Appunti materiali da costruzione

7/24/2019 Appunti materiali da costruzione

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I MATERIALI: CALCESTRUZZO E ACCIAIO

IL CEMENTO ARMATO

la tipologia costruttiva che copre il 90% delle costruzioni; poi troviamolacciaio e, infne, le costruzioni in muratura.

IL CALCESTRUZZO

Allepoca precedente ai romani le costruzioni erano composte dasovrapposizione di conci lapidei naturali: questi inizialmente erano molto grandie necessitavano di molta mano dopera per essere trasportati e posizionati. romani introdussero !anche se non per primi" su grande scala, lutilizzo diarchi e volte; sistemi costruttivi che potevano ancora essere realizzatiutilizzando elementi lapidei naturali, in quanto erano sollecitati esclusivamentea compressione.#a vera innovazione tecnologica introdotta dai romani $u, tuttavia, ilcalcestruzzo: la parola deriva dal latino calcis struptioche signifca strutturaa &ase di calce'. un materiale artifciale composto con aggregati lapidei didiverse dimensioni uniti da un legante idraulico !il cemento" la cui attivazioneavviene grazie alle reazioni chimiche con lacqua. componenti essenziali delcalcestruzzo sono:

(emento

nerti: costituiscono lo scheletro lapideo del calcestruzzo Acqua: serve a rendere possi&ili le reazioni chimiche della presa del

cemento e a con$erire )uidit* allimpasto per la lavorazione.

+n primo tipo di calcestruzzo, avente per legante la pozzolana mista a calce, $uimpiegato dai romani con il nome di betunium' !da cui &eton, usato oggi da$rancesi e tedeschi". -i trattava di un conglomerato impiegato per $ondazioni,per murature di grande spessore e, a volte, per riempire i cassettoni dellecupole compresi tra i costoloni di muratura di mattoni disposti secondo imeridiani e i paralleli ovvero per realizzare delle cupole. #a cupola del antheona /oma !che raggiunge un diametro di &en 1m" 2 un esempio dellimpiego diquesto conglomerato, al cui interno si ritrovano cocci di laterizio e di altromateriale, in quanto il con$ezionamento del &etunium era anche loccasioneper smaltire notevoli quantit* di materiali di risulta.l legante, come dice la parola stessa, 2 un materiale che ha la caratteristica dilegare assieme gli altri materiali con cui viene a contatto; la pozzolana 2 uncemento naturale: i romani ne realizzavano una malta che utilizzavano perlegare insieme i conci di pietra che utilizzavano per le costruzioni.Allepoca $u anche inventata e ampiamente utilizzata la tecnica dellopuscaementitium, che consisteva nella realizzazione di elementi murari inelevazione costitutiti da due strati di mattoni con al centro un cuore'

realizzato da una mescolanza di maltae di caementa, ossia pietre grezze o$rammenti di pietra spezzati o ghiaia. (on lutilizzo di queste tecnologie $uronorealizzate grandi opere capaci di durare fno ai nostri giorni; la pozzolana ha,
http://it.wikipedia.org/wiki/Malta_(materiale)http://it.wikipedia.org/wiki/Malta_(materiale)


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in$atti, anche unottima resistenza allacqua: 2 un legante idraulicoche, acontatto con lacqua, aumenta la sua capacit* portante.3uttavia, come qualsiasi elemento non rinnova&ile, anche la pozzolana, dopoun po, 2 destinata a terminare, quindi, oggi, 2 stata sostitutita con un leganteartifciale che deriva dalla cottura e macinazione di pietre naturali: il cemento.

vantaggi sono molteplici e, $ra questi, troviamo il &asso costo di produzione.+n altro vantaggio 2 rappresentato dal $atto che il cls, una volta induritoottiene ottima resistenza alle sollecitazioni meccaniche !quasi esclusivamentedi compressione", ma, appena mescolato, 2 in $orma )uida risultando, cos4,idoneo ad assumere la $orma di qualsiasi contenitore nel quale lo si versi;lindurimento avviene nel giro di 5671 ore, mentre sviluppa le pienecaratteristiche di resistenza dopo 10780 giorni.Alla &ase della maggior parte dei cementi si ha il (emento ortland, che 2costituito da:

(alce !(a": 06 % in peso -ilice !-i1": 5616 % in peso Allumina !Al18": 5 % in peso ssido $errico !


