Materiali e Tecniche Costruttive | Sostenibilità | Calcestruzzo Armato | SIREG GEOTECH SRL
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Calcestruzzi più sostenibili grazie alla durabilità delle armature in GFRP

Grazie alla durabilità delle armature in FRP si aprono scenari innovativi per una maggiore sostenibilità nella produzione di calcestruzzo, con la possibilità di miscelarli anche con acqua di mare al posto dell’acqua potabile.
Sostenibilità e minor impatto ambientale, una sfida a cui Sireg Geotech è pronta a contribuire per l’ammodernamento delle infrastrutture italiane. Info tecniche, normative e scenari futuri.

La scarsità di acqua potabile può diventare una minaccia per la produzione del calcestruzzo 

Sono drammaticamente sotto gli occhi di tutti i problemi delle infrastrutture italiane, figlie di una progettazione e realizzazione che risale al primo dopoguerra e, a seguito delle più banali opere di manutenzione, soggette ad un processo di degrado fortemente legato alla durabilità stessa dei manufatti.

Le risorse del PNRR per la realizzazione di nuove opere per un ammodernamento dell’intero patrimonio infrastrutturale del nostro paese impongono uno sforzo congiunto per il raggiungimento di tali obiettivi nel rispetto di quelle che sono le indicazioni di sostenibilità e resilienza che oggi più che mai sono un mantra per la progettazione e realizzazione di nuove opere.
In tale scenario di grande fermento di investimenti e ammodernamento infrastrutturale non può non risaltare purtroppo la cronaca di questi giorni legata al problema della siccità e della scarsità di acqua potabile. Secondo la World Meteorological Organization, entro il 2025, mancherà l’acqua potabile a più della metà della popolazione mondiale.

Ma per quale motivo ci preoccupiamo della scarsità di acqua potabile se oggi più che mai dobbiamo preoccuparci dell’ammodernamento delle nostre infrastrutture? Perché la crisi dell’acqua potabile potrebbe in qualche modo essere causa di difficoltà per il settore delle costruzioni e, se non altro, di un ulteriore aumento dei costi dei materiali?
L’industria delle costruzioni usa diversi miliardi di tonnellate di acqua dolce per lavare gli aggregati e miscelare e stagionare il calcestruzzo. È necessario quindi cercare di ridurre il prima possibile la quantità di acqua dolce utilizzata, intervenendo sia sull’acqua usata nell’impasto, ovvero circa il 40-50% in peso della quantità di CLS prodotto, sia sugli altri suoi due componenti di base: gli aggregati e il cemento.

È quindi ovvio, oggi più che mai, come la scarsità di acqua potabile possa rappresentare una possibile minaccia in termini di produzione di calcestruzzo oltre che un immediato aumento di costi per la produzione del calcestruzzo stesso perché, presto o tardi, si dovrà inevitabilmente ricorrere all’uso di acqua potabile ottenuta per processi di purificazione e / o desalinizzazione, quanto meno nelle zone costiere.

Quali risorse possiamo quindi introdurre per risolvere il problema legato all’uso di acqua potabile nell’impasto e di acqua potabile per lavare sabbia e inerti per la realizzazione di calcestruzzi a norma secondo la EN 197-1 (la norma europea che stabilisce composizione, caratteristiche e criteri di conformità per i cementi comun)? Poiché il cemento armato è un materiale composito realizzato da calcestruzzo e acciaio, è noto a tutti come il principale nemico dell’acciaio sia rappresentato dalla presenza di cloruri nell’impasto del calcestruzzo che portano a una rapida corrosione delle armature con conseguenti impliciti problemi di natura strutturale.
Ma cosa potrebbe accadere se potessimo sostituire all’acciaio, tradizionale o anche inox, un materiale le cui caratteristiche di durabilità sono infinite e non attaccabili dalla presenza di cloruri o altre sostanze chimiche capaci di aggredire le armature e al tempo stesso in grado, con una corretta progettazione, di fornire le stesse prestazioni meccaniche alla sezione così armata, rispetto a quelle di una sezione armata in modo tradizionale?

