Gli additivi sono componenti essenziali nell'industria del calcestruzzo, prodotti chimici aggiunti in quantità relativamente piccole agli ingredienti principali, tipicamente in forma liquida e di natura prevalentemente organica. Il loro impiego, solitamente inferiore al 5% sul peso del cemento, mira a migliorare una o più prestazioni del calcestruzzo, rendendolo più versatile e adatto a specifiche applicazioni. Questa incidenza economica, che può variare da qualche centinaio di grammi a qualche chilogrammo per metro cubo di calcestruzzo, si traduce in costi che vanno da qualche euro a una decina di euro per metro cubo, a seconda del tipo e della qualità del prodotto.
Un'eccellente risorsa per approfondire l'argomento è il manuale "Concrete admixtures handbook: properties, science and technology" di V. S. Ramachandran, oltre all'ottimo libro scritto da M.R. Rixom e Noel P. Questi testi forniscono una comprensione approfondita delle proprietà, della scienza e della tecnologia degli additivi, fondamentali per ingegneri e tecnici del settore.
Classificazione e Funzioni Principali degli Additivi Chimici
A seconda della funzione specifica che intendono migliorare, gli additivi chimici possono essere classificati in diverse tipologie. Le più importanti includono acceleranti, aeranti, anti-ritiro, battericidi, fluidificanti, fungicidi, idrofobizzanti, inibitori di corrosione, ritardanti e superfluidificanti. Ciascuna categoria risponde a esigenze specifiche, ottimizzando le caratteristiche del calcestruzzo per l'applicazione finale. La Tabella 1.3 illustra le caratteristiche degli additivi speciali impiegati per scopi molto particolari e di uso meno frequente rispetto a quelli più comuni.
Additivi Acceleranti: Velocizzare Presa e Indurimento
Gli additivi acceleranti sono progettati per incrementare il grado di idratazione della miscela cementizia, migliorando le prestazioni del calcestruzzo nel breve periodo, in particolare durante le fasi iniziali dei lavori. Questi additivi, che non modificano la resistenza meccanica del calcestruzzo alle lunghe stagionature, ovvero in servizio, sono particolarmente utili quando il calcestruzzo è gettato nei periodi invernali con rischio di gelo, riducendo il tempo di presa e accelerando l'indurimento.
Le materie prime più impiegate nella formulazione degli additivi acceleranti di indurimento sono il nitrato di calcio, il tiocianato di sodio e la trietanolammina, nota come TEA. L'utilizzo di acceleranti di indurimento è cruciale per migliorare la produttività di un cantiere edile, soprattutto con brevi stagionature da 1 a 3 giorni. Ridurre i tempi di indurimento consente di velocizzare le operazioni di scasseratura, rendendo disponibili le casseforme in tempi brevi.
Acceleranti di Presa per Calcestruzzo Proiettato (Spritz Beton)
Un campo di applicazione particolarmente interessante per gli additivi acceleranti è il calcestruzzo proiettato, noto come shotcrete in inglese o spritz beton in tedesco, anche detto gunite. Questi additivi sono fondamentali per consentire la spruzzatura di un betoncino, caratterizzato da inerti con una pezzatura massima di 8-10 mm, in ambienti come le gallerie, con uno sfrido minimo grazie all'accelerazione della presa.
Additivi per calcestruzzo - Applicazione degli additivi ritardanti
Gli acceleranti di presa per spritz beton non solo velocizzano la presa, ma consentono anche di accelerare l'indurimento nelle prime 24 ore senza penalizzare le prestazioni meccaniche in servizio, a condizione che vengano impiegati acceleranti privi di alcali (alkali-free). Gli acceleranti alcalini, basati su silicato, alluminato o carbonato di sodio, oltre ad essere molto caustici e potenzialmente dannosi per l'epidermide e le mucose degli operai, penalizzano le resistenze meccaniche alle lunghe stagionature, compromettendo le prestazioni in servizio.