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H-A-CH-S-C)OAl,(SiOpozzolanaOHCa(OH) 2v32222 +++

#a velocit* v1di presa > molto maggiore della precedente v5, ed inoltre lastruttura della pasta, costituita da (E-EF e (EAEF, risulta molto piG resistente.Ha il successo della com&inazione calceEpozzolana si deve soprattutto allareazione di presa, che pu= avvenire autonomamente, anche al di $uori delcontatto con l?aria. er tale motivo, mentre un calcestruzzo a &ase di calceaerea risulta tanto piG indurito quanto piG > poroso, la resistenza di uncalcestruzzo a &ase di calceEpozzolana aumenta con la sua compattazione.

(A/A33I/-3(A

(IHIJ3 AJ3( A DA-I K

(alce (alceEozzolana

ndurimento (a(8 (E-EF ; (EAEF

Celocit* v5 v1Lv5

/esistenza meccanica 1E J7mm1 50E10 J7mm1

Aria !(1" ndispensa&ile Jon necessaria

(omportamentoallacqua

Hediocre ttimo

(on la caduta dell?mpero romano, soprattutto lontano da /oma inizi= un lentoma inesora&ile declino nelle qualit* delle costruzioni e si > molto discusso fnoalla met* del diciottesimo secolo su quale $osse il segreto che i /omanipossedevano per la produzione del loro gagliardo calcestruzzo. n eBetti ilsegreto era rintraccia&ile nelle opere di Citruvio.(on il risveglio umanistico si iniziarono a rileggere le opere di Citruvio e di linioilCecchio e nel 555 il domenicano Miovanni Honsignori !Fr Giocondo" cur= unariedizionedellopera di Citruvio, cui seguirono numerosissime altre traduzioni sino alla

fnedell600. A seguito di ci=, soprattutto in de lArt de &Ntir'".


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+na scoperta rivoluzionaria $u quella dellacalce idraulica, in sostituzione dellamiscela di calce e pozzolana. Issa > datataintorno al 5O0 ad opera dell?ingegnereingleseJohn Smeaton. l materiale inquestione era ottenuto per cottura di un

calcare contenente impurezze argillose!circa l?55%". #e sue propriet* erano dovutealle reazioni di termodecomposizionedell?argilla e del calcare:

OHzOAlySiOxOHzOAlySiOx 23222322 ++

COCaOCaCO 23 +

che poi portavano alla sintesi di silicati e alluminati di calcio:

SiO2CaOSiO2CaO 22 +

OAlCaOOAlCaO 3232 +

#a scoperta della calce idraulica segna la transizione dal vecchio al nuovocalcestruzzo, giacch> gli sperimentatori impararono a governare un nuovoprocesso di sintesi che piG tardi porter* al cemento ortland.-oprattutto in nghilterra ed in


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E il cemento di Frost!nghilterra 5655";E il cemento inglesedella stesso


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compressione precedente alla sua posa in opera; ci= comporta che, allaggiunta dei carichi, sicrei una sollecitazione di trazione uguale in modulo allazione di compressioneprecedentemente impressa al cls: in tal modo la trave risulta scarica a trazione.

#a $ormazione della calce di idrolisi tra i prodotti dell?idratazione del cementostimol= la $antasia del tedesco Hichelis, che, nel 5661, propose l?aggiunta dipozzolana al cemento ortland:

2

vCa(OH)H-A-CH-S-CacquaPortlandceento 3 +++

H-A-CH-S-CCa(OH))OAl,(SiOpozzolana 2v2322 ++

iG recentemente le pozzolane sintetiche !cenere volante, $umo di silice, ecc.",provenienti tutte da altri processi industriali hanno rilanciato il ruolo dellapozzolana in vista di due importantissimi o&iettivi di questo fne secolo:E ridurre i consumi energetici grazie alla parziale sostituzione del cementoortland con ozzolana;E utilizzare vantaggiosamente i rifuti solidi di altri processi industriali. diversi componenti vengono cotti ad elevata temperatura !500U500 P("$ormando il clinSer che, raBreddato e macinato 500 500 con una piccolaaggiunta di gesso, $ornisce il cemento.

