Contenuti archivistici di esperti: l’articolo conserva affermazioni storiche, tabelle e diagrammi sulla malta cementizia e sul calcestruzzo, ma non è un mix design, una specifica dei materiali, un piano di betonaggio, un calcolo strutturale, una guida ai test o una valutazione di un elemento esistente. La composizione, le proprietà, la classe di esposizione, la consistenza, il metodo di installazione, la cura, il controllo di qualità e i valori di progettazione devono essere determinati da esperti responsabili in base all’oggetto specifico, ai materiali dichiarati e agli standard validi.
Savo Kusić oggi si concentra su finestre in legno, finestre in legno-alluminio, finestre su misura, porte e richieste di preventivo. Questo articolo rimane come archivio storico e non rappresenta un’offerta per la progettazione, produzione, collaudo o esecuzione di strutture in calcestruzzo.
Dati generali
La composizione della malta cementizia o la composizione del calcestruzzo di un pilastro, di una struttura di mezzanino in cemento armato, di un elemento di cemento lavorato, di una soletta di marciapiede, di un arco di ponte o di una strada di cemento, sarà considerata soddisfacente, di regola, se l’elemento di costruzione in questione è realizzato con la minima quantità di materiale e manodopera in modo tale che sia sufficientemente durevole e adatto allo scopo. Ciò che deve essere considerato permanente e idoneo allo scopo va definito caso per caso: quindi, prima di iniziare la costruzione di un edificio, è necessario determinare quali proprietà devono avere la malta e il calcestruzzo in termini di resistenza a compressione, resistenza a flessione, resistenza agli agenti atmosferici, tenuta all’acqua, ecc. A questo proposito le prescrizioni edilizie sono molte e diverse, così come molte limitazioni numeriche.
Il compito dell’imprenditore edile è garantire che i valori delle singole proprietà soddisfino i valori richiesti. Le proprietà del calcestruzzo possono essere notevolmente influenzate se vengono utilizzate le conoscenze oggi disponibili.
Condizioni per produrre calcestruzzo con proprietà omogenee
Se la resistenza a compressione di un elemento edilizio dopo 28 giorni dovesse essere 40 MPa, o se per il calcestruzzo di una struttura di pavimentazione si richiede che la resistenza a flessione dopo 28 giorni sia 4,5 MPa, allora questi valori limite non devono essere superati in nessun luogo; il valore limite inferiore potrebbe essere vicino al valore condizionale. Se durante l’esecuzione dell’oggetto vengono rispettati limiti più ristretti, meglio l’appaltatore svolge il suo compito. È molto dannoso se i valori condizionati sono molto al di sotto di alcuni luoghi, anche se solo pochi.
Valori e ricette storici: Le cifre, le proporzioni, i contrassegni, le procedure di cura e i limiti riportati di seguito sono stati trasferiti dall’articolo originale per preservarne il contenuto. Non devono essere utilizzati come ricetta moderna, criterio di accettazione o sostituto del mix design, dei test di laboratorio, delle dichiarazioni dei materiali, del piano tecnologico e delle normative applicabili.
Resistenza alla compressione di malte cementizie e calcestruzzo
La dimensione della resistenza alla compressione dipende in gran parte dalle proprietà del cemento, dalla quantità di cemento, dalla quantità e composizione di sabbia e aggregato, dalla quantità di acqua nel calcestruzzo durante l’installazione, dal metodo di installazione, ecc.
Tabella 1. L’influenza della quantità di aggregato con la stessa quantità di malta.
1. Cemento
Le resistenze a compressione della malta cementizia e del calcestruzzo sono state determinate da osservazioni precedenti e sono definite dalla normativa.
2. Quantità di cemento
Secondo la fig. 1a, la resistenza a compressione aumenta all’aumentare della quantità di cemento se la proporzione di malta nel calcestruzzo rimane la stessa, mentre aumenta la quantità di cemento nella malta e la consistenza del calcestruzzo si mantiene costantemente invariata. Se la quantità di malta rimane invariata e aumenta o diminuisce solo la quantità di aggregato, la resistenza cambierà solo leggermente purché la quantità di malta sia sufficiente a contenere tutti i grani di aggregato. La resistenza alla compressione del calcestruzzo non aumenterà indefinitamente con l’aumento della quantità di cemento, ma solo fino a un certo limite. Oltre tale limite l’aumento di resistenza sarà insignificante in rapporto al prezzo, che aumenterà sensibilmente all’aumentare della quantità di cemento. La quantità ottimale di cemento per il calcestruzzo 1 m3 è 300-350 kg.
