Come è cambiato il calcestruzzo a 20 anni dall'uso dei superfluidificanti a base di policarbossilati (PCE)
Additivi in continua evoluzione che consentono di produrre calcestruzzi con prestazioni sempre più specifiche e adeguate allo sviluppo progettuale delle nuove costruzioni
Gli additivi riduttori d'acqua d'impasto per calcestruzzo
L'introduzione in commercio dei cosiddetti additivi fluidificanti e superfluidificanti ha radicalmente cambiato il mondo delle costruzioni. La possibilità infatti di poter produrre calcestruzzi con la lavorabilità adeguata alle esigenze di cantiere senza dover alzare il rapporto acqua/cemento ha infatti consentito di ottenere prestazioni meccaniche sempre più elevate senza dover aumentare a livelli potenzialmente dannosi (per lo sviluppo di calore e per il ritiro) il contenuto di cemento, e di migliorare la durabilità del calcestruzzo e quindi delle opere realizzate.
A questi primi risultati ci si avvicinò già con l'introduzione degli additivi fluidificanti, che secondo la norma UNI EN 934-2:2012 devono consentire una riduzione dell'acqua di impasto di almeno il 5%, a parità di abbassamento al cono di abrams, e un aumento della resistenza meccanica del 10% (a 7 e 28 gg).
Il passo più importante fu compiuto con gli additivi superfluidificanti che devono consentire una riduzione dell'acqua di impasto di almeno il 12%, a parità di abbassamento al cono di abrams, e un aumento della resistenza meccanica del 40% a un giorno e 15% a 28 gg.
Le definizioni secondo la UNI EN 934-2:2012
Additivo riduttore di acqua/fluidificante
Additivo che, senza influenzare la consistenza, permette di ridurre il contenuto di acqua di una data miscela di calcestruzzo o che, senza influenzare il contenuto di acqua, ne aumenta l'abbassamneto al cono/spandimento o produce entrambe gli effetti simultaneamente
Additivo riduttore di acqua ad alta efficacia/superfluidificante
Additivo che, senza influenzare la consistenza, permette un'altra riduzione del contenuto di acqua di una determinata miscela di calcestruzzo o che, senza influenzare il contenuto di acqua, ne aumenta considerevole l'abbassamento al cono/spandimento o produce entrambi gli effetti simultaneamente.
La norma UNI EN 934-2:2012 precisa poi altre caratteristiche che questi prodotti chimici devono possedere.
Inoltre, alla funzione di riduzione di acqua d'impasto è stata spesso associata una o più ulteriore funzione. Tra i più diffusi sicuramente i superfluidificanti che modificano il comportamento del calcestruzzo alle brevi stragionature modificando il processo di idratazione del cemento ma non le prestazioni delle strutture in esercizio.
Abbiamo così gli additivi acceleranti che consentono di aumentare il grado di idratazione del cemento alle brevi stagionature, accorciando i tempi di presa (acceleranti di presa) o incrementando la resistenza meccanica nei primi giorni (acceleranti di indurimento). Sono additivi utili in particolare nei getti invernali quando la bassa temperatura rallenta il decorso della reazione iniziale tra l’acqua ed il cemento.
Parimenti, sono commercializzati anche gli additivi ritardanti che hanno la funzione di ridurre la velocità di idratazione del cemento nelle prime ore. Sono quindi utilizzati durante la steagioni calde per evitare che l’alta temperatura possa accelerare l’idratazione del cemento, e quindi la perdita di lavorabilità del calcestruzzo.
Esistono poi altri additivi con prestazioni specilistiche come gli aeranti, ritentori di acqua, resistenti all'acqua ...
Ovviamente per tutte le tipologie di prodotti la scienza ha fatto progressi importanti, soprattutto per i superfluidificanti, consentendo di ottenere prodotti sempre più performanti.
ASSIAD - Per saperne di più sugli additivi
Visita questa pagina del sito di ASSIAD - l'Associazione Italiana Produttori di Additivi e Prodotti per Cemento e Calcestruzzo, per conoscere tutte le tipologie di additivi previsti dalle normme.
L’avvento dei superfluidificanti per calcestruzzo
Riprendiamo qui un testo del Prof. Mario Collepardi, una delle figure che a livello internazionale ha più influenzato l'evoluzione degli additivi per calcestruzzo, con numerose ricerche e pubblicazioni.
