ottobre 13 1

Innocenzo Mastronardi, Ingegnere civile appartenente all’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bari,

abilitato alla l. 818/84, PhD student in S.O.L.I.P.P. XXVI Ciclo Politecnico di Bari

INTRODUZIONE

Il calcestruzzo per la sua natura ignifuga, funge da barriera fisica tra l’intenso calore di un incendio dell’edificio e l’elemento strutturale. Questo materiale “protettivo”, durante l’innalzamento della temperatura, è soggetto al dannoso fenomeno dello “spalling”.

Il distacco del calcestruzzo ad alte temperature è un importante fattore di riduzione della resistenza al fuoco che può portare, nei casi più gravi, ad un effetto deleterio sulla resistenza delle strutture in cemento armato. Risulta importante garantire la capacità portante in caso di incendio, per una struttura, per una parte della struttura o per un elemento strutturale nonché la capacità di compartimentazione rispetto all’incendio per gli elementi di separazione sia strutturali, come muri e solai, ed anche non strutturali, come porte e tramezzi. L’obiettivo di questo articolo è quello di fornire elementi utili a poter descrivere il processo di trasporto del calore all’interno della matrice cementizia che porta al fenomeno dello spalling.

LA PROGETTAZIONE ANTINCENDIO

Una buona progettazione antincendio di strutture in calcestruzzo è un aspetto importante che dovrebbe essere preso in considerazione ogni qual volta prende vita una struttura. Infatti, il fuoco rappresenta, per gli elementi strutturali, una delle condizioni più severe e critiche, quindi, la prestazione di adeguate misure di sicurezza antincendio è un requisito di sicurezza fondamentale, al punto che, quando le altre misure per contenere il fuoco falliscono, l’integrità strutturale è l’ultima linea di difesa[1]. Per comportamento al fuoco si intende quell’insieme di trasformazioni fisiche e chimiche di un materiale sottoposto all’azione del fuoco. Il comportamento al fuoco comprende la resistenza al fuoco delle strutture e la reazione al fuoco dei materiali. Con la resistenza al fuoco si fornisce una delle fondamentali strategie di protezione da perseguire per garantire un adeguato livello di sicurezza della costruzione in condizioni di incendio. Si considerano due tipi di protezione: attiva e passiva. Le misure di protezione attiva vengono rappresentate dal monitoraggio delle condizioni all’interno dell’edificio con gli impianti di rivelazione e di segnalazione. Si evidenzia inoltre la presenza degli estintori, la predisposizione di una rete idrica antincendio, il conseguente utilizzo di impianti di spegnimento e gli evacuatori di fumo e calore. La protezione passiva si basa, invece, su come poter evitare di provocare danni ingenti alle strutture, di conseguenza si basa sull’utilizzo dei materiali da dover utilizzare, che devono possedere adeguate caratteristiche di reazione e resistenza al fuoco, per garantire l’integrità strutturale ed evitare l’accrescere del

Il fenomeno dello spalling nel calcestruzzo

esposto alle alte temperature

Sottotitolo articolo (CALIBRI 16, GRASSETO CORSIVO)

ottobre 13 2

carico d’incendio. Tra le altre misure di sicurezza passive si annoverano: le distanze di sicurezza, il sistema di ventilazione e il sistema di vie d’uscita.

Figura 1 . Misure attive e passive di sicurezza antincendio

L’importanza di poter garantire tali misure, durante e dopo l’evento, è essenziale per la sicurezza degli occupanti, per le zone limitrofe e per l’ambiente. Infatti, al fine di limitare i rischi derivanti dagli incendi, le costruzioni devono essere progettate, realizzate e gestite in modo da garantire:

1. la stabilità degli elementi portanti per un tempo utile ad assicurare che gli occupanti lascino l’opera indenni o che gli stessi siano soccorsi in altro modo e che le squadre di soccorso possano operare in condizioni di sicurezza;

2. la limitata propagazione del fuoco e dei fumi, anche riguardo alle opere vicine per preservare l’interno degli edifici ma soprattutto per consentire l’evacuazione agli occupanti della struttura.