cottura di minerali calcarei e argillosia 500P(

composto granuloso: cliner

clinSer raBreddato macinato cementocapace di reagire con lacqua $ormando prodotti con spiccate propriet* leganti

Kurante la clinSerizzazione i composti primi si com&inano per $ormare: -ilicato tricalcico !(8-" -ilicato &icalcico !(1-" Alluminato tricalcico !(8A" AlluminatoE$errite tetracalcico !(A


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con indurimento rapido o normale.@uesti tre valori distinguono i cementi di scarsa qualit* da quelli di &uonaqualit*. questi !che occupano quantit* sullordine di 5E1% rispetto al cemento"modifcano sostanzialmente le qualit* del cls sia in $ase di getto che di indurimento; gli additivinon regolano solo la velocit* di indurimento, ma hanno vari scopi: uno dei piG importanti 2 ilcosiddetto ritardante di presa, che 2 utile allorquando il calcestruzzo non viene prodotto incantiere, ma in sta&ilimenti specializzati, dai quali questo viene autotrasportato con il rischio,quindi, di su&ire anche ingenti ritardi. @uesto additivo $a spostare di due o tre ore linizio delpassaggio di $ase del cls da )uido a solido.

(i sono anche additivi acceleranti di presache permettono di svolgere lavori da concludere intempi stretti: dopo 56 ore dallistante del getto il cls ha gi* resistenza.+n ulteriore additivo 2 il riduttore di acqua: non 2 un &ene aggiungere troppa acquaallimpasto; tale errore, in$atti, porta alla riduzione della resistenza del calcestruzzo. (onlaggiunta di questo additivo limpasto resta )uido, pur con una percentuale di acquacontenuta.Altri due elementi $ondamentali sono le aggiunte minerali, che derivano da scarti di altreproduzioni e che sono la silica fume !o fumo di silice" e la cenere &olante; queste sonorispettivamente gli scarti di lavorazione di silicio !per la produzione di materiali elettronici" e diacciaio. @uesti due materiali hanno un alto contenuto di silice e allumina; non 2 un caso chesiano proprio i due materiali caratteristici della pozzolana. @uesti due materiali hanno, inoltre,un potere legante maggiore di quello del cemento. +na diBerenza consiste nel $atto che,mentre il $umo di silice ha dimensione dei granuli nellordine di 50 volte minore rispetto a

quella dei grani del cemento, la cenere volante ha granulometria prossima a quella delcemento. @uesto signifca che il primo elemento pu= andare ad occupare gli spazi vuoti lasciatidal cemento: ci= porta a numerosi grossi vantaggi: aumento della resistenza, dellacompattezza e dellimpermea&ilit* allacqua e agli agenti atmos$erici nocivi del cls. @uestecaratteristiche rendono idonea la silica $ume per la realizzazione di strutture con cementoarmato a $accia vista.

Cediamo le composizioni dei vari tipi di cemento:


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Jella seguente ta&ella, invece, sono riportate le resistenze delle varie classisecondo la normativa +J IJ 59OE5

(lasse diresistenza

/esistenza a compressione !Ha"3empo di

iniziopresa

min

-ta&ilit*!espansio

ne"

min

/esistenza iniziale/esistenza

normalizzata1 giorni O giorni 16 giorni

81, J E 5,081, W 1, O

W 50

81, / 50,0 E1, J 50,0 E

1, W 1,

01, / 10,0 E1, J 10,0 E

1, E 1, / 80,0 E

L"ac#ua

#acqua com&inandosi con il cemento !idratazione" d* luogo allapresachetras$orma limpasto )uido in una massa solida. Issa deve svolgere anche la$unzione di lu&rifcante nellimpasto rendendolo sucientemente )uido da

essere lavora&ile. Keve essere, inoltre, in quantit* superiore a quellastrettamente necessaria per lidratazione del cemento !2 suciente il 1E8%, macomunemente se ne utilizza il % in peso"; come detto, questo perch>


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limpasto risulti lavora&ile; &isogna, tuttavia, prestare attenzione a noneccedere con la quantit* da aggiungere perch> allaumentare delleccessodacqua, peggiorano sensi&ilmente le caratteristiche meccaniche del cls.vviamente essa non deve contenere acidi in proporzioni eccessive !lacidosol$orico !8%" comporta la $ormazione di gesso, che rigonfa" n> di zuccheri. #a

normativa italiana sta&ilisce che lacqua per gli impasti deve essere limpida,priva di sali !particolarmente sol$ati e cloruri" in percentuali dannose, e nonessere aggressiva.