"Agli inizi degli anni 1970, la famiglia dei fluidificanti (a base di ligninsolfonato, un residuo dell’estrazione della cellulosa dal legno) fu tecnicamente sovrastata da superfluidificanti prodotti per sintesi chimica. In sostanza si potrebbe dire che le prestazioni di questi ultimi, nel seguito descritte, sono circa quattro volte più efficaci rispetto a quelle dei fluidificanti.Tutti i superfluidificanti sono basati su polimeri idrosolubili. I primi ad essere immessi sul mercato erano basati su poli-naftalin-solfonato (PNS) o su poli-melammin-solfonati (PMS). Più recentemente verso la fine del 1980 sono stati introdotti i poli-acrilati (PA) o poli-carbossilati (PC) che formano una famiglia molto vasta di nuovi polimeri tutti caratterizzati dall’assenza dei gruppi solfonici presenti nei PNS e PMS. "
Il testo è tratto dalla lezione del prof. Collepardi visibile a questo LINK.
L'evoluzione dei Superfluidificandi policarbossilati.
Un interessante articolo di Steven Callaghan su Concrete Today da il punto sulla ricerca su questa famiglia di additivi e di come questi abbiano avuto effetto negli ultimi 20 anni.
Callaghan ricorda tutti i vantaggi portati dall'uso del PCE.
- Migliora la Lavorabilità
- MIgliora il mantenimento di lavorabilità
- Migliora la prestazioni meccaniche
- Consente di ridurre il dosaggio di cemento
- Accelera lo sviluppo iniziale delle prestazioni meccaniche
- Controllare la velocità di presa e indurimento del calcestruzzo o della malta.
- Controllo del contenuto di aria
- Riduce il calore di idratazione iniziale del cemento e ritarda il rilascio di calore di idratazione
- Rende il calcestruzzo più impermeabile e quindi migliora la resistenza alla corrosione delle armature
- Migliora la struttura capillare
- Migliora la "pompabilità"
- Migliora l'adesione dell'interfaccia aggregato / malta
- Migliore l'adesione dell'interfaccia tra calcestruzzi nuovi e vecchi
La famiglia dei policarbossilati
Come anticipato dal testo del Prof. Collepardi, il termine "policarbossilato" si applica a una famiglia molto ampia di polimeri - Callaghan mostra nahce un video di spiegazione chimica - e questo consente la personalizzazione dei prodotti al fine di poter conferire specifiche prestazioni speciali alle miscele di calcestruzzo. Successivamente all'introduzione dei superfluidificanti PCE per uso generale, sono stati quindi sviluppati nuovi prodotti PCE, appositamente progettati per fornire un'elevata resistenza iniziale e diversi livelli di mantenimento di slump, nonché per fornire capacità diverse per gestire il contenuto di aria di miscela. Accade quindi spesso che un superfluidificante sia formulato con una miscela di due o più PCE per ottenere una prestazione combinata di resistenza iniziale e lunga durata.
Trattenimento dell'aria all'interno del calcestruzzo
Come quasi tutti gli additivi prodotti in commercio, in genere anche tutte le miscele a base di policarbossilato sono formulate con un antischiuma per controllare il trattenimento di aria indesiderato inerente al polimero PCE. Questo significa che la scelta dei superfluidificanti a base di PCE può consentire - sia per le applicazioni di calcestruzzo aerato che non aerato - di gestire il contenuto d'aria in modo più efficace che nel passato.
Non solo. I PCE permettono di superare anche il problema dell'uso delle ceneri volanti (Fly ash) poiché la natura idrofobica degli antischiuma porta all'adsorbimento da parte del carbonio di queste. In generale, rispetto ai vecchi superfluidificanti a base di polimero di polinaftalensolfonato (PNS), i prodotti a base di PCE possono rendere le miscele aeranti (AEA) più efficienti, il che significa che un AEA inferiore o addirittura nessun AEA può essere richiesto per ottenere lo stesso contenuto di aria.
Il problema del contenuto di argilla negli inerti
A differenza dei superfluidificanti PNS, il polimero PCE tende ad essere irreversibilmente adsorbito dall'argilla contenuta negli inerti. Questo è un problema di cui è necessario tenere conto nella scelta del dosaggio dei superfluidificanti PCE.
