musmeci e Zenaide Zanini

La struttura sperimentale è, assieme alle altre di Musmeci, l’espletarsi del concetto per il quale non sono le tensioni ad essere incognite in un’architettura ma la forma. La ricerca della forma minima, quella che occupa il minor spazio e la minore quantità di materia necessari all’espletamento della propria funzione spinge Musmeci dalle membrane ai reticoli spaziali, grazie allo stimolo delle prestazioni eccezionali promesse dal calcestruzzo impregnato con polimeri, agli albori. E’ la sua grande padronanza delle leggi della tecnica che gli consente di conciliare il calcestruzzo con la struttura reticolare spaziale, superando il problema dei nodi nella maniera più drastica, ovvero abolendoli e riempiendo il vuoto a forma di poliedro con il calcestruzzo.
Nel 1979, in occasione della settimana dell’Architettura promossa dall’ in/Arch, riuscirà a far realizzare da Italcementi dei prototipi a grandezza naturale delle strutture da lui immaginate con il calcestruzzo alleggerito impregnato con polimero dal peso dimezzato rispetto al tradizionale calcestruzzo e dalla risposta a trazione quadruplicata, riuscendo a farle esporre in Piazza San Salvatore in Lauro a Roma (Purini, Barucci, Rossi, Sotogia, 1979).
Al giorno d’oggi si tende verso una sempre maggiore specializzazione dei materiali compositi, diversificandoli al soddisfacimento delle singole esigenze. La ricerca quindi si muove verso la selezione dei diversi polimeri studiandoli in relazione al loro comportamento con gli aggregati, con l’obbiettivo di sviluppare un calcestruzzo affidabile ma anche relativamente economico, condizione dalla quale non si può prescindere se si vuole la diffusione su larga scala.
Il calcestruzzo a cui viene addizionato il polimero o che viene impregnato con il polimero è un materiale composito in cui il calcestruzzo a base di cemento viene addizionato con delle resine (Macchia, 2004). Le resine utilizzate sono dei polimeri, ovvero delle catene chimiche di monomeri , che possono essere utilizzate in combinazione con il calcestruzzo in differenti modi, in modo tale da determinarne la prestazione.

Fig. 2 – Classificazione dei Monomeri

Da questa definizione si deduce che i compositi di calcestruzzo e polimeri sono dei materiali molto diversi dai calcestruzzi fibrorinforzati, sebbene la sovrapposizione di alcuni materiali, che, ridotti in fibre, si utilizzano anche in quest’ultimo tipo di compositi del calcestruzzo, può generare confusione.
La precisazione è sostanziale dal momento che, sebbene come si preciserà successivamente in questo studio, i calcestruzzi impregnati possono essere tali direttamente nell’impasto, la differenza con i fibrorinforzati sta nell’afferenza di questi ultimi con la fisica del materiale, mentre i calcestruzzi compositi con polimeri hanno a che fare con la sua chimica.
Altra differenza da sottolineare è rispetto a quei materiali che agiscono al livello chimico nell’incrementare la prestazione meccanica, ma non sono dei monomeri, come il caso del cosiddetto “vetro liquido” o “vetro solubile” ovvero il silicato di sodio . Questi prodotti, pur impregnando in profondità il calcestruzzo e agendo sulla matrice cementizia, sono esclusi da questo studio, che intende riferirsi quindi esclusivamente ai compositi di calcestruzzo e polimeri.
Le norma di riferimento per tutti i tipi di calcestruzzi che prevedono l’aggiunta di polimeri è la UNI 9527 del 1989 ed il suo aggiornamento del 1992. Le norme dalla UNI 9528 alla UNI 9533 elencano e dettagliano i metodi di controllo e di prova. Oltre a queste sono molto utili le “Raccomandazioni tecniche per impiego del conglomerato cementizio impregnato con polimeri” emanate dall’ AICAP .

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE 

• Prestazioni specifiche e calcestruzzi compositi specializzati (PMC, PC, PIC)
• Limiti attuali ed applicazioni future dei compositi di calcestruzzo e polimeri