Oggi, grazie all’innovazione tecnologica e alla ricerca, possono finalmente aprirsi scenari alternativi all’impiego di acqua potabile nel calcestruzzo. Sireg Geotech ha sviluppato oramai da oltre vent’anni e con lungimiranza una importante novità che avrà impatto strategico sul settore dell’edilizia e delle infrastrutture garantendo la durabilità necessaria alle infrastrutture italiane e permettendo finalmente al calcestruzzo di poter essere miscelato con acque alternative a quella potabile ora prescritta, con la presenza di cloruri, e con sabbie e inerti non più lavati per eliminare la presenza di impurità. Un contributo importante, insomma, verso una maggiore sostenibilità offerta, ad esempio, anche dall’uso di acqua di mare che preserverà l’uso di acqua potabile per usi più nobili. (Immagine 1)

Lo stato dell’arte della ricerca

Da quando l’impiego di armature in fibra di vetro (GFRP) ha fatto breccia nel settore delle costruzioni, specialmente all’estero, grazie alla continua ricerca da parte del mondo accademico dal continuo sviluppo di linee guida di qualificazione e progettazione – con un crescente impiego sia in opere civili e infrastrutturali come i ponti, sia in opere in ambito portuale e idrogeologico come paratie, pontili, canali ma anche in alcune prime strutture per abitazioni civili - mai si sarebbe potuto pensare che tale innovazione avrebbe potuto anche toccare il mondo dei calcestruzzi.

Da diversi anni, a seguito dei continui e allarmanti segnali lanciati dalle diverse organizzazioni mondiali in merito alla scarsità di acqua potabile e alla continua richiesta di rendere sempre più sostenibili le future infrastrutture, il mondo della ricerca e l’industria più innovativa e volenterosa di dare immediata risposta a questi temi hanno studiato come unire l’innovazione alla sostenibilità.

La risposta a questa duplice richiesta è nata proprio dalla continua e crescente conoscenza delle caratteristiche di questo materiale innovativo quale è la vetroresina per il mondo delle costruzioni. Questo percorso, intrapreso più di venti anni fa, ha permesso di valutare l’unione di armature totalmente insensibili ai cloruri con calcestruzzi che fino ad oggi abbiamo studiato affinché fossero completamente esenti da cloruri per tutelare le barre di acciaio.

Diversi sono stati i progetti che hanno valutato questa potenzialità, coinvolgendo sia produttori di armature in GFRP, sia i produttori di calcestruzzi. Tra i più noti il progetto SEACON, “Sustainable concrete using seawater, salt-contaminated aggregates, and non-corrosive reinforcement”, guidato da un consorzio internazionale di diversi partner industriali e istituzioni accademiche, guidato dall’Università di Miami negli USA, finanziato dal programma di ricerca europeo “Infravation”.
SEACON aveva come obiettivo favorire l’industria del calcestruzzo mettendo a punto un prodotto più economico, durevole e sostenibile
. Lo scopo è quello di ridurre l’uso di risorse naturali, sostituendole con alternative contaminate da cloruri, in combinazione con armature non soggette a corrosione.

Questo nuovo approccio ha permesso di valutare l’estensione della longevità e durabilità degli elementi anche in condizioni ambientali aggressive. I risultati preliminari di tale studio hanno dimostrato come sia assolutamente possibile coniugare acqua di mare e calcestruzzo con armature in GFRP garantendo performance meccaniche uguali o addirittura superiori a quelle di un calcestruzzo ordinario. D’altro canto, sono necessari ancora studi e sviluppi per una completa industrializzazione del processo produttivo ma tali difficoltà potrebbero essere facilmente superate, ad esempio, valutando impianti “usa e getta” per applicazioni marine come pontili, frangiflutti o altre opere minori che vivono la loro esistenza in prossimità del mare e sono spesso parzialmente o totalmente sommerse dall’acqua del mare.