Incompatibilità con i superfluidificanti PNS
L'uso di PCE e prodotti a base di PNS nella stessa miscela di calcestruzzo comporta una rapida perdita di lavorabilità. Pertanto, le due tecnologie, PNS e PCE, non dovrebbero essere utilizzate nella stessa miscela di calcestruzzo.
Sinergia con acceleratori di presa a base di calcio
Quando i superfluidificanti a base di PCE vengono utilizzati con acceleratori fissi e inibitori di corrosione costituiti da sali di calcio, sono stati osservati guadagni inaspettati di resistenza rispetto a una miscela di calcestruzzo simile miscelata con un prodotto a base di PNS. Questa sinergia con i PCE è stata osservata per la prima volta in una miscela contenente un inibitore della corrosione a base di nitrito di calcio, segnalata da un produttore di calcestruzzo che aveva utilizzato una combinazione di un riduttore d'acqua a base di lignosolfonato e un superfluidificante a base di PNS / lignina per la produzione pali precompressi.
Callaghan segnala che questa notevole differenza di resistenza, ottenuta semplicemente cambiando il tipo di superfluidificante da un PNS a un policarbossilato, è stata poi verificata anche scientificamente da studi scientifici.
Gli studi fatti in questi anni - osserva Callaghan - evidenziano che pur aumentando notevolmente la resistenza meccanica del calcestruzzo, non sono stati registrati aumenti del calore di idratazione. Questo è spiegato evdenziando che l'incremento di resistenza è correlato a una microstruttura più densa prodotta dalla combinazione di una miscela accelerante o inibitrice di corrosione a base di calcio e una miscela a base di policarbossilato.
Le norme di riferimento per gli additivi
UNI EN 934-2, “Additivi per calcestruzzo, malta e malta per iniezione – Parte 2: Additivi per calcestruzzo – Definizioni, requisiti, conformità, marcatura ed etichettatura”.
Essa definisce additivo per calcestruzzo un materiale aggiunto all’impasto, durante il procedimento di miscelazione, in quantità non maggiore del 5% in massa rispetto al cemento, allo scopo di modificare le proprietà della miscela allo stato fresco e/o indurito.
Sul sito di ASSIAD l'elenco di tutte le norme di interesse per il settore degli additivi
Conclusioni
Il settore del cemento e della chimica dell'edilizia ha consentito al calcestruzzo di avere un'evoluzione continua, con una velocità senza precedenti, di questo materiale.
Oggi ci sono soluzioni tecniche per realizzare calcestruzzi impermeabili, autoriparanti, fibrorinforzati, autopiazzanti e autocompattanti, fotocatalitici, drenanti, a basso calore di idratazione, a rapida presa e/o indurimento, o con lughissimo mantenimento della lavorabilità, resistenti al gelo, agli attacchi dell'acqua di mare, dei prodotti a base di solfati, dei prodotti chimici ...
Grazie ai nuovi calcestruzzi si sono realizzate opere impensabili come il grattacielo Burj Khalifa, la cui struttura è stata completata il 17 gennaio 2009 (ben 11 anni fa), che ad oggi è il più alto grattacielo del mondo (828 m), o il Main Bridge, il ponte più lungo del mondo, di ben 29,6 km collocato nel mezzo dell'estuario del Fiume delle Perle, l'Hong Kong Link Road , (nei 29.6 di ponte c'è un tratto emerso di 22 km circa e un tratto sottomarino di circa 8km), o i basamenti del famoso e utile MOSE della laguna di Venezia, o la Diga delle Tre Gole, la diga muraria più grande del mondo, realizzata in Cina: 28 milioni di metri cubi di calcestruzzo; la sua altezza raggiunge 185 m, è rettilinea ed è lunga 2˙310 metri.
E di fronte a questi risultati, che testimoniano come oggi sia davvero possibile realizzare "il calcestruzzo perfetto" per ogni soluzione, appare quanto mai importante che sia impressa una evoluzione normativa all'intero settore che consenta di allineare domanda e offerta. Ovviamente, gran parte del ruolo in questa evoluzioni la devono avere i professionisti impegnati nella progettazione e nella direzione lavori.
Perchè nel 2020 non ha più senso dover costruire opere in cui prestazioni e durabilità non siano adeguate agli obiettivi prefissati.
