USO DI FUMI DI SILICE NEL RIPRISTINO DEI DANNI DA …
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USO DI FUMI DI SILICE NEL RIPRISTINO DEI DANNI DA EROSIONE
IN UNA GALLERIA"DI DEVIAZIONE IN CALCESTRUZZO
Mario BERRA
Ingegnere Civile
ENEL - CRIS
Gerardo FERRARA
Ingegnere Civile
ENEL - CRIS
Salvatore TAVANO
Dottore in Chimica
Salvatore Tavano S.r.l.
SOMMARIO
La galleria di deviazione del torrente Archivato e la relativa opera di sbocco,
inserite nel complesso dell'impianto idroelettrico della Sila, hanno
recentemente subito un severo danno da erosione. L'intervento di ripristino
prevede la messa in opera di un calcestruzzo di elevata resistenza meccanica e
di un ricoprimento di malta particolarmente resistente all'erosione: entrambi
confezionati con aggiunta di fumi di silice. La valutazione della resistenzaall'erosione di diverse miscele di malta con fumo di silice, con e senza fibre,
è stata condotta in laboratorio attraverso una particolare metodologia di
prova, simile a quella sviluppata dal Corpo Americano degli Ingegneri. La
presente relazione riporta i dati relativi allo studio del calcestruzzo e delle
malte mettendo in evidenza gli effetti dei fumi di silice e dellè fibre sullaloro resistenza all'erosione.
SUMMARY
The diversion tunnel of Archivato river and the pertinent spillway in the Sila
hydroelectric power plant have recently experienced severe erosion damage. For
the repair works a high strength concrete and a mortar cover that provide the
greatest erosion resistance are to be used: both made with silica fumes.
Through a suitable test method, similar to that developed at U.S. Corps of
Engineers, laboratory studies were performed to evaluate the erosion resistance
of several silica fume mortars, with and without fibers. In this paper the
results are reported, emphasizing the silica fume and fiber effects upon theconcrete and mortar erosion resistance.
1. INTRODUZIONE
Le disastrose conseguenze di una serie di nubifragi verificatisi
nell'inverno 1972 sull'altipiano Silano nei pressi degli omonimi impianti
idroelettrici dell'ENEL resero necessario l'attuazione di un esteso intervento
di risanamento idrogeologico della zona.
Tra l'altro, fu prevista la "regolarizzazione e la sistemazione dell'alveo
del torrente Archivato assicurando la deviazione tempestiva dei relativi
deflussi nel fiume Neto a mezzo di una terza galleria, di ampia sezione idrica,
opportunamente ubicata, onde realizzare una effettiva protezione dell'esistente
centrale idroelettrica" (l).
La Fig. 1 riporta il profilo e la sezione tipo della nuova galleria
realizzata nell'anno 1974. Rettilinea, lunga circa 240 m con pendenza uniforme
del 16%, scavata in roccia granitoide di buona consistenza, la galleria furivestita con un arco rovescio in c.a. nella parte inferiore e protetta nella
parte superiore con uno strato di gunite inglobante le centine.
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b. - Sezione tipo.
a, - Profilo.
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OPERE 01 SBOCCO
Fig. 1 - Profilo e sezione tipo della
terza galleria di deviazione deideflussi del T. Archivato
La velocità dell' acqua e l'enorme trasporto solido (massi, pietrame,
sabbia) collegato al regime torrentizio dell' Archivato che attraversa
formazioni grani toidi diaclasate più o meno degradate, hanno prodotto, nel
corso degli anni, profondi danni da erosione sul calcestruzzo della galleria in
questione.
Per tutta la lunghezza della galleria la parte centrale dell'arco rovescio
armato è stata completamente asportata mettendo a nudo la roccia sottostante
(Fig. 2). L'ultima parte dello scivolo terminale poi, interessata probabilmente
oltre che dall'erosione anche dagli urti dei sassi trasportati, presenta panni
ancora maggiori (Fig. 3).
Fig. 2 - Danni da erosione all'interno
della galleria
Fig. 3 - Danni.scivolo terminale
da erosione dello
della galleria
Problemi di questo genere sono all'ordine del giorno specialmente negli
impianti idroelettrici: gli sfioratori delle dighe, i bacini di smorzamento, le
gallerie di derivazione e gli scarichi di fondo sono i manufatti piùsollecitati in tal senso.
