Calcestruzzo Armato
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Calcestruzzo: cicli gelo-disgelo ed effetti strutturali

Obiettivo del seguente documento è quello di fornire – in estrema sintesi – un quadro generale sulle possibili interazioni tra effetti chimico-fisici sul materiale ed effetti meccanici sulle strutture in calcestruzzo armato, relativamente, in questo caso, all’azione dei cicli di gelo-disgelo.

Aspetti chimico-fisici

A temperature inferiori a 0 °C, l’acqua contenuta nei pori del calcestruzzo, può congelare con conseguente aumento di volume (di circa il 9%). Essendo, generalmente, un fenomeno ciclico si crea uno stato di sforzo di trazione capace di fessurare il calcestruzzo. Inoltre, tale fenomeno, tende a disintegrare superficialmente il calcestruzzo (Figg.1-3).

In merito alle teorie che tentano di spiegare gli aspetti chimico-fisici che stanno alla base del fenomeno gelo-disgelo, la più accreditata è quella della pressione idraulica, proposta dal Powers, secondo la quale la formazione di ghiaccio nei pori capillari sospinge l’acqua verso cavità vuote, che si trovano all’interno del calcestruzzo, oppure verso l’esterno.

Da tale movimento dell’acqua nasce una determinata pressione valutabile attraverso la legge di Darcy. Pressione che aumenta al diminuire della sezione dei pori, all’aumentare del cammino che l’acqua deve percorrere per arrivare alle cavità vuote, al crescere del flusso d’acqua ed è proporzionale alla velocità con cui si forma il ghiaccio all’interno dei pori.

Figura 1 – Degrado del calcestruzzo per cicli di gelo-disgelo
Figura 2 – Acqua contenuta nei pori del calcestruzzo non ancora congelata (Fonte: P. Pedeferri, L. Bertolini, La durabilità del calcestruzzo armato, McGraw-Hill, 2000)
Figura 3 – L’ aumento di volume conseguente al congelamento dell’acqua contenuta nei pori, provoca, dopo una serie di cicli gelo-disgelo, azioni dirompenti nel calcestruzzo - vedi frecce blu – (Fonte: P. Pedeferri, L. Bertolini, La durabilità del calcestruzzo armato, McGraw-Hill, 2000)

Aspetti strutturali

Sulle conseguenze strutturali, relative all’azione dei cicli di gelo-disgelo, di seguito si descrive un caso studio che mette in evidenza tale problematica. L’obiettivo dello studio è stato quello di accoppiare la parte chimico-fisica con quella meccanica. Inoltre, sono state eseguite prove sperimentali su elementi strutturali - in scala – con e senza cicli di gelo-disgelo, allo scopo di tarare le analisi numeriche. Si riportano, pertanto, alcune immagini commentate tratte dal seguente articolo (al quale si rimanda per ulteriori approfondimenti):

In questo articolo viene presentato un approccio integrato per simulare il processo di danno da gelo-disgelo e per le prestazioni sismiche di colonne in calcestruzzo armato. In primo luogo, il modello di pressione dei pori interni viene sostituito da un approccio poro-meccanico per calcolare lo stato tensionale effettivo interno alla matrice porosa. Combinando il modello costitutivo non lineare del calcestruzzo fessurato e le variazioni della temperatura ambiente, vengono simulati i danni da gelo-disgelo spazialmente non uniformi e l'accumulo dei relativi danni localizzati. Dopo diversi numeri di cicli di gelo-disgelo, le proprietà sismiche residue vengono analizzate e confrontate con i risultati sperimentali.

Nella seguente figura 4 è illustrata schematicamente una simulazione multi-scala dei danni da gelo-disgelo in strutture in calcestruzzo armato.

A partire dalla fase di idratazione su scala nanometrica, la formazione di prodotti di idratazione del cemento C-S-H, viene simulata attorno alle particelle di cemento in funzione della cinetica di idratazione. Sulla base degli stati di umidità calcolati nei micropori e della temperatura locale, la formazione di ghiaccio può essere quantificata applicando le ipotesi della termodinamica. Alla meso-scala, l'interazione meccanica tra il ghiaccio e il calcestruzzo circostante, viene presa in considerazione sia per le condizioni di non fessurazione che di fessurazione mediante approccio poro-meccanico multifase.

Su questo campo, il movimento dell'acqua liquida si sviluppa attraverso i pori e le fessurazioni secondo un determinato gradiente di pressione. Infine, le relazioni sforzo-deformazione su meso-scala sono integrate alla macro-scala nel considerare la non linearità dipendente dal tempo del calcestruzzo armato fessurato, per il quale le barre d'armatura sono distribuite all'interno di elementi finiti assegnati ai domini del calcestruzzo armato. Inoltre, il danno stimato e la fessurazione influenzeranno reciprocamente l'equilibrio poro-meccanico e il moto dell'acqua a livello di meso-scala.

Figura 4 – Schema di simulazione multi-scala dei danni da gelo-disgelo in strutture in calcestruzzo armato – RC - (Fonte: Multi-scale simulation of freeze-thaw damage to RC column and its restoring force characteristic, Fuyuan Gong, Koichi Maekava, ELSEVIER, Engineering Structures)

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