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L. Coppola – Concretum – Gli effetti della temperatura sulle proprietà del calcestruzzo

“GLI EFFETTI DELLA TEMPERATURA SULLE PROPRIETA ’ DEL

CALCESTRUZZO: lavorazione in clima caldo e freddo ”

Prof. Ing. Luigi Coppola

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BERGAMO

FACOLTA ’ DI INGEGNERIA


PROVE DI LABORATORIO

La quasi totalità delle PROVE DI LABORATORIO finalizzate a valutare le prestazioni reologiche ed elasto -meccaniche del calcestruzzo vengono condotte in condizioni di temperatura controllate e solitamente comprese nell ’intervallo 17 ÷ 23 °C.


STRUTTURE REALI

Il CONFEZIONAMENTO, la POSA IN OPERA e la MATURAZIONE DEL CALCESTRUZZO, invece, avvengono a temperature che possono oscillare, almeno nei nostri climi:

� periodo invernale tra 10 ÷ - 5 °C;

� periodo estivo tra 25 ÷ 40 °C.


INFLUENZE

PROPRIETÀ DEL CALCESTRUZZO ALLO STATO FRESCO E INDURITO

TEMPERATURA DI RIFERIMENTO

DI 20°C

TEMPERATURA AMBIENTALE≠


INFLUENZE

La temperatura ambientale riveste un ruolo significativo durante le fasi di lavorazione del conglomerato in clima caldo e freddo influenzando pesantemente:

1. SCELTA DEGLI INGREDIENTI;2. COMPOSIZIONE DEL CALCESTRUZZO;3. MODALITÀ DI LAVORAZIONE;4. TIPOLOGIA DI CASSERO;5. PROCEDURE DI MATURAZIONE E

PROTEZIONE UMIDA DEI GETTI.


GETTI DI MASSA

TEMPERATURA DEL CALCESTRUZZO

TEMPERATURA AMBIENTALE

TEMPERATURA INGREDIENTI

SVILUPPO DI CALORE CONSEGUENTE ALLA

REAZIONE ESOTERMICA DEL CEMENTO CON

ACQUA


TEMPERATURA AMBIENTALE

-TEMPERATURA DEL CALCESTRUZZO-MANTENIMENTO DELLA LAVORABILITÁ

-TEMPI DI PRESA-RITIRO PLASTICO-SVILUPPO DELLE RESISTENZE MECCANICHE

-TEMPERATURA MASSIMA DELL’ELEMENTO STRUTTURALE NEI PRIMI GIORNI SUCCESSIVI AL GETTO

DURANTE LA REALIZZAZIONE DELLA STRUTTURA STRUTTURA IN SERVIZIO

• GRADIENTI TERMICI DIURNI• GRADIENTI TERMICI STAGIONALI• GRADIENTI TERMICI ACCIDENTALI (INCENDIO)

• DEFORMAZIONI• QUADRI FESSURATIVI• COLLASSO ELEMENTI STRUTTURALI


CINETICA DI IDRATAZIONE

La temperatura gioca un ruolo di fondamentale importanza sulla cinetica del processo di idratazione del cemento

TEMPERATURA

VELOCITÀ REAZIONI CHIMICHE DI TUTTI I COSTITUENTI MINERALOGICI

DEL CLINKER CON L ’ACQUA


TEMPERATURA / CINETICA DI IDRATAZIONE

modifica di alcune importanti proprietà del calcestruzzo sia allo stato fresco

che indurito

PERDITA DI LAVORABILITÀ durante il trasporto del calcestruzzo dalla

centrale di betonaggio al cantiere


PERDITA DI LAVORABILIT Á

TEMPERATURA PERDITA DI LAVORABILIT Á



LAVORABILITÀ DEL CALCESTRUZZO (CE II/B-LL 32.5; a/c=0.60) in funzione del TEMPO e TEMPERATURA del conglomerato


FASI ALLUMINATICHE

ACCELERAZIONE DELLA CINETICA DI IDRATAZIONE DELLE FASI

ALLUMINATICHE con il gesso e al conseguente effetto di coagulazione delle particelle di cemento che determina una

precoce perdita di plasticità dell ’impasto.