Sireg ha già da diversi anni affrontato questo tema, realizzando una discesa a mare nel porto di Manfredonia, nella quale l’armatura è stata progettata e realizzata con barre Glasspree® e il getto di calcestruzzo realizzato in presenza di acqua di mare durante le fasi di realizzazione dell’opera stessa

Principali vantaggi tecnici delle barre GFRP per la loro progettazione e cantierizzazione

Accanto agli aspetti che hanno reso la tecnologia particolarmente attraente a seconda dei diversi impieghi, quali senza dubbio la maggior durabilità e resistenza meccanica, leggerezza e trasparenza elettromagnetica, vanno sicuramente messi in evidenza una serie di altri aspetti che richiedono attenzione per coloro che si vogliono affacciare alla progettazione. Innanzitutto, è bene sottolineare che le barre in GFRP per impieghi strutturali sono prodotte secondo la tecnica della pultrusione impiegando fibra di vetro E-CR - nota per le sue caratteristiche meccaniche e di durabilità migliorate rispetto al tradizionale E-glass - e una matrice resinosa di natura vinilestere ovvero termoindurente. Questo significa che una volta indurita non può più essere modellata ovvero che il processo con il quale le barre vengono lavorate per realizzare staffe e/o parti piegate deve essere eseguito in fase di produzione della barra stessa e non in tempi successivi, come invece accade abitualmente con l’acciaio da costruzione.

In tabella sono indicate le caratteristiche meccaniche delle barre Glasspree® di Sireg Geotech in fibra di vetro e resina vinilestere. Osservando la tabella si può notare come le caratteristiche meccaniche delle barre cambino al variare del diametro, con i diametri più piccoli aventi caratteristiche meccaniche superiori rispetto ai diametri più grandi e, in generale, con prestazioni meccaniche a trazione decisamente superiori a quelle di un tradizionale tondino ad aderenza migliorata in acciaio.

Se da un lato la resistenza a trazione può indurre in prestazioni meccaniche superiori, dall’altro il modulo elastico risulta circa un quarto rispetto a quello dell’acciaio, pari a 46Gpa in questo specifico caso. Questo significa che se in una verifica allo stato limite ultimo ci si potrebbe aspettare di poter realizzare una sezione equivalente con diametri inferiori o minor quantità di materiale, dall’altro nelle verifiche agli stati limite di esercizio, ci si ritroverà spesso a dover adottare più materiale a seguito del minore modulo elastico.

Nel merito poi delle verifiche a taglio, per le ragioni sopra esposte, la parte piegata di una barra non resiste come la parte rettilinea, al punto che in tabella si evince come una barra piegata di 90° perda circa il 60% della resistenza dichiarata della parte rettilinea. Quest’ultimo aspetto è assolutamente fondamentale e da tenere presente quando si affronta la progettazione di armature a taglio o che richiedono la presenza di ferri piegati.

Risulta quindi fondamentale, nel momento in cui si approccia una progettazione con questi materiali, fare riferimento a schede tecniche nelle quali tali parametri siano messi chiaramente in evidenza, insieme allo standard rispetto al quale tali valori sono stati ottenuti. In ambito europeo, lo standard di riferimento è la norma ISO 10406-1 e altri standard internazionali comunemente riconosciuti.
Sviluppo normativo e prossime opportunità: qualifica e progettazione

Negli Stati Uniti e in Canada l’impiego di questi materiali vede oggi un incremento sempre crescente sicuramente grazie al grande impulso favorito da uno sviluppo del quadro normativo e degli standard di qualifica che ne ha permesso una rapida implementazione.

