3. Proprietà del calcestruzzo

3.1 Proprietà del calcestruzzo

Il calcestruzzo è una pietra conglomerata artificiale costituita essenzialmente da cemento Portland,acqua e aggregati. Quando prima miscelato l’acqua e cemento costituiscono una pasta checirconda tutti i singoli pezzi di aggregato per fare una miscela di plastica. Una reazione chimica chiamata idratazione avviene tra l’acqua e il cemento, e il calcestruzzo normalmente cambia da una plastica a uno stato solido in circa 2 ore. Successivamente il concretocontinua a guadagnare forza mentre cura. Una tipica curva di guadagno di forza è mostrata in Figura1. L’industria ha adottato la forza di 28 giorni come punto di riferimento e specificationsoften si riferiscono a prove di compressione di cilindri di calcestruzzo che sono schiacciati 28 giorni afterthey sono fatti. La forza risultante è data la designazione f’c

Durante la prima settimana a 10 giorni di indurimento è importante che il calcestruzzo non bepermitted per congelare o asciugare perché uno di questi, occorrenze sarebbe verydetrimental allo sviluppo di forza del calcestruzzo. Teoricamente, se tenuto in umiditàambiente, il calcestruzzo acquisirà forza per sempre, tuttavia, in termini pratici, circa il 90% della sua forza viene acquisita nei primi 28 giorni.

Il calcestruzzo non ha quasi nessuna resistenza alla trazione (solitamente misurata in circa il 10-15% della sua resistenza alla compressione), e per questo motivo non viene quasi mai utilizzato senza una qualche forma di rinforzo. La sua resistenza alla compressione dipende da molti fattori, tra cui la qualità e le proporzioni degli ingredienti e l’ambiente di polimerizzazione. Il singolo più importanteindicatore di forza è il rapporto tra l’acqua utilizzata rispetto alla quantità di cemento.Fondamentalmente, più basso è questo rapporto, maggiore sarà la resistenza finale del calcestruzzo. (Thisconcept è stato sviluppato da Duff Abrams della Portland Cement Association nei primi anni 1920 ed è in uso in tutto il mondo oggi.) È necessario un rapporto minimo w/c (rapporto acqua-cemento) di circa 0,3 in peso per garantire che l’acqua entri in contatto con tutte le particelle di cemento (assicurando così una completa idratazione). In termini pratici, i valori tipici sono inlo 0,4 a 0.6 gamma al fine di ottenere una consistenza lavorabile in modo che il calcestruzzo fresco possa essere posizionato nelle forme e attorno a barre d’armatura ravvicinate.

Le tipiche curve stress-deformazione per vari punti di forza del calcestruzzo sono mostrate nella Figura 2. La maggior parte dei calcestruzzi strutturali ha valori f’c nell’intervallo da 3000 a 5000 psi. Tuttavia, lower-storycolumns di grattacieli a volte utilizzerà calcestruzzi di 12.000 o 15.000 psi toreduce le dimensioni della colonna che altrimenti sarebbero eccessivamente grandi. Anche se la figura 2 indica che la tensione massima che il calcestruzzo può sostenere prima che si schiacci varia inversamente con la forza, un valore di 0,003 è di solito preso (come misura semplificatrice) per l’uso nello sviluppo di designequations.

Poiché il calcestruzzo non ha una porzione lineare della sua curva stress-deformazione, è difficile misurare un valore adeguato del modulo di elasticità. Per calcestruzzi fino a circa 6000 psi può essere approssimato come

(1)

dove w è il peso unitario (pcf), f’c è la forza del cilindro (psi).(È importante che le unità di f’c siano espresse in psi e non in ksi ogni volta che viene preso lo squareroot). La densità di peso del cemento armato con sabbia e pietraaggregati normali è di circa 150 pcf. Se 5 pcf di questo è consentito per l’acciaio e w è preso as145 nell’equazione (1), allora

(2)

