Focus: CALCESTRUZZO

(formazione) Il cemento di nuova generazione

Tra i materiali cementizi oggetto di una continua innovazione legata alla modifica delle caratteristiche fisiche in funzione dell’ottenimento di specifiche prestazioni, il caso del calcestruzzo risulta particolarmente emblematico. L’obiettivo di combinare le prestazioni meccaniche con un determinato comportamento reologico per mantenere fluido e lavorabile l’impasto ha portato alla definizione di strategie legate al mix-design sempre più efficaci e diversificate, tanto da non permettere più di parlare di “calcestruzzo” come un materiale specifico, quanto piuttosto di diverse tipologie di conglomerati cementizi studiati a seconda delle esigenza progettuali. 
Lo sviluppo di materiali cementizi di nuova generazione, caratterizzati da proprietà innovative e dall’affidabilità delle prestazioni, ha contribuito a stimolare le ricerche progettuali, con esiti di particolare interesse. La concezione architettonica di Zaha Hadid per il museo Maxxi a Roma, con un muro alto 8 metri e lungo 100 senza giunti, non sarebbe stata possibile senza l’impiego di un calcestruzzo autocompattante (SCC, Self Compacting Concrete) a faccia vista appositamente progettato nel mix-design con additivi superfluidificanti e antiritiro. Solo nel campo degli autocompattanti, l’accurata selezione nella composizione degli impasti ha permesso di ottenere calcestruzzi ad altissima resistenza in grado di scorrere perfettamente anche in armature complesse, con una vita utile molto superiore ai 50 anni richiesti per normativa (Norman Foster, Trade World Center, San Marino; Santiago Calatrava, Ponte sul Canal Grande, Venezia). 
Le innovazioni nel campo dei materiali cementizi risentono tuttavia notevolmente del ritardo dell’apparato normativo. Nel caso del calcestruzzo, prima delle Norme Tecniche 2005, l’Italia era ferma alla normativa del 1973 (nonostante l’introduzione del 1996 dell’Eurocodice 2), e anche con le nuove Norme Tecniche per le Costruzioni (D.M. 14 gennaio 2008) la parte relativa al calcestruzzo non ha subito modifiche sostanziali. Nonostante i passi avanti introdotti con l’organizzazione e la razionalizzazione e dei documenti attraverso un “Testo Unico”, resta comunque presente la necessità di aggiornamento continuo in relazione alle nuove acquisizioni tecnico scientifiche e alle proprietà dei calcestruzzi innovativi. 
Un passo in avanti ha riguardato una maggiore attenzione alla determinazione delle caratteristiche meccaniche e di durabilità, non sufficiente tuttavia ad includere nella normativa calcestruzzi caratterizzati da classi di resistenza particolarmente elevate (>90 MPa) o con particolari caratteristiche fisico-chimiche (ridotta dimensione degli inerti, basso rapporto acqua/cemento, ecc.). Per tali tipologie di materiali, l’impiego resta subordinato a valutazioni specifiche – tra cui una modellazione del materiale basata su una specifica documentazione teorica e sperimentale, una trattazione circostanziata a giustificazione delle regole di calcolo adottate, l’indicazione delle procedure da seguire nella realizzazione delle strutture e per le certificazioni di qualità – determinando un forte ritardo del nostro paese nell’acquisizione e nella diffusione di tecnologie innovative.
E la customizzazione delle prestazioni derivanti dall’approccio nano tecnologico alla progettazione dei calcestruzzi ha aperto la strada ad una molteplicità di applicazioni innovative. Tra queste, i calcestruzzi ad altissima resistenza meccanica (UHPC - Ultra High Performance Concrete), evoluzione degli RPC (Reactive Powder Concrete), sono destinati a rivoluzionare la logiche costruttive del cemento armato, consentendo una notevole riduzione delle sezioni strutturali e della necessità di armature passive.
Le prime applicazioni hanno riguardato principalmente edifici industriali, ponti e opere di ingegneria civile (in Francia, Stati Uniti e Giappone), ma recentemente progettisti quali Jean Nouvel, Frank Gehry, Rudy Ricciotti, hanno iniziato ad esplorare le potenzialità espressive legate ad una maggiore libertà nella concezione strutturale che si traduce nello sviluppo di progetti caratterizzati da strutture esili, ampie luci ed elementi strutturali modellati in maniera plastica, le cui superfici sono prive di imperfezioni, con texture personalizzabili e resistenti agli agenti atmosferici senza necessità di trattamenti superficiali aggiuntivi. Le sperimentazioni e le prove effettuate hanno consentito ai paesi “pionieri” di costituire un knowhow di base necessario allo sviluppo di soluzioni tecniche e progetti sempre più innovativi. In Francia, in particolare, la realizzazione delle prime linee guida per la progettazione con calcestruzzi UHPC ha consentito un notevole passo in avanti verso una standardizzazione e una maggiore conoscenza della tecnologia, delle caratteristiche e delle proprietà del materiale, fornendo consigli per la progettazione e istruzioni dettagliate per la preparazione degli impasti, le prove di laboratorio, le modalità di trasporto e posa in opera. 
