IL CALCESTRUZZO LEGGERO STRUTTURALE CON INERTI DI POMICE

1. PREMESSA

L’impiego di calcestruzzi leggeri in ambito struttu-rale è una pratica diffusa ormai da più di mezzosecolo. Le prime significative ed interessanti appli-cazioni di questo materiale, infatti, si sono avute apartire dagli anni ‘50 negli Stati Uniti con la costru-zione del ponte sulla baia Chesapeake nelMaryland (7 km di lunghezza) e con la realizzazio-ne di alcuni edifici a torre come i due palazzi dellasede della Prudential Life Insurance Co. diChicago (28 piani). Negli anni successivi, numero-se grandi opere quali ponti, coperture di grandeluce e grattacieli sono state realizzate facendo usototale o parziale di calcestruzzi leggeri strutturali.Fin dalle prime applicazioni, la quasi totalità deicalcestruzzi leggeri strutturali è stata realizzatafacendo uso di aggregati leggeri artificiali, in parti-colare, argille e scisti espansi sicché, anche inambito normativo, si è finito per far coincidere ladefinizione di calcestruzzo leggero strutturale conquella di calcestruzzo con aggregati leggeri diargilla o scisti espansi (UNI 7548).Nella presente memoria vengono illustrati i risulta-ti di una campagna sperimentale in cui, partendodai risultati di alcune precedenti esperienze, ci si èposti l’obiettivo di mettere a punto calcestruzzi leg-geri caratterizzati da prestazioni meccaniche talida poter essere utilizzati in ambito strutturale,impiegando un aggregato leggero naturale, lapomice di Lipari, in alternativa agli aggregati artifi-ciali normalmente utilizzati.Le prove sperimentali condotte hanno evidenziatoche è possibile, utilizzando un attento mix designe additivi per calcestruzzo di ultima generazione,confezionare calcestruzzi leggeri con pomice diLipari caratterizzati da buona lavorabilità, assenzadi segregazione, massa volumica compresa tra1600 e 1800 kg/m3 e resistenza caratteristica acompressione compresa tra 25 e 30 MPa. I valori

di resistenza a trazione e di aderenza acciaio/cal-cestruzzo riscontrati sono paragonabili a quellipropri di un conglomerato ordinario di pari resi-stenza meccanica a compressione.Il calcestruzzo leggero con inerti di pomice, al paridegli altri calcestruzzi leggeri, è caratterizzato daun modulo elastico inferiore a quello conseguibilecon un conglomerato ordinario di pari resistenzameccanica a compressione, in conseguenza dellaminore rigidità dei granuli di aggregato leggerorispetto agli aggregati impiegati per la produzionedei normali calcestruzzi. Questa caratteristica,apparente sfavorevole, rappresenta però un van-taggio in presenza deformazioni impresse dovutealle variazioni termiche, al ritiro o al creep alle qualiconsegue una stato di coazione più blando in virtùdella maggiore deformabilità. Di estremo interesse sono i dati di penetrazionedei cloruri e dell’anidride carbonica registrati inprove di esposizione accelerata. I calcestruzzi rea-lizzati con aggregati di pomice, a dispetto dellaloro elevata porosità, hanno mostrato una penetra-zione dei cloruri nettamente inferiore a quella regi-strata in calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c.La penetrazione dell’anidride carbonica è risultatauguale o leggermente minore di quella registratanei calcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c. Neconsegue che i calcestruzzi realizzati con aggre-gati di pomice mostrano la stessa durabilità deicalcestruzzi ordinari di pari rapporto a/c (e, quindidi prestazioni meccaniche notevolmente superiori)se esposti ad ambienti che prevedono rischio dicarbonatazione e una durabilità nettamente miglio-re di questi, se esposti ad ambienti marini o conte-nenti cloruri.

R. Troli*, S. Collepardi*, M. Collepardi***Enco, Engineering Concrete - Spresiano (TV)

**Politecnico di Milano

2. INTRODUZIONE

Si definiscono leggeri quei calcestruzzi caratterizzatida una massa volumica variabile tra 300 e 2000 kg/m3

