Schematizzazione dei materiali cementizi innovativi
e dei processi produttivi. I numeri tra parentesi
indicano la resistenza meccanica in MPa a
compressione per HPC e RPC ed a flessione per MDF
CBC
(Chemically Bonded Ceramics)
HPC (100)
(High Performances Concrete)
(BHP=Beton ad Haute Performance)
Ottenuti per soft casting
DSP
(Densified with Small Particles)
MDF (250)
(Macro Defect Free)
RPC (200)
(Reactive Powders Concrete )
Ottenuti per soft casting
RPC (800)
(Reactive Powders Concrete)
Ottenuti per pressatura
SCC
(Self-Compacting Concrete)
3SC
(Self-Compacting Concrete o SCC')
(Self-Curing Concrete o SCC")
(Self-Compressing Concrete SCC"')
SCS
(Self-Compacting Shotcrete)
HPS
(High Performance Shotcrete)
Premesse
•
•
a)
b)
c)
(ENCO Journal n.24)
Il cls è il materiale che mostra più deviazioni tra le caratteristiche
valutate su provini e quelle reali delle strutture in servizio
Le ragioni sono:
diversa condizioni di stagionatura
diversa esposizione igro-termica a lungo termine
diverso grado di compattazione (gc = ds / dp) (UNI EN 12390/2)
fca = fc = 0,80Rc se gc = 1
fca < fc = 0,80Rc se gc < 1
DR = 5 (1-gc) 100
fca=fc [1-5(1-gc)]
fca= 0,80 Rc [1-5(1-gc)]
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DR = 100 (fc-fca)/fc
DR = 100 (0,80 Rc-fca)/0,80 Rc
fca= 0,80 Rc[1-5(1-0,97)] = 0,80 Rc 0,85 =
0,68 Rc= 0,68 · 37 = 25,2 MPa
fc = 0,80 · 37 = 29,6 MPa
DR =100 (37-25,2)/37 = 32%
DR = 100 (29,6-25,2)/29,6 = 15%
•
Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei
provini di laboratorio e quelle della struttura:
a)
non bisogna dipendere dalla modalità di
compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti)
Self-Compacting Concrete (SCC’)
b)
non bisogna dipendere dalle modalità di
stagionatura (bisogna porre attenzione alla
stagionatura umida del calcestruzzo appena
scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi
asciutti, ventilati e caldi)
Self-Curing Concrete (SCC”)
c)
non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni
igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro)
Self-Compressing Concrete (SCC”’)
Vantaggi
• per il progettista, maggiore affidabilità della struttura
indipendentemente dalla difficoltà del getto per la complessità
geometrica delle strutture o per la congestione dei ferri di
armatura; maggiore rispondenza della struttura reale a quella
progettata;
• per l’impresa, maggiore facilità di esecuzione
indipendentemente dalla qualità della manodopera disponibile
(sempre meno qualificata per la durezza del lavoro sui cantieri
di costruzione) ; maggiore produttività per la maggiore
velocità di esecuzione dei getti, soprattutto in strutture molto
armate;
• per la committenza, maggiore sicurezza che l’opera sia ben
realizzata e priva di difetti visibili, ed in qualche modo
contestabili, o insidiosamente invisibili, e per questo non
immediatamente contestabili , ma forieri di problemi a lungo
termine (scarsa durabilità, maggiore vulnerabilità dal rischio
sismico, ecc.).