Al contrario, gli acceleranti alkali-free, a base di solfato ferrico o di alluminio, non riducono le prestazioni in servizio e, grazie all'assenza di alcali, non sono caustici per chi lavora con il calcestruzzo spruzzato. Questa distinzione è cruciale per la sicurezza degli operatori e per la durabilità delle opere. La figura che segue mostra le tipiche prestazioni ottenibili con acceleranti alkali-free e con quelli a base di silicato di sodio in un calcestruzzo proiettato, evidenziando i benefici in termini di resistenza meccanica.
Il silicato di sodio, o sue modifiche, trova impiego proprio in corrispondenza del tratto finale della lancia di spruzzo, dove viene addizionato come acceleratore di presa. Questa tecnica è particolarmente efficace in condizioni estreme, come quelle a livello sotterraneo nelle gallerie. L'impiego del silicato di sodio permette di ottenere risultati eccellenti nella tecnica spritz-beton, garantendo elevata sicurezza per i lavoratori. È un prodotto facilmente movimentabile e adatto a qualsiasi tipo di calcestruzzo. Un'altra proprietà fondamentale del silicato come additivo per calcestruzzo è la sua capacità anticorrosiva. Tutti i silicati Prochin possiedono tali caratteristiche qualitative e il marchio CE, garantendo standard elevati.
Additivi Aeranti: Migliorare la Resistenza al Gelo
Gli additivi aeranti (air-entraining agents, AEA) sono progettati per migliorare la resistenza del calcestruzzo al ghiaccio, e quindi le prestazioni in servizio delle strutture che si trovano in classe di esposizione XF. Il fenomeno della formazione del ghiaccio, che comporta un aumento di volume, spinge l'acqua non ancora congelata verso l'esterno, generando una forte pressione idraulica se il percorso è lungo, capace di danneggiare il calcestruzzo.
La presenza di micro-bolle d'aria, tra loro non molto distanti (con una spaziatura, spacing in inglese, di 300-400 μm), consente di allentare questa pressione idraulica, poiché l'acqua sotto pressione viene ospitata all'interno delle micro-bolle. Solo l'aria inglobata, in forma di micro-bolle sferiche generate dagli additivi aeranti, ha un'influenza positiva sul comportamento del calcestruzzo esposto a cicli di gelo-disgelo. L'aria intrappolata, in forma di macrovuoti irregolari, è invece dovuta all'incompleta compattazione del calcestruzzo durante la messa in opera e non contribuisce a questa protezione.
Gli additivi aeranti, aggiunti in quantità piccolissime (0,04-0,06% sul peso del cemento), modificano la tensione superficiale dell'acqua, agendo come tensioattivi. Per effetto dell'agitazione meccanica durante la miscelazione del calcestruzzo, si formano micro-bolle d'aria con diametro di circa 100-300 µm, un fenomeno fisico analogo alla formazione di schiuma nell'acqua con detersivi. Un'azione collaterale, ma benefica, degli additivi aeranti consiste nella riduzione di circa il 5% dell'acqua di impasto necessaria per ottenere una determinata classe di consistenza. Tuttavia, è importante considerare che la presenza delle bolle d'aria comporta una penalizzazione di circa il 20% nella resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo, alla quale si può far fronte riducendo il rapporto acqua/cemento (a/c).
Additivi Anti-Ritiro (SRA): Controllare la Contrazione del Calcestruzzo
Gli additivi anti-ritiro, noti anche come SRA (Shrinkage-Reducing Admixtures), sono a base di etere poliglicoli e polioli e hanno la capacità di ridurre il ritiro igrometrico, il ritiro plastico e il ritiro autogeno. La stagionatura iniziale del calcestruzzo, subito dopo la rimozione delle casseforme, è un'operazione di fondamentale importanza, spesso trascurata nei cantieri di tutto il mondo. La stagionatura consiste nel proteggere la superficie del calcestruzzo dall'evaporazione dell'acqua. L'asciugamento avviene se l'umidità relativa (U.R.) dell'ambiente è minore del 95% ed è aggravato da condizioni di vento e caldo che favoriscono l'evaporazione dell'acqua.