IL CALCESTRUZZO COME DIFESA ANTINCENDIO

Il verificarsi di un incendio mette a dura prova la stabilità portante di una struttura in conglomerato cementizio armato. In virtù delle proprietà, che possiede, quali un’elevata densità ed inerzia termica, viene favorita come la tecnologia costruttiva maggiormente utilizzata nel nostro Paese e non solo, e per la realizzazione di edifici civili ed industriali. Questo materiale, infatti, possedendo un’ottima resistenza al fuoco, non brucia, non aumenta il carico d’incendio fornendo quindi vie di fuga protette dal fuoco in caso di evacuazione, inoltre, impedisce alle fiamme di diffondersi tra le varie aree dell’edificio e ritarda eventuali crolli strutturali, riuscendo, nella maggior parte dei casi, a prevenire il crollo dell’intero edificio. La resistenza al fuoco di un elemento strutturale dipende da diversi fattori tra cui: la geometria, i materiali impiegati nella costruzione, l’intensità del carico e le caratteristiche dell’esposizione al fuoco. I fattori che influenzano il comportamento al fuoco dei materiali da costruzione possono essere raccolti in tre categorie:

1. le caratteristiche del fuoco; 2. le caratteristiche del materiale (compresi i processi di produzione e finitura); 3. le caratteristiche strutturali. 4.

L’utilizzo, ad esempio, di telai strutturali realizzati in calcestruzzo, progettati per soddisfare l’esigenza di stabilità globale in caso d’incendio, a volte, si comportano in modo addirittura

ottobre 13 3

superiore alle aspettative. La non combustibilità e il basso livello con cui aumenta la temperatura all’interno del calcestruzzo significano che la sua resistenza non viene intaccata in maniera significativa in caso d’incendio. Inoltre, la resistenza al fuoco intrinseca offre una protezione passiva nel tempo. È l’unico materiale da costruzione che non ha bisogno di misure di protezione attiva, quali la predisposizione di particolari tipi di impianti di spegnimento per migliorare il suo comportamento in caso d’incendio[2]. Tra l’altro, è uno tra i pochi materiali da costruzione che può essere successivamente recuperato e riutilizzato. L’utilizzo consiste nel rivestimento esterno della sezione per ritardare il trasferimento del calore proteggendo gli elementi costruttivi visto, come è noto, che le barre d’armatura in acciaio, utilizzate per realizzare il cemento armato, risultano, molto influenzabili al crescere della temperatura. Il calcestruzzo prodotto con un aggregato siliceo mostra una resistenza al fuoco inferiore a quella realizzata con calcestruzzo con aggregato di tipo carbonatico.

Figura 2. Resistenza acciaio da c.a.

Gli acciai per cemento armato ordinario sottoposti all’azione del fuoco fino alla temperatura di 350 °C mantengono all’incirca la loro resistenza a rottura. Essa si dimezza a 500 °C e si annulla a 800 °C. La tensione di snervamento rimane pressoché costante fino a 250 °C e si annulla a 750 °C. Per gli acciai per cemento armato precompresso si ritiene che la resistenza a rottura si riduca al 30% a 500 °C e si annulli a 750 °C.

Il calcestruzzo, in una struttura, riveste due funzione principali:

1. portante nei confronti dei carichi esterni; 2. isolante per l’acciaio nei confronti delle sollecitazioni termiche [1].