•
Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei
provini di laboratorio e quelle della struttura:
a)
non bisogna dipendere dalla modalità di
compattazione (superfluidificanti e viscosizzanti)
Self-Compacting Concrete (SCC’)
b)
non bisogna dipendere dalle modalità di
stagionatura (bisogna porre attenzione alla
stagionatura umida del calcestruzzo appena
scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi
asciutti, ventilati e caldi)
Self-Curing Concrete (SCC”)
c)
non bisogna dipendere dalle sfavorevoli condizioni
igro-termiche (additivi capaci di ridurre il ritiro)
Self-Compressing Concrete (SCC”’)
SCC’
• Gli SCC (calcestruzzi
autolivellanti o
autocompattanti) sono così
fluidi da poter essere messi in
opera senza richiedere energia
di compattazione, ma devono
essere anche privi di
segregazione: “calcestruzzo
reoplastico” il cui indice di
reoplasticità è l’inverso della
capacità di bleeding
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• Il cls SCC’, caratterizzato da
mobilità e coesione, garantisce
gc=1
• Sono indispensabili per
strutture fortemente armate
• Rapidità di esecuzione
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• Bisogna modificare il test di
lavorabilità. La deformabilità
è indicata dalla misura dello
“slump flow” (diametro max
raggiunto dall’impasto: si
definisce SCC’ il cls con
almeno 550 mm di slump
flow senza bleeding e
segregazione degli
aggregati) mentre la mobilità
è indicata dalla velocità con
cui lo si raggiunge
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• V-funnell test: tempo di
svuotamento
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Regole da tenere presente nella procedura di mix-design
per produrre un buon SCC’
•La prima regola concerne la scelta dell’aggregato grosso (>5 mm) che deve essere
dimensionalmente piccolo (Dmax <25 mm; preferibilmente <16 mm) ed in volume (Vg) minore
rispetto al calcestruzzo tradizionale (Vg<340 L/m3) :
Esempio1
massavolumica inerte =2,65 kg/L --> massa aggregato grosso = 340x2,65 = 900 kg/m3;
Esempio2
massa volumica inerte leggero =1,80 kg/L --> massa aggregato grosso leggero = 340x1,80 =610 kg/m3.
•La seconda regola riguarda il volume dei materiali fini (con dimensioni minori di 0,075 mm):
170 <Volumemateriali fini< 200 L/m3; esso risulta maggiore di quello presente in un tradizionale
calcestruzzo ed ha la funzione di “lubrificare” gli aggregati, in particolare quelli più grossi. Al di
sotto si avrebbe segregazione, al di sopra diventa troppo viscoso e difficile da movimentare
nella pompa, negli scivoli, dentro i casseri, ecc.
•
•La terza regola attiene al rapporto in volume acqua-materiali fini che deve essere circa 1 e
compreso tra 0,85 e 1,20.
•La quarta regola concerne l’impiego dell’additivo superfluidificante e di quello viscosizzante
(Viscosity Modifiyng Agent, VMA). Ancora una volta, occorre trovare un giusto equilibrio tra
mobilità con l’impiego dell’additivo superfluidificante e coesione con l’utilizzo di agente
viscosizzante. Con l’additivo superfluidificante si riesce ad ottenere un conglomerato molto
mobile. Con l’agente viscosizzante si stabilizza il conglomerato, cioè si evita la segregazione
ed il bleeding, nel momento in cui l’SCC’, ormai messo in opera, tenderebbe a separarsi nei
suoi componenti più grossi e pesanti sul fondo, con una raccolta d’acqua in superficie
(bleeding) e con conseguente perdita di uniformità del materiale dentro la struttura.
• Alta fluidità: superfluidificanti
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• Bassa segregazione : coesivizzanti
o VMA=Viscosity Modifying Agents
I tipo
Fumo di silice e silice colloidale
(UFACS Ultra Fine Amorphous
Colloidal Silica,  50-100 nm)
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II tipo
Biopolimeri: polisaccaridi
(Welan, Pullulano,
Carragenano,
Carbossimetilcellulosa ….)
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Regole per la messa in opera di
SCC’:
•
•
Modifiche delle tecnologie esecutive:
geometria e resistenza dei casseri.
Le casseforme devono essere:
a) a tenuta per evitare perdite di
malta o boiacca attraverso le
imperfette connessioni;
b) adeguatamente rinforzate per
contrastare la elevata spinta
idraulica, soprattutto se si superano i
3 metri in altezza, dovuta al
comportamento “quasi-liquido” del
conglomerato.
