Ultra High Performance concrete e Ultra High Durability Concrete. Liberato Ferrara

La via per il calcestruzzo sostenibile

«Vorrei raccontarvi l'esperienza che abbiamo fatto nell'ambito di un progetto internazionale finanziato dalla Commissione Europea dove era partner anche l'amico Enricomaria Gastaldo Brac.».

Ha così avviato la sua relazione il prof. Liberato Ferrara del Politecnico di Milano, su invito del moderatore Matteo Felitti.

In questo articolo viene pubblicato un estratto scritto della presentazione video, disponibile in allegato. Ovviamente si suggerisce la visione del video per una acquisizione più completa dei contenuti della relazione.

"Il framework in cui ci dobbiamo muovere, quello degli indicatori di sviluppo sostenibile, che ci sono stati dati dall’ONU, fa vedere sia il progresso che è stato fatto negli ultimi 15 anni: alla fine non è che riusciamo a fare tanti progressi.
Dal nostro punto di vista? Qual è il compito che abbiamo? riduciamo la CO2 nella produzione di clinker, riduciamo il clinker nel cemento, riduciamo il cemento nel calcestruzzo, riduciamo il calcestruzzo che mettiamo le nostre strutture, cioè progettiamo e costruiamo in maniera più efficiente più intelligente e poi cerchiamo di usare i nostri edifici le nostre strutture in maniera più efficiente.

Questa è il contesto in cui ci siamo mossi.»

La transizione energetica

Liberato Ferrara allarga però lo sguardo sul ruolo che possono svolgere i materiali.

Se uno dei temi fondamentali da affrontare nella lotta al cambiamento climatico è quello della transizione energetica, e quindi quello del passaggio all’uso di fonti rinnovabili e minore impronta di CO2, «qui entriamo in gioco noi dobbiamo realizzare strutture e infrastrutture a servizio di queste modalità di produzione energetica, entra in gioco il ruolo dei materiali. Noi dobbiamo avere anche materiali con i quali costruire per garantire una migliore durabilità, una migliore prestazione strutturale e addirittura essere in grado di concepirli sin dall’inizio, perché le nostre strutture, i nostri materiali possano essere intrinsecamente riutilizzati e riciclati.»

Norme superate per calcestruzzi in ambiente aggressivi

«Quando parlo di eolico di offshore, di geotermico, siamo portati specialmente naturalmente a considerare scenari estremamente aggressivi a cloruri e solfati, anche altre sollecitazioni termomeccaniche, e qui i nostri codici di progettazione sono ancora sostanzialmente prescrittivi.

Noi abbiamo rapporti acqua/cemento, contenuti minimi di cemento, in alcuni casi aperture di fessura ecco copriferri ... questo è tutto fuorché progettazione prestazionale, approccio prestazionale alla durabilità.»

Ultra Hight Performance Concrete e Ultra Hight Durability Concrete

Ecco l'esperienza che abbiamo fatto è nell'ambito di un progetto europeo che voleva proprio focalizzarsi sulla progettazione strutturale della durabilità di calcestruzzi ad elevate ad elevatissime prestazioni.

Avevamo un consorzio di 17 partner che si articola sull’intera filiera dai produttori di costituenti fino agli user finale, avevamo fra i nostri and user anche Enel Green Power, che non fa calcestruzzo però lo usa, per realizzare le proprie Infrastrutture.

Abbiamo lavorato su tre scale: prodotto, processo e contesto.

Noi siamo partiti dal Ultra Higt Performance Concrete nei nostri laboratori di ricerca.

È una realtà anche in molti contesti industriali, ma spesso è una realtà proprietaria, una realtà brandizzata, sembra quasi un prodotto di lusso che deve essere per forza fatto in un certo modo.

Noi abbiamo voluto far vedere che lo si poteva produrre anche in contesti normali con ingredienti locali.

Non ci dimentichiamo che uno degli impatti da considerare è anche il trasporto dei materiali al sito di costruzione.

E siamo andati in cantiere.

Liberato Ferrara ha quindi presentato un esempio di come si sia sperimentato l'UHDC passando dal laboratorio del Politecnico al cantiere in una centrale geotermica in Toscana. Sono state realizzate sei strutture al vero con UHDC diversi per ogni struttura, realizzati con materiali locali secondo la prestazione meccanica richiesta da quella applicazione ma anche da il processo realizzativo.