I CAMBIAMENTI NEL CALCESTRUZZO NELLA CONDIZIONE DI INCENDIO

La trasmissione della temperatura nei solidi avviene per mezzo della conduzione. Essa avviene per propagazione diretta dell’energia termica da uno strato di materiale al contiguo col quale è in contatto. Il calore quindi si trasferisce da un corpo più caldo ad uno più freddo per contatto diretto. La quantità di calore che viene trasferita dipende dal coefficiente di conduttività termica tipico di ciascun materiale, dalla superficie di contatto e dal tempo durante il quale il contatto si protrae:

Q = k A (T2 – T1 ) t /l

dove k = conducibilità termica o coefficiente di conduzione [W/(mK)]

ottobre 13 4

A = superficie di scambio

T1 = temperatura della superficie calda

T2 = temperatura della superficie fredda

Il comportamento a caldo dei calcestruzzi dipende dalla natura degli inerti (calcarei, silicei o basaltici), dalla granulometria e dal grado di costipamento. La conduttività termica γc (W/mK) del calcestruzzo diminuisce all’aumentare della temperatura da circa 1.63 W/mK a 0 °C, a 0.93 1.63 W/mK a 500 °C. Il calore specifico rimane praticamente costante e pari a circa 0.91 J/kgK. Con l’aumentare della temperatura diminuisce la resistenza a compressione del calcestruzzo, che a 600 °C è il 45% di quella iniziale e si annulla a circa 1000 °C. Il modulo di elasticità a 200 °C risulta pari al 50% di quello iniziale, si riduce al 15% a 400 °C e al 5% a 600 °C. Se sottoposto a calore, il calcestruzzo non reagisce solo con un istantaneo cambiamento fisico, come l’espansione, ma subisce anche vari cambiamenti chimici. Questa risposta è particolarmente complessa a causa della non uniformità del materiale. Il calcestruzzo contiene cemento e aggregati, che possono reagire al riscaldamento in vari modi. Alcuni cambiamenti fisici e chimici che si verificano nel cemento sottoposto a calore sono reversibili con il raffreddamento, ma altri sono irreversibili e rischiano di indebolire la struttura in cemento dopo un incendio[3]. Nella tabella 1 vengono indicati, i cambiamenti chimici, fisici, colorimetrici e meccanici del calcestruzzo esposto all’aumento della temperatura.

Temperatura ° C Trasformazioni chimiche e fisiche Colorazione Resistenza

< 95 -100 Emissione di H20 (vapore), a volte anche

con modalità esplosiva (steam boiler effect)

Inalterato Inalterata

135 Decomposizione e disidratazione dell’ettringite

3CaO•Al2O3•3CaSo4•32H2O

Inalterato Praticamente inalterata

135 – 350 Disidratazione del gel di silicato idrato

nCaO•Sio2•mH20

Inalterato Modesta riduzione

progressiva

450 – 520 Disidratazione dell’idrossido di calcio

Ca(OH)2 → CaO + H20

Rosa/rosso Progressiva riduzione con

la temperatura

560 Trasformazione del quarzo dalla forma α alla forma β

(aggregati silicei)

Rosa/rosso Ulteriore riduzione e

disgregazione

dell’aggregato

700 – 900 Decomposizione del carbonato di calcio

(aggregati calcarei)

CaCO3 → CaO + CO2

Grigio chiaro Molto ridotta

900 - 1200 Marrone Praticamente nulla

Tabella 1. Variazione chimiche e fasi di alterazione del conglomerato cementizio.

La maggior parte dei calcestruzzi porosi contiene una certa quantità di acqua allo stato liquido che tenderà ad evaporare. La vaporizzazione dovuta all’aumento di temperatura, già a partire