Le problematiche legate all’eco-efficienza, ma anche alla competitività economica degli UHPC rispetto alle tecnologie convenzionali del cemento armato sono inoltre da qualche anno oggetto di studio da parte degli stessi produttori, attraverso l’introduzione di EPD (Environmental Product Declaration) che certificano il consumo di risorse materiali, di energia e i livelli di emissioni in fase di produzione, con l’obiettivo di offrire una risposta efficace ai vari competitors, dato il costo molto alto del materiale per unità di prodotto. Generalmente gli UHPC non si configurano come nanocompositi, non presentando nano particelle aggiunte nell’impasto, ma piuttosto come calcestruzzi nano-ingenierizzati. Si tratta di materiali compositi “ordinari”, costituiti da una matrice cementizia e un rinforzo a fibra corta in fibre polimeriche o metalliche non orientate, che contribuisce al miglioramento delle proprietà meccaniche e della durabilità. 
Lo sviluppo degli UHPC è stato reso possibile, oltre che dall’evoluzione nel campo degli additivi, principalmente dalla possibilità di osservare il comportamento delle nanostrutture responsabili del processo di idratazione del cemento e di selezionare un mix-design specifico bilanciando la tipologia e la dimensione degli inerti, il rapporto acqua-cemento e gli additivi da impiegare. Il rapporto acqua-cemento molto basso (0,19 - 0,21, a fronte dei rapporti convenzionali da 0,45 a 0,60) consente di raggiungere particolari classi di resistenza, ma senza un controllo della tipologia e dimensione degli inerti (particolarmente fini: fumo di silice, quarzo macinato e sabbia del diametro massimo di 60 micron) e delle fasi di idratazione (in particolare del comportamento volumetrico del C-S-H), non sarebbe stato possibile raggiungere l’insieme delle proprietà finali. La resistenza a compressione degli UHPC può variare tra i 150 e i 200 MPa. Tali valori sono ulteriormente implementabili applicando un trattamento termico a circa 90°C durante la fase di maturazione – coprendo gli elementi tecnici realizzati con teli in plastica ed eventualmente insufflando all’interno vapore acqueo – raggiungendo così valori di resistenza a compressione fino a 230 Mpa, la totale assenza di ritiro e la limitazione dei fenomeni di creep.
Il materiale presenta inoltre una resistenza a flessione (15-45 MPa) particolarmente significativa, che consente di realizzare elementi portanti di ridotto spessore che non necessitano di rinforzo passivo. La resistenza a flessione comporta inoltre un notevole innalzamento della resistenza a taglio delle sezioni strutturali realizzate in UHPC, rendendo superflua in molti casi la presenza di staffe e rinforzi a taglio.
Accanto alla resistenza meccanica, la presenza di fibre unita alla compattezza della struttura chimico-fisica conferiscono al materiale una elevata duttilità, che determina un diagramma sforzo-deformazione caratterizzato da una fase plastica, simile a quello dell’acciaio. Le prove a rottura di una trave inflessa evidenziano oltre il limite elastico, al posto del comportamento fragile tipico del calcestruzzo, la presenza di una serie di micro fessurazioni che consentono di raggiungere una deformazione molto elevata prima della rottura.
Il materiale presenta anche un’ottima resistenza all’impatto: negli Stati Uniti l’esercito ha testato l’impiego di UHPC nei bunker antiaerei, evidenziando la capacità del materiale di assorbire l’energia dissipata nelle esplosioni di bombe.
L’impiego di un calcestruzzo con tali caratteristiche non è previsto dalle attuali Norme Tecniche per le costruzioni in cemento armato, né è possibile assimilare gli UHPC a comuni calcestruzzi fibrorinforzati, le cui regole di progettazione sono recentemente state approfondite con le linee guida contenute nel CNR-DT 203/2004.
La diffusione di UHPC per impieghi strutturali richiederà necessariamente un’opportuna revisione normativa accompagnata da studi specifici, come è avvenuto in Francia con le linee guida sui BFUP (Beton Fibrés à Ultra Haute Performances) pubblicate nel 2005. Le ottime caratteristiche di durabilità degli UHPC sono dovute alla compattezza della microstruttura e rendono il materiale particolarmente idoneo per applicazioni in ambienti aggressivi.
Una delle prime applicazioni ha riguardato la sostituzione di più di duemila tra travi e travetti all’interno della torre di raffreddamento della centrale atomica di Cattenom, in Francia. Si tratta di elementi strutturali soggetti a ciclo continuo al contatto con acqua a 35°C per la refrigerazione del reattore e con i prodotti chimici impiegati per la pulizia delle pareti interne. Saggi effettuati dopo 10 anni hanno mostrato che le fibre metalliche, posta circa 1 mm sotto la superficie del materiale, non presentano fenomeni di corrosione e la resistenza a compressione delle travi è ancora pari a 200 MPa.

Autore: Mattia Federico Leone
Pubblicato su Modulo 365/2010