I valori così calcolati si sono dimostrati accettabili per l’uso nei calcoli di deflessione.
Mentre il calcestruzzo si cura, si restringe perché l’acqua non utilizzata per l’idratazione evapora gradualmente dalla miscela indurita. Per i grandi elementi continui tale restringimento può provocare lo sviluppo dello sforzo di trazione in eccesso, specialmente se un alto contenuto di acqua provoca il restringimento alarge. Il calcestruzzo, come tutti i materiali, subisce anche variazioni di volume a causa dieffetti termici, e nella stagione calda il calore del processo di idratazione esotermica aggiunge aquesto problema. Poiché il calcestruzzo è debole in tensione, spesso svilupperà crepe a causa di taleriduzione e sbalzi di temperatura. Ad esempio, quando un calcestruzzo appena posizionatolab-on-grade si espande a causa del cambiamento di temperatura, sviluppa stress compressivi internicome supera l’attrito tra esso e la superficie del terreno. Più tardi, quando la terra dei calcestruzzi si restringe man mano che si indurisce) e cerca di contrarsi, non è abbastanza forte da resistere alle stesse forze di attrito. Per questo motivo i giunti di contrazione sono spesso utilizzati per controllare la posizione delle crepe che inevitabilmente si verificano e il cosiddetto rinforzo di temperatura e restringimento viene posizionato in direzioni in cui il rinforzo non è già stato specificato per altri motivi. Lo scopo di questo rinforzo è quello di ospitare theresulting tensioni di trazione e per ridurre al minimo la larghezza di crepe che si sviluppano.

Oltre alle deformazioni causate dal restringimento e dagli effetti termici, anche il calcestruzzo si deforma a causa del creep. Creep sta aumentando la deformazione che avviene quando un materiale sostiene un livello di stress elevato per un lungo periodo di tempo. Ogni volta che i carichi costantemente applicati (come i carichi morti) causano notevoli sollecitazioni di compressione, si verificherà un creep. In un fascio, per esempio, la deflessione supplementare a lungo termine a causa di creep può essere fino a due volte la deflessione elastica iniziale Il modo per evitare questa maggiore deformazione è quello di mantenere thestresses a causa di carichi sostenuti ad un livello basso. Questo di solito viene fatto aggiungendo compressioniacciaio.

3.2 Proporzioni della miscela

Gli ingredienti del calcestruzzo possono essere proporzionati in base al peso o al volume. L’obiettivo è quello difornire la forza e la lavorabilità desiderate al minimo costo. A volte ci sono requisiti speciali come resistenza all’abrasione, durata in climi rigidi o impermeabilità all’acqua, ma queste proprietà sono solitamente correlate alla forza. A volte vengono specificati calcestruzzi di maggiore resistenza anche se un valore f’c inferiore avrebbe soddisfatto tutti i requisiti strutturali.

Come accennato in precedenza, un basso rapporto acqua-cemento è necessario per ottenere strongconcrete. Sembrerebbe quindi che semplicemente mantenendo alto il contenuto di cemento si potrebbe utilizzare abbastanza acqua per una buona lavorabilità e avere ancora un basso rapporto w/C. Il problema è thatcement è il più costoso degli ingredienti di base. Il dilemma è facilmente visibile nelgraph tematici della Figura 3.

Poiché le dimensioni di aggregati più grandi hanno superfici relativamente più piccole (per il cementpaste da rivestire) e poiché meno acqua significa meno cemento, si dice spesso che si dovrebbe usare la dimensione di aggregato più grande e la miscela pratica più rigida. (La maggior parte dei buildingelements sono costruiti con una dimensione aggregata massima di 3/4-1 dentro, le più grandi dimensioni beingprohibited dalla vicinanza delle barre d’armatura.)

Una buona indicazione del contenuto di acqua di un terreno misto e quindi della lavorabilità) può essere ottenuta da una prova standard di crollo. In questo test un cono metallico 12 in alto viene riempito con frescoconcrete in un modo specificato. Quando il cono viene sollevato, la massa di calcestruzzo “crolla” verso il basso (Figura 4) e la caduta verticale viene definita crollo.La maggior parte delle miscele di calcestruzzo hanno crolli nel 2-a 5-in gamma.

