RICERCA ITALIANA     

Applicazioni strutturali del calcestruzzo autocompattante

Politecnico di Milano

Abstract

La Ricerca è dedicata allo studio, mediante indagini sperimentali e teoriche, delle possibilità applicative del calcestruzzo autocompattante, nel prosieguo indicato con la abbreviazione SCC (Self-Compacting Concrete) nel campo della ingegneria delle strutture. Tale materiale, sebbene la sua invenzione dati all'inizio degli anni '90, non è ancora assurto nel nostro paese al rango di materiale di comune utilizzo da parte della industria delle costruzioni. Ciò è dovuto ad una non ancora completa ed esauriente conoscenza delle sue proprietà, sia allo stato indurito, sia allo stato fresco, queste ultime prerequisito essenziale del materiale, che ne consente la posa in opera senza dover ricorrere ad operazioni di vibrazione. I prerequisiti di base del materiale e i loro riflessi sul comportamento delle strutture sono stati oggetto di studio nel programma di Ricerca Scientifica "Le proprietà chimico-fisico-meccaniche del calcestruzzo autocompattante e le loro implicazioni strutturali", svolto nel biennio 2003-2004, ottenendo interessanti e originali risultati che hanno permesso di progredire nella conoscenza delle principali caratteristiche del materiale. Sulla base delle acquisizioni cui si è pervenuti, la presente Ricerca si rivolge alle possibilità applicative del SCC nella industria delle costruzioni, identificando campi specifici di estremo interesse, sia riguardo le tipologie strutturali, sia riguardo i campi di impiego. La ricerca si articola su due percorsi e precisamente:
-Lo studio sperimentale e teorico di elementi strutturali in SCC semplice o addittivato con fibre metalliche;
-Il controllo di qualità del SCC fornito nei cantieri di costruzione. Questi due percorsi procedono attraverso gradi intermedi.
Il primo comprenderà:
-la progettazione del materiale costituente gli elementi strutturali, conferendogli peculiarità specifiche atte a garantire un comportamento meccanico degli stessi di garantita prestazionalità;
-le indagini sperimentali su campioni atti allo studio e alla determinazione di tipo locale dei prerequisiti richiesti al materiale e agli elementi strutturali;
Relativamente al secondo punto si opererà nel seguente modo:
-rilevamento di dati riguardanti le caratteristiche allo stato fresco del SCC fornito in cantiere di costruzione;
-analisi statistica dei risultati acquisiti per la definizione di criteri di controllo della qualità.
Il Progetto prevede l'afferenza delle seguenti cinque Unità di Ricerca:
1. Università di Bologna, Fac. di Ingegneria. Dip. Ing. Strutture, Trasporti, Acque, Rilevamento del Territorio;
2. Università di Firenze, Fac. di Ingegneria. Dip. Ing. Civile;
3. Politecnico di Milano. Dip. Ing. Strutturale;
4. Politecnico di Torino. Dip. Ing. Strutturale e Geotecnica;
5. Università di Venezia, Fac. di Architettura. Dip. Costruzione della Architettura.
Il Programma di Ricerca si svolge in due anni e comprende due fasi, una ogni anno, nelle quali tutte le Unità Operative sono impegnate. Oltre alle indagini sperimentali saranno sviluppati approcci teorici per disporre di modelli di previsione del comportamento sia a livello locale, sia a livello strutturale, degli elementi di cui si vuole indagare la risposta. Le attività previste presentano notevole impegno. In particolare, quelle sperimentali richiedono sensibili oneri per il confezionamento degli elementi da provare e l'esecuzione delle prove, mentre i modelli teorici richiederanno modellazioni raffinate per poter tenere conto a livello strutturale dei fenomeni di interazione locale fra il calcestruzzo SCC e gli altri materiali, caratterizzati da spiccato carattere di non linearità allo stato limite ultimo o da leggi di comportamento variabili nel tempo negli stati limite di esercizio. Lo sviluppo della Ricerca, peraltro di facile verificabilità, è illustrato dalle dettagliate descrizioni delle Fasi e dei risultati da esse attesi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gianpaolo Rosati Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L'obiettivo della Ricerca riguarda lo svolgimento di una campagna di indagini sperimentali e la definizione di modelli teorici atti a definire il comportamento di elementi strutturali in SCC nonché la raccolta di dati riguardanti le proprietà allo stato fresco di SCC fornito in cantiere di costruzione e la loro elaborazione statistica. L'obbiettivo sarà perseguito attraverso due linee di ricerca principali riguardanti i seguenti punti: a) Studio sperimentale e teorico del comportamento meccanico di elementi strutturali in SCC semplice o addittivato con fibre metalliche, soggetti ad azioni di tipo monotono e ciclico; b) Controllo di qualità del calcestruzzo SCC fornito in cantiere di costruzione. All'interno di questi due punti si distinguono più stadi intermedi. Relativamente al punto a) si procederà come segue: a.1) Indagini sulle proprietà reologiche e meccaniche del materiale SCC in previsione del suo utilizzo quale costituente degli elementi strutturali oggetto delle indagini sperimentali; a.2) Sperimentazione su campioni atti alla definizione delle leggi di comportamento locale degli elementi strutturali; a.3) Campagna di prove sperimentali su elementi strutturali, elaborazione dei risultati ottenuti e definizione di modelli teorici di previsione. Il punto b) si suddividerà invece nei seguenti stadi: b.1) Effettuazione di controllo di accettazione su calcestruzzo SCC fresco fornito in cantiere; b.2) Elaborazione statistica dei risultati; b.3) Formulazione di linee guida per la definizione dei fondamenti del controllo di qualità e delle procedure di accettazione del calcestruzzo SCC fornito in cantiere. Per quanto riguarda lo stadio a.1) l'Unità di Bologna sarà impegnata in una serie di test sperimentali atti alla misurazione delle deformazioni di viscosità e ritiro in calcestruzzi SCC fibrorinforzati, considerando l'influenza esercitata dal livello tensionale e dalle condizioni di maturazione. Le deformazioni differite saranno indagate anche dall'Unità di Milano, che studierà le deformazioni impresse di ritiro e di espansione in calcestruzzi SCC espansivi e lo stato tensionale che esse provocano allorché siano impedite da vincoli esterni o interni, valutandone l'interazione con i fenomeni di rilassamento che si inducono nel calcestruzzo. La reologia dei calcestruzzi SCC espansivi sarà studiata anche dall'Unità di Torino, in vista dell'impiego del materiale nella riparazione di pile da ponte. Sempre all'interno di questo stadio, l'Unità di Firenze procederà alla caratterizzazione del materiale SCC nei riguardi della resistenza, della lavorabilità e dell'autocompattabilità, studiando gli effetti dell'impiego di fumo di silice. Infine, l'Unità di Venezia indagherà le leggi costitutive di tipo istantaneo, sotto carico monotonico, allo scopo di individuare i limiti di deformazione ultima del calcestruzzo SCC. Lo stadio a.2) è dedicato allo studio delle caratteristiche di durabilità del materiale nonché all'indagine sperimentale su campioni di ridotte dimensioni, allo scopo di definire aspetti importanti del comportamento locale e di accoppiamento fra il calcestruzzo SCC e gli altri materiali strutturali. L'Unità di Milano valuterà la