essendo la massa volumica di un calcestruzzo ordina-rio compresa normalmente tra 2200 e 2600 kg/m3.La bassa massa volumica del calcestruzzo leggero èimputabile alla presenza di un sistema di vuoti i quali,oltre alla leggerezza, conferiscono al materiale miglio-ri proprietà di isolamento termico ed assorbimentoacustico(1).L’introduzione di un sistema di vuoti nel conglomeratocementizio e, quindi, la produzione del calcestruzzoleggero, si realizza sostanzialmente in tre modi(2):- sostituzione degli inerti ordinari con inerti leggerinaturali o artificiali caratterizzati, nella maggior partedei casi, da un’elevata porosità e, quindi, da una ridot-ta massa volumica;- inglobamento in una malta di un sistema di bolle d’a-ria oppure di gas di dimensioni dell’ordine del millime-tro, mediante aggiunta all’impasto di una schiuma pre-formata oppure di sostanze capaci di sviluppare gas inambiente alcalino;- utilizzo di un inerte grosso ordinario monogranulare icui granuli vengono legati da un sottile strato di solapasta di cemento, in modo da creare un sistema dialveoli grossolani tra i granuli dell’inerte.Nel primo caso si parla di “calcestruzzi con aggregatileggeri”, nel secondo di “calcestruzzi cellulari”, anchese a rigore si dovrebbe parlare di “malte cellulari”, nelterzo di “calcestruzzo alveolari”.I calcestruzzi leggeri strutturali appartengono allaprima di queste tre famiglie in quanto solo utilizzandoaggregati leggeri inseriti in una matrice cementiziaordinaria è possibile coniugare il requisito di “leggerez-za” con le esigenze di carattere statico richieste per unconglomerato da destinare alla realizzazione di struttu-re armate e precompresse. Suddetti calcestruzzi sononormalmente caratterizzati da massa volumica variabi-le tra 1400 e 2000 kg/m3 (DM 09/01/96) e da resisten-ze meccaniche a compressione maggiori di 15.Il costo per m3 di calcestruzzo leggero strutturale èsuperiore a quello di un calcestruzzo ordinario. Ciò èdovuto, soprattutto, al maggior costo di produzionedegli aggregati leggeri artificiali rispetto a quelli ordina-ri, ma anche, alla bassa densità territoriale delle fontidi approvvigionamento di tali inerti che comporta unaelevata incidenza del costo di trasporto sul costo tota-le. Questo maggior costo del conglomerato leggero strut-turale rispetto a quello ordinario ha finito per relegarnel’uso a strutture “speciali” come ponti e coperture digrande luce ed edifici a torre di notevole altezza, dovei carichi permanenti costituiscono una porzione pre-ponderante dei carichi totali previsti. In questi casi,infatti, la riduzione di sezione resistente, conseguibilecon la diminuzione dei carichi permanenti, consente di

recuperare parzialmente o totalmente il maggiorcosto del materiale impiegato. Per essere utilizzatoin queste applicazioni “speciali”, il calcestruzzo leg-gero deve possedere, di regola, prestazioni mecca-niche notevoli (40÷50 MPa) che ne aumentano ulte-riormente il costo e limitano fortemente le possibili-tà di scelta sul tipo di aggregati da utilizzare per ilsuo confezionamento.In realtà, se fosse possibile confezionare calce-struzzo leggeri con costi ragionevolmente più bassi,si potrebbe estenderne l’uso anche a costruzioni più“ordinarie” traendone innegabili benefici. Utilizzando calcestruzzo leggero strutturale, adesempio, sarebbe possibile costruire sopraelevazio-ni di costruzioni esistenti che non sono sufficiente-mente resistenti da poter sopportare il peso di strut-ture in calcestruzzo ordinario. Realizzando solai rigi-di a lastra con conglomerato leggero strutturale,inoltre, sarebbe possibile eseguire interventi di ade-guamento sismico di edifici in muratura senza incre-mentare eccessivamente le azioni sismiche che,come è noto, sono proporzionali alle masse ingioco.Per queste applicazioni “di ogni giorno”, occorronocalcestruzzi leggeri caratterizzati da resistenzameccaniche non elevatissime (25÷30 MPa) analo-ghe, cioè, a quelle dei calcestruzzi ordinari normal-mente impiegati.

3. LA POMICE DI LIPARI

La pomice è una roccia ignea effusiva molto leggera e porosa, formatasi durante eruzioni di tipo esplosivo.Nel corso di queste eruzioni, i gas vulcanici dissolti nella parte liquida del magma espandono rapidamente edanno vita ad una sorta di schiuma la cui parte liquida, raffreddandosi e solidificandosi con altrettanta rapidi-tà, assume un aspetto vetroso attorno alle bolle di gas. Tutti i tipi di magma (basalto, andesite, dacite, e rioli-te) possono, in opportune condizioni, formare pomice, sebbene questo termine sia più spesso associato aimagmi di tipo acido (ad elevato contenuto di silice) che, essendo più viscosi, danno vita più facilmente ad eru-zioni di tipo esplosivo e intrappolano più facilmente le bolle di gas.La pomice di Lipari, rispetto a pietre analoghe di altra provenienza, si distingue per un più elevato contenutodi silice (70% contro il 50-60% medio delle altre pomici) che conferisce a questo materiale una maggioredurezza e una maggiore resistenza agli agenti chimici.Dal punto di vista della struttura fisica, la pomice di Lipari può essere definita come una schiuma solida carat-terizzata da una elevatissima porosità (fino all’85%). I pori possono essere distinti in macropori (dimensionedell’ordine di grandezza del millimetro) e micropori (dimensioni variabili da 1 a 100 mm).Il diametro medio dei micropori è di circa 5 mm e la loro lunghezza media si aggira intorno ai 1500 mm. Questovuol dire che granuli di pomice con dimensione superiore a 1500 mm (1,5 mm) presentano al loro interno poro-sità chiuse, ossia, non comunicanti con l’esterno.Le pareti divisorie tra i pori hanno uno spessore medio di 1 mm è sono organizzate in modo da costituire unastruttura sferica o pseudopoliedrica.Caratteristica particolare del giacimento di pomice dell’isola di Lipari è quello di essersi formato per effetto diun unico episodio eruttivo cosa che conferisce particolare omogeneità alle caratteristiche fisico-meccanichedel giacimento (Fig. 1).Per la sua composizione chimica costituita prevalentemente da silice amorfa, la pomice di Lipari ha unaapprezzabile attività pozzolanica cosa che comporta l’instaurarsi di legami chimici tra aggregati e pastacementizia e attribuisce alla struttura realizzata con il calcestruzzo leggero particolari doti di durabilità.La pomice è stata utilizzata come materiale da costruzione fin dall’antichità. L’esempio forse più noto e piùeclatante è stata la costruzione, nel II secolo d.C., della cupola del Pantheon (Fig. 2) nella quale, allo scopodi contenere i pesi, i costruttori fecero ampio uso di conglomerati a base di pozzolana, calce e pomice. Altroesempio notevole, anche se meno noto, di conglomerati realizzati, sempre in epoca romana, con aggregatileggeri naturali sono i moli del porto di Cosa, sito archeologico dell’Argentario.