Il getto non deve avvenire in caduta
libera, con inevitabile
intrappolamento dell’aria schiacciata
dal getto stesso sul fondo della
struttura, da una pompa all’interno di
una casseratura chiusa e circoscritta,
ma il boccaglio deve essere posto in
basso all’interno della cassaforma
immerso nel calcestruzzo.
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• Riducono l’influenza ed
il costo del personale
addetto, incrementendo
nel contempo la
affidabilità che il
materiale prescritto sia
correttamente messo in
opera senza deviazioni
significative tra teoria e
pratica.
• Miglioramento delle
condizioni di lavoro,
soprattuto in
prefabbricazione
• Migliore organizzazione
del cantiere
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Regole per la prescrizione di SCC’ norma UNI 11040 2003:
•Miglioramento del faccia a vista
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Facciavista marmorizzato. Confronto tra calcestruzzo S5
(a sinistra) ed SCC (a destra) entrambi gettati senza
vibrazione
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• Minori restrizioni al progetto
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•Miglioramento del faccia a vista
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Facciavista marmorizzato. Confronto tra calcestruzzo S5
(a sinistra) ed SCC (a destra) entrambi gettati senza
vibrazione
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Esempio di modifiche del mix-design: Ponte Calatrava a Venezia
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•Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini
di laboratorio e quelle della struttura:
a)
non bisogna dipendere dalla modalità di
compattazione (superfluidificanti e
viscosizzanti)
Self-Compacting Concrete (SCC’)
b)
non bisogna dipendere dalle modalità di
stagionatura (bisogna porre attenzione alla
stagionatura umida del calcestruzzo appena
scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi
asciutti, ventilati e caldi)
Self-Curing Concrete (SCC”)
c)
non bisogna dipendere dalle sfavorevoli
condizioni igro-termiche (additivi capaci di
ridurre il ritiro)
Self-Compressing Concrete (SCC”’)
“Early curing”
"The early bird gets the worm"
• - spruzzare acqua nebulizzata;
• - coprire con teli impermeabili;
• - proteggere con teli di iuta bagnati;
• - applicare una membrana antievaporante con l’ausilio di un agente
stagionante (curing compound).
La soluzione al problema della
stagionatura iniziale (early
curing) più gradita dalle imprese per il minor intralcio delle fasi
esecutive - appare l’impiego di
additivi capaci di ridurre il ritiro,
noti come Shrinkage Reducing
Admixture o SRA, a base di eteri
poliglicoli, da aggiungere
nell’impasto e non da applicare
sulla superficie.
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•
•
•
Si ha riduzione del ritiro da
essiccamento senza, però, ridurre
l’essiccamento stesso del
calcestruzzo.
L’effetto dell’SRA è dovuto alla
riduzione della contrazione (er) a
seguito della diminuzione della
tensione superficiale dell’acqua
che rimane nei pori capillari. E’
noto che a seguito della perdita di
acqua in ambienti insaturi di
vapore con U.R. < 95%, si formano
i menischi di acqua responsabili
dell’ attrazione tra le superfici del
solido, costituito prevalentemente
da fibre di C-S-H.
L’attrazione - e quindi la
contrazione da ritiro - riguarda
soprattutto i pori con diametro tra
2,5 e 50 nm, ed è tanto maggiore
quanto maggiore è la tensione
superficiale.
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•Per ridurre le discrepanze tra le proprietà dei provini
di laboratorio e quelle della struttura:
a)
non bisogna dipendere dalla modalità di
compattazione (superfluidificanti e
viscosizzanti)
Self-Compacting Concrete (SCC’)
b)
non bisogna dipendere dalle modalità di
stagionatura (bisogna porre attenzione alla
stagionatura umida del calcestruzzo appena
scasserato, soprattutto se ciò avviene in climi
asciutti, ventilati e caldi)
Self-Curing Concrete (SCC”)
c)
non bisogna dipendere dalle sfavorevoli
condizioni igro-termiche (additivi capaci di
ridurre il ritiro)
Self-Compressing Concrete (SCC”’)
•
Anche in cls nel quale sia stata accurata l’ early curing si possono avere
fenomeni termo-igrometrici per le naturali escursioni tra periodi secchi e
caldi e periodi piovosi e freddi
•
Ciò è tanto più vero laddove ci sono più vincoli al movimento e grande
rapporto superficie/volume: es. le pavimentazioni esterne. E’ necessario
che siano segmentate in lastre di non più di 100 m2
•
Una soluzione alternativa al problema del ritiro può essere risolta
coll’uso di agenti espansivi.
