“E' DUTTILE E TENACE IL CALCESTRUZZO DEL 2000” - Ingegneria
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Curva sforzo-deformazione di provini cubici (150 mm) sottoposti a<br />
compressione confezionati con e senza fumo di silice (FdS) e<br />
superfluidificante (SF). Il provino armato conteneva una spirale d'acciaio.<br />
Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi<br />
e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi<br />
indicano la resistenza meccanica in MPa a<br />
compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF<br />
HPC (100)<br />
(High Performances Concrete)<br />
(BHP=Beton ad Haute Performance)<br />
Ottenuti per soft casting<br />
DSP<br />
(Densified with Small Particles)<br />
RPC (200)<br />
(Reactive Powders Concrete )<br />
Ottenuti per soft casting<br />
CBC<br />
(Chemically Bonded Ceramics)<br />
MDF (250)<br />
(Macro Defect Free)<br />
RPC (800)<br />
(Reactive Powders Concrete)<br />
Ottenuti per pressatura<br />
3SC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
(Self-Curing Concrete)<br />
(Self-Compressive Concrete)<br />
SCC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
SCS<br />
(Self-Compacting Shotcrete)<br />
HPS<br />
(High Performance Shotcrete)<br />
<strong>“E'</strong> <strong>DUTT<strong>IL</strong>E</strong> E <strong>TENACE</strong> <strong>IL</strong> <strong>CALCESTRUZZO</strong> <strong>DEL</strong> <strong>2000”</strong><br />
Sebbene tutti I materiali indicati nello schema precedente siano stati sviluppati<br />
autonomamente dai vari ricercatori sono accomunati da caratteristiche comuni:<br />
• POSSONO ESSERE CONSIDERATI COMPOSITI CERAMICI con cui hanno in comune<br />
prestazioni e tecnologie di produzione.<br />
• RIDUZIONE <strong>DEL</strong>LA POROSITA’E DEI DIFETTI attraverso lavorazioni e tecnologie mutuati<br />
dalle lavorazioni di altri tipi di materiali (ceramica, gomma, metalli).<br />
• INCREMENTO <strong>DEL</strong>LA DENSITA’ attraverso la riduzione del valore di a/c fino a 0.15, grazie<br />
ai nuovi superfluidificanti acrilici più efficaci di quelli tradizionali.<br />
• MIGLIORAMENTO <strong>DEL</strong>LA OMOGENEITA’ sostituendo gli aggregati di medio-grosso<br />
diametro con sola sabbia fine (diametro 0.15-0.40 mm)<br />
• MIGLIORAMENTO <strong>DEL</strong>LA MICROSTRUTTURA impiegando fumo di silice combinato con<br />
silice di precipitazione altamente reattiva; utilizzando un alto dosaggio di cemento a basso<br />
tenore di C3A; prevedendo una maturazione, oltre che a 20°C, anche a 90°-160°C e<br />
completando il processo d’idratazione dopo la presa immergendo il materiale in acqua<br />
• AUMENTO <strong>DEL</strong>LA DUTT<strong>IL</strong>ITA’ mediante l’inserimento di microfibre metalliche con alto fattore<br />
di forma, l’utilizzo di aggregati più resistenti con superficie scabra e dimensione piccola per<br />
sfruttare la maggiore densità e resistenza della matrice. In tal caso la propagazione delle<br />
cricche richiede sia più forza che più energia.<br />
Resistenza a flessione<br />
equivalente (MPa)<br />
40<br />
Resistenza a flessione<br />
equivalente (MPa)<br />
40<br />
32<br />
24<br />
16<br />
8<br />
0<br />
32<br />
24<br />
16<br />
8<br />
0<br />
HSC<br />
Cls ordinario<br />
0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25<br />
HPC<br />
100-200 J/m 2<br />
Cls ordinario<br />
?<br />
Deflessione (mm)<br />
RPC o MDF<br />
40000 J/m 2<br />
0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25<br />
HPC<br />
Deflessione (mm)<br />
• La distinzione principale tra HSC e HPC e che gli ultimi<br />
devono rispettare il requisito di alta durabilità, che si<br />
rispetta dosando per ridurre le deformazioni termoigrometriche<br />
con solo un terzo in volume di pasta ed<br />
impiegando cementi di miscela a basso sviluppo di calore<br />
• Le maggiori applicazioni di questo materiale sono state<br />
inizialmente destinate ad opere di ingegneria<br />
infrastrutturale particolarmente sollecitate da carichi statici<br />
e dinamici in servizio o da azioni aggressive da parte di un<br />
ambiente particolarmente ostile (piattaforme petrolifere<br />
marine, ponti di grande luce, tunnel sottomarini, grattacieli<br />
in zone sismiche)<br />
• Ora la tendenza è impiegare questo materiale in opere<br />
architettoniche pur meno sollecitate per progettare<br />
diversamente e sfruttare la rapidità di conseguimento di<br />
alte resistenze.