$li inerti

Mli inerti $ormano lo scheletro del calcestruzzo e ne costituiscono lapercentuale prevalente in peso e volume: la loro qualit* 2 determinante per la&uona riuscita del cls: una &uona pietra, con resistenza elevata 2 condizionenecessaria per avere un calcestruzzo di qualit* elevata.3anto piG il cls 2 compatto, tanto migliore 2 la sua qualit*; risulta logico, quindi,prestare molta attenzione alla granulometria degli inerti, che deve essereottenuta mescolando in proporzioniopportune aggregati di diverso tipo ediametro:

Aggregati a grana grossa !ghiaia opietrisco"

Aggregati a grana fne !sa&&ia"@uesti si potranno suddividere secondo:

a" l peso specifco

&" #a $orma e le dimensionic" Altre caratteristiche petrografche, fsiche e chimiche.

a" (lassifcazione in &ase al peso specifco: nerti normali: si ottengono i calcestruzzi ordinari !peso specifco

c.a. 1800 Sg7m8" nertipesanti: si ottengono calcestruzzi fno a 000 Sg7m8!per

grosse zavorre o schermi contro radiazioni" nerti leggeri!pomice, scorie vulcaniche, amianto, materiali

artifciali espansi, aria": si ottengono calcestruzzi con peso specifco

fno a 5100 Sg7m8

con ridotta resistenza a compressione&" (lassifcazione in &ase alle dimensioni:

nerti a grana grossa !ghiaia o pietrisco" nerti a grana fne !sa&&ia"

La curva granulometrica

l controllo della granulometria si $a tracciando la curva granulometrica dellamiscela !distri&uzione percentuale delle grandezze degli inerti".+nespressione ideale della distri&uzione delle grandezze 2 data da


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Kove 2 il diametri massimo degli inerti del gruppo prescelto, dil diametro intermediogenerico e Pdla percentuale in peso passante il setaccio di diametro d.ccorre verifcare che la curva granulometrica sia contenuta allinterno di unazona !$uso di


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nfne a&&iamo ilcalcestruzzo dicemento$ormato daacqua, cemento,sa&&ia e pietrisco.

(ome detto, questecomponenti vannomescolate in preciseproporzioni; incantiere ci si pu=aiutare con degliindici: ad esempio per5 m8di calcestruzzo, siutilizzano circa 878,quintali di cemento,0,00 m8di sa&&ia,0,600 m8di pietrisco eun rapportoacqua7cemento di 0,70, !507560 l7m8". -i pu= osservare che, gi* operando lasomma $ra sa&&ia e pietrisco, si supera a&&ondantemente 5 m8; questo perch>si tiene conto del $atto che i vari elementi vanno ad occupare gli spazi lasciativuoti da quelli di granulometria maggiore.#a resistenza a compressione $cdel calcestruzzo si caratterizza con prove arottura di compressione si cu&i o cilindri di opportune dimensioni calcolando latensione corrispondente al carico massimo applicatoper causare la rottura del provino.

c

axc

A

P! =

-ulla &ase della resistenza a compressione, ilcalcestruzzo pu= essere classifcato in:

(ls a &assa resistenza: resistenza minore di 10Ha

(ls a moderata resistenza: resistenza $ra 10 e 0Ha

(ls ad altra resistenza: resistenza superiore a 0Ha

%attori c&e in'uenzano la resistenza

-ono: @uantit* di cemento (omposizione degli aggregati /apporto acqua7cemento Additivi

(ondizioni am&ientali durante la maturazione

(uantit) di cemento


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#a resistenza del calcestruzzo aumenta quasi proporzionalmente al quantitativodi cemento impiegato; tuttavia dosi eccessive !L00 Sg7m8" sono inutili oaddirittura dannose.

$li a**re*ati

Mli aggregati devono essere di &uona qualit*, puliti e dosati accuratamente.