•
Esistono fondamentalmente due tipi di agenti espansivi, dosati a circa il
10% in massa sul cemento.
a)Quelli a base di calce:
CaO + H2O = Ca(OH)2
b) Quelli a base di solfoalluminato calcico:
4CaO·3Al2O3·SO3+6 CaO+ 8 CaSO4+ 96 H2O ==> 3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)
La differenza è nella cinetica di espansione
• L’impiego degli agenti espansivi deve avvenire in un conglomerato che
contenga ferri di armatura capaci di contrastare l’espansione e di
trasformarla utilmente in uno stato di co-azione: di compressione per il
calcestruzzo e di trazione per i ferri, proprio come avviene in un
calcestruzzo pre-compresso, anche se di minore intensità rispetto a
quest’ultimo.
• Affinché i fenomeni espansivi, contrastati dai ferri di armatura, possano
tramutarsi in un’utile stato di co-azione, è necessario che avvengano in
sintonia con lo sviluppo della resistenza meccanica del calcestruzzo e
quindi dell’adesione ai ferri di armatura.
• Come si può vedere, per completare l’ espansione occorrono 1-2 giorni se
si impiega come agente espansivo il CaO, ed oltre 5 giorni se si impiega il
4CaO·3Al2O3·SO3·CaO.
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•Nel caso di uno sviluppo meccanico
molto rapido (caso A), entrambi i
processi espansivi - quello del CaO e
quello del 4CaO·3Al2O3·SO3 - si
verificano in un sistema già indurito
e quindi capace di generare
compressione nel calcestruzzo e
trazione nelle barre di armatura.
•Al contrario, con uno sviluppo
esageratamente lento della
resistenza meccanica (caso C) la
maggior parte dell’espansione
avviene quando il calcestruzzo è
ancora plastico e qundi incapace di
aderire ai ferri; in altre parole, non
tutta l’espansione è tramutata in
uno stato di co-azione
•Nel caso B si verifica una situazione
intermedia per la quale l’espansione
del CaO non è adatta, perchè troppo
in anticipo rispetto all’indurimento
del calcestruzzo, mentre quella del
4CaO·3Al2O3·SO3 è in sintonia con lo
sviluppo della prestazione
meccanica.
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Questi esempi spiegano perchè l’unico
agente espansivo realmente
impiegato, in quei pochi casi di
calcestruzzi a ritiro compensato o
auto-compresso, sia stato quello
basato sulla produzione di ettringite
più congruente con lo sviluppo della
prestazione meccanica, che il CaO.
Tuttavia, questa situazione è cambiata con l’avvento dei
superfluidificanti, che consente di ridurre adeguatamente il rapporto
a/c al fine di raggiungere sempre una resistenza meccanica iniziale
congruente con il processo espansivo del CaO con i seguenti
vantaggi:
•
il CaO è molto più economico per la minore temperatura di cottura
(solitamente 900°C) e per la semplicità del processo produttivo
potendo essere prodotto in una tradizionale fornace a calce;
•
si richiede una stagionatura umida solo di 1-2 giorni - che di fatto
coincide con il tempo di scasseratura nella maggior parte dei cantieri contro i 5-7 giorni richiesti per il solfoalluminato per il quale, quindi,
occorre una protezione aggiuntiva di altri 4-5 giorni, dopo la
rimozione delle casseforme, della superficie del calcestruzzo e quindi
con un maggiore impegno da parte dell’impresa;
•
si può modulare la velocità di espansione modificando la velocità di
trasformazione del CaO in Ca(OH)2 attraverso il cambiamento della
temperatura di cottura del calcare (con temperature più alte che
favoriscono la sinterizzazione della calce e quindi una più lenta
cinetica di trasformazione in idrossido di calcio) e della finezza di
macinazione del CaO (con prodotti più fini che diventano più reattivi.
