Utilizzo di polimeri e additivi nel miglioramento del comportamento al fuoco del calcestruzzo

Il calcestruzzo e il fuoco
Le intrinseche proprietà ignifughe e di resistenza al fuoco del componente in calcestruzzo hanno da sempre reso questo materiale ideale per gestire la sicurezza delle persone e delle cose all’interno degli edifici. A differenza di molti altri materiali da costruzione, il calcestruzzo non brucia e pertanto non accresce il carico d’incendio¹, ma questa caratteristica costituisce ulteriore vantaggio poiché il calcestruzzo rappresenta una efficacissima barriera tagliafuoco
per le vie di fuga e per le compartimentazioni, permettendo l’evacuazione dell’edificio in sicurezza e l’intervento dei soccorsi.
Dall’incombustibilità del calcestruzzo consegue che esso, sottoposto all’azione del calore, non emette fumi o gas tossici, che sono fonte di pericolo per le persone ancor più del fuoco stesso, e limita il rischio di danno ambientale a seguito dell’incendio (Iuorio, Pascali, 2012).
L’ottimo comportamento al fuoco è frutto del fatto che il calcestruzzo non cambia di fase alle alte temperature che si determinano durante l’incendio, mantenendo, per un certo periodo di tempo, una buona resistenza meccanica, inoltre è un materiale non particolarmente difficile da riparare se danneggiato dall’azione del fuoco.
Nonostante tutto questo, il calcestruzzo non è un materiale perfetto ed in caso di incendio non è esente dal danno che quest’ultimo può provocare. Innanzitutto il calcestruzzo non viene utilizzato mai da solo nelle strutture, ma viene sempre armato con acciaio, materiale che ha un comportamento molto diverso quando esposto alle alte temperature: se l’acciaio, come tutti i metalli, con l’aumento della temperatura modifica il proprio comportamento meccanico in maniera sensibile, poiché perde le sue caratteristiche di elasticità, convertendole in proprietà plastiche fino alla temperatura di fusione, dilatandosi, il calcestruzzo, per effetto di una
disidratazione irreversibile, si contrae, mentre si innesca un processo distruttivo della struttura cristallina del legante, causa dell’abbattimento della prestazione meccanica dell’elemento (Collepardi, 2012).

Se alle temperature di esercizio il calcestruzzo armato è riconosciuto come un ottimo materiale strutturale anche grazie alle dilatazioni paragonabili di matrice e rinforzo, alle temperature elevate che si riscontrano durante l’incendio, mentre l’acciaio continua a dilatarsi ed il calcestruzzo viceversa si contrae, si innescano dei meccanismi tensionali che portano alla frantumazione del calcestruzzo.
Il fenomeno più comune legato agli elementi di calcestruzzo armato sottoposti alle alte temperature è lo spalling, ovvero il distacco repentino e spesso esplosivo di schegge di copriferro, con la conseguente esposizione delle armature all’azione diretta del fuoco e ad una maggiore temperatura, oltre all’incontrollabilità delle porzioni di calcestruzzo, che vengono sparate come proiettili e che possono provocare danni alle persone ed alle cose, ma anche frantumare le chiusure verticali vetrate provocando l’ingresso ad alta pressione di ossigeno e quindi alimentare ulteriormente l’incendio. (Mastronardi, 2013).

La ricerca è quindi impegnata fortemente verso lo sviluppo di un calcestruzzo che possa, da un lato preservare la prestazione meccanica o addirittura garantirne una più elevata, dall’altro migliorare il comportamento al fuoco per ridurre o abbattere quei difetti che, sebbene nella maggior parte dei casi previsti dalle normative², non consentono al calcestruzzo di esprimere la grande versatilità che lo connota.
L’antiparallelismo tra prestazione meccanica e resistenza al fuoco è significativo soprattutto se si pensa che sono proprio quei calcestruzzi definiti HSC (High Strenght Concrete) per differenziarli dagli NSC (Normal Strenght Concrete) (CSLP,2016) che sono più affetti dalle problematiche legate al comportamento al fuoco e soprattutto al fenomeno dello spalling, dal momento che essendo connotati da una bassissima porosità e quindi una permeabilità praticamente nulla, essi non riescono a sfogare l’enorme pressione legata all’evaporazione dell’acqua contenuta nella matrice cementizia (Lura, 2014).
Le strade che vengono attualmente battute prevedono l’aggiunta nell’impasto di sostanze che possano reagire alle alte temperature, in modo da modificare la porosità del materiale e permettere la fuoriuscita dei vapori ad alta pressione, riducendo o evitando lo spalling (Magarò,2016).
Il rinforzo del calcestruzzo con fibre è la modalità tradizionalmente più studiata. Le fibre polimeriche di polipropilene sublimano parzialmente una volta superata la temperatura di 170°C liberando i pori che prima erano occlusi e consentendo al vapore se non di fuoriuscire almeno di espandersi senza aumento di pressione. Negli HSC, l’aggiunta di fibre in una frazione pari allo 0,1% - 0,25% in volume tendono ad annullare il fenomeno dello spalling (CNR, 2006).
Oltre alle fibre, la ricerca è orientata verso lo sviluppo di materiali compositi di calcestruzzo e polimeri con additivi in grado di soddisfare la richiesta di prestazione meccanica e di essere allo stesso tempo in grado di rispondere alla richiesta di un migliore comportamento  

¹ Con l’espressione carico d’incendio si intende la quantità di calore in grado di svilupparsi a seguito di un incendio.
In pratica rappresenta il massimo calore che si può sviluppare per la combustione di tutti i materiali combustibili presenti nell’ambiente considerato. Dal momento che il calcestruzzo non è un materiale combustibile non viene computato all’interno della formula di calcolo.

² L’Eurocodice 2 per edifici quali scuole, uffici, ospedali ed abitazioni, prevede l’effetto spalling nel calcolo strutturale ed il fatto che il copriferro si distacchi durante un incendio con l’eccezione delle gallerie e per quegli incendi che coinvolgono gli idrocarburi.