Tabella 2. L’influenza della quantità di sabbia nel calcestruzzo.
3. Quantità di malta nel calcestruzzo
La resistenza a compressione del calcestruzzo è determinata dalla resistenza della malta, come confermato dalle tabelle 1 e 2. Ciò è valido solo se la resistenza dell’aggregato è maggiore della resistenza della malta e se la quantità di malta è sufficiente a coprire completamente la grana grossa dell’aggregato.
4. Composizione granulometrica dell’aggregato
L’utilizzo del legante sarà raggiunto al massimo se la composizione granulometrica degli aggregati presenti nel calcestruzzo corrisponde alle proporzioni rappresentate graficamente nella figura 2. Nella Figura 2, la curva completamente estesa si applica al fiume e alle ghiaie frantumate. Questa curva mostra che 25% dell’aggregato totale deve passare attraverso un setaccio con un’apertura #0,2mm; 65% deve passare attraverso il setaccio dal diametro #3mm. Il limite superiore per l’aggregato è determinato da un setaccio con un diametro di #7mm.
Gli standard odierni per determinare la composizione granulometrica degli aggregati sono diversi. Ci sono quattro frazioni aggregate: 0/4mm, 4/8 mm, 8/16mm e 16/31,5mm. Le categorie aggregate sono determinate in base alla quantità di cereali in sovrappeso e sottopeso.
Fig. 1.
Fig. 2.
5. L’influenza della quantità di acqua sul calcestruzzo fresco
La resistenza alla compressione del calcestruzzo dipende in larga misura dalla quantità di acqua aggiunta. La quantità minima di acqua alla quale il calcestruzzo raggiunge la massima resistenza si ottiene quando, durante la compattazione o la vibrazione del calcestruzzo, compaiono segni di “sudorazione” chiaramente evidenti, cioè quando durante la compattazione si forma un sottile strato di latte di cemento. Con un ulteriore aumento della quantità di acqua la resistenza a compressione diminuisce. In questo caso, il fattore acqua-cemento è in primo luogo: il rapporto tra la massa dell’acqua e la massa del cemento e 1 m3 di calcestruzzo. Il fattore acqua-cemento ottimale per ottenere un’idratazione completa è 0,38 - 0,42. In pratica, questo è difficile da ottenere e questi valori sono derivati sperimentalmente, ma sicuramente è un obiettivo. Se la quantità di acqua è insufficiente, il cemento non sarà in grado di idratarsi completamente e il calcestruzzo non raggiungerà la resistenza progettata. L’aggiunta di acqua quando non è necessaria inoltre “soffoca” il calcestruzzo impedendogli di raggiungere la resistenza prevista. Dopo che il calcestruzzo è stato installato, è necessario prendersene cura regolarmente per i successivi sette giorni. Il nutrimento prevede la spruzzatura/irrigazione della superficie del calcestruzzo per compensare l’acqua evaporata e in modo che il cemento possa idratarsi come previsto.
6. Effetto della temperatura
Quando si costruiscono edifici nella stagione fredda, il calcestruzzo deve essere immagazzinato in modo che non sia esposto all’influenza del gelo prima che l’indurimento sia progredito nella misura in cui la resistenza alla compressione è almeno 10 MPa. Se questa procedura viene eseguita senza ulteriori indugi, l’effetto necessario può essere ottenuto prima di tutto aggiungendo antigelo, accelerante, ecc. L’antigelo impedisce il congelamento dell’acqua nel calcestruzzo preparato e gli acceleranti accelerano il processo di idratazione, che in inverno è estremamente lento. Si può utilizzare anche il cemento alluminato, particolarmente indicato per lavori in condizioni di gelo, se si tratta di edifici di piccole dimensioni. Se il calcestruzzo in uno stato saturo d’acqua è spesso esposto a ripetuti geli e disgeli (ad esempio nel caso di impianti idrotecnici), allora si può prevedere la distruzione se il calcestruzzo all’inizio del congelamento ha una resistenza alla compressione inferiore a 15 MPa. In caso di temperature elevate dell’aria e del materiale, il calcestruzzo deve essere mantenuto costantemente umido e fresco. È inoltre obbligatorio coprire la massa di calcestruzzo fresco con qualsiasi materiale che impedisca il riscaldamento della superficie del calcestruzzo. Sotto l’influenza delle alte temperature (oltre 50 °C) lo sviluppo della resistenza a compressione del calcestruzzo è imprevedibile se la cura non è adeguata.