I risultati della espansione degli SCC’’’ a
base di solfoalluminato, sformati a 8 ore e
conservati nelle condizioni indicate sono
fortemente influenzati dalla modalità di
stagionatura: l’espansione si dimezza
rispetto a quella standard se si conserva il
calcestruzzo per circa 4 giorni protetto da
teli impermeabili (come si potrebbe
verificare per strutture pur così a lungo
stagionate dentro i casseri), e si annulla
completamente in assenza di stagionatura
dopo la sformatura a 8 ore (come si
potrebbe in pratica verificare in una
pavimentazione esposta all’aria, dopo il
getto e la lavorazione superficiale, senza
un’adeguata stagionatura umida).
Per realizzare una qualche effettiva
espansione occorre almeno lasciar maturare
il calcestruzzo nelle casseforme per 4 giorni
o applicare teli impermeabili per 2-3 giorni
dopo la scasseratura a 1-2 giorni.
Entrambe le soluzioni sono troppo gravose
per la pratica di cantiere e di fatto
completamente disattese.
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L’impiego di agenti espansivi a base di
CaO può ridurre i tempi di sformatura
degli SCC’’’ rispetto a quelli che occorre
adottare per un corrispondente
calcestruzzo a ritiro compensato a base di
solfoalluminato.
Anche per il calcestruzzo con CaO,
l’espansione che si realizza maturando
l’SCC’’’ dentro i casseri (o protetto con
teli impermeabili) si dimezza rispetto a
quella teorica conseguibile per
immersione del calcestruzzo sotto acqua
dopo la sua sformatura a circa 6 ore.
Inoltre, poichè dopo la scasseratura e
l’esposizione all’aria insatura di vapore
subentra inevitabilmente il ritiro
igrometrico, che tende a ridurre o ad
annullare l’espansione precedentemente
“accumulata”, è di fondamentale
importanza che l’espansione accumulata
nella fase iniziale sia la più elevata
possibile, ma soprattutto che sia
riproducibile con la massima semplicità
possibile per l’organizzazione del cantiere.
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La combinazione di SCC'' con SCC''’ consente di
produrre conglomerati molto più vantaggiosi, per
efficacia prestazionale e semplicità realizzativa,
rispetto a quanto si sarebbe potuto prevedere dalla
semplice somma dei due processi: effetto sinergico.
A)
B)
C)
D)
Nella Figura sono mostrate le curve e-t dei provini di
quattro calcestruzzi sformati a 6 ore, confezionati con
a/c = 0,50 di consistenza semi-fluida (S3), contenenti
un agente espansivo a base di CaO (30 kg/m3):
il calcestruzzo immerso sotto acqua fino a 36 ore dal
getto, quindi lasciato all’aria con U.R. del 65%;
lo stesso calcestruzzo avvolto da una pellicola
impermeabile rimossa dopo 36 ore dal getto, e quindi
lasciato all’aria con U.R. del 65% (questo trattamento
simula il comportamento realistico del calcestruzzo
conservato all’interno di un cassero per 36 ore prima
dell’esposizione al ritiro in aria insatura);
lo stesso calcestruzzo lasciato all’aria con U.R. del
65%;
il calcestruzzo contenente, oltre all’agente espansivo,
anche l’SRA, avvolto in una pellicola impermeabile
rimossa dopo 36 ore dal getto - per simulare una
stagionatura entro casseri - e quindi lasciato all’aria.
Nella combinazione di SRA con agenti espansivi, ci si
sarebbe dovuto attendere solo una riduzione del ritiro
durante la fase discendente dopo l’espansione iniziale.
