Come sono evolute le resistenze del calcestruzzo dagli anni 30 ad oggi

In epoca di sismabonus, e di ampia diffusione delle pushover per valutare la sicurezza strutturale delle infrastrutture esistenti in c.a. risulta particolarmente importante la profonda conoscenza delle caratteristiche meccaniche dei materiali costituenti la costruzione in esame.

Un adeguato livello di conoscenza dei materiali non si persegue solo mediante una vasta e dispendiosa campagna di saggi e di prove sperimentali, ma anche attraverso lo studio dello stato dell’arte cristallizzato nei libri, nei manuali ed articoli scientifici.

In tale contesto, nel presente lavoro viene esaminata l’evoluzione del calcestruzzo dagli anni 30 ad oggi attraverso la comparazione di valori teorici di resistenza a compressione, desunti dalla letteratura tecnica, con quelli reali di 45 casi studio costituititi da edifici esistenti in c.a. siti nella provincia di Napoli e Caserta, ottenuti dalle certificazioni di prove distruttive e non distruttive.

Introduzione storica sul calcestruzzo

Il calcestruzzo oggi è uno dei materiali più utilizzati dall’uomo per edificare e costruire ogni genere di opera e manufatto. Questo materiale ha origini ben più remote degli ultimi decenni. Sin dai tempi dell’antichità l’uomo ha utilizzato la pietra quale principale materiale da costruzione per dimore, luoghi di culto, locali pubblici, monumenti, tombe.

Dai leganti naturali l’uomo cominciò quindi la sua ricerca al fine di ottenere un sistema di produzione di pietra artificiale. Il calcestruzzo (denominato dai romani “opus caementitium”) era costituito da rottami di pietra o mattoni, mescolati con calce, acqua e pozzolana vulcanica. Il rottame di pietra usato per realizzare il calcestruzzo veniva indicato con il termine “caementum” dal verbo latino che significa “tagliare in pezzi”. Solo nel diciottesimo secolo si iniziò a definire meglio la differenza tra cemento e calcestruzzo: col primo si parla di polvere legante mentre col secondo di conglomerato.

Inizialmente i Romani realizzavano edifici con mattoni tenuti insieme da malta nella quale venivano conficcati questi aggregato grossi, caementum, in forma di pietra in pezzi. Con il progredire del tempo e delle tecnologie, il calcestruzzo ha migliorato ed incrementato non solo le sue proprietà di resistenza meccanica, ma ha saputo trasformarsi in materiale espressivo e scultoreo, capace di realizzare attraverso le sue caratteristiche opere tanto uniche quanto affascinanti. I calcestruzzi ordinari possono oggi raggiungere ottimi valori di resistenza a compressione ed elasticità, senza considerare i calcestruzzi fibrorinforzati e di nuova generazione che hanno letteralmente stravolto il mercato costruttivo e architettonico. 

Lo scopo del presente lavoro è quello di analizzare la correlazione tra resistenza a compressione del calcestruzzo, epoca di confezionamento, indicazioni normative e tecniche adoperate in passato dalla preparazione all’esecuzione del getto.

Attraverso uno studio sperimentale su prove, distruttive e non, eseguite su 45 casi studio campani, è stato possibile definire le resistenze attuali ed effettuare un confronto con i valori ottenuti dalle relazioni teoriche/empiriche che si sono succedute nei decenni passati. 

Evoluzione storica della resistenza del calcestruzzo

Uno studio critico della letteratura tecnica consente di tracciare l’evoluzione del calcestruzzo nei suoi aspetti salienti, ovvero:

• la modalità di preparazione e getto dell’impasto;

• la normativa vigente;

• la resistenza minima e massima del calcestruzzo.

Sulla base di queste informazioni, è stato possibile definire tre generazioni di calcestruzzi (Figura 1) in dipendenza del particolare periodo storico in cui è stato realizzato:

• 1° Generazione, calcestruzzi compresi tra il 1930 e 1955;
• 2° Generazione, calcestruzzi compresi tra il 1955 e 1980;
• 3° Generazione, calcestruzzi compresi tra il 1980 ad oggi.

Figura 1- Evoluzione fisica e meccanica del calcestruzzo negli anni: Preparazione impasto, getto e resistenza cubica- Definizione delle generazioni del calcestruzzo

Per la prima generazione di calcestruzzo (1930 e 1955), occorre evidenziare che il conglomerato cementizio veniva preparato con la tecnica del “dosaggio”, fatto a mano o con macchina, che, attraverso le prove conformi alle norme vigenti in quegli anni, conferiva all’impasto una tensione compresa tra 12-18 N/mm2. Per la seconda generazione di calcestruzzi (1955 e 1980) varia la tecnica di preparazione del conglomerato, passando dal dosaggio all’assortimento granulometrico. Grazie a quest’ultima modalità di realizzazione fu possibile incrementare la resistenza di compressione dell’impasto fino ad arrivare a 800-900 kg/cm² (95 N/mm²) grazie al riempimento degli spazi fra le varie “pietruzze” costituenti l’impasto. Di conseguenza anche la resistenza finale del calcestruzzo è aumentata.