PERIODO DORMIENTE

ACCORCIAMENTO DEL PERIODO DORMIENTEper effetto di una precoce rottura della pellicola

di ettringite che riveste i granuli di cemento anidro e, quindi, UN ’ACCELERAZIONE DEL

PROCESSO DI IDRATAZIONE DEI SILICATI DEL CLINKER che determina una rapida perdita di plasticità responsabile dell ’accorciamento dei

tempi di presa rispetto ad un impasto maturato a temperature più basse

TEMPERATURA


Tempi di inizio e fine presa del calcestruzzo (CE II/B -LL 32.5; a/c=0.62; c=290 kg/m 3) in funzione della temperatura


RESISTENZE MECCANICHE

TEMPERATURA

ACCELERAZIONE IDRATAZIONE SILICATI

ANTICIPO TEMPI DI INDURIMENTO

RESISTENZE MECCANICHE A COMPRESSIONE PIÙ ELEVATE ALLE BREVI STAGIONATURE

(1÷7gg)


Resistenza meccanica a compressione in funzione del tempo di calcestruzzi maturati a temperature 5 ÷ 40 °C



TEMPERATURA

ACCELERAZIONE IDRATAZIONE SILICATI

ANTICIPO TEMPI DI INDURIMENTO

RESISTENZE MECCANICHE A COMPRESSIONE MINORI ALLE

LUNGHE STAGIONATURE


Resistenza meccanica a compressione in funzione del tempo di calcestruzzi maturati a temperature 5 ÷ 40 °C


RAPPORTO GEL/SPAZIO

STRUTTURA DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO(responsabili della resistenza meccanica a

compressione del conglomerato) formatisi alle alte temperature risulta PIÙ SCADENTE in

quanto caratterizzata da una maggiore porosità rispetto ai prodotti di idratazione sviluppatisi

alle temperature più basse, che per la lentezza della reazione sono caratterizzati da un maggior

rapporto gel/spazio.

MAGGIORE VELOCITÀ DI FORMAZIONE DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO


GRADO DI IDRATAZIONE

� BREVI STAGIONATURE → mascherata dalla maggiore percentuale di cemento idratato;

� LUNGHE STAGIONATURE il grado di idratazione tra impasti maturati a basse ed alte temperature risulta sostanzialmente coincidente.

SCADENTE STRUTTURA DEI SILICATI IDRATI DI CALCIO

ALTE TEMPERATURE


CLIMA CALDOLe principali problematiche che possono

presentarsi quando le operazioni di betonaggio vengono effettuate durante il periodo estivo sono rappresentate sostanzialmente da:

� una ECCESSIVA PERDITA DI LAVORABILITÀ durante il trasporto;

� un ACCORCIAMENTO DEI TEMPI DI INIZIO PRESA non compatibili con le operazioni di posa in opera e di compattazione dei getti.


LAVORAZIONE DEL CALCESTRUZZO IN CLIMA CALDO

RIMEDI

- CEMENTI V/B, III/C, V/A, III/B, IV/A, II/B DI CLASSE 32.5 N/R;

- RITARDANTI DI PRESA (PR.8-EN 934/2);- SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI A BASE DI NAFTALENSOLFONATO (PR.11-EN 934/2);

- SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI DI TIPO ACRILICO.

- ECCESSIVA PERDITA DI LAVORABILITÁ;

- ANTICIPO TEMPI DI PRESAINCONVENIENTI

•POSSIBILI RIAGGIUNTE DI ACQUA IN BETONIERA E CONSEGUENTE PENALIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DEL CALCESTRUZZO IN OPERA

•DIFETTI DI COMPATTAZIONE DEL CONGLOMERATO CON ECCESSO DI ARIA INTRAPPOLATA E FORMAZIONE DI VESPAI

•FORMAZIONE DI GIUNTI FREDDI IN CORRISPONDENZA DELLE RIPRESE DI GETTO


RIAGGIUNTE DI ACQUA

ELEVATO RISCHIO che al momento della consegna del calcestruzzo si AGGIUNGA

ACQUA IN BETONIERA per poter conseguire la lavorabilità necessaria per effettuare il getto


RAPPORTO a/c

RESISTENZA MECCANICHE A COMPRESSIONE


RIAGGIUNTA D’ACQUA E LAVORABILITÀ FINALE CONSEGUITA IN FUNZIONE DELLA CLASSE DI CONSISTENZA INIZIALE DEL CONGLOMERATO

CLASSE DI CONSISTENZA

INIZIALE

RIAGGIUNTA DIACQUA (Kg/m 3)