I materiali e le tecniche operative impiegati nel ripristino strutturale di
tali opere in ogni parte del mondo Sono stati numerosissimi con risultati più o
meno soddisfacenti (2). Nella maggior parte dei casi comunque, tali materiali
sono stati impiegati direttamente in situ senza alcun tentativo di una
appropriata valutazione in laboratorio della loro effettiva efficacia.
In quel che segue viene illustrato il tipo di intervento previsto per il
ripristino della galleria citata e si riportano i risultati delle prove
effettuate presso i Laboratori dell'ENEL-CRIS per valutare le caratteristiche
meccaniche di diverse malte cementizie di rivestimento con particolareriferimento alla loro resistenza all'erosione.
2. PROGRAMMA DI RISANAMENTO
Negli interventi per la riparazione dei danni da erosione effettuati in
passato sono stati utilizzati, come accennato, materiali e tecnologie diversetra cui:
- calcestruzzi e malte con fibre di svariata natura
- malte con resine acriliche o epossidiche
- malte con aggregati metallici.
La scarsa bibliografia esistente sull'argomento riferisce
risultati conseguiti con strati di usura realizzati con particolari
di poliuretano o con malte di resine epossidiche o acriliche (3).
Questi materiali sono però notevolmente costosi e necessitano di tecniche
di posa in opera particolarmente accurate e, soprattutto, non possono garantire
un collegamento affidabile ad un supporto non del tutto asciutto. Mal si
adattano quindi agli interventi straordinari di manutenzione in cui la presenza
di umidità il più delle volte non può essere evitata.
Tali considerazioni hanno indirizzato la scelta
ripristino in esame su materiali più tradizionali per
calcestruzzi e malte con e senza fibre.
Le esperienze precedenti .con questi ultimi materiali (4) hanno messo
chiaramente in evidenza la necessità di utilizzare calcestruzzi e mal te con
aggregati duri e soprattutto con matrici estremamente compatte e resistenti.
E' sembrato pertanto opportuno far ricorso all'uso dei fumi di silice.. 3
E' ben noto infatti che, per la finezza delle loro particelle (200-250xl0
Blaine) che vanno a riempire i vuoti tra le più grosse particelle di cemento, i
fumi di silice esercitano una eccezionale azione di filler.
Ciò, in aggiunta alla elevata attività pozzolanica, consente di ottenere un
sistema cementizio densamente compattato, con una ridotta porosità ed elevate
caratteristiche di resistenza (5).
In definitiva nel corso dell'intervento di manutenzione è previsto di:
- ripristinare le zone completamente erose nella parte centrale dell'arco
rovescio e dello sfioratore con un calcestruzzo armato di buona qualità
confezionato con aggregati alluvionali locali, cemento Portland 425, fumi di
silice ed additivi superfluidificanti;
- rivestire l'intero fondo della galleria con uno strato di 3-4 cm di una malta
particolarmente resistente all'erosione, eventualmente con fibre, realizzata
in cantiere con sabbia alluvionale della zona, cemento Portland 425 ed un
premiscelato secco contenente per il 45% circa fumi di silice e, per la
restante parte, cemento ad alta resistenza ed additivi superfluidificanti.
di buoni
componenti
per l'intervento di
le opere idrauliche:
3. PROVE DI LABORATORIO
Lo studio delle miscele cementizie ha preso le mosse dall'esame degli
100
90
.07.25 3.15 5 12.5 20
Fig. 4 - Distribuzionegranulometricadelle singole classi di aggregati e
miscela risultante utilizzata per ilcalcestruzzo
.0
70
i 60
i 50
; 40
D-30
20
10
31.5
Hp.rtura det vag" quadrt d (..., - (Scala proporztonate a Vd ,
/ 1/ ---- / ff£-,. '! I / .-/ ///
li J, f1:L0; Irl li
j./ / 1/
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aggregati disponibili in prossimità del cantiere e pervenuti in laboratorio
suddivisi in cinque classi.