La metodologia di getto ha giocato anch’esso un ruolo fondamentale per la crescita del calcestruzzo. Agli inizi degli anni 30, il getto avveniva dall’alto attraverso un sistema a gravità che permetteva di infiltrarsi nelle casseforme con un ulteriore vibratura finale anche nel caso di impasti poco fluidi.

Successivamente la necessità di produrre il calcestruzzo a mano decrebbe a favore di quello realizzato industrialmente. Il trasporto di questi impasti, già realizzati nelle industrie cementizie, verso le casseforme ha permesso un passo di grande importanza nel mondo dell’edilizia. Non si poteva utilizzare il sistema a gravità dato che il calcestruzzo arrivava nei cantieri in grosse impastatrici, trasportati da macchine attraverso una pompa che permetteva di prelevare e iniettare l’impasto nelle casseforme con l’ausilio di tubi. Questa tecnica ha determinato un fabbisogno maggiore di acqua, poiché un impasto più fluido avrebbe facilitato l’intera operazione. Come oggi è noto, l’aumento di acqua determina una diminuzione di resistenza, pertanto, per evitare l’uso eccessivo di acqua, si è cominciato ad utilizzare gli additivi, sostanze chimiche che hanno permesso e permettono di modificare alcune caratteristiche dell’impasto durante la presa e l’indurimento.

Vi sono poi i calcestruzzi di terza generazione (1980 ad oggi), che hanno dato la possibilità di incrementare il campo delle resistenze offrendo ai progettisti calcestruzzi ad elevate resistenze e prestazioni. Si passa, infatti, da valori minimi di 20 N/mm², contemplati dalla norma come calcestruzzi ad uso strutturale, fino ad arrivare a valori di resistenza superiori a 150 N/mm².

Esistono anche calcestruzzi autocompattanti che possiedono un elevata fluidità e, nonostante ciò, possiedono una elevata resistenza alla segregazione, infatti si compatta, qualunque siano le forme dei casseri, le dimensioni dei getti e la densità delle armature metalliche, per effetto del solo peso proprio senza l'apporto di energia esterna cioè senza vibrazione meccanica. Il processo di evoluzione del calcestruzzo non riguarda un singolo aspetto. Tutte le fasi che permettono di definirlo e realizzarlo conferiscono le caratteristiche volute del conglomerato. Il calcestruzzo finale è dunque influenzato da molteplici fattori, alcuni più determinanti rispetto ad altri ma comunque partecipanti. L’evoluzione del calcestruzzo è stata contrassegnata anche dalle norme e dalle leggi che lo hanno regolamentato.

Figura 2- Valori minimi e massimi delle Resistenze cubiche del calcestruzzo negli anni: Resistenze cubiche caratteristiche e di progetto Rck-Rcd

Come diagrammato in Figura 2, è possibile osservare anche una evoluzione della resistenza di progetto del calcestruzzo nel tempo. Occorre a tal fine osservare, che la resistenza di progetto dipende anche dal coefficiente di sicurezza e, anch’esso ha subito variazioni durante gli anni. Dagli anni 30 ad oggi, è sempre esistita la resistenza cubica mentre si comincia a parlare di resistenza cilindrica solo dagli anni 70. È stato, dunque, realizzato l’ulteriore grafico di Figura 2 che dimostra l’andamento dei valori minimi e massimi della resistenza cilindrica.

Figura 3- Valori minimi e massimi delle resistenze cilindriche negli anni: Resistenze cilindriche caratteristiche e di progetto fck-fcd

Sono stati valutati i fattori di sicurezza rispetto ai valori di resistenza cubica massima e minima. Come si può osservare dalla Figura 4 il coefficiente di sicurezza tende a diminuire con le NTC’ 2008 e 2018 perché si passa dal metodo delle tensioni ammissibili a quello agli stati limiti ultimi. 

Figura 4- Evoluzione del fattore di sicurezza con normativa di riferimento vigente nell’anno di riferimento

Come si vede dalla Figura 4, per i calcestruzzi di prima generazione, il fattore di sicurezza oscilla tra i valori di 1,5 e 2; per i calcestruzzi di seconda generazione, varia tra 2 e 3; per i calcestruzzi di terza generazione si arriva ai valori di 1,6 e 1,5.

Questa diminuzione dimostra che con il metodo degli stati limite viene sfruttata la riserva plastica del calcestruzzo. Infatti con le tensioni ammissibili, gli elementi in calcestruzzo venivano progettati per restare in campo elastico: i valori alti del fattore di sicurezza permettevano di sfruttare il solo ramo elastico lineare del legame costitutivo. Con gli stati limite si inizia a sfruttare anche il ramo plastico non lineare del legame costitutivo del materiale: questo permette di abbassare il fattore di sicurezza dal momento che si sfrutta riserva plastica del materiale. Da un confronto tra i valori delle resistenze di calcolo ottenute con il metodo alle tensioni ammissibili e le resistenze di calcolo ottenute con il metodo agli stati limite, può osservarsi come queste ultime siano maggiori di circa il 50% rispetto alle prime proprio perché il fattore di sicurezza diminuisce.

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