Fino a venti anni fa, nei laboratori universitari, si studiava l’impiego di questi materiali solo per applicazioni pilota, mentre oggi siamo spettatori di un graduale, ma sempre più diffuso impiego, prevalentemente in ambito infrastrutturale con opere permanenti come ponti, canali e altre in diversi settori, prevalentemente per opere in prossimità del mare dove la durabilità dell’opera è particolarmente compromessa dalla rapidità con cui i cloruri penetrano nel CLS e si avvia il processo di corrosione, a meno che non vengano intraprese soluzioni onerose in ambito progettuale.

In un palcoscenico in così grande fermento si colloca la recente approvazione e adozione del nuovo Building Code per la realizzazione di strutture in cemento armato interamente rinforzate con tondini di GFRP, l’ACI CODE 440-11-22 Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber- Reinforced Polymer (GFRP) Bars—Code and Commentary. Il documento permetterà non solo di proseguire il percorso già tracciato ma di rendere l’impiego di questa tecnologia ancora più diffuso, portando in casa dei progettisti gli strumenti progettuali necessari, con tutta la confidenza generata da un documento normativo rispetto ad una linea guida.

In Italia, grazie al profuso impegno del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, è stata pubblicata a febbraio 2022 la linea guida (LG) per la qualifica di questi materiali propedeutica all’ottenimento del Certificato di Valutazione tecnica e si sta lavorando alla redazione di un documento tecnico di progettazione, necessario per un rapido ammodernamento e allineamento agli standard progettuali vigenti dettati dalle NTC2018. Il documento di riferimento ancora in vigore è il CNR-DT 203-2006 pubblicato oramai più di 15 anni fa e quindi figlio del DM’96 e di studi oramai estremamente conservativi e datati.

Poiché la pubblicazione della LG di qualifica di questi materiali è avvenuta solo di recente, per far fronte alla continua richiesta da parte dei progettisti e fruitori di questa tecnologia, dell’ottemperanza dei requisiti del capitolo 11 delle NTC 2018, per il quale tutti i materiali da costruzione per uso strutturale devono essere marcati CE o dotati di certificazione nazionale che ne permetta di definirne le caratteristiche essenziali e possa garantirne nel tempo la costanza delle prestazioni, Sireg Geotech, in collaborazione con l’Istituto o per le Tecnologie delle Costruzioni ITC-CNR e il Politecnico di Milano, ha redatto i protocolli di certificazione europea, EAD, per il conseguimento della certificazione ETA (European Technical Assessment) che avranno come traguardo finale quello della marcatura CE. Il traguardo dell’EAD e il conseguente avvio delle prove rappresentano quindi un punto di partenza fondamentale per armonizzare questo settore e tutelare committenti e progettisti sui parametri con i quali tali armature vengono progettate. Vanno quindi diffidati dall’impiego materiali o tipi di armature che non possono essere qualificate e verificate secondo standard riconosciuti e armonizzati a livello internazionale, favorendo invece materiali certificati che possano garantire costanza delle prestazioni e tracciabilità del prodotto, dalla produzione fino al cantiere.


Bibliografia:

  1. “Linea guida per l’identificazione, la qualificazione e l’accettazione di barre staffe in composito fibrorinforzato per uso strutturale” Pubblicato con atto n.0000049 del 15-02-2022;
  2. “Istruzioni per la progettazione, l’esecuzione e il controllo di strutture di calcestruzzo armato con barre di materiale composito fibrorinforzato” CNR-DT 203/2006
  3. ACI CODE 440-11-22 “Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars—Code and Commentary”
  4. “Il Progetto SEACON per un calcestruzzo sostenibile” F. Bertola Buzzi Unicem Spa
  5. “Design of Marine Dock Using Concrete Mixed with Seawater and FRP Bars”, V. Benzecry et al., Journal of Composite in Construction 2021, 25(1): 05020006

LINK UTILI:

  • Sireg;
  • ACI (American Concrete Institute);
  • AIS (Associazione Infrastrutture Sostenibili)

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