Di tipo alluvionale, con integrazione di elementi di frantumazione, gli
aggregati sono stati classificati dal punto di vista petrografico come
provenienti da formazioni granitoidi diaclasate.
Il lavaggio effettuato in cava in fase di produzione e classificazione è
risultato sufficiente: la prova "colorimetrica" (UNI 8520/14) e quella per la
determinazione delle impurità terrose (UNI 8520/15) condotte sulle due classi
più fini hanno fornito risultati del tutto accettabili.
Le curve granulometriche di ciascuna classe, medie di due analisi su
altrettanti prelievi, sono riportate in Fig. 4.
3.1 Calcestruzzo
La scelta di affidare la resistenza all'erosione allo strato di malta ha
reso superfluo uno studio particolare del calcestruzzo per il ripristino
dell'arco rovepcio.
Infatti precedenti3 esperienze di laboratorio h~no consentito diindividuare in 350 kg/m di cemento PTL 425 ed in 35 kg/m di fumi di silice
(il 10% in peso sul cemento) un dosaggio di tutta tranquillità per ottenere un
calcestruzzo di buona resistenza e compattezza, con un'ottima lavorabilità, ed
in grado di fornire, anche da solo, buone prestazioni nei confrontidell'erosione.
L'assortimento granulometrico della miscela è stato studiato dapprima
analiticamente facendo in modo di mantenere la curva risultante all'interno del
fuso individuato dalla curva di Fuller e da quella di Bolomey.
Con alcuni impastini di prova sono state apportate leggere modifiche alla
distribuzione granulometrica per ottenere la lavorabilità desiderata col minimo
quantitativo di acqua senza creare segregazione, e si è pervenuti così alla
seguente composizione finale:
La massa volumica dell'impasto definitivo con cui son03stati confezionati icampioni per le prove programmate è risultata di 2391 kg/m (UNI 6394), mentre
le misure di lavorabilità con il cono di Abrams e con la tavola a scosse (UNI
8020) hanno fornito rispettivamente valori di 10 cm, e di 68%.
I valori delle caratteristiche meccaniche più importanti misurate sul
calcestruzzo maturato in ambiente standard con 20°C e 95% di UR. alle classiche
scadenze sono riportate nella Tab 1.
3AGGREGATI 1808 kg/mCEMENTO PTL 425 350 "
FUMI DI SILICE 35 "
ACQUA 170 "
ADDITIVO SUPERFLUIDIFICANTE 7,7 "
2370,7 "
3.2 Malte
Tab. 1 - Caratteristiche
del calcestruzzo
meccaniche
Col programma predisposto per le malte si è inteso essenzialmente chiarire
due comportamenti:
- valutare il contributo dei
più compatta;
- verificare se l'uso di fibre, 01tre a ridurre l'entità del
aumentare la resistenza agli urti, fosse utile anche ai fini del
dell'erosione.
Pertanto oltre alle prime due classi di aggregati (Fig. 5) ed al cemento
PTL 425 già usati per il calcestruzzo, sono stati impiegati nella confezione
delle malte diverse quantità di un premiscelato contenente il 45% in peso di
fumi di silice e tre tipi di fibre:
fumi di silice nel conseguimento di una matrice
- fibre metalliche WIRAND del tipo Duoform
Industria Leghe Metalliche di Bologna;
- fibre metalliche DRAMIX ZPX 30/60 (0,60x30
Milano;
Ji
3. lS
Apertura de' vagli quadri d (mm) - (Scala proporziona'e a Vd )
ri tiro e adcontenimento
(0,40x25 rnrn) distribuite dalla
mm) distribuite dalla BEKAERT di
Fig.5 - Distribuzione granulometrica e
miscela risultante dalle due sabbie
utilizzate per le malte
----------
NUMERO UNITA' ETA'CAR,\TTEHISn': DI DI VALORI MEDI
CAMPIONI MISURA (giorni)
Compre'sione ""od5 cm 4 kg/em2 7 432
" l-,"lodo cm 4 " 28 565
'Ido H20 cm 2 kg/cm2
7 310Compressione
" !-:J H20 cm 2 " 28 463
Teazione diretta i :0 ".:0 cm 2 kg/em2
7 21,6" " 0-:0 ".2(' cm 2 " 28 23,2
Mod.Ela"_Statico ",16,48 cm 3 kg/cm2 14 338.000" k,'Ox'.e cm 3 " 28 347.000
Mod.El.,t,Vibrozional" )o;.,I';x48 cm 3 kg/cm2
7 369.000" " 16xl6x48 cm 3 " 14 386.000" " l'C,:,-,,.,,, cm 3 " 28 391.000
Ri tiro ."iale 10dOx50 cm 2 ILlm 7 181" " lOdOx50 om 2 " 28 300" " l0<lOx0 cm 2 " a) 38S
100
90
80
70
60
r-+:S0<L",40n.
