Malte cementizie per applicazioni di stampa 3D

3.1

Introduzione

La lettura del precedente capitolo ha mostrato chiaramente come la possibilità di sviluppo e commercializzazione della stampa 3D in ambito civile sia ormai una piena realtà.

Gli studi fin qui realizzati permettono di utilizzare materiali di diversa natura e tipologia per realizzare, in Additive manufacturing, le forme più svariate e le strutture portanti e non da inserire nei manufatti edilizi.

In questo capitolo si mostrerà come, partendo dal mix design di una malta tradizionale, si possa, attraverso semplici modifiche, trasformare questa in un materiale idoneo alla stampa 3D.

Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche delle malte cementizie premiscelate, si illustrerà una campagna di sperimentazione sulla caratterizzazione meccanica di una specifica malta cementizia per ripristini strutturali, svolta in un arco temporale compreso tra le due ore dal confezionamento dei provini fino a sei mesi di stagionatura, investigandone, inoltre, il diverso comportamento in acqua e in aria.

Successivamente, dovendo valutare la possibilità di rendere estrudibile e quindi stampabile la malta investigata, ne verranno anche analizzate le proprietà reologiche, in modo da poter individuare, in una serie di applicazioni sperimentali, quali accorgimenti utilizzare, in sede di mix design, per modificare le prestazioni reologiche senza però intaccarne, in maniera sensibile, le proprietà meccaniche.

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3.2

Le malte cementizie

La malta è un conglomerato costituito da una miscela di legante (ad esempio cemento e/o calce), acqua, aggregati fini (ad esempio sabbia) ed eventuali additivi, il tutto in proporzioni tali da assicurare lavorabilità all'impasto fresco e resistenza meccanica allo stato asciutto, dopo la presa e l'indurimento. La malta viene utilizzata nella realizzazione di murature, per collegare e tenere uniti altri materiali da costruzione, cui la malta fresca si adatta aderendovi tenacemente fino a dare una struttura monolitica ad indurimento avvenuto. In realtà, la principale funzione della malta di allettamento, soprattutto di quella a base di calce, non è quella di "incollare" i mattoni o le pietre tra loro, bensì quella di distribuire il carico delle parti soprastanti sull'intera sezione orizzontale del muro, compensando le asperità delle superfici d'appoggio dei blocchi, in particolare di quelle irregolari della pietra. Il fenomeno di irrigidimento delle malte è dovuto a due processi: la presa e l'indurimento. La presa interessa tipicamente soltanto il legante, mentre l'indurimento può riguardare esclusivamente il legante, in questo caso l'aggregato ha semplice funzione d’inerte, oppure essere legato all'interazione tra legante e aggregato che in questo caso si dice reattivo.

In base al tipo d’indurimento le malte possono essere distinte in due diverse famiglie:

• Malte aeree: fanno presa ed induriscono soltanto se messe a contatto con l'aria. Fanno parte di questa categoria le malte a base di un legante aereo, quale il gesso o la calce aerea;

• Malte idrauliche: possono dar luogo alle reazioni di indurimento anche in acqua, quindi anche non a contatto con l'aria. Fanno parte di questa categoria oltre alle malte confezionate con un legante

79 propriamente idraulico, il cemento o la calce idraulica, anche le malte idrauliche a base di calce aerea quali le malte pozzolaniche o a cocciopesto.

In base a questa prima classificazione risulta chiaro come le malte di calce possano avere sia comportamento aereo che idraulico in funzione della natura dell'aggregato. In particolare, le malte aeree a base di calce aerea induriscono tramite la reazione di carbonatazione, ovvero la trasformazione dell'idrossido di calcio della calce in carbonato di calcio. In queste malte l'aggregato funge da scheletro inerte, riduce il ritiro della malta in seguito alla perdita d'acqua del legante, migliora le proprietà meccaniche e favorisce la carbonatazione dell'intero strato di malta. Queste malte si mantengono in generale sufficientemente traspiranti e sono state utilizzate per secoli per l'ottenimento di intonaci interni anche di straordinaria durabilità. Le malte idrauliche a base di calce aerea, invece, prevedono l'utilizzo di un aggregato reattivo, quale la pozzolana naturale, il cocciopesto, la pomice, il fumo di silice (spesso indicato con il termine inglese silica fume).

La caratteristica comune a tutti gli aggregati reattivi è il contenuto di ossidi acidi, di alluminio e soprattutto di silicio, capaci di reagire in presenza d'acqua con l'idrossido basico di calcio per formare gli stessi composti che si ottengono per indurimento di una calce idraulica o di un cemento Portland.

Questa reazione avviene dunque all'interfaccia tra legante e aggregato, garantendo una straordinaria aderenza tra la sabbia e il legante, che porta ad una drastica riduzione della porosità della malta. La ridotta porosità e l'elevata aderenza, tra aggregato e legante, rendono le malte idrauliche a base di calce aerea rispetto a quelle aeree: meno permeabili all'acqua; meccanicamente più resistenti; meno dilavabili e quindi più durabili.

