calcestruzzo
Indice
Descrizione generale
sm. [sec. XVI; forse da calcestre, da calce]. Conglomerato da costruzione ottenuto dalla mescolanza, in dosi opportune, di materiali inerti (sabbia, ghiaia, pietrisco) con un legante, in presenza di acqua. I calcestruzzi a base di pozzolana e calce comune (opus caementitium) ampiamente usati dai Romani – presso i quali fu introdotto in età repubblicana e usato per fondazioni, ossature murarie e costruzioni a volta – o quelli a base di calce idraulica sono oggi usati solo per strutture di riempimento o comunque soggette a limitate sollecitazioni. Importanza fondamentale hanno invece i calcestruzzi cementizi che, associati ad armature metalliche che assorbono quelle sollecitazioni (di trazione, di taglio), rispetto alle quali essi presentano scarsissima resistenza (calcestruzzo armato o, correntemente, cemento armato e calcestruzzo armato precompresso), vengono oggi largamente impiegati nella costruzione di fondazioni, pilastri, travi, coperture, pavimentazioni stradali e di aeroporti, ponti, dighe, ecc. Particolarmente usati nelle costruzioni stradali sono i calcestruzzi bituminosi, ottenuti dalla miscela di un inerte lapideo con un legante idrocarburato. Nella tecnica nucleare si usano calcestruzzi schermanti per schermi protettivi intorno a reattori nucleari o acceleratori di particelle; in questi, parte della sabbia è sostituita da rottami metallici (calcestruzzo pesante) o, meglio, da minerali di bario; per ottenere una migliore difesa da neutroni termici il calcestruzzo può anche essere addizionato con cadmio.
Materiali inerti e legante
Gli inerti, sia naturali (di cava, fluviali, di frantoio), sia artificiali (scorie d'altoforno, frammenti laterizi, ecc.), devono essere non gelivi, non reattivi con il cemento, inalterabili all'aria e all'acqua; devono avere forma pressoché cubica e dimensioni assortite, in modo che gli elementi più piccoli vadano a riempire i vuoti tra quelli di maggiori dimensioni per ottenere la massima compattezza. Materiale legante del calcestruzzo è il cemento (di preferenza Portland, ma anche pozzolanico, d'altoforno e, quando necessario, alluminoso) sia normale sia ad alta resistenza, scelto e dosato a seconda delle esigenze di resistenza e di tempo di indurimento (un calcestruzzo si definisce grasso o magro a seconda della quantità di legante in esso contenuta). Mescolati a secco gli inerti e il legante, si provvede ad aggiungere l'acqua, aspergendone poco alla volta l'impasto. Possono accettarsi acque di qualunque origine (salvo quelle derivanti da scarichi industriali, poiché potrebbero contenere sostanze che diminuiscono la resistenza del calcestruzzo), purché siano limpide, incolori e non acide. Poiché la resistenza del calcestruzzo diminuisce al crescere della quantità d'acqua contenuta nell'impasto, occorrerà fornirgli la dose minima, tanto minore quanto meglio assortiti tra loro sono gli inerti, necessaria per renderlo lavorabile. In genere per un metro cubo di calcestruzzo in opera sono necessari 300 kg di cemento, 0,4 m3 di sabbia, 0,8 m3 di ghiaia, impastati con 150 litri di acqua. A seconda del tenore di acqua distinguiamo: calcestruzzi a consistenza di terra umida (15% d'acqua), plastici (17%), fluidi (20%). Ai componenti fondamentali si possono aggiungere, quando esigenze specifiche lo richiedano, particolari additivi atti a modificare il tempo di presa e le caratteristiche fisiche dei calcestruzzi. Per ottenere calcestruzzi leggeri e leggerissimi (quali cellulite, aerocret, ecc.) si aggiungono costituenti porosi (pomici), trucioli, segatura di legno o sostanze additive che, reagendo chimicamente con il cemento, sviluppano gas, provocando all'interno del calcestruzzo la formazione di bolle minutissime (calcestruzzo cellulare).