30
20
10
- fibre acriliche RICEM C/25/8/AF sperimentali della Società Italiana ProdottiAcrilici di Milano.
Tutte le miscele, le cui composizioni e caratteristiche salienti sono
riportate nellii Tab 2, sono state realizzate in un'impastatrice ad asse
orizzontale della capacità di 10 litri. Si è proceduto inizialmente ad una
miscelazione a secco per circa 1 minuto di tutti i componenti (comprese le
fibre, se presenti); poi la miscelazione è continuata per altri 4 minuti
introducendo l'acqua totale in due fasi successive.
Come si nota dalla Tab 2 il rapporto aggregato/legante è stato mantenuto
costante e pari a 2 per tutte le malte. Ciò si è reso necessario, nonostante i
pericoli connessi col maggior ritiro, per contenere il rapporto acqua/legante
intorno al valore di 0.3, e realizzare così matrici sufficientemente chiuse e
compatte maggiormente resistenti all'erosione.
Per ciascuna delle malte si sono confezionati numerosi campioni (4x4x16 cm)
al fine di valutare:
- le resistenza a flessione ed a compressioone sui relativi monconi (D.M.
3/6/68) a 3,7,28,90 giorni di maturazione;
- l'andamento del ritiro assiale in ambiente a 20°C e 50% di UR sia ad un
giorno dopo il disarmo che dopo una maturazione in acqua di 7 giorni (UNI 6687)
- la resistenza al gelo (UNI 8087)
- la porosità
I risultati acquisiti fino
riportati nei grafici di Figg.
a questo momento sono racchiusi nella Tab.
6, 7.
3 e
Tab. 2 - Composizione e caratteristiche salienti delle malte studiate
P = Premisce1ato
C = Cemento Portland 425
S = Fumo di silice
a = acquaA = Additivo superfluidificante
F = Fibre
w = fibre WIRAND
b = fibre BEKAERT
r = fibre RICEM
(kg/m3)CONSISTENZA
COMPOSIZIONE(UNI 7044) S SABBIA a+A
MALTA LEGANTE SABBIAMASSA VOLUMICA dopo
P+C P+C P+C
0+3 3+6 a A F 45'P C
65% 35% TEORICA REALE % % %
A / 700 906 486 227 21 / 2340 2352 117 78 / 1,989 0,354
Aw / 693 897 481 224,7 20,8 80 2396 2365 46 27 / 1,988 0,354
B 100 600 910 490 225 / / 2325 2352 94 / 6,4 2,000 0,321
D 240 480 930 502 198 / / 2350 2315 101 84 15,0 1,989 0,275
Dw 236 472 917 494 196 / 80 2395 2378 95 52 15,0 1,993 0,277
Db 236 472 917 494 196 / 80 2395 2380 84 64 15,0 1,993 0,277
Dr 233 466 907 488 200 / 2,4 2296,4 2255 57 39 15,0 1,996 0,286
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Fig. 6 - Resistenzadelle malte
a compressione Fig. 7 - Ritiro assiale delle malte
dopo 7 giorni di maturazione in acqua
Tab. 3 - Caratteristiche meccaniche delle malte
.,
* Valori medi su 3 campioni
3.3 Valutazione della resistenza all'erosione
Tra i tanti metodi messi a punto per la valutazione della resistenza
all'erosione-abrasione del calcestruzzo e più o meno ufficializzati dagli Enti
Nazionali di normalizzazione (6), quello utilizzato presso i Laboratori del
Corpo degli Ingegneri degli Stati Uniti (U.S. Army Engineer Waterways
Experiment Station) (3) è particolarmente indicato nel campo delle opereidrauliche.