Fin quando la zona di transizione rappresenta<br />
l’anello debole, la resistenza dell’aggregato è<br />
meno influente, ma quando l’interfaccia<br />
diventa meno porosa e più resistente, per<br />
effetto delle modifiche e delle aggiunte<br />
minerali, la scelta dell’aggregato diventa molto<br />
più importante. Per sfruttare la maggiore<br />
densità e resistenza della matrice bisogna<br />
disporre di aggregati densi e compatti come<br />
basalto o granito di frantumazione per favorire<br />
lo sviluppo di interazioni e di piccolissime<br />
dimensioni. In quest’ultimo caso, tanto più<br />
piccola è la dimensione dell’aggregato tanto<br />
più quella dell’eventuale microfessura, che<br />
risulterebbe quindi subcritica.<br />
E’ necessaria la<br />
premiscelazione con<br />
sforzi di taglio per<br />
disperdere le<br />
particelle di fumo di<br />
silice<br />
RPC<br />
•Il termine RPC è stato coniato da Richard e Cheyrezy per descrivere un<br />
calcestruzzo superplastico fibro-rinforzato e contenente quarzo invece di<br />
aggregato ordinario<br />
•Calcestruzzi che mostrano R c >200 MPa fino a 800 MPa, ma soprattutto hanno<br />
caratteristiche di duttilità e resistenza a flessione ed energia di frattura<br />
superiori agli HPC<br />
•L’assenza di aggregato grosso è ritenuta, a giusta ragione, il fattore chiave<br />
della nuova microstruttura e le proprietà, in quanto riducono l’eterogeneità<br />
tra rinforzo e matrice. D’altra parte l’uso di sabbie fini fa crescere il<br />
quantitativo di cemento da usare fino a 900-1000 kg/m3.<br />
Ciò comporta un incremento del ritiro autogeno e del creep<br />
•Nonostante il rapporto a/c sia basso fino a 0.15, per<br />
incrementare le resistenze bisogna rimuovere l’acqua che non<br />
può reagire (si hanno granuli di cemento idratati in superficie,<br />
ma anidri all’interno) deve essere espulsa con trattamenti di<br />
pressatura a caldo da 90 a 400 °C.<br />
•Questi materiali sono in concorrenza con i neoceramici e con<br />
i metalli strutturali sia nel campo dell’ingegneria industriale<br />
che civile-edile. Si pensi ai progetti di mega-edifici alti 1000<br />
m in fase di studio a Tokio per i quali gli cls risultano<br />
inadeguati<br />
Il conglomerato, studiato per una ricerca<br />
destinata ad individuare un materiale<br />
ultradurabile (3 secoli) per ospitare<br />
affidabilmente le scorie radioattive di<br />
impianti nucleari dismessi, prevedeva i<br />
seguenti requisiti prestazionali<br />
particolarmente impegnativi soprattutto in<br />
termini di resistenza meccanica e duttilità:<br />
1) resistenza meccanica a compressione<br />
(R c ) 200 MPa;<br />
2) resistenza meccanica a flessione (R f ) 50<br />
MPa;<br />
3) modulo elastico statico a compressione<br />
(E s ) 60 GPa;<br />
4) energia di frattura (E f ) determinata dalla<br />
curva !"# 40 kJ/m 2 ;<br />
5) durabilità in terreno solfatico.<br />
Il cemento, di tipo ferrico a basso tenore di C 3 A è stato prescelto per<br />
la sua intrinseca resistenza all'attacco dei solfati dell'ambiente. La<br />
maggiore duttilità dell'RPC - in termini di elevata energia di frattura -<br />
rispetto all'HPC è dovuta principalmente alla presenza di fibre in<br />
acciaio con rapporto d'aspetto (Lunghezza/diametro = L/d=72)<br />
molto elevato disperse in una matrice cementizia con microstruttura<br />
priva sostanzialmente di microporosità capillare.<br />
Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi<br />
e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi<br />
indicano la resistenza meccanica in MPa a<br />
compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF<br />
HPC (100)<br />
(High Performances Concrete)<br />
(BHP=Beton ad Haute Performance)<br />
Ottenuti per soft casting<br />
DSP<br />
(Densified with Small Particles)<br />
RPC (200)<br />
(Reactive Powders Concrete )<br />
Ottenuti per soft casting<br />
CBC<br />
(Chemically Bonded Ceramics)<br />
MDF (250)<br />
(Macro Defect Free)<br />