Fig. 2 - Interno della cupola del Pantheon Fig. 1 - Giacimento di pomice nell'isola di Lipari

4. ATTIVITA' SPERIMENTALE

L'obiettivo della ricerca sperimentale è stato quello di ottimizzare la composizione di due calcestruzzi leggerirealizzati facendo uso di pomice di Lipari. I calcestruzzi sono stati messi a punto in modo da rispettare i vin-coli prestazionali e composizionali prefissati dalla normativa vigente (UNI 7548/1) per i calcestruzzi leggericon funzione strutturale tipo LC3 (Rck = 25 N/mm2; massa volumica a secco compresa tra 1200 e 2000kg/m3)

4.1 Prestazioni dei calcestruzzi messi a punto

Nell’ottimizzazione del calcestruzzo leggero strutturale si è fatto riferimento ai seguenti obiettivi prestazionalie alle seguenti denominazioni (UNI 7548/1):

Calcestruzzo LC3 25/1.45:• Rck = 25 N/mm2;• Massa Volumica: 1550-1650 kg/m3 (1450 kg/m3 su provini asciutti);• Lavorabilità dopo 30’: S4 (slump 16-20 cm);

Calcestruzzo LC3 30/1.65:• Rck = 30 N/mm2;• Massa Volumica: 1700-1800 kg/m3 (1650 kg/m3 su provini asciutti);• Lavorabilità dopo 30’: S4 (slump 16-20 cm);

4.2 Materiali utilizzati

Per l’esecuzione del programma sperimentale sono stati utilizzati:

Cemento: CEM I 52.5RAdditivi: Superfluidificante a base acrilicaAggregati leggeri: Pomice di Lipari in pezzatura da 0 a 10 mmAggregato ordinari: Sabbia di fiume silicea con pezzatura da 0 a 8 mm

Il Calcestruzzo LC3 25/1.45 è stato confezionato facendo uso esclusivamente di aggregato leggero. NelCalcestruzzo LC3 30/1.65 parte della pomice è stata sostituita con la sabbia di massa volumica ordinaria. A differenza di quanto è stato fatto in precedenti campagne sperimentali (3), (4), la pomice di Lipari è statautilizzata in una pezzatura effettivamente disponibile nella cava, senza alcuna vagliatura o asportazione dellefrazioni fini. Questo al fine di conservare la relativa economicità di questo materiale rispetto agli aggregati leg-geri artificiali.

4.3 Caratterizzazione delle materie prime

La prima fase della sperimentazione è consistita nella caratterizzazione delle materie prime e, in particolare,degli aggregati utilizzati (sabbia naturale e pomice "0-10" mm) sui quali sono state condotte le seguentideterminazioni: • Analisi granulometrica della sabbia naturale (UNI 8520/5);• Analisi granulometrica degli aggregati leggeri (UNI 8520/5 e non UNI 7549/3 per poter eseguire la combi-nazione granulometrica con la sabbia); • Massa volumica in mucchio della sabbia naturale asciutta (UNI 8520/6); • Massa volumica in mucchio dell’aggregato leggero asciutto (UNI 7549/4);• Massa volumica media s.s.a. e assorbimento della sabbia ordinaria (UNI 8520/13);• Massa volumica media degli dell’aggregato leggero asciutto (UNI 7549/5);• Coefficiente di imbibizione (assorbimento) a 30 minuti, 1 giorno e 7 giorni dell’aggregato leggero (UNI7549/6);

In Tabella 1 vengono riportati i dati relativi all’analisi granulometrica, assorbimento, massa volumica in muc-chio e massa volumica media rispettivamente per la sabbia e per l’aggregato leggero.