Calcestruzzo d'estate: appunti e consigli

Con l’approssimarsi della stagione “calda”, ammesso che le stagioni di un tempo ci siano ancora, può risultare utile “rinfrescare” alcuni aspetti inerenti il confezionamento, la posa in opera e la protezione del calcestruzzo d’estate, o in condizioni di temperature elevate.

A proposito di “rinfrescare” può valere la pena di “riconsiderare” le “perle di saggezza” contenute nell’aforisma spesso citato dai muratori di un tempo: “l’acqua non fa muro ma fa duro”. In effetti il concetto espresso definisce pratiche elementari di cura e stagionatura del calcestruzzo, comunque fondamentali nei processi che si verificano, o si possono verificare, in presenza di temperature ambientali elevate.

La pratica accennata trova infatti innumerevoli riscontri nelle più aggiornate raccomandazioni per il betonaggio in clima caldo, ivi comprese le determinazioni qualitative inerenti calcestruzzi sottoposti, o meno, a corrette procedure di stagionatura umida, richiamate nel paragrafo 08.

In ogni caso è indispensabile considerare che le condizioni meteo, durante la realizzazione di opere in conglomerato cementizio, hanno una notevole influenza sulla qualità finale del conglomerato poiché il calcestruzzo, nella condizione “fresca” e di “indurimento iniziale”, è particolarmente sensibile ai parametri ambientali rappresentati dalla temperatura, dall’umidità e dalla velocità del vento.

Ne consegue la necessità di adottare specifiche procedure in ordine alla progettazione, al confezionamento, al trasporto, alla messa in opera ed alla conveniente cura e stagionatura del calcestruzzo, quando la temperatura ambientale è permanentemente superiore a 25° C, con ne-cessità ancora più rigorose in presenza di vento ed in previsione di operare al di sopra di 35 ° C.

01.0 – scopo delle annotazioni

Le note che seguono, informate alla “consapevolezza tecnologica” che, anche d’estate e/o in condizioni critiche, adottando specifici magisteri di confezionamento, trasporto, messa in opera, protezione  e stagionatura, è possibile costruire con il calcestruzzo, rispettando gli canoni di accettabilità per il materiale. L’esame dei documenti richiamati in bibliografia consente di indicare una serie di obiettivi fondamentali per il calcestruzzo d'estate.

• Definire un limite accettabile per la temperatura di esecuzione delle lavorazioni;
• Evitare i danni diretti e/o indiretti conseguenti a significative modificazioni nella reologia del calcestruzzo fresco: lavorabilità, richiesta d’acqua, ecc.;
• Evitare i danni conseguenti ad una eccessiva velocità dei processi di presa ed indurimento;
• Assicurarsi che siano preventivamente adottate e mantenute condizioni di messa in opera, adeguate al cor-retto sviluppo delle resistenze  e delle prestazioni prescritte per il calcestruzzo;
• Evitare i danni connessi con la possibile rapida essiccazione del calcestruzzo fresco;
• Assicurarsi che siano preventivamente adottate e mantenute specifiche procedure per fornire al calcestruzzo in opera una protezione coerente con le caratteristiche previste per la struttura.

02.0 – domande più ricorrenti in ordine agli elementi da considerare 

Il termine consapevolezza, precedente richiamato, ha la valenza relativa dell’espressione “sappiamo che si può fare”.

Per quanto si riferisce a “come si può fare”, una riflessione indirizzata può trovare una sintesi funzionale attraverso le risposte alle domande più ricorrenti.

03.0 – Come può essere definita la temperatura critica estiva o con clima caldo? 

Le condizioni rappresentate sia dal “calcestruzzo d’estate” che dalla presenza, comunque determinata, di temperature ambientali elevate nelle operazioni di “betonaggio” sono assimilabili e sono spesso condensate nei termini “hot meteo concreting” e/o “betonaggio con tempo caldo”. Il concetto sottinteso al termine “hot weather” è definibile come “un periodo caratterizzato da temperature che richiedono precauzioni particolari per garantire la corretta gestione delle operazioni di betonaggio”.

