Fattori  che  influenzano  lo  spacco  esplosivo

Molti sono i fattori che influenzano lo spalling esplosivo, identificati in molti anni attraverso uno svariato numero di esperimenti. I fattori possono essere in funzione di diversi aspetti:

-­   composizione del materiale -­   geometria della sezione -­   tipologia strutturale -­   ambiente circostante

Una sintesi dei diversi fattori e della loro influenza è stata fatta da Khoury and Anderberg (2000) e riconfermata da Majorana e al. (2010).

Velocità di riscaldamento: questa caratteristica è una delle principali, in quanto influenza notevolmente il verificarsi di spalling esplosivo. Si nota una netta diminuzione della temperatura in corrispondenza della quale si verifica il fenomeno esplosivo. Questo porta quindi a ad avere un aumento della probabilità e della gravità con l'incremento della velocità di riscaldamento.

Figura 4-7 Spalling in relazione della velocità di riscaldamento. Fonte: Khoury (2000).

Esposizione al riscaldamento: più sono le facce esposte al fuoco, più alta è la probabilità che si verifichi il fenomeno spalling. Considerando ad esempio le lastre (esposizione di solo 1 faccia), queste rispondono molto meglio all’esposizione al fuoco, rispetto alle travi (da 3 a 4 facce esposte).

Forma della sezione: la rottura è molto probabile in elementi con sezione trasversale che cambia rapidamente. Gli angoli, in particolare quelli acuti, hanno una forte tendenza a essere soggetti a spalling. Le sezioni ideali sono quindi superfici piane e angoli arrotondati.

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Dimensione della sezione: si è riscontrato un comportamento nettamente positivo negli elementi molto sottili rispetti a quelli più spessi. Questo viene attribuito al fatto che l’umidità tende ad uscire dalla sezione più facilmente e più velocemente, riducendo così la pressione nei pori. Detto ciò, in maniera opposta, altre prove sperimentali suggeriscono che il fenomeno è meno probabile in spessori molto grandi, come ad esempio maggiori di 300 mm.

Contenuto di umidità: generalmente il fenomeno di spalling non si verifica se il contenuto di umidità è minore del 2% in massa (ovvero il 4.4%

in volume). Problema non irrilevante di questa affermazione è che questo contenuto di umidità è molto difficile da raggiungere nella pratica comune.

Anche per il fatto che il calcestruzzo ad alta resistenza presenta il fenomeno dello spalling con percentuali di umidità molto contenute vicine al valore limite (2,3-3% in peso). All’interno di questa tipologia di calcestruzzi si ha un basso livello di porosità e quindi una bassa permeabilità. Questo rende davvero difficile la fuoriuscita dell'umidità, che a sua volta provoca pressioni più alte dei pori, aumentando il rischio spalling esplosivo, anche nonostante la maggiore resistenza a trazione. Altro fattore da tenere a mente è che il contenuto di umidità all’interno dell’elemento strutturale decresce con il passare degli anni. In seguito ad analisi svolte si è notato che la percentuale media di umidità, due anni dopo la costruzione, contenuta all’interno delle strutture in calcestruzzo nelle abitazioni è pari al 3% del peso. Tuttavia, questo non può essere ritenuto come un dato molto attendibile, dovuto al fatto che la quantità di umidità contenuta negli elementi è soprattutto in relazione all’ambiente e alle condizioni climatiche a cui è sottoposto. Infine, altro aspetto di assoluta importanza è la variazione dell’umidità in relazione al rapporto acqua/cemento.

Tabella 4-1 Contenuto di umidità dopo 28 giorni di maturazione. Fonte: Rielaborata da Khoury (2000)

Rapporto A/C 0,6 0,5 0,4 0,3

Contenuto di umidità (% in massa) 5,1 4,7 4,5 4,2

Permeabilità: forse uno dei fattori che gioca un ruolo fondamentale nella presenza o non del fenomeno di spalling. Questo è un fattore che influenza principalmente la velocità di rilascio del vapore. Le prove sperimentali hanno suggerito che lo spalling è molto poco probabile per un calcestruzzo con una permeabilità inferiore a 5 x 10^-11 cm². Il calcestruzzo ad alta resistenza ha una bassa permeabilità e una tendenza molto alta ad essere soggetto a spalling.