Sicurezza e prestazioni: la polvere di cemento e il calcestruzzo fresco possono danneggiare gli occhi, la pelle e le vie respiratorie, mentre miscelatori, pompe, vibratori, casseforme, puntelli ed elementi pesanti comportano ulteriori rischi meccanici. Gli additivi non vengono aggiunti arbitrariamente, né vengono utilizzati riferimenti storici al clima freddo e caldo senza una ricetta approvata, schede tecniche, piano di getto, dispositivi di protezione e supervisione.
Resistenza alla trazione del calcestruzzo
La resistenza alla trazione del calcestruzzo dipende in gran parte dalla dimensione della sezione trasversale dei provini. Aumentando la sezione trasversale dei provini si è ottenuta una minore resistenza alla trazione. Testando i prismi della sezione 400 cm2, che erano realizzati con la solita miscela per cemento armato e dopo aver fatto maturare per circa tre mesi in aria umida, sono state ottenute resistenze a trazione di circa 1,2-2 MPa. Miscele speciali per tubi, ecc. hanno dato risultati fino a circa 4 MPa e anche di più, se lo spessore dei corpi di prova corrispondeva allo spessore utilizzato nella pratica. Per il calcestruzzo spruzzato (calcestruzzo proiettato preparato in cantiere), è stato ottenuto fino a 3,6 MPa. L’allungamento del calcestruzzo fino alla rottura misurato in millimetri a 1m è risultato essere in media 0,07-0,13 mm/m.
La resistenza alla trazione del calcestruzzo è trascurabile rispetto alla sua resistenza alla compressione. In quasi tutti i casi viene utilizzato il cemento armato, che ha un’armatura progettata per sopportare le forze di tensione nell’elemento. Si ritiene che il calcestruzzo non sopporti alcuna tensione, quindi i progettisti sono dalla parte della sicurezza. La resistenza alla trazione del calcestruzzo è dieci volte inferiore alla resistenza alla compressione del calcestruzzo.
Resistenza alla trazione del calcestruzzo durante la flessione
La resistenza a flessione delle travi in calcestruzzo a sezione rettangolare è maggiore della resistenza a trazione di corpi delle stesse dimensioni. Ciò è dovuto principalmente al fatto che il coefficiente di allungamento del calcestruzzo cresce più velocemente del carico, per cui non viene realizzata la distribuzione delle tensioni assunta con il metodo di calcolo consueto. In una trave esposta a flessione, la massima sollecitazione di trazione si verifica solo nel piano limite della cinghia tesa, e quando il carico è al centro della trave anche solo sul bordo esterno di una sezione.
L’entità della resistenza alla flessione di corpi vecchi di 28 giorni, realizzati in calcestruzzo morbido o liquido, è risultata essere 2-6 MPa; travi in calcestruzzo compattato, campioni di calcestruzzo spruzzato nonché campioni di calcestruzzo proiettato, invecchiati per diversi mesi e conservati prima allo stato umido e poi allo stato secco, hanno fornito risultati di resistenza alla flessione di 3,2 MPa. Per le piastre realizzate con lo stesso materiale che sono state tenute sott’acqua per 8 giorni, è stato determinato il valore di resistenza alla flessione di 6,3 MPa.
Ritiro, rigonfiamento e scorrimento del calcestruzzo
Restringimento e gonfiore. Crepe da ritiro. Tensioni da ritiro. Se i corpi di calcestruzzo mantenuti allo stato umido vengono esposti ad essiccamento, l’essiccazione inizierà in superficie e progredirà verso l’interno. All’esterno, il calcestruzzo può essere quasi asciutto all’aria mentre il suo nucleo è ancora umido. Lo strato secco tende a restringersi, il nucleo umido no, o si restringerà solo in piccola parte. Di conseguenza, in un corpo di cemento di questo tipo, si verificano tensioni di trazione sulle superfici esterne e tensioni di compressione nel nucleo.
Se le sollecitazioni di trazione superano la resistenza alla trazione del calcestruzzo, appariranno delle crepe dovute al ritiro che penetrano più o meno profondamente verso il nucleo e compaiono nei punti di resistenza inferiore. Man mano che l’essiccazione procede, il nucleo si restringe gradualmente, le sollecitazioni di trazione sulle superfici esterne diminuiscono.