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3.3

Malte premiscelate

Sempre più presente negli interventi edilizi è l’utilizzo di malte premiscelate anti ritiro, tissotropiche a presa e indurimento rapidi a base cementizia, composte da leganti idraulici resistenti ai solfati, ovvero con caratteristiche rispondenti ai principi definiti nella EN 1504-9 (Prodotti e sistemi per la

protezione e la riparazione delle strutture in calcestruzzo: definizioni, requisiti, controllo di qualità̀ e valutazione della conformità̀. Principi generali per l’uso dei prodotti e sistemi) [31], ai requisiti richiesti dalla EN

1504-3 (Riparazione strutturale e non strutturale) [32] per le malte strutturali di classe R4 e ai requisiti richiesti dalla EN 1504-7 (Malte cementizie per la

protezione dalla corrosione delle armature dal calcestruzzo) [33]. Le malte

di nuova generazione, cosi definite e aventi le caratteristiche sopra indicate, trovano largo impiego nella ricostruzione rapida di elementi strutturali in calcestruzzo, infatti il rapido indurimento facilita l’impiego negli interventi di La normativa italiana vigente definisce sei classi differenti di malta a composizione prescritta in base alla loro composizione in volume, come risulta dalla Figura 20:

81 ripristino in cui non è possibile attendere i normali tempi di maturazione di una comune malta cementizia quali:

• parti deteriorate di un getto, come riprese di getto e nidi di ghiaia; • strutture sollecitate a severe condizioni di stress meccanico; • murature di contenimento;

• opere idriche, vasche, dighe e canali ecc.; • tunnel stradali e ferroviari;

• strutture degradate a seguito dell’ossidazione dei ferri di armatura e relativa espulsione di copri ferro;

• travi, pilastri, solai, cornicioni, balconi, frontalini.

I prodotti utilizzati per la ricostruzione dei volumi mancanti sui manufatti di calcestruzzo armato sono sempre disponibili sotto forma di premiscelati, che richiedono solo l’aggiunta di acqua, nella dose consigliata dal produttore, per ottenere un impasto di consistenza plastica o fluida, in base alle varianti, con elevate caratteristiche tecniche. Talvolta, i preparati sono bicomponenti e al composto secco a base cementizia viene aggiunta un’emulsione di resine che modifica il comportamento del legante, migliorando le doti dell’impasto durante e dopo la stesura. In tutte le versioni, questi prodotti non richiedono l’aggiunta di altri leganti e nelle varianti a due componenti sono predosati per evitare di compiere errori in cantiere. Alla fine dalla stagionatura del ripristino, il legante cementizio garantisce il raggiungimento di adeguate resistenze meccaniche a compressione e a flessione. Queste resistenze, e soprattutto il modulo elastico del ripristino, possono variare in base alla formulazione del preparato, così da permettere l’impiego del prodotto più adeguato in funzione delle caratteristiche tecniche del manufatto e delle sue condizioni d’uso. Un modulo elastico elevato consente di intervenire su

82 elementi a elevata rigidità e dove sono assenti sollecitazioni cicliche, mentre

un basso modulo elastico rende possibile creare ripristini su manufatti soggetti a vibrazioni o a carichi dinamici, senza pericolo di distacchi. Le malte tecniche, ancora, possono essere distinte in due famiglie, entrambe dotate di notevole lavorabilità: una di consistenza plastica, per la stesura con attrezzi tradizionali come la cazzuola oppure con sistemi meccanici di applicazione; l’altra molto fluida, da applicare in casseri di contenimento. Entrambe sono sempre a base di cementi di alta qualità e, oltre agli inerti silicei resistenti alla compressione e ai cicli di gelo e disgelo e selezionati secondo un fuso granulometrico adeguato, sono già preparati con diversi additivi che conferiscono all’impasto le doti tecniche richieste dal tipo di applicazione. Le malte, infatti, sono caratterizzate da una notevole lavorabilità, da un’elevata capacità di aderire alle vecchie superfici e alle barre di armatura nuove o preesistenti e da una bassa richiesta d’acqua, per evitare problemi di distacco dal supporto, formazione di cavillature o perdita di compattezza dovuti al ritiro igrometrico. Caratteristiche comuni a tutte le versioni sono la tissotropia e il comportamento reoplastico. La tissotropia permette di applicare la malta anche in spessori significativi e in verticale o negli intradossi senza pericolo di colature, mentre le doti reoplastiche impediscono la separazione dei componenti dalla fase acquosa evitando segregazioni ed essudamenti o bleeding, con tutti i problemi di decadimento delle resistenze iniziali e finali derivati da tali evenienze. In tutte le varianti applicabili mediante colaggio, le malte possiedono una forte capacità di scorrimento anche in presenza di armature disposte fittamente e sono in grado di autocompattarsi senza necessità di vibrazioni. In ogni caso, i prodotti non contengono additivi a base di polveri metalliche o cloruri che potrebbero innescare nuovi fenomeni di corrosione delle armature.

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3.4

Studio delle caratteristiche meccaniche di una

malta cementizia tradizionale

3.4.1 Prove sulle malte

La prima fase di sperimentazione, svolta presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria di Messina, ha riguardato lo studio delle proprietà meccaniche di una malta premiscelata, anti ritiro, tixotropica per ripristino strutturale di categoria R4 a rapido indurimento, indagando in particolare le prestazioni meccaniche sia con stagionatura in acqua che in aria, ma soprattutto a differenti tempi di stagionatura compresi tra le due ore fino ai 180 giorni dal confezionamento, come indicato nella tabella 1 di seguito riportata:

Tabella 1.Elenco delle prove effettuate