Infatti l'apparecchiatura ivi approntata consente di mantenere in rotazione
veloce dell'acqua su di un campione di calcestruzzo a forma di disco. L'acqua,
mediante un agi tatore ruotante a '" 1200 giri/minuto, trasporta nel suo
movimento 75 sfere di acciaio di varie dimensioni (10 da 25 mm, 35 da 19 mm e
2-
... ,1;811J
-,--.........400
..."'
0"
.0_,
RESISTENZk A FLESSIONE* RESISTENZA A COMPRESSIONE* RITIRO ASSIALE SU PRISMI 4x4x16 cm" (fLi rn)
(kg/cm2) (kg/cm2)_n- ---_o .-------
MALTASTAGIONATURA l GIORNO STAGIONATURA 7 GIORNI
STAGIONATURA GIORNI: STAGIONATURA GIORNI: --____0- -_u--
n Tempo: Tempo:
3 7 28 3 7 28 7 28 cc 7 2d I ccI,
A 84,3 86,8 88,8 559 639 775 1001 1411 1634 784 ] ln 1412
-----0.---I
Aw 91,1 90,6 121,9 618 688 836 797 1141 1332 488 8:;4 I 1138I
-"------i
O 83,1 98,0 110,8 564 744 955 1084 1363 1490 768 997 I 1107!------ i.-.--.--
Ow 103,0 120,3 135,9 690 899 1028 905 1136 1242 620 789 867
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Ob 81,9 91,8 114,2 554 761 1014 930 1195 1321 514
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1030
__n_n_O
:Or 78,8 91,1 92,2 535 702 935 1279 1571 1701 1044 1587
_-un_.
25 da 13 mm):
trasporto solido.
La variazione di peso, dopo un tempo prefissato di funzionamento, consente
di valutare l'erosione subita dal campione.
E' evidente che tale prova non può fornire un valore assoluto della
resistenza all'erosione; essa tuttavia consente di confrontare il comportamento
di più materiali e di orientare così la scelta verso il rivestimento più
adatto.
Con alcune modifiche lo stesso dispositivo è stato realizzato anche presso
i laboratori dell'ENEL-CRIS.
La Fig. 8 mostra l'apparecchiatura durante l'esecuzione della prova: si
noti l'acqua in rotazione vorticosa.
Nella Fig. 9 si possono vedere i singoli componenti: il contenitore
cilindrico di diametro interno 0 = 31 cm ed h = 50 cm, il supporto di base con
guarnizione su cui è poggiato il campione, le sfere.
viene così simulata la reale azione erosiva in presenza di
Fig. 8 - Dispositivo per la prova di
erosione in funzione
Fig. 9 - Elementi costituenti
diaspositivo di prova
del
Per ciascuna delle malte e per il calcestruzzo di sottofondo sono stati
approntati 2 campioni 0 = 30 cm, H ~ lO cm, da sottoporre a prova dopo una
maturazione in acqua di almeno ventotto giorni.
La resistenza all'erosione è stata quantizzata mediante la variazione di
peso accusata dal campione in condizione di superficie asciutta, dopo un
trattamento complessivo di 72 ore, ed espressa come profondità media dierosione in millimetri.
Infatti è
~ P = Y ~ V =y 6. h S
con ~P
YS
~h
: variazione di peso
: massa volumica del materiale
: superficie del campione
: profondità media di erosione
La Fig. lO mostra l'evidente stato di erosione subita da una delle malte
alla fine della prova.
I risultati acquisiti fino a questo momento sono racchiusi nel grafico di
Fig. 11.
--
4. CONCLUSIONI
~
120
"."~.."
"
~oci:
9648 ?2
Tempo (ore)
Fig. 11media direalizzate
della
perprofondità
le mal te
Valorierosione
Fig. 10 - Erosione prodotta
delle malte provate
su una
Dall'analisi dei risultati sino ad ora disponibili è possibile formulare le
seguenti considerazioni:
- il calcestruzzo messo a punto con fumi di silice ha fornito le prestazioni
per le quali era stato progettato: buona lavorabilità, ottime resistenze,
ritiro contenuto e, soprattutto, una resistenza all'erosione confrontabile
con quella di calcestruzzi di analogo dosaggio (4).