CLASSE DI CONSISTENZA

FINALE

S2 15 ÷ 20 S3

S2 25 ÷ 30 S4

S3 6 ÷ 8 S4

S3 10 ÷ 15 S5

S4 4 ÷ 5 S5


PENALIZZAZIONE RESISTENZA


VESPAI E NIDI DI GHIAIA

RISCHIO che il cassero non venga completamente riempito o la compattazione

risulti difficile al punto da determinare un RESIDUO DI ARIA INTRAPPOLATA maggiore di

quello fisiologico

LAVORABILIT Á MINORE DELLA RICHIESTA

PRESTAZIONI MECCANICHE


REALIZZAZIONE STRUTTURE CON ELEVATI VOLUMI DI CALCESTRUZZO c ’è

la possibilità che si CREINO GIUNTI FREDDI se intercorre troppo tempo tra

l’arrivo delle betoniere


RIPRESE DI GETTO


PERDITA DI LAVORABILITÀ

TEMPO DI TRASPORTO

(min)

ΔL (cm di slump)

TEMPERATURA (°C )

0÷4 5÷9 10÷16 17÷23 24÷30 31÷37

< 15 0 1 2 2 4 616 ÷ 30 0 2 3 3 5 731 ÷ 45 1 3 4 4 7 1046 ÷ 75 2 4 5 6 9 1176 ÷ 105 3 5 6 8 11 13

106 ÷ 120 4 6 7 10 12 15


CEMENTI LENTI

Per ovviare alla comparsa di questi inconvenienti È NECESSARIO IMPIEGARE CEMENTI CON UNA LENTA CINETICA DI IDRATAZIONE:� cementi di classe 32.5 N;� a parità di classe, i cementi poveri di clinker (cementi tipo III, V e IV)


PERDITA DI LAVORABILITA ’Tipo di cemento Classe di cemento

Aumento della perdita di lavorabilità (in cm di slump)

V/B; III/C 32.5N; 32.5R -3

V/A; III/B 32.5N; 32.5R -2

IV/B; III/A 32.5N; 32.5R -1

IV/A; II/B 32.5N; 32.5R 0

II/A 32.5N; 32.5R 1

I 32.5N; 32.5R 1

V/B; III/C 42.5N; 42.5R -1

V/A; III/B 42.5N; 42.5R 0

IV/B; III/A 42.5N; 42.5R 1

IV/A; II/B 42.5N; 42.5R 2

II/A 42.5N; 42.5R 3

I 42.5N; 42.5R 3

I 52.5N; 52.5R 5


ADDITIVI

In mancanza di questi cementi si può ricorrere:� all’impiego di ADDITIVI RITARDANTI DI PRESA o ai SUPERFLUIDIFICANTI RITARDANTI ed, in particolare, a quelli di TIPO ACRILICO� In particolari contesti impiegare nel confezionamento del conglomerato CHIPS DI GHIACCIO in parziale sostituzione dell ’acqua di impasto.


Dosaggio % sul CEM

RIDUZIONE di ΔL (%)

TIPO DI ADDITIVO

R FR SR SA SN

0.30-0.50 50-60 30-50 - - -

0.60 - - - 40 -

0.80 - - 35 50 10

1.00 - - 40 65 15

1.20 - - 45 80 20

1.50 - - - 85 -

1.80 - - - 90 -

RIDUZIONE PERDITA DI LAVORABILITA ’PER IMPIEGO DI ADDITIVI


LAVORABILIT Á NEL TEMPO


RITIRO PLASTICO

la velocità di evaporazione dell ’acqua dalla superfici non casserate può superare quella che si accumula per

effetto del bleeding

esasperazione dei fenomeni di ritiro ed assestamento plastico che possono produrre una intensa fessurazione del calcestruzzo

PERIODO CALDO GIORNATE VENTOSE E ASCIUTTE


RITIRO PLASTICO

• applicare agenti stagionanti che formano film anti-evaporanti subito dopo il getto e la eventuale fini tura superficiale;

• proteggere con teli impermeabili subito dopo il get to e la eventuale finitura superficiale;

• proteggere con geotessili bagnati ad intermittenza ( ogni 24 ore circa)


RITIRO PLASTICO



TEMPERATURA

RALLENTAMENTO PROCESSO DI IDRATAZIONE

DEL CEMENTO

ALLUNGAMENTO TEMPI DI PRESA

MANTENIMENTO DELLA LAVORABILITÀ DEL CALCESTRUZZO DURANTE IL

TRASPORTO


FASE SUCCESSIVA ALLA POSA IN OPERA

NELLE FASI IMMEDIATAMENTE SUCCESSIVE ALLA POSA IN OPERA

DEL CALCESTRUZZO.