I problemi di tempo caldo sono più frequentemente riscontrabili in estate, ma i fattori climatici associati a forti venti, bassa umidità relativa e radiazione solare, possono verificarsi in qualsiasi momento, con particolare riferimento ai climi aridi o tropicali. Le condizioni di “hot meteo concreting” accennate sono in genere associate ad una rapida velocità di evaporazione dell'umidità dalla superficie del calcestruzzo e ad una accelerazione dei processi di presa ed indurimento, ecc.

Fra i numerosi documenti tecnici che definiscono la condizione “critica estiva o hot weather”, in larga massima coincidenti si richiamano: Il Reported by ACI Committee 305 “Specification for Hot Weather Concreting”, condensato in immagine, e la pubblicazione “Hot meteo Concreting Practices” di Alex Morales (www.aci-int.org.) che riporta: “ il caldo è una qualsiasi combinazione delle seguenti condizioni meteorologiche: temperatura ambiente elevata;  bassa umidità relativa;  radiazione solare  e vento”.

“La condizione critica di “tempo caldo o hot weather” è data dalla presenza di temperature ambientali superiori a 27°C, nonché di fattori in grado di accelerare la velocità di idratazione del cemento e di produrre tassi di perdita superficiale di umidità sino a valori uguali o superiori a 1 chilogrammo/h/m².

03.1 – Cosa si intende per elevata temperatura del calcestruzzo fresco?

Il calore di presa, all'inizio dell'indurimento, è quello che si sviluppa nell'interno della massa di calcestruzzo per effetto delle reazioni chimiche; l'entità di questo calore dipende dalla composizione del cemento e dalla sua presenza quantitativa ed è massima per i cementi alluminosi che, fra l'altro sono soggetti alle limitazioni più avanti accennate.

Le temperature che si possono produrre teoricamente per paste di cemento, senza aggregati sono piuttosto elevate (oltre 50°). Nella pratica di cantiere questo valore diminuisce con la presenza degli aggregati e con la dispersione del calore verso l’esterno, soprattutto nel caso di opere di limitato spessore. Nel caso di opere di grande mole e di ridotta superficie, come le dighe, la dispersione dei calore verso l’esterno è estremamente ridotta e nell'interno della massa di calcestruzzo si conservano temperature elevate anche per tempi molto lunghi, tali da richiedere una attenta sorveglianza con il ricorso, in taluni casi a specifici dispositivi di raffreddamento.

Per quanto si riferisce ai cementi alluminosi, talvolta impiegati in opere speciali, è importante ricordare che, a temperature superiori a 35° C questi leganti sono soggetti a fenomeni di decomposizione difficilmente controllabili. 

03.2 – Cosa si intende per calore esterno all’indurimento o “calore ambientale”?

In teoria, il calore non solo non è dannoso alla presa e all'indurimento dei calcestruzzo ma, se la temperatura non supera i 70°, ne favorisce l’evoluzione quando, nello stesso tempo, attraverso specifici provvedimenti, si evita un essiccamento dei getto. All’elevata temperatura ambientale sono però correlate significative variazioni della consistenza e dei tempi di presa ed indurimento che debbono essere accuratamente considerati e controllati, ivi compresi gli aspetti conseguenti ad un’eventuale rapido raffreddamento che può causare fessurazioni e rigonfiamenti. 

03.3 – Quali sono le condizioni igrometriche che influenzano il calcestruzzo fresco?

Le condizioni igrometriche in presenza delle quali il calcestruzzo indurisce influiscono fortemente sulle sue caratteristiche: in particolare sullo sviluppo delle resistenze meccaniche e sull'entità del ritiro.

Per il processo di indurimento è necessaria una quantità d'acqua, sufficiente ad idratare convenientemente il cemento. Al di sotto di tale limite viene a mancare l'idratazione stessa. Per la reazione chimica occorre circa il 30% di acqua rispetto al peso del cemento). L'acqua d’impasto dei calcestruzzo fresco è però libera di evaporare.