Ha quindi mostrato una vasca di raffreddamento per produzione di energia geotermica, in cui sono state realizza tre celle con tre soluzioni diverse: con calcestruzzo armato normale di 10 cm di spessore, con UHPC gettato in opera con spesso di 6 cm, e un risparmio del 40% di materiale e UHPC prefabbricato con 3 cm di spessore delle lastre e contrafforti da 20 cm.

E ha osservato: «Nel UHPC ci sono solo fibre, non c'è armatura tradizionale, 120 kg a metro cubo di fibre metalliche. Se pensate al quantitativo di barre di armatura che si dispongono in una normale struttura l'ordine di grandezza è quello. Quindi quando valutiamo il costo e l'impatto del materiale teniamo conto che lo UHPC ha dentro già le fibre mentre il calcestruzzo normale non ha l’acciaio».

E come è andata? «Il collaudo far vedere che anche con 3 cm di spessore noi teniamo un metro cubo e mezzo d’acqua. Le immagini fanno vedere come dopo due anni di esposizione ciclica da acque solfatiche il calcestruzzo normale già cominci ad essere smangiato, il fenomeno di leaching (NDR. eluizione e lisciviazione del calcestruzzo), mentre il calcestruzzo UHPC è liscio.

Poi a noi abbiamo inserito degli additivi promotori della autoriparazione delle fessure, additivi cristallizzanti, ed è possibile vedere l'esempio in opera di una struttura al vero in cui una fessura da ritiro si è richiusa sostanzialmente dopo pochi mesi.»

No Green concrete ma Green Concrete Built

Da questo esempio Liberato Ferrara ha tratto alcune considerazioni e sulla scelta di ridurre il cemento di calcestruzzo per puntare alla sostenibilità: «Se io guardo al mix design di questi materiali trovo 600 chili di cemento al metro cubo e salto sulla sedia … ma proviamo a fare un conto. Per il calcestruzzo normale avevamo dovuto considerare 350/400 kg di cemento al metro cubo e avevamo bisogno di 10 cm di spessore. Quindi ho bisogno di 35 kg di cemento a metro quadro di lastra di parete. Nel UPHC ho 3 cm di spessore in cui uso 600 kg: alla fine per metro quadro di parete della mia vasca sto usando 18 chili di cemento, cioè la metà.»

Una nuovo approccio alla scelta dei materiali e alla progetttazione

«Questi materiali sono materiali particolari: ho un calcestruzzo che ha un comportamento incrudente a trazione e quindi lo devo sfruttare per quello che è, ovvero un calcestruzzo che è capace di ridistribuire le tensioni una volta che si fessura, quindi elementi bidimensionali piastre che abbiamo progettate con il meccanismo delle linee di rottura per tener conto delle capacità di ridistribuzione. Avevamo un sopralzo di altezza di 2 metri e mezzo, quindi ampiamente al di sopra di quello che è la nostra struttura.

Altri esempi in UHPC

Liberato Ferrara ha presentato altri esempi su cosa sia una struttura in UHPC.

«Una piattaforma e un graticcio per la mitilocultura. Nella foto mostrata ci sono appese le corde e stanno sollevando 70 tonnellate di ostriche. Anziché farlo in legno, anziché farlo in materiali plastici, l'abbiamo fatto in UHPC.
Non solo posso ottimizzare la precompressione e risparmio anche su acciaio da precompressione.»

«Un galleggiante di Torre eolica in scala 1 a 2. Per il collaudo siamo saliti sopra, siamo entrati dentro ed è stato monitorato nel porto di Sagunto.»

«Un pontile per un porto turistico. Nella immagine in primo piano c’è la soluzione tradizionale e in secondo piano vedete quella realizzata con UHPC con rinforzo in fibra di carbonio.»

«Una torre piezometrica a Malta. In quelle condizioni il lato a mare abbiamo un degrado combinato di cloruro riportato dall'aria e dell'azione di risucchio del vento. E’ stata ripristinata e qui avete alcune immagini della cantiere della situazione finale del collaudo».

Design for durability

Come valutare quindi l’uso di questi nuovi materiali, come progettare? Liberato Ferrara ha evidenziato che «Questi materiali in principi magari hanno un costo un costo per unità di volume maggiore, però noi dobbiamo pensare da un lato al costo della realizzazione e dall'altro al costo del ciclo di vita.

E' verosimile che questi materiali che hanno migliori proprietà strutturali meccaniche ma anche migliori durabilità richiederanno una manutenzione spostata più avanti nel tempo, e in questo modo il costo del ciclo di vita si abbatte.

E cosa succede alla fine del ciclo di vita e come facciamo a valutarlo?