Età del calcestruzzo: in generale la maggior parte degli studi, suggerisce che la probabilità che si verifichi il fenomeno distruttivo si abbassi con l’età ma questo potrebbe essere in diretta relazione con l’abbassamento della permeabilità nel tempo. Nonostante questo l’influenza dell’età di un calcestruzzo nella probabilità di essere soggetto a spacco esplosivo genera molte contraddizioni.

Resistenza del calcestruzzo: si è già visto come a causa della permeabilità i calcestruzzi ad alta resistenza sono affetti maggiormente dal rischio di spalling. Paradossalmente, il calcestruzzo di maggiore qualità e maggiore resistenza è molto più soggetto al fenomeno dello spalling, in quanto elevate resistenze si ottengono in presenza di bassi rapporti acqua/cemento e di additivi come i fumi di silice, che determinano la creazione di un calcestruzzo molto denso e quindi poco poroso e permeabile.

Resistenza a compressione e a trazione: nella maggiore parte dei casi si può ipotizzare che i carichi applicati aumentano la tendenza degli elementi in calcestruzzo ad essere soggetti a spalling.

Quadro fessurativo esistente: la presenza di fessure ha un duplice effetto.

Il primo è un effetto estremamente positivo in quanto le micro fessure facilitano l’uscita verso l’esterno del vapore, contribuendo all’attenuazione della pressione termo-igrometrica; il secondo è negativo in quanto le micro e macro fessure contribuiscono alla propagazione della frattura in seguito all’innesco dell’evento distruttivo

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Tipologia dell’aggregato: per diminuire la probabilità di spalling è consigliato l’utilizzo di aggregati che presentano una bassa espansione termica. Il rischio di innescare il fenomeno esplosivo è maggiore in presenza di aggregati leggeri, di basalto e calcarei, mentre lo è meno negli aggregati silicei.

Dimensione dell’aggregato: maggiore è la dimensione dell’aggregato, più probabile è che si verifichi spalling esplosivo.

Presenza di armature: in seguito a numerosi esperimenti su provini di calcestruzzo armato, la presenza di armature riduce il rischio di spalling. La probabilità che si verifichi l’evento è in funzione soprattutto della presenza o dell’assenza di queste, più che della quantità di armature. Tuttavia, meglio evitare un’eccessiva congestione o barre troppo ravvicinate.

Copriferro: durante numerosi test si è notato che più grande è il copriferro, più elevata è la possibilità che si verifichi il fenomeno dello spalling. Nel caso in cui il copriferro supera i 40 mm nei calcestruzzi ad alta resistenza e 50 mm nei calcestruzzi alleggeriti, le probabilità che si verifichi spalling è molto elevata. Contrariamente a questo, nei casi in cui lo spessore del copriferro sia inferiore ai 15 mm, il calcestruzzo è molto meno soggetto al fenomeno degradativo.

Presenza di fibre: l’uso di fibre riveste un ruolo fondamentale nella prevenzione del fenomeno esplosivo. Questo può avere una duplice funzione.

L’uso di fibre di acciaio non previene lo spalling, ma vengono usate per incrementare la duttilità del calcestruzzo e di far si che essa abbia capacità resistenti anche dopo la fessurazione. Ultimamente però si è notato come queste riescano ad aumentare l’energia di frattura e giocare un ruolo fondamentale nella diminuzione dell’energia cinetica del materiale calcestruzzo espulso dalla sezione oggetto di esame. Viceversa, la presenza di opportuni quantitativi di fibre polipropileniche offre un grande contributo nell’eliminazione dello spalling anche nei calcestruzzi ad alta resistenza. In seguito dell’innalzamento della temperatura prodotto dall’incendio le fibre

fondono lasciando all’interno della matrice cementizia delle porosità aggiuntive in cui il vapore può espandersi riducendone la pressione responsabile dei fenomeni di espulsione del calcestruzzo.