Impiego della cenere volante MICRO-POZZ PFA nei misti cementati impiegati per la preparazione degli strati di fondazione di pavimentazioni

Nell’ambito della realizzazione di pavimentazioni, stradali (flessibili) o industriali (rigide) si presenta spesso la necessità di incrementare la portanza e la rigidezza del pacchetto di fondazione. L’impiego di uno strato di misto cementato svolge esattamente questo compito e garantisce che la futura pavimentazione presenti deformazioni molto contenute e sia in grado di ripartire uniformemente i carichi sul sottofondo. Nel presente articolo vengono presentati i risultati di una sperimentazione che ha visto la sostituzione di una parte del cemento con cenere volante MICRO-POZZ PFA.

Ruolo del misto cementato nel pacchetto stratigrafico della pavimentazione

La progettazione di una pavimentazione segue gli stessi principi di qualsiasi struttura civile: il dimensionamento degli strati deve garantire che i carichi trasmessi dai veicoli (le azioni) producano stati tensionali e deformativi compatibili con le resistenze dei materiali impiegati.

A questo si affianca, nelle valutazioni più recenti, il criterio del Life Cycle Cost (LCC), secondo cui la vita utile di progetto è quella corrispondente al minimo costo complessivo, comprensivo degli oneri di costruzione, di manutenzione e dei danni da traffico, a cui si aggiungono sempre più spesso i costi ambientali. In questa prospettiva, valorizzare risorse secondarie a parità o miglioramento delle prestazioni ingegneristiche minimizza l'impatto sul ciclo di vita (LCA) e risponde alle direttive di decarbonizzazione e sostenibilità ambientale ed economica del settore delle costruzioni.

Le pavimentazioni si distinguono in rigide, realizzate in conglomerato cementizio e caratterizzate da un comportamento elastico con deformazioni molto contenute, e flessibili, che ammettono deformazioni più significative senza fessurarsi. In entrambe le tipologie è comune inserire nella fondazione uno strato di misto cementato, una miscela di aggregati litici legati con bassissime percentuali di cemento.

L'impiego del misto cementato porta sensibili benefici in entrambi i casi:

• Nelle pavimentazioni flessibili: trasforma la struttura in una pavimentazione semirigida. Riduce le deflessioni verticali e le deformazioni a trazione alla base degli strati bituminosi, migliorando il comportamento a fatica dell'intera struttura e prevenendo la formazione di ormaie;
• Nelle pavimentazioni rigide: garantisce un supporto omogeneo ed indeformabile per la lastra in calcestruzzo evitando lesioni da assestamento differenziale. Inoltre, l'incremento del modulo di reazione complessivo della base consente un'ottimizzazione (e potenziale riduzione) dello spessore della piastra.

In entrambi i casi la limitazione dei cedimenti è legata al concetto di portanza, intesa come il carico necessario a produrre una determinata deformazione: valori di portanza più elevati corrispondono a deformazioni più contenute sotto il passaggio ripetuto dei carichi e, di conseguenza, a una maggiore durabilità della pavimentazione.

Sperimentazione in laboratorio

Sono stati confezionati e messi a confronto tre misti cementati (Figura 1), ottenuti combinando gli stessi aggregati (ghiaia, ghiaietto e sabbia) secondo una distribuzione granulometrica contenuta nel fuso A1 indicato dal CNR (Bollettino n° 29), ed aggiungendo le seguenti quantità di legante:

• MIX 1: 80 kg/m³ di solo cemento 32,5R (misto cementato di riferimento);
• MIX 2: 60 kg/m³ dello stesso cemento e 20 kg/m³ di cenere volante MICRO-POZZ PFA, con sostituzione cemento/cenere nel rapporto 1:1 (fattore di efficienza teorico K = 1,00), senza variazioni della curva granulometrica;
• MIX 3: 60 kg/m³ dello stesso cemento e 80 kg/m³ di cenere volante MICRO-POZZ PFA, con rapporto di sostituzione 4:1 (K = 0,25), con incremento della percentuale di fini.

L'acqua di impasto è stata mantenuta costante, pari a 100 kg/m³, in tutte e tre le miscele.

Per ciascuna miscela sono stati confezionati provini cilindrici (diametro 152,4 mm, altezza 177,8 mm), compattati in fustella CBR con energia di costipamento equivalente alla AASHTO modificata (Figura 2).