Quello che abbiamo fatto è proporre una progettazione strutturale che incorpori dentro di sé il meccanismo di degrado per esempio l'attacco solfati con la carbonatazione, come si fa con la progettazione al fuoco.

A confronto col calcestruzzo normale le cui vite utili sono comprese fra i 35 e i 60 anni noi riusciamo a garantire vite utili molto più elevate.»

Migliore possibilità di riciclo

«Questi materiali hanno una migliore possibilità di essere riciclati come aggregato o addirittura , perchè contengono ancora un’altra percentuale di fase anidra adesso stiamo valutando se riutilizzarli come anche sostituzione parziale del cemento Qual è l’aspetto, diciamo il drawback, da considerare per riutilizzarli nel cemento: devo macinarli di più quindi l'energia che ci metto per macinarli potrebbe poi andare a compensare l’impatto.

Attenzione, sono ancora capaci di mantenere le capacità di autoriparazione, anche a fronte del riciclo.»

E l’aspetto interessante qual è? Liberato Ferrara riprende l’esempio del progetto pilota dove le vasche erano di 4 metri, non di 200: «Quindi abbiamo provato a riprogettarle al vero, e passiamo da 40 cm di spessore a soluzioni prefabbricate dello spessore di 10 cm. A questo punto bisogna ragionare in termini di analisi a ciclo di vita, di costo del ciclo di vita.

Confrontando le due soluzioni, calcestruzzo tradizionale contro UHPC, con due diversi meccanismi di corrosione, localizzata o uniforme in blu, valutando i costi di costruzione e i costi di manutenzione ottengo costi simili di costruzione ma costi di manutenzione molto diversi.»

Trasferire la conoscenza alle nuove generazioni

«Importante è anche quello di trasferire questa conoscenza alle nuove generazioni sono i nuovi ingegneri che dovranno avere familiarità con questi materiali, con questi concetti per poterli usare.

Ecco noi abbiamo offerto con questo progetto a circa 20 giovani ricercatori un'opportunità di lavoro in accademia o nell’industria. Solo al Politecnico abbiamo svolto circa 40 tesi di laurea negli ultimi quattro anni. Giovani che poi sono andati nell’industria.»

L’effetto self healing

Su stimolo di Luigi Coppola si ritorna sul tema anticipato da Liberato Ferrara dell’autoriparazione delle lucertole.
Prende la parola Enricomaria Gastaldo Brac che sottolinea che "è molto importante l'ampiezza di fessurazione, stiamo parlando di fessure dell'ordine di 0,4/ 0,5 mm. Quindi stiamo parlando di fessurazioni in un range tipico per le strutture interrate, per le strutture di contenimento senza sforzi.

Naturalmente se parliamo di solette è tutto un altro discorso.

Per cui è molto importante la rigidità della struttura.

Però l'aspetto di durabilità è proprio nella porosità residua: nell’UHPC e UHDC si vede un po’ meno perché li di porosità residua non ce n'è, nei calcestruzzi tradizionali con rapporti acqua cemento un po’ più alti l'effetto è enfatizzato»

Interviene anche Liberato Ferrara: «Per quanto riguarda i prodotti essenzialmente diciamo dipende dalla tecnologia.

Nella tecnologia che noi abbiamo utilizzato di fatto diciamo questo catalizzatore va a reagire sia con l'acqua che con il cemento, ma anche con i prodotti di idratazione del cemento, tipicamente con l'idrossido di calcio si forma principalmente nuovo idrosilicato di calcio. È quindi analogo ai prodotti di idratazione.

E' vero che poi nel Self Healing del calcestruzzo c'è già in generale un livello di base che è dovuto all'idratazione ritardata: in alcuni casi può esserci carbonatazione quindi questo effetto va a potenziarlo.

Quello che abbiamo visto è che lo potenzia, soprattutto lo rende più affidabile, nel senso meno disperso più sistematico, che dal punto di vista della progettazione è quello che uno richiede.

Self healing e ambienti asciutti

Per quanto riguarda gli ambienti asciutti allora è ovvio che l'acqua per questo tipo di meccanismi l'acqua è uno degli attori del self feeling. Quello che abbiamo visto è che però che con questi catalizzatori oltre all’acqua liquida il catalizzatore con la sua natura idrofila è capace anche di reagire bene con l'umidità ambientale quindi di catturarla dall’aria. Ovviamente se siamo in ambienti molto secchi questa tecnologia va poi adattata ripensata e ci sono anche altre tecnologie che possono fungere allo scopo».