L'impasto
L'impasto del conglomerato, un tempo effettuato a mano, oggi si esegue quasi esclusivamente con macchine (betoniere), "Per lo schema di centrale di betonaggio vedi il lemma del 4° volume." "Vedi schema vol. V, pag. 182" fatta eccezione per piccoli quantitativi; si è anche orientati ormai sulla costituzione di grosse centrali di betonaggio, dalle quali il calcestruzzo viene prelevato mediante autobetoniere che ne completano l'impasto durante il trasporto, essendo risultato più economico, per cantieri di normale entità, rifornirsi presso queste che non produrre da soli il proprio fabbisogno. Dalla betoniera il calcestruzzo viene gettato nelle casseforme mediante condutture con pompe a stantuffo. L'assestamento, cui consegue il progressivo affioramento dell'acqua, viene fatto manualmente a mezzo di pestelli e sbarre, oppure meccanicamente con l'impiego di vibratori (calcestruzzo vibrato).
L'indurimento
Dopo il getto ha inizio la presa del legante e quindi l'indurimento del calcestruzzo, che solidifica per un complesso di fenomeni fisico-chimici che si svolgono tra i suoi componenti; la durata di questa fase dipende dalla temperatura dell'ambiente in cui si svolge e dalla quantità e qualità di cemento impiegato. All'indurimento segue la stagionatura, che si prolunga per diversi mesi durante i quali la resistenza continua ad aumentare. Parallelamente si verifica un altro fenomeno caratteristico del calcestruzzo: il ritiro, ossia la sua riduzione di volume, di entità però sempre decrescente con il tempo (0,5 mm/m dopo alcuni mesi). Il ritiro determina nel calcestruzzo stati di coazione, per la diversa contrazione delle parti interne rispetto a quelle superficiali, con conseguente comparsa di microfessurazioni che possono però, nelle zone superficiali, trasformarsi in lesioni. Il regime tensionale interno è, inoltre, soggetto a modificarsi nel tempo in conseguenza delle deformazioni (fenomeno della viscosità dei calcestruzzi) che si verificano progressivamente sotto l'azione dei carichi; tali deformazioni, che dipendono dalla composizione e dall'età del calcestruzzo al momento dell'applicazione dei carichi, tendono asintoticamente per carichi costanti a un valore limite. Per ridurre questo fenomeno si deve cercare di ritardare il più possibile il disarmo del getto (e quindi la sua entrata in carico) e di mantenerlo umido, rallentandone il prosciugamento.
Caratteristiche meccaniche
Caratteristica meccanica fondamentale del calcestruzzo è la sua resistenza a compressione, per determinare la quale si ricorre a particolari prove di laboratorio (eseguite su almeno quattro provini di uno stesso impasto al 28º giorno dal getto); la resistenza a flessione viene invece verificata in cantiere su un'apposita trave. Sempre in cantiere vengono controllate le caratteristiche fisiche del calcestruzzo: plasticità e compattezza al momento del getto e, dopo 28 giorni, ritiro, porosità, permeabilità, omogeneità, elasticità. La resistenza del calcestruzzo non diminuisce con le elevate temperature (fino a 400÷500 ºC), con conseguente sicurezza delle strutture anche in caso di incendio. Il valore del carico di rottura a compressione varia di norma tra 150 e 350 kg/cm², la resistenza a trazione tra 1/8 e 1/15 della precedente. Con speciali provvedimenti, quali la sostituzione di una parte degli inerti con clinker a particolare granulometria, il riscaldamento dei getti durante la prima fase di maturazione, un energico costipamento, l'aspirazione dell'aria superficiale subito dopo il getto fino a un certo grado di vuoto, si raggiungono resistenze alla compressione attorno ai 1000 kg/cm².