Dopo 7 giorni di maturazione in camera climatizzata (20°C, umidità relativa 95%), i provini sono stati sottoposti a prova di compressione (CNR B.U. n. 29/72) e a prova di trazione indiretta (CNR B.U. n. 97/84).

Il documento CNR di riferimento (Bollettino n° 29) richiede che la resistenza a compressione a 7 giorni, misurata su provino confezionato in fustella CBR, sia compresa tra 2,94 e 6,87 MPa (30 e 70 kg/cm²); il limite superiore è imposto per evitare uno strato eccessivamente rigido, che darebbe luogo a stati tensionali eccessivi sotto carico. I risultati delle prove di compressione sono i seguenti (valori medi su due provini):

• MIX 1: 6,62 MPa;
• MIX 2: 4,26 MPa;
• MIX 3: 4,65 MPa.

Tutti e tre i mix rientrano nel limite imposto dalla norma C.N.R., sebbene il MIX 1 presenti un valore prossimo al limite superiore di accettazione — condizione spesso ricorrente nei misti cementati confezionati con il solo cemento, per i quali la riduzione del dosaggio di legante, se non compensata, comporta il rischio di una sua distribuzione non omogenea nella miscela. La parziale sostituzione del cemento con cenere volante consente invece di ridurre il quantitativo di legante mantenendone una distribuzione omogenea, grazie all'effetto di "diluizione" operato dalla cenere. Per quanto riguarda la resistenza a trazione indiretta, parametro più rappresentativo ai fini prestazionali dello strato in opera, i valori medi ottenuti sono:

• MIX 1: 1,33 MPa;
• MIX 2: 0,73 MPa;
• MIX 3: 0,61 MPa.

tutti superiori al limite inferiore generalmente richiesto (0,25 MPa). Si segnala inoltre, sul piano reologico, che il quantitativo d'acqua è rimasto invariato nei tre mix nonostante il MIX 3 contenga complessivamente 140 kg/m³ di legante (cemento + cenere). Ciò è attribuibile alla forma prevalentemente sferica delle particelle di cenere volante MICRO-POZZ PFA, che riducendo la superficie specifica del legante comporta una minore richiesta d'acqua d'impasto.

Sperimentazione in situ

Dopo la prima fase di studio in Laboratorio, è stato approntato un campo prova in cantiere, su un sottofondo di cui è stato preventivamente determinato il Modulo di deformazione mediante prova di carico su piastra (Figura 4). Il valore medio del Modulo di deformazione del sottofondo è stato pari a Md = 286,35 MPa.

Appena terminate le prove di carico su piastra, si è proceduto alla stesa e rullaggio delle tre miscele studiate in Laboratorio (Figura 5).

Dopo 7 giorni dalla stesa sono state eseguite ulteriori prove di carico su piastra su ciascuna delle tre “stese”. Dette prove di carico su piastra hanno restituito, sugli strati di misto cementato, i seguenti valori medi del modulo di deformazione:

• MIX 1: circa 476 MPa;
• MIX 2: circa 1167 MPa;
• MIX 3: circa 1333 MPa.

A parità di energia di costipamento, gli strati confezionati con cenere volante in sostituzione del cemento (MIX 2 e MIX 3) presentano valori di Modulo Md sensibilmente superiori rispetto a quello del misto cementato di riferimento (MIX 1).

Nel caso del MIX 3 ha inciso anche il maggior contenuto di parti fini, che incrementa la resistenza a flessione dello strato.

Il modulo di deformazione è correlabile al concetto di vita utile della pavimentazione: valori più elevati implicano minori deformazioni sotto carico, maggiore resistenza a fatica e, conseguentemente, un allungamento della vita utile di esercizio.

Dopo 90 giorni di maturazione dei misti cementati, sono state prelevate carote per la determinazione di densità in situ, resistenza a compressione a lungo termine e test di cessione secondo la metodologia dell'Appendice A della UNI 10802.

Le carote prelevate dal campo prove dopo 90 giorni di stagionatura hanno consentito di valutare la densità raggiunta in situ e l'evoluzione delle resistenze meccaniche nel tempo.

Le densità in situ sono risultate, per tutti e tre i mix, superiori al 98% di quelle ottenute sui provini confezionati in laboratorio.