RPC (800)<br />
(Reactive Powders Concrete)<br />
Ottenuti per pressatura<br />
3SC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
(Self-Curing Concrete)<br />
(Self-Compressive Concrete)<br />
SCC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
SCS<br />
(Self-Compacting Shotcrete)<br />
HPS<br />
(High Performance Shotcrete)<br />
Confronto composizionale e prestazionale di<br />
HPC ed RPC 200<br />
• Superfluidificante<br />
naftalinico tradizionale<br />
• Fumo di silice<br />
• Stagionatura normale<br />
(20°C)<br />
• Bassa resistenza a<br />
flessione<br />
• Fragile<br />
• Energia di frattura 100-300<br />
J/m 2<br />
• Superfluidificante acrilico<br />
• Fumo di silice selezionato<br />
e/o silice colloidale<br />
• Micro-fibre metalliche<br />
• Stagionatura accelerata<br />
(elementi prefabbricati)<br />
• Alta resistenza a<br />
flessione (50 MPa)<br />
• Duttile<br />
• Energia di frattura<br />
10000-30000 J/m 2<br />
Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi<br />
e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi<br />
indicano la resistenza meccanica in MPa a<br />
compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF<br />
HPC (100)<br />
(High Performances Concrete)<br />
(BHP=Beton ad Haute Performance)<br />
Ottenuti per soft casting<br />
DSP<br />
(Densified with Small Particles)<br />
RPC (200)<br />
(Reactive Powders Concrete )<br />
Ottenuti per soft casting<br />
CBC<br />
(Chemically Bonded Ceramics)<br />
MDF (250)<br />
(Macro Defect Free)<br />
RPC (800)<br />
(Reactive Powders Concrete)<br />
Ottenuti per pressatura<br />
3SC<br />
(Self-Compacting Concrete o SCC')<br />
(Self-Curing Concrete o SCC")<br />
(Self-Compressing Concrete o SCC"')<br />
SCC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
SCS<br />
(Self-Compacting Shotcrete)<br />
HPS<br />
(High Performance Shotcrete)
MDF<br />
• I compositi polimero-cemento MDF (inventati da Birchall et al.)<br />
sono costituiti da cemento distribuito in una matrice polimerica<br />
idrosolubile (Poli Vinil Alcol= PVA)<br />
• Si preparano con 100 parti di cemento, 7 parti di PVA ed 11<br />
parti di H 2 O: solo la superficie dei granuli si idrata e si<br />
interconnettono col polimero<br />
• La miscelazione di questa pasta molto asciutta avviene in<br />
calandra, dopodichè si pressa per ottenere la fuoriuscita di aria<br />
ed acqua e si consolida con trattamento termico a 80-90 °C<br />
• Le proprietà meccaniche possono arrivare a 250 MPa a<br />
flessione contro i 5 MPa di un cls ordinario.<br />
• Le prestazioni meccaniche dipendono dai parametri di processo<br />
e dalla “qualità” dei materiali scelti. Si possono tenacizzare con<br />
fibre.<br />
• Essi sono adatti per contenitori ad elevata affidabilità per lo<br />
stoccaggio di fluidi o solidi altamente tossici ed infiammabili, di<br />
manufatti anti-scoppio e anti-proiettile, di stampi destinati alla<br />
formatura di pezzi meccanici in metallo o in plastica, di<br />
traversine ferroviarie o parti di scocche per auto o aerei,<br />
casseformi faccia a vista.<br />
Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi<br />
e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi<br />
indicano la resistenza meccanica in MPa a<br />
compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF<br />
HPC (100)<br />
(High Performances Concrete)<br />
(BHP=Beton ad Haute Performance)<br />
Ottenuti per soft casting<br />
DSP<br />
(Densified with Small Particles)<br />
RPC (200)<br />
(Reactive Powders Concrete )<br />
Ottenuti per soft casting<br />
CBC<br />
(Chemically Bonded Ceramics)<br />
MDF (250)<br />
(Macro Defect Free)<br />
RPC (800)<br />
(Reactive Powders Concrete)<br />
Ottenuti per pressatura<br />
3SC<br />
(Self-Compacting Concrete o SCC')<br />
(Self-Curing Concrete o SCC")<br />
(Self-Compressing Concrete SCC"')<br />
SCC<br />
(Self-Compacting Concrete)<br />
SCS<br />
(Self-Compacting Shotcrete)<br />
HPS<br />
(High Performance Shotcrete)