Soltanto successivamente e progressivamente una parte di essa si fissa chimicamente e un'altra parte è trattenuta nella massa per tensione capillare mentre rimane ancora libera di evaporare l'acqua di imbibizione che riempie i vuoti dei calcestruzzo. Può quindi prodursi nel calcestruzzo un prosciugamento troppo rapido, con conseguenze estremamente gravi poiché il tasso di evaporazione può essere tale da coinvolgere anche l'acqua necessaria al progressivo processo d’idratazione con la conseguenza di impedire al calcestruzzo il raggiungimento della resistenza completa ed interviene, generalmente, quando il calcestruzzo non ha ancora raggiunto una sufficiente resistenza e gli strati superficiali si ritirano rapidamente innescando fenomeni fessurativi immediatamente visibili o latenti.

Il “rapido prosciugamento” delle superfici di calcestruzzo fresco, esposte è la conseguenza di due differenti fenomeni, uno di tipo tecnologico, il “bleeding” del calcestruzzo e l’altro prettamente fisico, “l’evaporazione dell’acqua”. Nell'evaporazione le molecole d’acqua prossime alla superficie libera del liquido abbandonano il liquido stesso e passano nell'aria. Questo avviene grazie anche a minime quantità di energia termica acquistate da tali molecole (riscaldamento). L'aumento del loro grado di agitazione termica permette alle particelle di avere una maggiore velocità media e quindi di vincere le forze (tra cui anche la forza di gravità) che le mantengono nella fase liquida. Il numero delle particelle in grado di abbandonare il liquido dipende dall'estensione della sua superficie: più essa è grande maggiore è il numero di molecole che possono evaporare.

Oltre all'umidità relativa, le condizioni fisiche che influiscono sull'asciugamento sono: la temperatura dell'aria e del calcestruzzo, la presenza del vento e l’eventuale irraggiamento solare diretto. A parità d’umidità, tanto più grande è la temperatura dell'aria tanto maggiore è la sua capacità d’assorbimento d’acqua. Per quanto attiene il vento, all'aumentare della sua velocità, sempre a parità d’umidità relativa, aumenta la quantità di aria assorbente che viene a contatto con il calcestruzzo fresco con conseguenti incrementi dell’asciugamento e della essiccazione. Un ulteriore importante fattore è dato dalla differenza di temperatura fra il calcestruzzo e l'ambiente: più grande è questa differenza, maggiore è la possibilità di evaporazione. 

03.4 – Perché e come deve essere considerata la condizione “calda”?

Una rapida analisi dei potenziali effetti della condizione di “hot weather”, sul calcestruzzo fornisce una risposta inequivocabile al quesito. In effetti, le temperature elevate sono causa di alterazioni significative sia della reologia del calcestruzzo fresco che delle sue caratteristiche e prestazioni finali. 

In linea di massima la condizione di ““hot weather” deve portare alla definizione della temperatura massima ammissibile, degli adeguamenti di composizione necessari per compensare le variazioni di richiesta d’acqua e di consistenza, degli adeguamenti di composizione/lavorazione necessari per compensare le variazioni dei tempi di presa ed indurimento, nonché delle adeguate misure di curing e stagionatura umida del calcestruzzo in opera.

03.5 – Come costruire in calcestruzzo nella stagione calda? 

L’individuazione dei fattori che possono influenzare il betonaggio ed una rigorosa pianificazione volta a per ridurne al minimo possibile gli effetti rappresenta la chiave del successo per costruire in calcestruzzo con il tempo cal-do (hot weather).

04.0 – Quali sono gli effetti delle temperature elevate sul calcestruzzo fresco?