Il ritiro igrometrico libero (εr), combinato con il modulo elastico a trazione (E), può generare tensioni (σt) superiori alla resistenza a trazione (Rt) del calcestruzzo, portando a fessurazioni. Per impedire questi inconvenienti, e soprattutto la fessurazione del copriferro, è cruciale impedire l'evaporazione dell'acqua nei primi giorni successivi alla rimozione dei casseri. In questo periodo, la spinta all'evaporazione dell'acqua non ancora combinata è maggiore, il ritiro εr è più elevato e la resistenza meccanica a trazione (Rt) del calcestruzzo è ancora troppo bassa.
Nel caso delle superfici non casserate, come nelle pavimentazioni industriali in calcestruzzo, il fenomeno dell'asciugamento e del conseguente ritiro è ancora più grave, poiché coinvolge un materiale ancora nello stato plastico e quindi privo di qualsiasi resistenza meccanica a trazione (Rt = 0). L'applicazione a spruzzo del curing compound è un procedimento semplice ed economico, in quanto, una volta applicato, non richiede il controllo e l'impegno continuo di manodopera previsti con altri sistemi di stagionatura per mantenere umida la superficie del calcestruzzo. Tuttavia, complica e rallenta il processo produttivo in cantiere, dovendo utilizzare impalcature per l'applicazione della membrana anti-evaporante subito dopo la rimozione dei casseri.
La stagionatura è spesso trascurata a causa del suo costo e della mancata percezione della sua importanza per la durabilità delle opere, a meno che non sia specificamente prescritta, controllata e rimborsata con un costo ad hoc. Le cause della mancata stagionatura sono imputabili alla complicazione esecutiva, al mancato riconoscimento del costo e all'assenza di controllo da parte del Direttore dei Lavori.
Una soluzione al problema della stagionatura iniziale, più gradita alle imprese per il minor intralcio nelle fasi esecutive, è l'impiego di additivi anti-ritiro SRA. In questo caso, il prodotto viene aggiunto all'impasto e non applicato sulla superficie. Anche per l'impiego dell'additivo SRA, è necessaria una specifica voce nel capitolato che preveda il rimborso all'impresa per questo costo aggiuntivo. Tuttavia, il calcestruzzo auto-stagionante (Self-Curing Concrete) risultante non è ancora una soluzione tecnicamente accettabile e definitiva. In un calcestruzzo contenente SRA, si registra una discreta riduzione del ritiro, soprattutto quello iniziale, ma non una sua totale eliminazione.
Questo obiettivo può essere perseguito, invece, impiegando l'SRA in combinazione con agenti espansivi a base di CaO, per eliminare completamente gli effetti del ritiro igrometrico. L'azione combinata di SRA e un agente espansivo a base di CaO offre due benefici: una maggiore efficacia dell'agente espansivo con una maggiore espansione all'interno dei casseri (U.R. = 99%) e una minore riduzione dell'espansione nella successiva esposizione all'aria insatura (U.R. = 65%). Questi benefici rendono particolarmente interessante l'impiego congiunto di SRA e agenti espansivi a base di CaO nel campo dei calcestruzzi a ritiro compensato.
Un'altra interessante applicazione dell'additivo SRA, in combinazione con un additivo superfluidificante per ridurre acqua e cemento, e con macro-fibre polimeriche per ridurre la propagazione delle microfessure incipienti, riguarda le pavimentazioni industriali in calcestruzzo. Grazie a questa terna di prodotti (due additivi più fibre), viene eliminata la formazione di fessure, anche se la superficie non viene stagionata a umido.
Per quanto concerne il meccanismo d'azione, l'SRA sorprendentemente non riduce l'evaporazione dell'acqua. L'evaporazione dell'acqua, infatti, rimane sostanzialmente la stessa nel calcestruzzo con SRA e in quello di riferimento senza SRA. La spiegazione di questo singolare comportamento (riduzione del ritiro da essiccamento senza, però, ridurre l'essiccamento stesso del calcestruzzo) è stata trovata attribuendo l'effetto dell'SRA alla riduzione della contrazione da ritiro igrometrico (εr) a seguito della diminuzione della tensione superficiale dell'acqua che rimane nei pori capillari.