Fig. 3.
Fig. 4.
L’entità del ritiro del calcestruzzo dipende dal tipo di cemento, dalla quantità di cemento, dalla quantità di acqua durante la preparazione, dalla composizione granulometrica e dall’elasticità dell’aggregato lapideo, nonché dall’età, e soprattutto dalle modalità di manutenzione e dal clima, e in misura significativa dalle dimensioni dell’elemento in calcestruzzo.
Cambiamenti longitudinali del calcestruzzo in colonne e travi esposte a carichi a lungo termine. Scorrimento del calcestruzzo. Le colonne che sono rimaste sotto il carico consentito in uno spazio seminterrato asciutto per tre anni, ed erano realizzate in calcestruzzo di composizione ordinaria, sono state costantemente accorciate secondo la fig. 3, e significativamente più colonne uguali ma scariche. Queste deformazioni, che avvengono lentamente, superando il grado di ritiro del calcestruzzo scaricato, sono dette “creep”. Il grado di scorrimento dipende dalla composizione del calcestruzzo, dall’entità e dalla durata del carico, nonché dall’umidità del calcestruzzo. Il calcestruzzo bagnato tende a strisciare in misura molto minore rispetto al calcestruzzo asciutto, fig. 4. Il calcestruzzo essiccato per lungo tempo senza esposizione al carico si deforma solo leggermente sotto carico. Durante il carico di tensione, lo scorrimento avviene in misura simile a quella durante il carico di compressione, fig. 5.
Creep del calcestruzzo, ovvero il costante cedimento del calcestruzzo sotto carico comporta un aumento della quota di armatura nel ricevere il carico nel cemento armato, che nel caso di colonne fortemente armate può portare ad un notevole rilievo del calcestruzzo stesso.
Fig. 5.
Crepe e deformazioni: le tendenze di ritiro e scorrimento mostrate non sono una base sufficiente per valutare crepe, deflessioni, capacità portante o durabilità di un oggetto specifico. Per la costruzione esistente sono necessari un sopralluogo, documentazione, misurazioni e calcoli; per una nuova costruzione sono rilevanti il progetto, le proprietà dei materiali, le condizioni ambientali, la sequenza di costruzione e le normative vigenti.
Resistenza allo scivolamento tra armatura e calcestruzzo
Le armature nelle costruzioni in cemento armato dovrebbero ricevere completamente le forze di trazione quando, durante il tensionamento, la resistenza del calcestruzzo viene superata a causa del ritiro del calcestruzzo e dell’influenza delle forze esterne. A tale scopo è necessario che l’armatura possa trasferire i suoi carichi al calcestruzzo attraverso le superfici di contatto con il calcestruzzo, in modo che l’ancoraggio dell’armatura non si rompa sotto i carichi ammessi. L’ancoraggio è assicurato da ganci all’estremità delle barre. Le tipologie di barre d’armatura esistenti, e la divisione viene effettuata in base alle nervature trasversali, sono: B500A (barra liscia), B500B (barra con nervature in una direzione) e B500C (barra con nervature in due direzioni) direzione).
Rinforzo e strato protettivo: i contrassegni storici, la descrizione delle nervature e il metodo di ancoraggio non costituiscono la base per la selezione o i dettagli del rinforzo odierno. La tipologia dell’acciaio, il diametro, il giunto, l’ancoraggio, la sovrapposizione, l’interasse, lo strato protettivo e l’installazione sono determinati dal progetto e confermati da documentazione tracciabile e sopralluogo in cantiere.
Resistenza all’usura della malta cementizia e del calcestruzzo
Mortai secondo fig. Anche 18 sono particolarmente bravi sotto questo aspetto; per quanto riguarda la composizione granulometrica si seguono in generale le indicazioni sopra riportate per quanto riguarda la resistenza a compressione. Inoltre, si consiglia una pietra che mostri un’elevata resistenza all’usura e agli urti. Gli additivi più resistenti delle buone pietre dure aumentano la resistenza all’usura del calcestruzzo se hanno granulometria e forma adeguate. Il calcestruzzo bagnato si consuma più velocemente del calcestruzzo asciutto; l’umidità aiuta la levigatura.