ottobre 13 5

da temperature di 100-1400 C, causa normalmente un accumulo di pressione all’interno del calcestruzzo. Se la temperatura raggiunge circa 4000C, l’idrossido di calcio contenuto nel cemento inizierà a disidratarsi, generando ulteriormente vapore d’acqua e causando anche una significativa riduzione della forza fisica del materiale. Altri cambiamenti possono avvenire a temperature più elevate, per esempio, negli aggregati a base di quarzo che aumentano di volume, a causa di un trasformazione del minerale dalla forma α alla forma β, a circa 5600C, e negli aggregati a base di calcare che si decompongono a circa 8000 C. Tale aumento di calore specifico è probabilmente causato da una reazione endotermica che si verifica a causa della dissociazione della dolomite nel calcestruzzo. La risposta complessiva del calcestruzzo a causa di cambiamenti negli aggregati può essere molto importante. Ad esempio, l’espansione differenziale tra l’aggregato e la matrice cementizia può provocare fessurazioni e distacchi. In generale, la resistenza al fuoco di colonne realizzate con calcestruzzo e aggregato calcareo è di circa il 10% superiore a colonne di calcestruzzo fatto con aggregato siliceo. Questi cambiamenti fisici e chimici nel calcestruzzo avranno l’effetto di ridurre la resistenza alla compressione del materiale. In genere, il cemento manterrà la sua resistenza a compressione fino al raggiungimento della temperatura critica, che si verifica a circa 6000C, superata la quale la resistenza inizierà rapidamente a scendere. La temperatura critica del calcestruzzo è di poco superiore a quella critica per l’acciaio, ma a causa della conducibilità termica nettamente inferiore nel cemento il calore tende a non penetrare in profondità nella materia, e quindi la struttura nel suo complesso mantiene normalmente gran parte della sua resistenza[3]. Il calcestruzzo subisce una progressiva modificazione dei suoi componenti, con particolare riguardo a quelli idrati, tanto che è possibile istituire una correlazione fra la riduzione del contenuto d’acqua e la resistenza a compressione del calcestruzzo stesso (Figura 3) [4].

Figura 3. Perdita d’acqua e riduzione della resistenza in funzione della temperatura [5].

L’acqua nella miscela favorisce i fenomeni di evaporazione. Attraverso i pori del calcestruzzo penetrano sostanze gassose (ad esempio: azoto, ossigeno e anidride carbonica presenti nell'aria) oppure liquide (ad esempio acqua, nella quale sono disciolte diverse specie ioniche). Con il termine permeabilità si indica genericamente la proprietà di un calcestruzzo di consentire l'ingresso di queste sostanze. Poiché l'acqua presente nei pori ha una notevole influenza, è opportuno accennare alle forme sotto cui l'acqua è presente nel calcestruzzo in funzione delle condizioni ambientali.

ottobre 13 6

Acqua capillare

L'acqua contenuta nei pori capillari costituisce la frazione principale dell'acqua contenuta nel calcestruzzo. La soluzione acquosa contenuta nei pori di diametro maggiore di 50 nm è da considerarsi libera da forze di legame con la superficie solida (lo stesso vale anche per l'acqua presente nei vuoti da costipazione o nelle microbolle). È quindi sufficiente che l'umidità relativa dell'ambiente scenda sotto il 100%, perché quest'acqua possa evaporare. Poiché sono assenti forze di interazione chimico-fisiche tra acqua e superficie interna del poro, l'evaporazione avviene senza che il calcestruzzo subisca variazioni dimensionali.

Figura 4. Tipi di acqua presenti nel calcestruzzo

Acqua adsorbita

Una volta avvenuta l'evaporazione all'interno di un poro capillare, rimane comunque una parte di acqua adsorbita alla sua superficie sotto forma di uno strato sottilissimo. Questa, che è in buona parte allontanata se l'umidità esterna scende al di sotto del 30%, contribuisce poco ai fenomeni di trasporto ed è poco importante per i fenomeni di degrado. Il suo allontanamento comunque, provoca un ritiro della pasta cementizia e influisce sul suo scorrimento viscoso (creep).

