Acqua e Calcestruzzo una relazione complessa

1 - Premessa

Il rapporto ACQUA/CEMENTO e le sue influenze in ordine alla lavorabilità ed alle prestazioni meccaniche del conglomerato (*1), richiamate in figura, rappresenta la relazione più nota fra l’acqua, in questo caso d’impasto ed il calcestruzzo. Le relazioni che intercorrono fra il conglomerato cementizio armato e l’acqua, nelle diverse forme ed accezioni, sono però più numerose e complesse. Talune sono certamente deleterie sino costituire causa di degenerazione e degrado come è possibile evincere dalle note del paragrafo 3, altre, come l’acqua di idratazione, sono essenziali per la formazione del legame idraulico, sino a raggiungere valenze benefiche ed efficacemente terapeutiche, come l’acqua di “curing”, richiamata nel paragrafo 5.

(*1) Il rapporto acqua/cemento è la relazione fra la quantità d’acqua totale d’impasto in peso, ivi compresa l’umidità degli aggregati, e la quantità di cemento. È un parametro fondamentale per la qualità del calcestruzzo, in grado di influenzare numerose caratteristiche e prestazioni fondamentali quali la resistenza a compressione, già citata, la permeabilità, l’entità del ritiro, ecc., come è possibile evincere dai grafici indicativi che seguono.

Le possibili interazioni dell’acqua con il calcestruzzo nelle sue diverse condizioni sono riassumibili con:

A completamento della premessa vale la pena osservare che le possibili provenienze dell’acqua, un elemento sempre presente in natura, interessanti le strutture in calcestruzzo e le opere edili in genere, sono molteplici.

2 – L’acqua necessaria: idratazione dei leganti idraulici

Le proprietà leganti che conferiscono le resistenze meccaniche al calcestruzzo indurito sono il risultato della reazione del clinker, costituente il cemento,  finemente macinato, con l’acqua ed alla conseguente formazione dei prodotti di idratazione.

Tgg = tempo in giorni - i = grado di idratazione

La quantità di acqua stechiometrica necessaria per l’idratazione del cemento si può calcolare in base alla contenuto dei costituenti mineralogici in base alle reazioni di idratazione.

Per un cemento Portland ordinario occorrono circa 23 grammi di acqua per idratare 100 grammi di cemento. I pori del gel trattengono 19 grammi di acqua per 100 gr di cemento. Ne consegue che l’acqua totale necessaria per  idratare completamente 100 g di cemento è pari a: g 23 (idratazione) + g 19 (pori del gel) = g 42. Il rapporto acqua/cemento teorico, riferito alla pasta di cemento è quindi pari a 0,42.

3 – L’acqua patogena

La tabella illustra le differenti e più comuni relazioni dell’acqua con il calcestruzzo indurito, nonché alcuni suggerimenti di prevenzione e rimedio.

3.1 acqua + gelo - l’acqua, congelando ed aumentando il proprio volume, determina tensioni meccaniche in grado di prevalere sulla resistenza del conglomerato indurito. L’azione aggressiva viene esercitata  nei confronti della pasta di cemento o matrice (P) e degli aggregati (A).

Provvedimenti - Per i nuovi calcestruzzi è opportuno prevedere l’impiego di additivi aeranti (FLUID AIR), ove possibile congiuntamente ad adeguati contenuti di microsilicati “silica fume”  (MICROSIL 90). Progettare comunque calcestruzzi a basso rapporto acqua cemento (< 0,50). Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti, possono essere adottate le misure di limitazione della motilità dell’acqua comprendenti l’impregnazione idrorepellente con CONSILEX ALTRAIN, l’impregnazione consolidante con CONSILEX IDROCON e la pitturazione con PROTECH WAC o con PROTECH WAC-T.

3.2  acqua + movimento – scorrendo sul e dentro il calcestruzzo, l’acqua ne provoca il dilavamento e contribuisce alla depassivazione dell’acciaio delle armature. In questo caso l’’azione aggressiva viene esercitata  nei confronti della pasta di cemento o matrice (P) e delle armature (F).

Provvedimenti - Per i nuovi calcestruzzi prevedere l’impiego di adeguati contenuti di microsilicati “silica fume” (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S. Progettare comunque calcestruzzi a rapporto acqua cemento < 0,50. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti valgono le considerazioni riportate al punto 3.1.