È noto che, a seguito della perdita di acqua in ambienti insaturi di vapore con U.R. < 95%, l'attrazione delle fibre di C-S-H 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, come mostrato nell'equazione:
Pc = 2σ * cos θ / r
dove Pc è la pressione capillare che spinge le particelle di cemento idratate l'una verso l'altra provocando il ritiro igrometrico, σ è la tensione superficiale dell'acqua contenuta nei menischi, r è il raggio di curvatura dei menischi e θ l'angolo di bagnatura dell'acqua a contatto del cemento idratato. Conseguentemente, i prodotti chimici che costituiscono l'SRA, provocando una riduzione nella tensione superficiale (σ) dell'acqua, sono responsabili della riduzione del ritiro igrometrico senza modificare il trasferimento di acqua dal calcestruzzo verso l'ambiente insaturo di umidità.
Spritz Beton: Tecnologia e Applicazioni
Lo spritz beton, o calcestruzzo proiettato, è una tecnica versatile e rapida impiegata in diverse circostanze operative, specialmente in ambienti gravosi come gallerie, terreni da rinforzare o per la ristrutturazione di strutture preesistenti. Questa tecnologia offre una soluzione economica, valida ed efficace dove è richiesta un'azione rapida di rinforzo.
Una miscela base di spritz beton è formata da cemento, acqua, aggregati, additivi di presa e fibre. L'uso di speciali fibre di rinforzo, siano esse polimeriche o metalliche, rende il calcestruzzo proiettato particolarmente resistente e adatto all'edilizia pesante, aumentandone la duttilità e la resistenza alla fessurazione.
Esistono due principali metodi di proiezione del calcestruzzo:
- Via Secca: In questo metodo, vengono trasportati per tubazione i soli ingredienti in polvere (cemento, aggregati, aggiunti minerali). L'acqua e l'additivo accelerante vengono aggiunti solo all'estremità della lancia di spruzzo, consentendo un controllo preciso del rapporto acqua/cemento e dell'attivazione dell'accelerante al momento della proiezione. Questo approccio è ideale per applicazioni in cui è necessario controllare la quantità di acqua e accelerante in base alle condizioni ambientali o alle esigenze specifiche del progetto.
- Via Umida: In questo caso, il calcestruzzo già miscelato con acqua viene trasportato nella tubazione. L'additivo accelerante viene comunque aggiunto alla fine della lancia di spruzzo per innescare la presa rapida. Questo metodo è spesso preferito per grandi volumi e offre maggiore omogeneità nella miscela, ma richiede un'attenta gestione della consistenza del calcestruzzo durante il trasporto.
L'utilizzo dello shotcrete, in ogni caso, richiede precisione, esperienza e l'uso di particolari attrezzature, così da evitare errori poi difficili da rimediare. La corretta esecuzione è fondamentale per garantire la durabilità e l'efficacia del rinforzo.
Additivi per calcestruzzo - Applicazione degli additivi ritardanti
Considerazioni Finali sugli Additivi nello Spritz Beton
In conclusione, gli additivi per spritz beton sono un componente fondamentale per ottimizzare le prestazioni del calcestruzzo proiettato. Gli acceleranti di presa, in particolare quelli alkali-free, garantiscono una rapida stagionatura e alte prestazioni a lungo termine, migliorando la sicurezza in cantiere. Gli additivi anti-ritiro, specialmente se combinati con agenti espansivi, contribuiscono a minimizzare le fessurazioni, aumentando la durabilità delle strutture.
La scelta e l'applicazione degli additivi devono essere guidate da una profonda conoscenza delle loro proprietà e degli effetti sul calcestruzzo, tenendo conto delle specifiche esigenze del progetto e delle condizioni ambientali. La collaborazione tra produttori di additivi, progettisti e operatori in cantiere è essenziale per sfruttare appieno il potenziale di queste soluzioni innovative nel campo dell'edilizia.