TEMPERATURA

PROBLEMATICHE

LAVORAZIONE DEL CALCESTRUZZO IN CLIMA FREDDO

ALLUNGAMENTO DEI TEMPI DI PRESA E DI INDURIMENTO

INCONVENIENTI

POSSIBILE DISGREGAZIONE DEL CALCESTRUZZO PER EFFETTO DELL’ABBASSAMENTO DELLA

TEMPERATURA AL DI SOTTO DI 0°C NELLE ORE IMMEDIATAMENTE

SUCCESSIVE ALLA POSA IN OPERA

POSTICIPO DELLE OPERAZIONI DI

SCASSERO E DISARMO

PROVVEDIMENTI:-RISCALDAMENTO DELL’ACQUA DI IMPASTO-IMPIEGO DI CASSERI E PROTEZIONI TERMOISOLANTI-GETTO NELLE ORE CENTRALI DEL GIORNO-IMPIEGO DI CE I o II/A DI CLASSE 42.5 R-ACCELERANTI DI INDURIMENTO-SUPERFLUIDIFICANTI ACCELERANTI A BASE NAFTALINICA, MELAMMINICA O ACRILICA


ABBASSAMENTO DELLA TEMPERATURA AL DI SOTTO DI 0°C

INCONVENIENTE PIÙ GRAVE

TEMPERATURA < 0° C

NELLE ORE IMMEDIATAMENTE SUCCESSIVE AL GETTO


DISINTEGRAZIONE

SI DISINTEGRA per effetto delle tensioni che insorgono a seguito della trasformazione in ghiaccio dell ’acqua contenuta all ’interno della matrice cementizia e degli aggregati.

TEMPERATURA < 0° C

CALCESTRUZZO NON HA SUFFICIENTE RESISTENZA


MANIFESTAZIONI DEL DISSESTO

� rilevanti DEFORMAZIONI PLASTICHE del calcestruzzo (dell ’ordine dell ’1.5 ÷ 2.5%);

� fenomeni di SCAGLIATURA SUPERFICIALE (soprattutto sulle superfici non casserate di elementi a sviluppo orizzontale, quali solette e pavimenti);

� INTENSA FESSURAZIONE che interessa l’intimo degli elementi strutturali, soprattutto se di modesto spessore (inferiore a 30 cm) che non beneficiano del riscaldamento prodotto dallo sviluppo di calore a seguito della reazione esotermica del cemento con l ’acqua.


DEMOLIZIONE

Generalmente, a questi inconvenienti è difficile rimediare e nella maggior parte dei casi si deve procedere alla DEMOLIZIONE E RICOSTRUZIONE EX NOVO dell ’elemento dissestato.


CRITERIO PRATICO

calcestruzzo DEVE POSSEDERE QUANDO T < 0°C una resistenza a

compressione di almeno Rc ≈ 3.5 N/mm2

PREVENIRE I FENOMENI DI DISSESTO


DIMINUZIONE ACQUA CONGELABILE

Si impedisce il degrado del materiale perché:

1. la resistenza del calcestruzzo > tensioni indotte dalla formazione del ghiaccio

2. una buona aliquota dell ’acqua è stata impegnata nel processo di idratazione del cemento, pertanto si riduce la quantità di acqua libera potenzialmente congelabile .