Rapporto ac#ua+cementoer la presa sono necessari circa 80 litri di acqua per ogni quintale di cemento,ma per rendere il calcestruzzo lavora&ile questa quantit* deve aumentare!circa il doppio". 3uttavia allaumentare del rapporto acqua7cemento !a7c" leprestazioni del calcestruzzo peggiorano drasticamente. #aggiunta di)uidifcanti o super)uidifcanti consente limpiego di valori piG &assi derapporto !a7c".

Le condizioni am,ientali#a velocit* della presa del cemento aumenta rapidamente con la temperatura.er= il caldo secco e linsolazione diretta sono dannosi, perch> produconolevaporazione dellacqua superfciale che quindi viene a mancare per la presadel cemento. l getto in estate perci= deve essere tenuto coperto e &agnato.l $reddo rallenta la presa. -e lacqua gela, la $ormazione del ghiacciointerrompe il processo e la dilatazione rompe i legami gi* $ormati.

n)uenza del rapporto a7c sulla resistenza meccanica di un


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La sta*ionatura

processi chimici della presa del cemento si protraggono per un lungo periododi tempo !anni"; le prestazioni meccaniche variano di conseguenza. #econdizioni di umidit* durante la stagionatura in)uenzano la resistenza fnaledel cls. +na maturazione accelerata si pu= ottenere con trattamenti con vaporead alta temperatura !a 1 ore si hanno gi* resistenze dellordine del 0% delleresistenze a 16 giorni con normale maturazione".

La-ora,ilit)#a lavora&ilit* 2 una propriet* importante del calcestruzzo, in quanto essaconsente di ottenere getti compatti, privi di cavit* e di$etti. #e prime 6 ore

sono molto importanti per le per$ormance di una struttura di cls. (ontrollano ilcomportamento a lungo termine, la resistenza, il modulo elastico, la viscosit* ela dura&ilit*. #a lavora&ilit* si migliora aumentando il contenuto in acqua, cheper= riduce la resistenza. #a compattazione si migliora con la vi&razione o conlaggiunta di )uidifcanti o super)uidifcanti.

Kue $enomeni $ondamentali nello studio del comportamento del calcestruzzosono la presa e lindurimento:lapresaconsiste in un progressivo irrigidimento della pasta di cemento!passaggio allo stato )uido allo stato solido del getto". 3erminata la presa, iniziail processo di indurimentodel calcestruzzo, ovvero la $ormazione di

microcristalli di silicati ed alluminati idrati di calcio che si sviluppano intorno aigranuli di cemento e si raggruppano in $ogli, rotoli e $asci, $ormando i geli cheavvolgono i granuli e riempiono lo spazio occupato originariamente dallacqua.@uesto processo viene defnito stagionatura; dalle modalit* in cui avviene lastagionatura, che ha inizio immediatamente dopo il getto, dipendono in partele qualit* del prodotto fnito. #a sua durata 2 di molti anni, ma noi consideriamocome periodo necessario allo sviluppo della resistenza del cls 16 giorni.#a stagionatura 2 anche lintervallo di tempo in cui deve essere protetto il gettodi calcestruzzo: ad esempio, durante questa $ase, in cantiere, ogni due o treore viene &agnato il getto con acqua per garantire la giusta quantit* di umidit*;se invece c2 molto $reddo, di solito, si pre$erisce non gettare proprio il cls,perch> le temperature &asse danno una cattiva stagionatura; ugualmentetemperature molto alte danno lo stesso eBetto. Jel primo caso, in$atti, lacquapu= congelare, nel secondo essa pu= evaporare troppo $acilmente. Altre


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precauzioni che si adottano spesso in cantiere, durante la stagionatura, sonolutilizzo di teli umidi con i quali il getto viene avvolto, oppure la possi&ilit* di&agnare i casseri in legno ecc. l mancato rispetto di dette precauzioni pu=causare unalterazione o una perdita di alcune delle caratteristiche delcalcestruzzo.

Kal diagramma aanco si capisce come la temperatura in)uenzi la resistenzadel cls durante il periodo di indurimento. Al contrario, per temperature nonmolto elevate, il gradiente dellindurimento 2 a&&astanza grande. Atemperature di 0P, infne, si capisce come la resistenza aumenti di pochissimo

proprio a causa del congelamentodellacqua.

n)uenza della temperatura sul tempo di

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