3.3 Cemento Portland

Gli ingredienti grezzi del cemento Portland sono minerale di ferro, calce, allumina e silice, che vengono utilizzati in varie proporzioni a seconda del tipo di cemento prodotto. Questi sono macinati e cotti in un forno per produrre un clinker. Dopo il raffreddamento, il clinker è veryfinery terra (a circa la consistenza di talco) e una piccola quantità di gesso isadded per ritardare il tempo di impostazione iniziale. Ci sono cinque tipi di base di cemento Portland inutilizzare oggi:

• Tipo I – General purpose

• Tipo II – Solfato di resistenza, calcestruzzo a contatto con l’alta solfato di terreni

• Tipo III – Alta resistenza iniziale, che ottiene la forza più veloce di Tipo I, l’attivazione di forme per essere rimosso prima

• Tipo IV – Basso calore di idratazione, per l’uso in costruzione massiccia

• Tipo V – Grave solfato di resistere

Tipo I è il meno costoso e viene utilizzato per la maggior parte delle strutture in cemento armato. TypeIII è anche spesso utilizzato perché consente di riutilizzare rapidamente i moduli, consentendo di ridurre i tempi di costruzione. È importante notare che mentre il tipo III guadagna forzapiù veloce del tipo I,non prende il suo set iniziale prima).

3.4 Aggregati

L’aggregato fine (sabbia) è costituito da particelle che possono passare attraverso un setaccio da 3/8 in;gli aggregati grossolani sono più grandi di 3/8 di pollice. Gli aggregati dovrebbero essere puliti, duri e ben classificati, senza piani di scissione naturali come quelli che si verificano in ardesia o scisto.La qualità degli aggregati è molto importante poiché costituiscono circa il 60-75% del volume del calcestruzzo; è impossibile fare un buon calcestruzzo con aggregati poveri. La classificazione sia dell’aggregato fine che grossolano è molto significativa perché avere una gamma completa di dimensioni riduce la quantità di pasta di cemento necessaria. Gli aggregati ben classificati tendono a rendere il mix più praticabile.

Il calcestruzzo normale è realizzato con sabbia e pietre, ma il calcestruzzo leggero può essere fattoutilizzando sottoprodotti industriali come scorie espanse o argilla come aggregati leggeri. Thisconcrete pesa soltanto 90-125 pcf e le alte forze sono più difficili da achievebecause degli aggregati più deboli. Tuttavia, un notevole risparmio può essere realizzato in termini dell’auto-peso dell’edificio, che può essere molto importante quando si costruisce su determinati tipi di suolo. Il calcestruzzo isolante è realizzato con perlite e vermiculite, pesa solo circa 15 a 40 pcf e non ha valore strutturale.

3.5 Additivi

Gli additivi sono sostanze chimiche che vengono aggiunte alla miscela per raggiungere scopi speciali o per soddisfare determinate condizioni di costruzione. Ci sono fondamentalmente quattro tipi: agenti di trascinamento dell’aria, agenti di lavorabilità, agenti ritardanti e agenti acceleranti.

Nei climi in cui il calcestruzzo sarà esposto a cicli di gelo-disgelo, l’aria viene moderatamente miscelata con il calcestruzzo sotto forma di miliardi di minuscole bolle d’aria di circa 0,004 pollici di diametro. Le bolle forniscono percorsi interconnessi in modo che l’acqua vicino alla superficie possa fuoriuscire mentre si espande a causa delle temperature di congelamento. Senza aria-trascinamento, thesurface di calcestruzzo quasi sempre spall via una volta sottoposto a andthawing ripetuto di congelamento. (Il trascinamento dell’aria ha anche l’effetto collaterale molto benefico di aumentare la lavorabilità senza un aumento del contenuto di acqua.) L’aria trascinata non deve essere confusa con l’aria intrappolata, che crea vuoti molto più grandi ed è causata da un posizionamento improprio e dal consolidamento del calcestruzzo. L’aria intrappolata, a differenza dell’aria trascinata, non lo è maibeneficiale.