Resistenza del calcestruzzo agli agenti atmosferici
Quando è necessario stabilire le condizioni per la produzione di calcestruzzo resistente agli agenti atmosferici, si dovrebbe innanzitutto partire dall’esperienza maturata su strutture precedentemente realizzate. Innanzitutto occorre prestare attenzione a quanto segue:
- Come scegliere una pietra? - Nella scelta della pietra sorgono spesso difficoltà per ragioni economiche, sia che sia necessario utilizzare una pietra che, come la sabbia frantumata o il pietrisco, risulterà piatta e quindi causerebbe uno scarso inserimento del calcestruzzo, oppure che si tratti di una pietra con insufficiente resistenza agli agenti atmosferici. A questo proposito devono essere stabiliti requisiti severi, secondo cui per il calcestruzzo esterno viene utilizzata solo pietra con una buona resistenza agli agenti atmosferici
- Quale quantità di cemento è necessaria per il calcestruzzo? - Sulle superfici esterne il calcestruzzo deve essere sufficientemente impermeabile all’acqua. A questo scopo si può utilizzare quanto rilevato circa l’influenza della composizione granulometrica del calcestruzzo sulla permeabilità all’acqua e in base a ciò si può determinare la quantità di cemento necessaria. Alcune quantità ottimali di cemento variano tra 300-350 kg per m3 di calcestruzzo, ma questo può variare molto da caso a caso (dipende da molti fattori).
- A quale tipo di granulazione e a quali proprietà della composizione granulare del calcestruzzo dovremmo aspirare? - Dipende caso per caso: l’aggregato fluviale è più favorevole, composizione non uniforme; l’aggregato frantumato può essere di migliore qualità sotto alcuni aspetti, ma ha grani taglienti che potrebbero essere dannosi in alcune miscele di calcestruzzo.
- Quale resistenza del calcestruzzo è richiesta? - È molto più difficile rispondere a questa domanda rispetto a quelle già discusse. Pertanto, tutte le proposte precedenti si riferiscono a opportunità limitate. Per risolvere questo problema sono stati effettuati diversi test che hanno dimostrato quale resistenza dovrebbe avere il calcestruzzo per resistere a lungo al gelo e disgelo ciclico. Si è concluso che il calcestruzzo, prima di essere ripetutamente esposto al gelo e allo scongelamento, dovrebbe mostrare una resistenza a compressione di almeno 15 MPa. Se il calcestruzzo viene lavorato dall’esterno sono necessarie resistenze più elevate; in tal caso si consiglia di fornire almeno 25 MPa.
- Quale consistenza del calcestruzzo è adatta? - Per quanto riguarda la consistenza del calcestruzzo, attualmente si ritiene che bisogna fare attenzione con il calcestruzzo colato, poiché con la sua grande quantità di acqua favorisce l’escrezione, le cui conseguenze si manifestano nel modo in cui su ogni strato versato appare uno strato più o meno pronunciato di malta a grana fine e ricca di acqua. Quella malta ha meno forza, maggior potere di assorbire l’acqua, ecc.
- In che misura bisogna tenere conto della forma dell’oggetto? - Se, ad esempio, la superficie esterna è livellata, su una parte significativa del calcestruzzo vengono trattenuti più neve e ghiaccio rispetto a quando la parete viene trattata con superfici lisce. L’ammollo può durare a lungo e quindi il congelamento e lo scongelamento allo stato umido sono più comuni. L’obiettivo è mantenere la neve, il ghiaccio e i detriti sull’edificio il più corti possibile.
Nel caso in cui il calcestruzzo venga lavorato dall’esterno, è necessario tenere presente che di conseguenza la permeabilità all’acqua aumenta di regola e che i grossi pezzi di aggregato che si trovano sulla superficie vengono frantumati con l’utensile da tagliapietre. Se il calcestruzzo trattato contiene armature, è necessaria particolare attenzione per preservare sufficientemente l’effetto protettivo del calcestruzzo (strato protettivo) per l’armatura. La penetrazione dell’acqua nel calcestruzzo può essere in una certa misura impedita mediante rivestimenti/additivi.
La durabilità non è determinata da un singolo valore: l’esposizione all’acqua, al gelo, ai sali, all’usura e all’azione chimica richiede una selezione coordinata dei materiali, uno strato protettivo progettato, installazione e cura controllate, drenaggio risolto, ispezioni e manutenzione regolari. Un rivestimento o un additivo da soli non possono compensare una composizione errata, una cattiva installazione, crepe, uno strato protettivo insufficiente o una ritenzione idrica non risolta.