La temperatura modifica sensibilmente la cinetica del processo di idratazione del cemento: le temperature elevate accelerano le reazioni chimiche di tutti i costituenti mineralogici del clinker con l’acqua, mentre le basse tem-perature le rallentano significativamente. Le influenze accennate hanno importanti risvolti anche sulla presa, sull’indurimento, sulla lavorabilità, sulle resistenze meccaniche dei conglomerati cementizi. L'idratazione infatti, è una reazione esotermica che viene accelerata con il progredire delle temperature dell’ambiente e dello stesso calcestruzzo.

Combinandosi con l’acqua il cemento sviluppa formazioni cristalline che legano agli aggregati e determinano la resistenza del materiale. In presenza di temperature elevate la reazione è rapida così come è rapida la formazione cristallina. I cristalli così accelerati sono però di dimensione ridotta, meno estesi e ramificati e quindi con efficacia “legante” sensibilmente ridotta.

Effetti della temperatura sul rapporto gel/spazio

Come riporta il Prof. Coppola, nell’articolo “Gli effetti della temperatura sulle proprietà del calcestruzzo”,  la temperatura ambientale condiziona anche un parametro fondamentale in ordine alle caratteristiche qualitative della “pasta di cemento”, rappresentato dal “rapporto gel/spazio”.

Le temperature più elevate determinano una maggiore velocità di formazione dei silicati di calcio idrati, responsabili delle resistenze meccaniche dei conglomerati (soprattutto a compressione). Ne consegue una struttura, dei silicati idrati di calcio, più scadente e più porosa, rispetto ai prodotti di idratazione che si formano in modo più equilibrato, a temperature più basse, nei quali la maggiore e più equilibrata lentezza di formazione fornisce una struttura più densa, con un maggior rapporto gel/spazio.

Temperatura, evoluzione delle resistenze nel tempo

 Per quanto si riferisce all’evoluzione delle resistenze meccaniche, in funzione della temperatura, il prof. Collepar-di, nella pubblicazione “T come temperatura” riferendo innumerevoli sperimentazioni in proposito, indica che: alle brevi stagionature (1-7 gg) maggiore è la temperatura, maggiore è la resistenza meccanica a compressione,  alle lunghe stagionature (oltre i 28 giorni), minore è la temperatura, maggiore è la resistenza meccanica a compressione, a 28 giorni di stagionatura le resistenze meccaniche a compressione, a temperature ambientali attorno ai 10°C), e quelle a 30°C, non sono molto diverse dalle resistenze conseguibili alla temperatura di riferimento di 20°C.

Gli elementi sin quì considerati sono esemplificativamente riassunti nei grafici desunti da “Le bétonnage par temps chaud” (Cim Beton – Paris La Défense Cedex).

I tempi di inizio e fine presa, così come la lavorabilità, espressa come abbassamento al cono di Abrams (slump) , estremamente importanti per le lavorazioni del conglomerato subiscono modificazioni che debbono essere adeguatamente previste e governate

Le resistenze meccaniche, che come è noto rappresentano un indicatore qualitativo importante, subiscono impor-tanti modificazioni sia come tali che come conseguenza della maggiore richiesta d’acqua per la lavorabilità. 

04.1 – Quali sono gli effetti delle temperature elevate sul ritiro del calcestruzzo? 

Le fessure da ritiro plastico, che sono spesso un accompagnatore indesiderato dei getti di calcestruzzo in condizioni di “clima caldo”, si verificano quando il tasso di evaporazione dell'umidità superficiale supera in 1 ora il valore di 1 kg (o litro) per metro quadrato. Il tasso di evaporazione superficiale, che può essere preventivamente stimato utilizzando Il “Nomograph for estimating evaporation rate on the basis of Menzel formula” desumibile dalla Raccomandazione ACI 305, è influenzato negativamente da una combinazione di fattori, tra i quali l’elevata temperatura ambiente, la bassa umidità relativa, la temperatura elevata del calcestruzzo e, se presente, una ventilazione anche se moderata. Assumono quindi una particolare importanza preventiva Le precauzioni di seguito schematizzate:

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