La variabilità del modulo elastico a parità di prestazioni meccaniche in calcestruzzi

La letteratura scientifica è ricca di informazioni sulle variabili relazioni tra il modulo elastico del calcestruzzo e le proprietà fisico/meccaniche dei singoli componenti, il tipo di formulazione, il peso e la resistenza a compressione. A dispetto di ciò, alcuni importanti enti normativi internazionali propongono delle formule per il calcolo di questo parametro basate sulla sola resistenza a compressione, senza considerare altre variabili. Per stimare la potenziale difformità tra i valori calcolati e quelli reali in questo lavoro si analizzano i risultati di numerosi test su calcestruzzi ordinari confezionati con diversi tipi di aggregati italiani, confermando una significativa variabilità del modulo a pari classe di resistenza. Nonostante la riconosciuta utilità delle formule, che consentono una veloce stima del modulo elastico a partire dalla classe di resistenza, laddove questo sia un fattore particolarmente critico per la progettazione, dovrebbe essere considerata la possibilità di inserirlo come requisito nei documenti progettuali.

La natura degli aggregati è un fattore che incide sensibilmente sulla densità del calcestruzzo

La tecnologia del calcestruzzo ha fatto grandi passi avanti negli ultimi anni, grazie all’utilizzo di nuovi componenti e alla messa a punto di formulazioni all’avanguardia che permettono di avere ampio controllo sia sulle fasi di messa in opera che sulla durabilità delle strutture realizzate. Nonostante l’ampliamento del ventaglio di applicazioni conquistato dal calcestruzzo, si osserva come alcune prestazioni già note da tempo siano rimaste definite da un inquadramento tecnico-scientifico ormai vecchio di diversi decenni. La resistenza meccanica a compressione è tutt’ora la leva principale, talvolta l’unica, che viene usata per valorizzare le altre prestazioni che entrano nei calcoli strutturali, nonostante i materiali utilizzabili siano aumentati in numero ma anche e soprattutto in qualità. Le normative vigenti hanno aggiunto ulteriori fattori di calcolo di suddette prestazioni solo in casi rari.

Il modulo elastico non fa eccezione, infatti la resistenza a compressione è il fattore preponderante sul quale si basano le formule proposte da molti dei principali codici per le costruzioni nel mondo, come Eurocodice 1992-1-1 (CEN 2014), il codice GB 50010-2010 (MHURDPRC 2015), il codice NBR 6118 (ABNT 2004) ed il codice SP 52-101-2003 (CRCRTI 2006).

Altre normative, come il codice ACI 318 (ACI 2019), la norma BS 8110-2 (BSI 1985), la norma AS 3600 (SA 2001), il codice dettato dall’AIJ (AIJ 1985) ed il codice CSA A23.3 (CSA 2010) considerano, come ulteriore variabile di calcolo per il modulo elastico, anche la densità del calcestruzzo. In tutto il mondo accademico è ormai noto che sono presenti anche altre caratteristiche che contribuiscono alla variabilità di questo parametro (Han & Kim 2003, Lee & Park 2007, Kocab et al. 2016, Wang & Li 2006, Shoukry et al. 2010, Hansen et al. 2021, Yildrim & Ozkan 2011).

Analizzando la ricerca svolta negli ultimi anni, risulta abbastanza evidente come la natura degli aggregati sia un fattore che incide sensibilmente (Hanen et al. 2021, Yildrim & Ozkan 2011, Leal et al. 2021, Noguchi et al. 2009).

La complessità geologica del nostro paese e la conseguente numerosità di litotipi presenti, fa sì che il territorio sia caratterizzato dalla presenza di una grande varietà di aggregati. I calcestruzzi che vengo- no prodotti in Italia risentiranno di questa variabile e pertanto sarà piuttosto improbabile che le formule abbiano la stessa precisione nel prevederne i valori. (Vasconcellos et al. 2021) ricordano che il modulo elastico può variare anche da un lotto all’altro dello stesso aggregato.

L’influenza dell’aggregato sui va- lori di modulo elastico è testimoniata anche dall’esperienza pluridecennale e dalla vasta distribuzione sul territorio di cui un’azienda come Unical può disporre. Infatti, nella Figura 1, si può osservare una sintetica distribuzione dei valori di modulo elastico registrati in calcestruzzi la cui formulazione (indicata in Tabella 1) è sostanzialmente identica, ciò che varia è l’impianto di fabbricazione, ovvero il tipo e/o il lotto di aggregato.

Se da un lato un aggiustamento delle formule presenti in normativa è auspicabile, dall’altro si riconosce la difficoltà di giustificare tali cambiamenti e le tempistiche lunghe richieste da questo processo. Alcuni codici, come ad esempio l’ACI 318, cercano di ovviare a questi problemi semplicemente adottando un atteggiamento protettivo, ovvero utilizzando delle formule che sottostimano il modulo risultante dalla data resistenza a compressione.

In questo modo, nei casi in cui il modulo elastico costituisce un parametro fondamentale nella progettazione di una struttura, si finirà per utilizzare calcestruzzi con resistenza più elevata del necessario; la domanda è se questo approccio possa essere funzionale in tutti i casi.

Lo scopo di questo articolo è quello di mettere in luce la variabilità del modulo elastico cercando di collegarla alle caratteristiche petrografiche dell’aggregato utilizzato nei vari calcestruzzi. Al tempo stesso si intende lanciare il messaggio che nei rari casi in cui il modulo elastico fosse un parametro fondamentale nella progettazione di un’opera, l’approccio da preferire sia quello di prescriverlo come prestazione garantita e controllata, piuttosto che ricavata dal semplice calcolo in funzione della resistenza a compressione.

Materiali e metodi

Per quanto riguarda gli aggregati utilizzati nei processi di produzione industriale, la scelta dipende normalmente dalla disponibilità locale e dalla prossimità delle cave alle centrali di betonaggio Unical. Per questo, vista la grande variabilità geologica del territorio, gli aggregati utilizzati avranno caratteristi- che anche molto diverse fra loro.

Alla luce della variabilità geologica del territorio, e dalla grande diversità dei materiali utilizzati, dal punto di vista sperimentale è necessaria una razionalizzazione.

Questo studio è stato affrontato dividendo le operazioni in due fasi: una prima fase in cui sono stati realizzati impasti di calcestruzzo con la stessa formulazione espressa in Tabella 1 a partire da aggregati selezionati per rappresentare esaurientemente le varie tipologie petrografiche usate nel calcestruzzo in Italia; la seconda fase consiste nell’utilizzare gli aggregati che hanno restituito la migliore e la peggiore prestazione elastica nel confezionamento di calcestruzzi con resistenza a compressione crescente, e misurare la variabilità del modulo. Per la prima fase sperimentale è stato quindi deciso di selezionare 6 aggregati diversi composti da litotipi che, in purezza o mescolati, sono rappresentativi del- la materia prima disponibile nella gran parte degli impianti Unical.

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