Le resistenze a compressione misurate sulle carote a 90 giorni (Figura 8) sono le seguenti (valori medi su tre carote):

• MIX 1: 6,14 MPa;
• MIX 2: 7,05 MPa;
• MIX 3: 7,15 MPa.

Il confronto con i valori ottenuti a 7 giorni su provini confezionati in Laboratorio evidenzia un'inversione di tendenza: a 7 giorni il MIX 1 presentava la resistenza più elevata, mentre a 90 giorni i mix contenenti cenere volante presentano una resistenza appena superiore a quella del mix con solo cemento.

Il dato conferma come, anche con un dosaggio di cemento ridotto, la cenere volante possa esplicare la propria caratteristica capacità pozzolanica, con un contributo alla resistenza meccanica che si manifesta a stagionature più lunghe rispetto ai 7 giorni presi a riferimento dal documento C.N.R. Relativamente ai test di cessione, condotti secondo la metodologia generalmente richiesta per i sottoprodotti destinati al riutilizzo nei sottofondi (UNI 10802, Appendice A), i valori ottenuti per tutti i campioni sottoposti a prova sono risultati inferiori ai limiti di riferimento.

Cenere volante nei misti cementati: prestazioni, sostenibilità e vantaggi applicativi

La sperimentazione riportata ha permesso di valutare l’efficacia dell’utilizzo della cenere volante Micro-Pozz PFA nel confezionamento dei misti cementati. I risultati ottenuti dimostrano la notevole compatibilità tra le prestazioni intrinseche della cenere volante MICRO-POZZ PFA e le esigenze prestazionali richieste ad un misto cementato.

L’apporto di frazione fine alla miscela ad opera della cenere volante consente di conseguire un notevole incremento della resistenza flessionale e della portanza di uno strato di misto cementato. Possono essere confezionate miscele con prestazioni meccaniche conformi a quanto previsto dai regolamenti del settore ed in linea con i principali capitolati utilizzati nell’ambito della realizzazione delle pavimentazioni, stradali e non.

Non di secondaria importanza sono i benefici ottenibili in termini economici ed ambientali. L’utilizzo di una aggiunta minerale derivante da altri processi produttivi per realizzare un prodotto caratterizzato da prestazioni tecniche superiori a quelle ottenibili con materie prime vergini può essere considerata, a tutti gli effetti, una delle definizioni di sostenibilità del progresso.

FAQ - MICRO-POZZ PFA

Che cos’è la cenere volante MICRO-POZZ PFA e come viene utilizzata nei misti cementati?

La MICRO-POZZ PFA è una cenere volante che può essere impiegata come aggiunta minerale nei misti cementati, sostituendo parzialmente il cemento. La sperimentazione ha analizzato diverse miscele per valutarne gli effetti sulle prestazioni meccaniche e sulla portanza.

Quali vantaggi offre la cenere volante nei misti cementati?

L'impiego della cenere volante consente di aumentare la frazione fine della miscela e può migliorare sensibilmente la portanza dello strato. Nel campo prova, i misti contenenti cenere volante hanno registrato moduli di deformazione superiori rispetto alla miscela di riferimento con solo cemento.

La cenere volante permette di ridurre la quantità di cemento utilizzata?

Sì. Le miscele sperimentali MIX 2 e MIX 3 sono state realizzate riducendo il cemento da 80 a 60 kg/m³ e introducendo MICRO-POZZ PFA. I risultati mostrano la possibilità di ottenere prestazioni meccaniche conformi ai requisiti considerati anche con un dosaggio inferiore di cemento.

Come cambiano nel tempo le resistenze dei misti cementati contenenti cenere volante?

A 90 giorni i mix contenenti cenere volante hanno raggiunto resistenze a compressione leggermente superiori rispetto al mix con solo cemento. Il risultato evidenzia il contributo della capacità pozzolanica della cenere volante, che si manifesta maggiormente alle stagionature più lunghe.

Perché l'impiego della cenere volante nei misti cementati può essere considerato una soluzione sostenibile?

Perché consente di valorizzare un'aggiunta minerale proveniente da altri processi produttivi, riducendo il ricorso a materie prime vergini e offrendo al tempo stesso benefici tecnici, economici e ambientali nella realizzazione delle pavimentazioni.