durabilità di elementi in calcestruzzo SCC armato disposti in ambiente aggressivo (resistenza alla penetrazione dei cloruri, tenore critico per l'innesco della corrosione, velocità di corrosione al variare del contenuto di umidità).L'Unità di Firenze opererà attraverso misure di resistenza e modulo elastico, inoltre effettuerà una campagna di prove per lo studio della resistenza a taglio e della duttilità di travi in calcestruzzo armato confezionate con calcestruzzi normali e ad alta resistenza e con calcestruzzi SCC aventi medesima classe di resistenza. L'Unità di Venezia sarà invece attiva nella determinazione della energia di frattura in elementi di calcestruzzo SCC. L’unità di Bologna sperimenterà un prototipo di nodo trave-colonna di struttura prefabbricata realizzato in opera. Infine l'Unità di Torino sottoporrà a prove di taglio di tipo ciclico lastre di calcestruzzo riparate mediante idrodemolizione della loro parte superiore e successivo getto di calcestruzzo SCC. Lo stadio a.3) riguarda l'esecuzione di prove sperimentali su elementi strutturali. In questo stadio l'Unità di Bologna studierà la capacità portante di nodi strutturali di strutture prefabbricate realizzati a umido (a seguito dei risultati ottenuti nella fase a2), utilizzando calcestruzzo SCC addittivato con fibre metalliche, soggetti a carichi ciclici per simulare l'effetto del sisma. Allo studio dell'azioni cicliche (sisma) si dedicherà anche l’ Unità di Venezia studiando i nodi trave colonna. L'Unità di Milano procederà nello studio di colonne metalliche tubolari riempite con un getto di SCC. Le prove saranno condotte su elementi snelli e su elementi non sensibili a fenomeni di secondo ordine. Si utilizzeranno calcestruzzi SCC espansivi, indagando sulla possibilità di potere mantenere nel tempo uno stato di coazione relativo fra il calcestruzzo ed il tubo, migliorando il comportamento statico della colonna, sia in termini di resistenza, meccanismo di crisi e rigidezza. L'Unità di Milano sarà inoltre impegnata in prove di elementi in calcestruzzo SCC fibrorinforzato costituenti gli elementi prefabbricati utilizzati per la costruzione dei rivestimenti delle gallerie scavate con macchina fresatrice TBM. In questi elementi, aventi il profilo formato da un arco di circonferenza, sarà oggetto di misura l'avanzamento dello stato fessurativo ed il ruolo giocato dalle fibre sulla sua stabilizzazione. L'Unità di Venezia studierà sperimentalmente colonne in calcestruzzo SCC e nodi trave-colonna soggetti ad azioni cicliche, valutandone la resistenza ed il ruolo positivo che su di essa ha la presenza di armature di confinamento. I risultati ottenuti permetteranno di dedurre modelli teorici atti alla previsione del comportamento in duttilità di questi elementi strutturali. Il punto b), relativo al controllo di qualità del calcestruzzo SCC fornito in cantiere, sarà svolto dalla Unità di Milano, attualmente impegnata nei controlli in sito di calcestruzzi SCC forniti in cantiere per la costruzione di un edificio avente complesso funzionamento statico. L'obiettivo consiste nell'individuare, attraverso un procedimento di controllo che si sviluppa su una acquisizione in continuo di dati relativi al calcestruzzo fresco, la possibilità di mettere a punto linee guida atte a definire un criterio di accettazione del materiale basato su una acquisizione discontinua di dati. Nello stadio b.1) saranno effettuate le prove in cantiere ed i risultati raccolti saranno oggetto, nello stadio b.2) di elaborazione statistica non solo effettuata su misure omogenee, bensì orientata a porre in luce le correlazioni fra i risultati derivanti da prove mirate alla misura di differenti prerequisiti del materiale. Infine lo stadio b.3) rappresenta il momento conclusivo della ricerca che permetterà, sulla base dei risultati acquisiti e della elaborazione statistica, di formulare le prime istanze relative ad un criterio di accettazione generalizzato del materiale, che, permetta di stabilire senza ambiguità i limiti entro cui il materiale possa essere riconosciuto idoneo a fornire le prestazionalità richieste in progetto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'importanza dell'utilizzo del calcestruzzo autocompattante (SCC) nella realizzazione di strutture in opera o prefabbricate si è resa particolarmente evidente negli ultimi anni [1-5]. Tuttavia, oltre all'impiego di tali calcestruzzi per nuove costruzioni o per elementi prefabbricati, si sta ora profilando un nuovo settore di impiego nel campo della riparazione e nel consolidamento. L'utilizzo di tale calcestruzzo grazie alle sue caratteristiche allo stato fresco che ne rendono l'impiego particolarmente vantaggioso, è sempre più in crescita, nonostante le ancora