Acqua nei pori o negli spazi interstrato del gel

L'acqua trattenuta nella matrice cementizia viene persa dal calcestruzzo solo se I'umidità esterna scende al di sotto dell'11% 3. Non ha alcuna influenza sulla corrosione delle armature perché i pori del gel, sono troppo piccoli per consentire processi di trasporto con velocità apprezzabile. Ha invece influenza sul ritiro e sullo scorrimento viscoso. Il movimento delle sostanze fluide all'interno del calcestruzzo può avvenire attraverso due meccanismi di base l’assorbimento capillare per effetto dell'azione capillare all'interno dei pori e la permeazione sotto l'azione di un gradiente di pressione. La cinetica di questi processi di trasporto dipende, oltre che dal meccanismo con cui avviene, dalle caratteristiche del calcestruzzo (in particolare dalla porosità e dalla presenza di fessure), dai legami che si stabiliscono tra le specie trasportate e i costituenti del calcestruzzo, dalle condizioni ambientali localmente presenti alla superficie esterna del calcestruzzo e dalle loro variazioni nel tempo[6].

ottobre 13 7

IL FENOMENO DELLO SPALLING

Per spalling, si intende quel fenomeno che porta al degrado e al distacco improvviso, e spesso a velocità elevata, di pezzi di calcestruzzo dal copriferro. Questa reazione fa parte della risposta normale del calcestruzzo esposto alle elevate temperature che si sviluppano durante un incendio.

Figura 5. Alcuni effetti dello spalling

Per edifici quali uffici, scuole, ospedali e abitazioni residenziali, con incendi normali le normative per il calcolo strutturale, come l’Eurocodice 2, prevedono l’effetto spalling. Il fatto che il copriferro si distacchi durante un incendio è previsto dalle normative, con l’eccezione delle gallerie o per le tipologie di incendi che coinvolgono idrocarburi[2]. Questo fenomeno provoca un maggior innalzamento di temperatura nelle armature in acciaio che restano esposte, inoltre a causa dell’alta energia esplosiva provoca il volo incontrollato di schegge di cemento ad alta velocità, che causa danni anche all'ambiente circostante, compreso il rompersi delle finestre adiacenti lasciando entrare più ossigeno nell'area esposta al fuoco e di conseguenza aumentando la gravità dell’incendio[7]. Sono proprio i grandi accumuli di pressione all’interno del materiale poroso, che la struttura di calcestruzzo non è in grado di mitigare sufficientemente, che inducono il materiale a sfaldarsi. Maggiore sarà l’umidità contenuta, maggiore sarà il rischio di spalling. Un calcestruzzo più secco ha meno acqua disponibile per l’evaporazione, quindi l’aumento della temperatura avviene più rapidamente.

I calcestruzzi ad alta resistenza meccanica o HSC (high strenght concrete) sono materiali caratterizzati da una resistenza meccanica a compressione superiore, Rck variabile tra 85 e 115 N/mm2 , rispetto a quella dei calcestruzzi ordinari NSC (normal strenght concrete). Gli aggregati utilizzati nella miscela del calcestruzzo può influire molto sulle caratteristiche di protezione contro il fuoco. Infatti, l’utilizzo di inerti leggeri come la vermiculite, la perlite, l’argilla espansa, e lo scisti hanno maggiore effetto isolante rispetto ad aggregati di maggiore densità, fornendo così una maggiore resistenza al fuoco. Questo calcestruzzo risulta essere, però, particolarmente sensibile allo spalling, avendo una resistenza al fuoco inferiore rispetto al NSC [1]. Molti studi e prove di laboratorio denotano maggiori perdite di resistenza a compressione nell’intervallo di temperature fra 20°-400°C per i calcestruzzi HSC, mentre oltre i 400°C le differenza fra i due materiali sono minime. Questo fenomeno è stato generalmente attribuito all'incapacità del calcestruzzo HSC, a causa della sua bassa permeabilità, di mitigare

ottobre 13 8

con successo l’accumulo di pressione interna. L’acqua presente libera nei pori del calcestruzzo è chimicamente legata alla matrice, avviene così una trasformazione da liquida a gassosa, espandendo in volume, e aumentando il trasporto di temperatura attraverso il cemento. Dati i molti vantaggi di HSC e il suo utilizzo è aumentato in applicazioni strutturali [8].