Gli agenti di lavorabilità, tra cui gli agenti riducenti l’acqua e i plastificanti, servono a ridurre la tendenza delle particelle di cemento a legarsi insieme in flocculi e quindi a sfuggire alla completa disidratazione. Ceneri volanti, un sottoprodotto della combustione del carbone che ha alcune proprietà cementiziousproperties, è spesso usato per realizzare uno scopo simile. Superplasticizers arerelatively nuovi additivi che una volta aggiunti ad una miscela servono ad aumentare il slumpgreatly, rendendo la miscela molto soupy per un breve periodo e consentendo un basso contenuto di acqua-o altrimenti molto rigido) calcestruzzo per essere facilmente posizionato. Superplasticizers sono responsabiliper il recente sviluppo di calcestruzzi ad altissima resistenza, alcuni superiori a 15.000 psibecause riducono notevolmente la necessità di acqua in eccesso per la lavorabilità.

I ritardatori vengono utilizzati per rallentare il set di calcestruzzo quando devono essere posizionate grandi masse e il calcestruzzo deve rimanere plastico per un lungo periodo di tempo per prevenire la formazione di”giunti freddi” tra un lotto di calcestruzzo e il lotto successivo. Acceleratoriservire per aumentare il tasso di guadagno di forza e per diminuire il tempo di impostazione iniziale. Questopuò essere utile quando il calcestruzzo deve essere posizionato su un ripido pendio con una singola forma o quandoè auspicabile ridurre il periodo di tempo in cui il calcestruzzo deve essere protetto dacongelamento. L’acceleratore più noto è il cloruro di calcio, che agisce per aumentare il calore di idratazione, causando in tal modo il calcestruzzo per impostare più velocemente.

Altri tipi di additivi chimici sono disponibili per una vasta gamma di scopi. Alcuni ofthese possono avere effetti collaterali deleteri su guadagno di forza, ritiro, e othercharacteristics di calcestruzzo, e lotti di prova sono consigliabili se c’è qualche dubbio riguardo all’uso di una particolare mescolanza.

3.6 Il codice ACI

L’American Concrete Institute (ACI), con sede a Detroit, Michigan, è un’organizzazione di professionisti del design, ricercatori, produttori e costruttori. Una delle sue funzioni èper promuovere la progettazione e la costruzione sicura ed efficiente di strutture in calcestruzzo. L’ACIHA numerose pubblicazioni per assistere progettisti e costruttori; il più importante interms di strutture edili è intitolato Requisiti codice di costruzione per cemento armato e commento. È prodotto dal Comitato 318 dell’American ConcreteInstitute e contiene le linee guida di base per i funzionari del codice di costruzione,architetti, ingegneri e costruttori riguardanti l’uso del cemento armato per le strutture edilizie.Vengono presentate informazioni riguardanti materiali e pratiche costruttive, test standard, analisi e progettazione e sistemi strutturali. Questo documento è stato adottato da mostbuilding code authorities negli Stati Uniti come riferimento standard. Esso fornisce allrules per quanto riguarda le dimensioni di rinforzo, fabbricazione, e il posizionamento ed è unvaluableresource sia per il progettista e il detailer.

Si verificano aggiornamenti periodici (1956, 1963, 1971, 1977, 1983, e 1989), e questo testo fa costante riferimento all’edizione del 1989, chiamandola Codice ACI o semplicemente Codice.Documenti e funzionari si riferiscono anche ad esso con la sua designazione numerica, ACI 318-89.

3.7 Riferimenti

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Cassie, W. F. (1965). “Il primo rinforzo strutturaleconcrete,” Calcestruzzo strutturale, 2(10).
Collins, P. (1959). Concrete, La visione di una nuova architettura, Faber and Faber, Londra.
Condit, C. W. (1968). Costruzione americana, materiali e tecnichedai primi insediamenti coloniali ad oggi, University of Chicago Press.
Drexler, A. (1960). Ludwig Miles van der Rohe, George Braziller, New York.
Farebrother, J. E. C. (1962). “Calcestruzzo-Passato, presente e futuro”, L’ingegnere strutturale, ottobre.
Mainstone, R, J. (1975). Sviluppi in forma strutturale, Il MITPress, Cambridge.