Perché la temperatura del calcestruzzo è importante, specialmente durante le temperature estreme

Il calore prodotto dal calcestruzzo durante la polimerizzazione del calcestruzzo è chiamato calore di idratazione. Questa reazione esotermica si verifica quando acqua e cemento reagiscono. La quantità di calore prodotta durante la reazione è principalmente correlata alla composizione e alla finezza del cemento.

LE CINQUE FASI DELL’EVOLUZIONE DEL CALORE NEL CALCESTRUZZO

L’evoluzione del calore nel calcestruzzo è un argomento molto complesso e ampiamente studiato. Per semplificare questo processo, l’evoluzione del calore nel tempo può essere separata in cinque fasi distinte. Il profilo termico può cambiare a seconda del tipo di cemento. L’idratazione tipica per il cemento di tipo I è rappresentata graficamente nella figura seguente.

FASE i: PRE-INDUZIONE

Poco tempo dopo che l’acqua entra in contatto con il cemento, c’è un forte aumento della temperatura, che avviene molto rapidamente (entro un paio di minuti). Durante questo periodo, le fasi reattive primarie del calcestruzzo sono le fasi alluminate (C3A e C4AF). Le fasi di alluminato e ferrite reagiscono con gli ioni calcio e solfato per produrre etingite, che precipita sulla superficie delle particelle di cemento. Durante questa fase, in misura minore, le fasi di silicato (principalmente C3S) reagiranno anche in frazioni molto piccole rispetto al loro volume totale e formeranno uno strato molto sottile di calcio-silicato-idrato (C-S-H).

FASE ii: PERIODO DORMIENTE

Questa fase è anche conosciuta come fase di induzione. Durante questo periodo, il tasso di idratazione è significativamente rallentato. Tradizionalmente, si ritiene che ciò sia dovuto alla precipitazione dei suddetti composti sulla superficie delle particelle di cemento, che porta a una barriera di diffusione tra particelle di cemento e acqua. Tuttavia, vi è un dibattito significativo sulle ragioni fisiche e chimiche alla base del verificarsi di questa fase e sui metodi per prevederlo. Questo è il periodo in cui il calcestruzzo fresco viene trasportato e posizionato poiché non si è ancora indurito ed è ancora lavorabile (plastica e fluido). È stato dimostrato che la lunghezza del periodo di dormienza varia a seconda di molteplici fattori (tipo di cemento, additivi, w/cm). La fine del periodo dormiente è tipicamente caratterizzata dall’insieme iniziale.

FASE iii e iV:

GUADAGNO DI FORZA In questa fase, il calcestruzzo inizia a indurirsi e guadagnare forza. Il calore generato durante questa fase può durare per più ore ed è causato principalmente dalla reazione dei silicati di calcio (principalmente C3S e in misura minore C2S). La reazione del silicato di calcio crea idrato di silicato di calcio “secondo stadio” (C-S-H), che è il principale prodotto di reazione che fornisce resistenza alla pasta di cemento. A seconda del tipo di cemento, è anche possibile osservare un terzo picco di calore più basso dalla rinnovata attività di C3A.

FASE V: STATO STAZIONARIO

La temperatura si stabilizza con la temperatura ambiente. Il processo di idratazione rallenterà in modo significativo ma non si fermerà completamente. L’idratazione può continuare per mesi, anni o addirittura decenni a condizione che ci sia acqua sufficiente e silicati liberi per idratare, ma il guadagno di forza sarà minimo durante tale periodo di tempo.

Perché monitorare la temperatura del calcestruzzo?

Nella fase II, la temperatura del calcestruzzo può essere misurata mentre il calcestruzzo viene versato. La misurazione della temperatura viene in genere eseguita per assicurarsi che il calcestruzzo sia conforme a determinate specifiche che definiscono un determinato intervallo di temperatura ammissibile. Le specifiche tipiche richiedono che la temperatura del calcestruzzo durante il posizionamento sia compresa tra 10°C e 32°C. Tuttavia, vengono forniti diversi limiti specificati a seconda delle dimensioni dell’elemento e delle condizioni ambientali (ACI 301, 207). La temperatura del calcestruzzo durante il posizionamento influisce sulla temperatura del calcestruzzo durante la successiva fase di idratazione. Il monitoraggio della temperatura del calcestruzzo durante le fasi III e IV è un componente di controllo qualità che viene regolarmente eseguito. La ragione principale dietro questa misura è di assicurare che il calcestruzzo non raggiunga le temperature che sono troppo alte o troppo basse per permettere lo sviluppo adeguato di forza e la durevolezza del calcestruzzo. Un altro motivo per il monitoraggio della temperatura del calcestruzzo durante questa fase è quello di valutare la resistenza sul posto, dove il tasso di idratazione è il principale dietro il metodo di maturità (ASTM C 1074).

CALCESTRUZZO A CALDO

Generalmente, viene specificato un limite di 70°C per la temperatura del calcestruzzo durante l’idratazione. Se la temperatura del calcestruzzo durante l’idratazione è troppo alta, farà sì che il calcestruzzo abbia un’elevata resistenza iniziale, ma di conseguenza otterrà meno resistenza nella fase successiva e mostrerà una durata inferiore. Inoltre, è stato osservato che tali temperature interferiscono con la formazione di etingite nella fase iniziale e successivamente la sua formazione nelle fasi successive è promossa; che provoca una reazione espansiva e successiva fessurazione. Inoltre, i problemi di alta temperatura sono preoccupanti, specialmente nei versamenti di calcestruzzo di massa, dove la temperatura interna può essere molto elevata a causa dell’effetto di massa, mentre la temperatura superficiale è inferiore. Ciò causa un gradiente di temperatura tra la superficie e il nucleo, se il differenziale di temperatura è troppo grande provoca cracking termico.

CALCESTRUZZO A FREDDO

Se la temperatura ambiente è troppo bassa, l’idratazione del cemento rallenterà significativamente o si fermerà completamente fino a quando la temperatura non aumenterà nuovamente. In altre parole, ci sarà una riduzione significativa o una fine allo sviluppo della forza. Se la temperatura del calcestruzzo raggiunge il congelamento prima di raggiungere una certa resistenza (3,5 MPa) (ACI 306), il calcestruzzo avrà una resistenza complessiva ridotta. Ciò causerà anche fessurazioni in quanto il calcestruzzo non ha una forza sufficiente per resistere all’espansione dell’acqua a causa della formazione di ghiaccio. Per garantire un corretto sviluppo della resistenza ed evitare fessurazioni del calcestruzzo, le linee guida generali suggeriscono che la temperatura del calcestruzzo deve essere mantenuta superiore a una certa temperatura per un determinato periodo di tempo (>5°C per 48 ore) (ACI 306).

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