L’UTILIZZO DI FIBRE NELL’IMPASTO

Il calcestruzzo rinforzato con fibre è realizzato mediante l’aggiunta all’impasto di fibre di acciaio aggiunte, che ne incrementano la resistenza e la solidità. In condizioni d’incendio, le fibre in acciaio aumentano la resistenza ultima e la duttilità del calcestruzzo. La presenza di fibre di polipropilene risulta efficace per limitare gli effetti di spalling distruttivo. In particolare, tali fibre sublimano parzialmente ad una temperatura di 170°C lasciando cavità libere nella matrice. Una frazione volumetrica di fibre compresa tra lo 0.1% e lo 0.25% è in grado di mitigare significativamente o di eliminare il fenomeno[9]. L’efficacia è evidente nella riduzione della scheggiatura di elementi in HSC sotto incendi di idrocarburi. Queste fibre hanno notevoli vantaggi: non sono attaccate dall’ambiente alcalino, sono resistenti agli acidi, non sono soggette a corrosione, riducono il bleeding e la segregazione, limitano la propagazione e la conseguente apertura delle fessure. La massima tenacità delle fibre è così effettivamente trasferita al calcestruzzo consentendo alle tensioni interne di distribuirsi uniformemente, assicurando al materiale il totale sviluppo le sue caratteristiche di resistenza e durabilità. I dosaggi di fibre normalmente impiegati vanno da 0.5 a 2 kg/m3, solitamente hanno il diametro dell’ordine di 0,5 mm ed una lunghezza compresa tra 25 e 40 mm. L’efficacia dimostrata dalle microfibre polimeriche nell’impedire la formazione di fessure da ritiro plastico è spiegabile con la caratteristica che il ritiro provoca sollecitazioni di trazione molto limitate. Tali sollecitazioni, però, sono in genere sufficienti a provocare la fessurazione della matrice cementizia essendo la resistenza a trazione praticamente nulla in un calcestruzzo ancora in fase plastica [10].

Figura 7. Fibre di polipropilene (PP)

ottobre 13 9

CONCLUSIONI

In caso di incendio i componenti del calcestruzzo hanno un ruolo primario. Gli sviluppi della

pressione interstiziale dimostrano essere direttamente correlati al processo di trasporto

dell'umidità e hanno una significativa influenza sulla comparsa di scheggiatura esplosiva. La

quantità acqua e gli aggregati hanno la possibilità di far variare i cambiamenti fisici e chimici e

conseguentemente l’insorgere o meno del fenomeno all’esposizione alle alte temperature. Il

calcestruzzo ad alta resistenza con l’aggiunta di fibre di polipropilene consente di limitare o

addirittura eliminare l’insorgere dello spalling.

BIBLIOGRAFIA

1. Il manuale di prevenzione incendi, Giacalone, 2012, Maggioli 2. Il calcestruzzo per la sicurezza e la protezione antincendio; 2009, Pubblicemento srl editore Federbeton 3. La resistenza al fuoco delle strutture. Principi e applicazioni, Giacalone, 2011, Maggioli editore 4. Metodi di indagine sulle strutture (strutture in c.a. dopo l’evento incendio), Tattoni, Università degli Studi di Cagliari 5. AAVV, Repairability of Fire Damaged Structures, Fire Safety Journal, n° 4, 1990 6. La durabilità del calcestruzzo armato, Pedeferri , Bertolini, 2000, Mc Graw Hill 7. Faris Ali, Ali Nadjai, Abid Abu-Tair, Explosive spalling of normal strength concrete slabs subjected to severe fire, Materials and Structures (2011) 8. Long T. Phan, Pore pressure and explosive spalling in concrete, Materials and Structures (2008) 9. CNR-DT 204/2006 Istruzioni per la Progettazione, l’Esecuzione ed il Controllo di Strutture di Calcestruzzo Fibrorinforzato 10. Calcestruzzo fibrorinforzato, Troli, Simonelli, Enco journal, Engineering Concrete