3.3 acqua + CO₂ – Portando l’anidride carbonica sotto forma di soluzione, nel calcestruzzo, l’acqua determina la reazione con la calce libera (idrossido di calcio) con formazione di carbonato di calcio e di bicarbonato di calcio, entrambi caratterizzati da un pH insufficiente a garantire la passivazione dell’acciaio d’armatura. Si attivano i processi di ossidazione e corrosione delle armature con conseguenti distacchi degenerativi del copriferro. Il bicarbonato di calcio, inoltre, per la sua elevata solubilità, può dare luogo anche ad importanti fenomeni di dilavamento. L’azione aggressiva viene quindi esercitata  nei confronti della pasta di cemento o matrice (P) e delle armature (F).

Provvedimenti - Per i nuovi calcestruzzi prevedere l’impiego di adeguati contenuti di microsilicati “silica fume”  (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S) .Progettare comunque calcestruzzi a rapporto acqua cemento < 0,50. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti valgono le considerazioni riportate al punto 3.1.

3.4 acqua + solfati – Portando in soluzione solfati di varia natura nel calcestruzzo, l’acqua determina reazioni espansive che possono assumere valenza distruttiva, dovute alla formazione di trisolfoalluminato di calcio (ettringite) o di gesso, se i solfati sono di natura differente dal calcio. L’azione aggressiva viene esercitata nei confronti della pasta di cemento o matrice (P).

Provvedimenti - Per i nuovi calcestruzzi prevedere l’impiego di cementi specifici solfato resistenti e/o adeguati contenuti di microsilicati “silica fume”  (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S). Progettare comunque a calcestruzzi a rapporto acqua cemento < 0,50. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti debbono essere adottate misure di protezione superficiale adeguate, con specifico riferimento a quanto suggerito dal Report ACI 515: “Guide for the protection of concrete against chimical attack …..”. 

3.5 acqua + cloruri – Portando in soluzione cloruri di varia natura nel calcestruzzo, l’acqua determina la neutralizzazione funzionale del “film” passivante che protegge le armature provocandone la corrosione. L’azione aggressiva, in questo caso viene esercitata  soprattutto nei confronti delle armature (F).

Provvedimenti - Anche in questo caso, per i nuovi calcestruzzi prevedere l’impiego di adeguati contenuti di microsilicati “silica fume”  (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S). Progettare comunque calcestruzzi a rapporto acqua cemento < 0,50. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti valgono le considerazioni riportate al punto 3.1.           

3.6 acqua + SiO₂ reattiva – Penetrando nel calcestruzzo l’acqua può attivare e/o alimentare la reazione alcali aggregati altrimenti definita con il termine (Alkali-Silica Reaction o ASR). Questa reazione, caratterizzata da processi fortemente espansivi e distruttivi, si innesca in presenza di aggregati di particolare composizione mineralogica e, per manifestarsi, è necessario il verificarsi concomitante della presenza di silice reattiva negli aggregati, di un elevato tenore di alcali in grado di reagire e di condizioni di saturazione con acqua del conglomerato. L’azione aggressiva, in questo caso viene esercitata  nei confronti della pasta di cemento o matrice (P) e degli aggregati (A).

Provvedimenti - Per i nuovi calcestruzzi prevedere l’impiego di aggregati coerenti con la norma UNI 8981-8 e/o adeguati contenuti di microsilicati “silica fume” (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S) .Progettare comunque calcestruzzi a rapporto acqua cemento non superiore a 0,45. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti adottare misure di impregnazione con lo specifico protettivo Q.L. NANO LITHIUM, in grado di limitare o inibire la reazione alcali  aggregati (Alkali-Silica Reaction o ASR).

3.7  acque pure – Le acque dei bacini montani, che raccolgono l’acqua dei ghiacciai, così come alcune acque  di recupero industriale sono acque “molto pure”, con un basso contenuto salino, hanno la tendenza ad assumere i sali dalle superfici di contatto, sia geologiche che, come nel caso in esame, rappresentate dalle opere in calcestruzzo, provocandone la dissoluzione ed il dilavamento attraverso l’idrolizzazione della calce libera. L’azione aggressiva, in questo caso viene esercitata  soprattutto nei confronti della pasta di cemento o matrice (P).

