Permeabilità

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6  Permeabilità ed energia di

L’acqua introdotta nell’impasto del calcestruzzo, necessaria per l’idratazione e per la lavorabilità, in seguito alla maturazione, lascia nella matrice cementizia una rete di fitti cunicoli. Si possono riscontrare tre differenti livelli di porosità.

La “porosità capillare” dipende dal rapporto a/c e dal grado di idratazione e varia da zero a 40% del volume della pasta. I pori capillari hanno un diametro dell’ordine del micron (tra 0,1 e 10 micron o 100-104 nm), la loro forma è variabile e creano una fitta rete di cunicoli all’interno del materiale:

la permeabilità del calcestruzzo risulta quindi non essere solo in funzione del livello di porosità ma è strettamente legata alla distribuzione dei pori, della loro dimensione e delle loro caratteristiche. Di natura ben differente è la “porosità del gel” che ammonta al 28% del volume occupato dalle particelle solide costituenti la matrice cementizia. Spesso si rischia di incorrere nel rischio di avere “aria intrappolata” nel calcestruzzo fresco, che teoricamente dovrebbe essere espulsa da una corretta compattazione del conglomerato attraverso la vibrazione. Se questo non avviene con alta probabilità si creeranno macrovuoti della dimensione di qualche millimetro.

In aggiunta si può osservare un ulteriore tipologia di porosità, ovvero la

“zona di transizione” (ZTN) cioè quella parte della pasta cementizia molto sottile che si trova a diretto contatto con l’aggregato. Questa presenta un livello di porosità maggiore. Infine, ci può essere una risalita di acqua sulla superficie del conglomerato, detta di “bleeding”.

La permeabilità è uno dei parametri fondamentali che influenza lo spalling nel momento in cui si considera l’insieme di fenomeni che caratterizzano il processo termo-igrometrico del calcestruzzo soggetto ad elevate temperature. Il vapore acqueo che si è formato in seguito all’evaporazione dell’acqua, scorre verso la superficie riscaldata attraverso il sistema di pori, caratterizzato da una condizione secca. Inversamente, una parte del vapore acque scorre verso l’interno, dove andrà a formare uno strato saturo, che funge da parete impermeabile per il flusso dei gas. Se la permeabilità della zona secca dell’elemento in calcestruzzo non è sufficiente per evitare un accumulo di pressione, si verifica il fenomeno esplosivo di spalling. Maggiore sarà la permeabilità del calcestruzzo, minore sarà il rischio del verificarsi dell’effetto di spalling.

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La permeabilità può essere controllata in modo volontario agendo a livello della composizione della miscela. Metodo più comune è l’utilizzo di fibre in polipropilene, ultimamente si è anche iniziato a modificare il rapporto acqua/cemento o la percentuale di vuoti d’aria all’interno della miscela di calcestruzzo. Obbiettivo principale di questa tesi è proprio quello di riuscire ad ottimizzare la composizione di una miscela in maniera da avere un buona permeabilità che permetta la fuoriuscita del vapore, evitando così il fenomeno di spalling, e contemporaneamente mantenendo ottime proprietà meccaniche di resistenza a compressione e un comportamento duttile post-picco di rottura.

D’altra parte, la permeabilità è anche strettamente correlata al deterioramento del calcestruzzo, e quindi legata a un comportamento non volontario, ovvero non prevedibile del calcestruzzo. Nel momento in cui il calcestruzzo viene sottoposto a carichi estremi oppure ad elevate temperature, si instaurano una serie di crepe e fessurazioni. Questo processo porta a un notevole aumento della permeabilità. Le crepe generalmente interconnettono i percorsi di flusso, consentendo a gas, acqua e ioni chimici di penetrare nel calcestruzzo. Questi fenomeni generano un maggiore deterioramento del materiale, con conseguenze molto dannose, fino al caso limite del collasso struttura stessa. In un importante studio di Wang e al. (2001), si è analizzato l’aumento della permeabilità dovuto allo sviluppo delle fessurazioni. Attraverso la tecnica del controllo dello spostamento, sono stati effettuati diversi test per generare fessurazioni controllate all’interno dei provini. I percorsi delle crepe sviluppati vengono analizzati attraverso un microscopio ottico ed in seguito valutata la permeabilità ad acqua. Obbiettivo principale di studiare la relazione tra permeabilità e fessurazioni è trovare soluzioni per la progettazione di un calcestruzzo più durevole e per indagare metodi di riparazione per un calcestruzzo deteriorato. In seguito al test di permeabilità si evidenzia come questa caratteristica aumenta con l’ampiezza della fessura. Ovviamente oltre alla larghezza della fessura, anche la lunghezza e il numero di fessure influenzano il grado di permeabilità.

Figura 6-1 Relazione tra la permeabilità all’acqua e l’apertura delle fessure per provini sotto carico e in seguito all’applicazione del carico. Fonte: Wang e al. (2001)

Altro parametro da considerare è l’effetto delle temperature elevate sulla permeabilità del calcestruzzo. Noumowe e al. (2008) hanno deciso di eseguire una serie di prove sperimentali per studiare l’effetto del tipo di aggregato e l’effetto delle fibre di polipropilene sulla permeabilità del calcestruzzo ad alte prestazioni esposto a temperature elevate fino a 600 °C.

Come già accennato, molti studi presenti in letteratura hanno dimostrato che l'aggiunta di fibre di polipropilene è una soluzione efficiente per ridurre il rischio di spalling in calcestruzzi sottoposti ad alte temperature. Questo verrà approfondito nella sezione inerente alla progettazione per evitare il fenomeno di spacco esplosivo. I provini analizzati sono cilindri costituiti da cemento Portland, con aggiunta di fumo di silicio (10% del peso del cemento).

In tutto sono state confezionate 3 tipologie di miscele (B2, B3 e B4), la prima senza fibre PP, la seconda con aggiunta di fibre e la terza senza fibre ma con aggregati leggeri. In seguito alla stagionatura, i campioni sono stati sottoposti a cicli di riscaldamento e raffreddamento. La temperatura massima del ciclo è stata mantenuta a 200 o 600 °C. Si nota come la permeabilità nell’intorno dei 200 °C sia nettamente maggiore grazie all’utilizzo delle fibre in polipropilene all’interno della miscela. Per temperature più elevate il loro effetto non è più considerabile valido in relazioni agli elevati danni a cui è sottoposto il provino.

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Figura 6-2 Evoluzione della permeabilità di tre differente campioni di calcestruzzo in relazione alla temperatura. Fonte: Noumowe e al. (2008)