- i risultati di tutte le prove effettuate sulle malte sono perfettamente
congruenti nel senso che a maggiori compattezze hanno fatto riscontro
maggiori resistenze meccaniche, minor ritiro, minore erosione. E' evidente
che l'uso dei fumi di silice è positivo: il 15% di tale prodotto presente
nella malta.D ne migliora sensibilmente le prestazioni rispetto alla malta A
di riferimento (Tab. 3 e Fig. Il).
- l'uso delle fibre acriliche RICEM, almeno per il dosaggio usato (0,2% involume) nella malta Dr, ha ridotto tutte le prestazioni di questa nei
confronti della malta D. E ciò per l'elevata superficie specifica ed il basso
valore della massa volumica delle fibre stesse.
l'uso delle fibre metalliche è risultato efficace ai fini della resistenza
all'erosione solo in concomitanza dell'impiego di fumi di silice. L'erosione
della malta Aw è risultata infatti maggiore di quella relativa alla malta Asenza fibre, mentre l'inverso si è verificato nel caso della malta Dw e D
contenenti il 15% di fumo di silice. Tale comportamento è da attribuire con
tutta probabilità alla maggior compattezzaazione di filler dei fumi di silice.
conseguita con l'eccezionale
- le fibre metalliche Duoform della WlRAND hanno offerto prestazioni
leggermente superiori a quelle Dramix della BEKAERT sia dal punto di vista
meccanico (Tab. 3 ) che per l'erosione (Fig. 11) E ciò presumibilmente per il
più elevato rapporto d'aspetto delle fibre Duoform (62,5 contro 50).
Alla luce delle considerazioni fatte, la malta Dw sembra la più idonea ad
essere impiegata nel rivestimento del fondo della galleria in esame.Confezionata col 15% di fumo di silice sul peso totale del legante, e con 1'1%
in volume di fibre WIRAND, la malta Dw per quanto riguarda l'erosione,
presenta infatti le migliori prestazioni tra tutte quelle sperimentate e
risulta di poco inferiore a quelle realizzate con resine epossidiche (3ì.
RINGRAZIAMENTI
Si ringraziano vivamente
fattiva collaborazione.
superfluidificanti usati
sono stati forniti dalla
il geom. G.Melchiorri ed il p.i. C.Zuffi per la loro
I fumi di silice, il premiscelato e gli additivi
per il confezionamento del calcestruzzo e delle malte
ditta Salvatore Tavano s.r.l. - Missaglia (CO).
BIBLIOGRAFIA
1) TEDESCHI, C.: "Alcuni esempi di risanamento di frane", Rivista Italiana di
Geotecnica, Anno X, N. 2, 1976, pp. 125-144
2) AMERICAN CONCRETE INSTITUTE: "Erosion of Concrete in Hydraulic Structures",
Committee 210 Report, ACI Materials Journal, N. 2, 1987, pp. 136-157
3) LIU, T.C.: "Abrasion Resistance of Concrete", ACI Journal, N. 5, 1981, pp.341-350
4) HOLLAND, T.C., KRYSA, A., LUTHER, M.D., LIU, T.C.: "Use of Silica-Fume
Concrete to Repair Abrasion-Erosion Damage in the Kinzua Dam Stilling
Basin" , 2nd International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and
Natural Pozzolans in Concrete, Madrid, Aprile 1986, ACI Publication SP91
V.2, pp. 841-863
5) BERRA, M., TAVANO, S.: "Proprietà di miscele cementizie contenenti fumo di
silice condensato (Condensed Silica Fume)", Convegno AITEC: Il cemento e il
calcestruzzo negli anni '80, Parma, Ottobre 1985
6) ALEXANDER, M.G. : "Towards standard tests for abrasion resistance of
concrete. Report on a limited number of tests studied, with acri tical
evaluation", RILEM Committee CPC-14, Matériaux et Constructions, V. 18, N.
106, 1985, pp. 297-307.