limitate conoscenze sul materiale e sulla possibilità di estensione alla misura della sicurezza per le strutture con esso realizzate, della diretta applicazione dei codici normativi. Infatti, i calcestruzzi autocompattanti sono caratterizzati da una elevata fluidità allo stato fresco, e da una ottima mobilità in spazi ristretti e da una garantita resistenza alla segregazione. Tali caratteristiche consentono la posa in opera del SCC senza dover ricorrere ad operazioni di vibrazione, riducendo così i tempi ed i costi di esecuzione delle strutture ed i rischi per la salute dei lavoratori connessi al forte inquinamento acustico relativi alle suddette operazioni. Un altro vantaggio si ottiene nel caso di getto di elementi strutturali con forte concentrazione delle armature, ovvero quando il conglomerato deve attraversare spazi ristretti [6-7]. L'impiego del calcestruzzo SCC, le cui prerogative sono prevalentemente associate al comportamento nello stato fresco, richiede quindi la formulazione di chiare e precise indicazioni circa le modalità di accettazione del prodotto e il suo controllo di qualità [8]. A tale riguardo, i documenti normativi prescrivono le tecniche che presiedono alla esecuzione di test orientati al controllo di qualità del materiale [9-16], tuttavia non sussistono disposizioni prescrittive su come condurre in maniera sistematica e univoca i tests di accettazione. Agli studi sul SCC allo stato fresco si sono presto affiancati studi rivolti ad approfondire gli aspetti meccanici allo stato indurito. Numerosi sono i ricercatori che - a partire dagli anni '90 - si sono occupati del confronto tra le caratteristiche degli SCC e quelle dei calcestruzzi tradizionali, mediante sperimentazioni di tipo comparativo [17-19]. Significativi a questo proposito sono stati i risultati ottenuti nel biennio 2004-2005 all'interno del programma di ricerca scientifica di rilevante interesse nazionale (PRIN) "Le proprietà chimico-fisico-meccaniche dei calcestruzzi autocompattanti e le loro implicazioni strutturali" [20]. Tali risultati hanno permesso di ampliare in modo cospicuo la base scientifica di conoscenze sul calcestruzzo SCC e di porre le premesse per una approfondita comprensione delle sue prerogative nell'ambito della costruzione e della durabilità di organismi strutturali in calcestruzzo armato e precompresso. Gli studi svolti si sono concentrati sia sulla definizione delle proprietà costitutive sia sull'analisi di elementi strutturali. Diversi sono stati gli studi riguardanti le proprietà reologiche del SCC, quali lo sviluppo della resistenza e del modulo elastico nel tempo, nonché delle deformazioni differite di viscosità e ritiro. Tuttavia, le conoscenze su tale tema risultano ancora incomplete, come evidenziato dal limitato numero di studi riportati in letteratura [21-25], che forniscono risultati a volte addirittura tra loro contrastanti. La maggiore fluidità dei calcestruzzi autocompattanti in generale produce nel tempo deformazioni differite superiori rispetto alle miscele convenzionali; queste osservazioni non trovano ancora un valido riscontro nelle indicazioni normative né nazionali né internazionali (fib, Eurocodici). Un tema che risulta ancora poco indagato in letteratura è inoltre quello riguardante la misura dell'energia di frattura [26-27], di particolare interesse vista la fragilità mostrata dal materiale in alcuni tests di laboratorio. Infatti, negli studi compiuti nel programma di ricerca sopra menzionato, sull'aderenza tra il calcestruzzo SCC ed altri materiali, quali i calcestruzzi ordinari o le armature metalliche, si sono ricavati valori di picco della tensione di aderenza acciaio-calcestruzzo decisamente più elevati rispetto a quelli tipici dei calcestruzzi ordinari, tuttavia accompagnati da marcati fenomeni di fragilità [28,29]. Allo stato attuale la maggior parte delle conoscenze sulla aderenza fra calcestruzzo SCC e elementi metallici è limitata all'interazione fra calcestruzzo e barre ad aderenza migliorata per le quali, come ben noto, il meccanismo di rottura risulta influenzato in modo sostanziale dalla presenza dei risalti sulla superficie della barra [30]. Non è invece stato oggetto di studio dettagliato il comportamento di altri organismi resistenti quali le colonne tubolari metalliche riempite di calcestruzzo, spesso utilizzate per la costruzione di alti edifici. Inoltre, non sono ancora stati investigati in modo esauriente e sistematico alcuni aspetti del comportamento dei calcestruzzi SCC che intervengono in maniera decisiva nella definizione della loro efficacia, qualora impiegati in operazioni di riparazione e consolidamento. In particolare si ricorda il comportamento di interfaccia tra vecchi e nuovi calcestruzzi, fortemente