Provvedimenti - Anche per i nuovi calcestruzzi esposti all’aggressione da acque pure, è opportuno prevedere l’impiego di aggregati coerenti con la norma UNI 8981-8, adeguati contenuti di microsilicati “silica fume” (MICROSIL 90), coadiuvati da specifici agenti superfluidificanti (FLUID S) .Progettare comunque calcestruzzi a rapporto acqua cemento < 0,50. Nel caso di calcestruzzi ordinari esistenti valgono le considerazioni riportate al punto 3.1.    

4 – sui mezzi di protezione

In relazione ai provvedimenti di protezione contemplati in 3.1, 3.2, 3.3, 3.5 e 3.7, gli effetti della presenza di una protezione adeguata ed efficace sono schematicamente illustrati nella figura a sinistra, mentre l’immagine a destra definisce le caratteristiche delle differenti pitturazioni protettive in funzione dei parametri rappresentati dalla permeabilità all’acqua ed al vapore.

5 – l’acqua terapeutica

L’azione dell’acqua, utilizzata correttamente come elemento di “cura e stagionatura” (curing concrete), può certamente essere considerata “terapeutica”. I termini “cura e stagionatura” (curing concrete) definiscono infatti gli accorgimenti protettivi che debbono essere previsti ed attuati per il calcestruzzo giovane (o verde), al fine di mantenerlo nelle condizioni termiche ed igrometriche più adatte per conseguire il più elevato livello di idratazione e quindi, di caratteristiche e prestazioni. I provvedimenti di “cura e stagionatura”, finalizzati a  mantenere il calcestruzzo in opera nella corretta condizione umida, impedirne l'evaporazione dell'acqua necessaria per l’idratazione profonda, ecc., rivestono una fondamentale importanza.

Tutte le sperimentazioni effettuate confermano l’assunto che una stagionatura adeguata del calcestruzzo giovane (verde) si traduce in miglioramenti prestazionali persino insospettati. I risultati di pluriennali verifiche, effettuate dalle associazioni CC&A: Cement Concrete & Aggregates (AUS) e PCA: Portland Cement Association (USA), peraltro corrispondenti o assimilabili a numerosi altri report disponibili in letteratura, ne sono una significativa conferma.

I grafici sopra proposti, a solo titolo di esempio fra i tanti, rappresentano la migliore conferma delle proprietà terapeutiche dell’acqua, quanto viene utilizzata come elemento di stagionatura umida per il calcestruzzo. Poiché alla resistenza meccanica possono essere correlate caratteristiche e prestazioni del calcestruzzo, è semplice valutare come con un’accurata stagionatura umida (curing), protratta per almeno 7 giorni, il calcestruzzo possa persino raddoppiare le prestazioni rispetto allo stesso calcestruzzo esposto direttamente ed immediatamente all’aria.

Riassumendo i risultati delle sperimentazioni sopra citate è possibile affermare: “Un calcestruzzo sottoposto a stagionatura umida per soli 3 giorni, fornisce prestazioni meccaniche superiori del 50%, rispetto allo stesso calcestruzzo non sottoposto a stagionatura umida. Gli incrementi, dello stesso calcestruzzo, stagionato in umido per 7 giorni, sono prossimi all’80%. Sono altresì rilevanti gli effetti della stagionatura in termini di impermeabilità intrinseca del conglomerato”.

La norma ACI 318 prevede una stagionatura umida ≥ 7 giorni. Le NTC (norme tecniche per le costruzioni) nel paragrafo 4.1.7 prescrivono che “tutti i progetti devono contenere la descrizione delle specifiche di esecuzione in funzione della particolarità dell'opera, del clima, della tecnologia costruttiva. In particolare il documento progettuale deve contenere la descrizione dettagliata delle cautele da adottare per gli impasti, per la maturazione dei getti, per il disarmo e per la messa in opera degli elementi strutturali. Si potrà a tal fine fare utile riferimento alla norma UNI EN 13670-1: 2001 "Esecuzione di strutture in calcestruzzo - Requisiti comuni”.

Edoardo Mocco