CEMENTI RAPIDI

Al fine di poter conseguire in tempi brevi la resistenza meccanica a compressione di 3.5 N/mm 2 occorre impiegare È NECESSARIO:� IMPIEGARE cementi di classe 42.5 R a rapido indurimento caratterizzati da un elevato contenuto di clinker;� AGGIUNGERE acceleranti di indurimento ;� adottare rapporti a/c relativamente bassi.

a/cAccelerante di indurimento

(p.7 / UNI-EN 934/2)

t (ore) per raggiungere

Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 5°C


Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 10°C

Rck(T=20°

C)

0.40 - 20 ÷ 22 9 ÷ 10 500.40 1.5% massa del cemento 10 ÷ 12 4 ÷ 5 500.50 - 28 ÷ 30 14 ÷ 15 400.50 1.5% massa del cemento 16 ÷ 18 8 ÷ 9 400.60 - 44 ÷ 46 20 ÷ 21 300.60 1.5% massa del cemento 24 ÷ 26 12 ÷ 13 30

Tempo necessario per raggiungere la resistenza a co mpressione di 3.5 N/mm2 al variare di a/c e della T per calcestruzzi confez ionati con

cemento CE II/A-LL 42.5R con e senza acceleranti di indurimento


TEMPERATURA ESTERNA 10°C

t < 10 ore → Rc ≥ 3.5 N/mm 2

TEMPERATURA ≈ 10° C

CALCESTRUZZO con:1. a/c = 0.50;2. accelerante di indurimento


TARDA MATTINATA

EFFETTUARE IL GETTO NELLA TARDA MATTINATA si può conseguire il valore della resistenza desiderato in tarda serata, prima che la temperatura si abbassi al di sotto di 0 °C.



(p.7 / UNI-EN 934/2)


Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 5°C


Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 10°C

Rck(T=20°

C)





ECONOMICITÁ

Soluzione molto più costosa -per la maggiore resistenza caratteristica (C40/50)

t < 10 ore → Rc ≥ 3.5 N/mm 2


CALCESTRUZZO con:1. a/c = 0.40;


TEMPERATURA ESTERNA 5°C

l’impiego di un rapporto a/c molto basso (0.40) unitamente all’accelerante di indurimento richiede all’incirca 12 ore per conseguire una resistenza di 3.5 N/mm 2.




(p.7 / UNI-EN 934/2)


Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 5°C


Rc ≈ 3.5 N/mm2

T = 10°C

Rck(T=20°

C)





RISCHIO DI GELATA

Il TEMPO che intercorre tra il getto del calcestruzzo (che non può avvenire nelle prime ore del mattino in qua nto la temperatura potrebbe risultare inferiore a 0 °C) e la

possibile gelata NON È SUFFICIENTE PER CONSEGUIRE IL VALORE MINIMO DELLA RESISTENZA

a compressione necessario per evitare il degrado de l conglomerato.

TEMPERATURA ≈ 5° C DURANTE IL GIORNO

la gelata può sopraggiungere nelle prime ore della sera


CALORE GENERATO E DISSIPATO

1. Garantire che la temperatura del calcestruzzo all’interno del cassero subito dopo la posa in opera risulti di almeno 10 °C;

2. Ridurre la dissipazione del calore prodotto dall ’idratazione del cemento verso l’ambiente esterno;

UTILIZZO DI CASSERI TERMO-ISOLANTI E COPRENDO LE SUPERFICI NON

CASSERATE CON MATERASSINI DI POLISTIROLO O DI POLISTIRENE ESTRUSO

SOLUZIONE


INDIPENDEZA DALLE CONDIZIONI AMBIENTALI

Il calcestruzzo all ’interno del cassero, maturando alla temperatura di 10 °C, non è interessato dal congelamento dell ’acqua e gli elementi strutturali possono essere scasserati e disarmati in tempi relativamente brevi (3 ÷7 giorni).


GELO DURANTE L’ESECUZIONE E IN SERVIZIO

A conclusione è opportuno evidenziare come gli accorgimenti da adottare per i getti eseguiti in periodi dell ’anno con alto rischio che la temperatura si abbassi al di sotto di 0°C sono completamente diversi da quelli necessari per rendere la struttura resistente ai cicli alternati di gelo -disgelo quando l’opera, ormai ultimata (indipendentemente dal periodo in cui è stata realizzata), è già in servizio.


CICLI DI GELO/DISGELO

IN SERVIZIO DURANTE L’ESECUZIONE DEI GETTI

PROVVEDIMENTI:

-BASSO a/c-ADDITIVI AERANTI-AGGREGATI NON GELIVI-SMALTIMENTO ACQUE

PROVVEDIMENTI:

-BASSO a/c-CEMENTI A RAPIDO INDURIMENTO-ADDITIVI ACCELERANTI-RISCALDAMENTO INGREDIENTI-ISOLAMENTO TERMICO DEI GETTI

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