condizionato dall'adesione del getto di ripristino in SCC al preesistente getto e dagli effetti di ritiro differenziale che possono alterare il mantenimento nel tempo dell'aderenza comportando fenomeni di fessurazione superficiale la cui ampiezza ed entità deve essere controllata con idonee armature. Se da un lato i SCC dispongono di una elevata resistenza di adesione superficiale che consente una riduzione della armatura di cucitura tra i due getti rispetto ai casi di impiego di calcestruzzi tradizionali o malte reoplastiche; dall'altro l'intervento di un apprezzabile ritiro differenziale tra nuovi e vecchi getti può ridurre significativamente tale vantaggio, potendo anche comportare l'insorgere di fessurazioni diffuse ed inaccettabili per la durabilità o ancor peggio la delaminazione degli strati. Tale aspetto del comportamento diventa ancora più complesso nelle riparazioni delle solette e delle pile da ponte, nelle quali ai fenomeni sopraccitati si aggiunge la fatica indotta dai carichi variabili, che può comportare la rottura del legame di adesione tra i getti e limitare conseguentemente la vita della struttura per progressivo cedimento dei connettori a taglio tra i due getti. Un aspetto non indagato nel precedente progetto, ma di particolare importanza per le applicazioni strutturali riguarda lo studio dell'elevata durabilità e resistenza nei riguardi della corrosione dell'armatura che il SCC garantisce alle strutture. Tale capacità è connessa da un lato al miglioramento della qualità della pasta cementizia che minimizza il contenuto di aria intrappolata, dall'altro al miglioramento della superficie di interfaccia fra pasta cementizia e armatura, cui può conseguire un incremento della vita di servizio delle strutture. Sotto questo aspetto, sebbene molti studi siano stati dedicati alla indagine circa la durabilità di strutture in calcestruzzo armato, sono ancora carenti le informazioni riguardanti gli aspetti connessi all'innesco e alla propagazione della corrosione in strutture realizzate con SCC. Un incremento ulteriore della durabilità può essere fornito dall'utilizzo dei calcestruzzi fibrorinforzati, che permettono un buon controllo della fessurazione, migliorano la resistenza agli impatti e agli shock termici se opportunamente dosate. L'incremento prestazionale associato al controllo dei fenomeni fessurativi offerto dalla presenza di fibre induce a ritenere che SCC addittivati con fibre possano essere utilizzati con profitto per la realizzazione di strutture in ambienti altamente aggressivi, ad esempio in presenza di sali disgelanti o di sostanze chimiche aggressive trasportate dall'aria, sotto l'azione della marea e delle onde, o poste in condizioni di esercizio severe [31]. Il confezionamento di calcestruzzi fibrorinforzati facendo uso di miscele di calcestruzzi autocompattanti potrebbe migliorare la problematica della diminuita lavorabilità causata dalla presenza di fibre nell'impasto [32] Su questo tipo di materiale, sono state avviate già da alcuni anni diverse ricerche, prevalentemente rivolte allo studio della sua lavorabilità e alla definizione di criteri per la messa a punto di miscele in cui i contributi dei diversi componenti risultino ottimizzati [33]. Sono stati condotti studi anche sulle proprietà meccaniche, che differiscono da quelle degli FRC convenzionali. Infine, è stato condotto un numero limitato di ricerche relative al comportamento differito del materiale FRC, e comunque con riferimento unicamente all'impiego di calcestruzzi non autocompattanti [34-36]: ancora scarse ed incomplete sono le informazioni quantitative su come le fibre limitino lo svilupparsi della viscosità e del ritiro. Ancora più limitate sono le informazioni riguardo alle proprietà differite di calcestruzzi autocompattanti fibrorinforzati ove la presenza di fibre potrebbe apportare significativi vantaggi, considerato che nei calcestruzzi autocompattanti le deformazioni differite sono anche maggiori rispetto alle miscele convenzionali. Anche l'impiego dei calcestruzzi ad alta resistenza (HSC - High Strength Concrete o HPC - High Performance Concrete), ha avuto un sensibile incremento negli ultimi tre decenni [37-38]. Questi materiali ad alte prestazioni vengono attualmente usati in vari settori dell'ingegneria delle strutture con notevole vantaggio in termini di ingombro e di costo. Una proposta innovativa è costituita dall'utilizzo di calcestruzzi autocompattanti ad alta resistenza. La combinazione di queste due caratteristiche, non ancora indagata in letteratura, porta al confezionamento di un materiale del tutto nuovo, le cui proprietà meccaniche necessitano di specifiche indagini sperimentali per le più comuni tipologie di sollecitazione. <<<