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(SCC'')+(SCC''')
•
•
L’effetto dell’SRA sia nell’aumento dell’espansione del CaO, sia sulla diminuzione
del ritiro dopo la rimozione della pellicola impermeabile (equivalente alla
rimozione dei casseri), lascia di fatto nel calcestruzzo una co-azione equivalente
ad una espansione contrastata di circa 300-400 mm/m che mette la struttura al
riparo dalla fessurazione provocata da eventuali ritiri igrometrici a lungo termine
(che poco probabilmente possono raggiungere questa entità) o da
raffreddamenti, in servizio a lungo termine, pari a circa 30-40 °C anch’essi poco
probabili.
Si possono progettare stati di co-azione anche maggiori di 300-400 mm/m in
condizioni climatiche più avverse per le variazioni termo-igrometriche. Per
completare il quadro di questa tecnologia, val la pena di sottolineare che
l’aggiunta di SRA, in un calcestruzzo auto-compresso a base di solfoalluminato,
si limita a ridurre il ritiro igrometrico dopo la rimozione della cassaforma o della
pellicola protettiva ma non aggiunge, nella fase della stagionatura iniziale dentro
il cassero, l’aumento di espansione contrastata registrato con l’ossido di calcio.
Questo è un altro decisivo vantaggio per l’agente espansivo base di CaO,
rispetto a quello a base di solfoalluminato.
(SCC’)+(SCC'')+(SCC''') = 3SC
•
La produzione di un SCC’’+SCC’’’, cioè privo di ritiro e con una espansione
contrastata residua di 300-400 m/m in servizio, non è facilmente coniugabile con i
vincoli produttivi di un calcestruzzo auto-compattante, SCC’. Tuttavia, laddove
questa combinazione sia possibile si ha il calcestruzzo tre-volte-self (3-SelfConcrete, 3SC) che non richiede compattazione, stagionatura e giunti anti-ritiro da
parte dell’impresa.
•
La maggior difficoltà consistono nel sintonizzare il processo espansivo del CaO con
QuickTime™
and
QuickTime™
and
aaa (slump-flow di almeno 600 mm
la conservazione della fluidità
richiesta per un
SCC’,
QuickTime™
and
(Uncompressed)
al momento delTIFF
getto).
Un calcestruzzo didecompressor
questo tipo difficilmente potrà indurire
TIFF
(Uncompressed)
decompressor
TIFF
(Uncompressed)
decompressor
ed aderire ai ferri are
di armatura
(per
instaurare
lo stato di co-azione richiesti:
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compressione nel calcestruzzo e trazione nell’acciaio) prima di 12-16 ore dal
getto; ciò comporta che si perda una buona parte dell’espansione (tra 8 e 16 ore)
del CaO che invece è indispensabile per mantenere lo stato di co-azione in
servizio equivalente a 300-400 mm/m di espansione controllata. D’altra parte
impiegando un tipo di CaO leggermente più lento nel processo espansivo e quindi
maggiormente in sintonia con il processo di indurimento.
CONCLUSIONI
• L’impiego di additivi SRA nel SCC'' o quello degli agenti espansivi
nel SCC’’’ possono rispettivamente attenuare il ritiro iniziale o
compensare quello in servizio.
• Con nessuna delle due tecnologie si riesce tuttavia ad eliminare
completamente gli stati tensionali, collegati con l’asciugamento ed
il raffreddamento del calcestruzzo in servizio, che sono fonte di
fessurazioni con grave pregiudizio per la durabilità dell’opera.
• Se l’additivo SRA è impiegato congiuntamente con un agente
espansivo a base di CaO, si ottiene sorprendentemente
un’espansione più efficace ed una conservazione di uno stato di coazione (compressione del calcestruzzo e trazione dell’armatura
metallica) che equivale ad una espansione contrastata residua di
300-400 mm/m.
• Questa particolare tecnologia (SRA + CaO) può essere combinata
con quella del Self-Compacting Concrete (SCC’) per ottenere il 3Self-Concrete (3SC), un calcestruzzo che si compatta, si stagione e
si comprime da solo, purchè il tipo di CaO impiegato sia
adeguatamente selezionato per sincronizzare la sua espansione
con l’indurimento del calcestruzzo dopo la presa.