Il mix design del calcestruzzo

 

di Emanuele Ruggerone

Il calcestruzzo è un materiale antico. Sebbene non nella forma attuale, il calcestruzzo era già noto ai Greci e fu utilizzato in modo davvero ampio e consapevole dai Romani. Ne parla Vitruvio nel De Architectura, un trattato scritto 15 anni prima di Cristo, e già in quella sede vi sono diverse considerazioni circa la necessità di utilizzare il calcestruzzo secondo opportune regole.

Parlando ad esempio delle tecniche dell’opus reticulatum e dell’opus incertum, Vitruvio chiarisce che:

reticolato e incerto sono da tirarsi su con materiale minuto, affinché i muri siano più grassi di calce e di rena e così durino di più; giacché quando il materiale è molle e poroso prosciuga troppo presto la calce suggendone lumidità; invece, quando calce e rena sovrabbondano, la parete essendo più umida resiste di più tenuta insieme dallumidità stessa.

(De Architectura, libro 2, VIII, 2, traduzione S. Ferri)

Nel corso del tempo, di calcestruzzo si sono occupati diversi studiosi, sviluppando una vera e propria materia che ha l’obiettivo di definire in modo rigoroso il metodo per l’esatta composizione e realizzazione della miscela.

Uno dei volumi più completi sull’argomento – forse tuttora il più completo – è quello scritto dal professore Collepardi, “Scienza e tecnologia del calcestruzzo”, editore Hoepli, la cui prima stesura risale al 1979.

Trascorsi diversi decenni, si arriva all’oggi, ad un momento, cioè, in cui la definizione della miscela del calcestruzzo è divenuta un processo rigoroso e specialistico, che va sotto il nome di mix design.

Il mix design semplice

Si definisce mix design semplice quel procedimento di definizione della composizione del calcestruzzo a partire da quattro fondamentali dati:

  • Le resistenza caratteristica
  • La lavorabilità
  • Il tipo di cemento
  • Il diametro massimo dell’inerte

Aggiungendo un altro parametro a definizione di uno specifico requisito (il ritiro del calcestruzzo, ad esempio, oppure la durabilità) il mix design diventa da semplice a complesso.

In questa sede si tratterà del solo mix design semplice. Lo scopo del presente articolo è illustrare in breve quali siano i parametri che entrano in gioco nel processo del mix design, non si intende entrare nel merito della più generale teoria del calcestruzzo, per la quale non si può che rimandare a testi specialistici.

Il procedimento del mix design semplice può essere schematizzato come segue:

  • In primo luogo occorre definire il fondamentale rapporto acqua / cemento (di regola indicato come A/C) in funzione della resistenza caratteristica Rck voluta e in base al tipo di cemento impiegato
  • In funzione della lavorabilità (slump) e del diametro massimo degli inerti impiegati e sulla base del rapporto A/C prima definito, è possibile stabilire l’esatto quantitativo di acqua di impasto (A) espresso, ad esempio, in kg/mc o in l/mc
  • Dal valore di A, noto A/C, si ricava il quantitativo di cemento occorrente
  • In funzione del diametro massimo degli inerti di previsto impiego si può stimare il quantitativo di aria che rimane intrappolata nel calcestruzzo compattato
  • Noti tutti gli altri parametri, si può definire il volume di inerti necessario

Di particolare rilevanza è la scelta dello slump, che deve essere fatta in funzione della tipologia di opera, della quantità di armatura presente (incidenza di armatura) e, in generale, dell’organizzazione del cantiere.

Da evidenziare anche il fatto che il rapporto A/C è di regola ormai definito dalle normative in funzione della classe di esposizione.

A concludere, si evidenzia che il calcolo del volume di inerti non rappresenta che la parte iniziale del procedimento relativo alla definizione della distribuzione granulometrica, per la quale occorre riferirsi all’equazione di Bolomey o a quella di Fuller (caso particolare di quella di Bolomey). Quanto relativo alla distribuzione granulometrica esula dagli scopi del presente articolo.

Al fine di illustrare in modo qualitativo il metodo del mix design, si illustra di seguito un breve esempio.

In funzione delle caratteristiche dell’opera e delle condizioni ambientali, si individua un calcestruzzo avente:

Rck = 30 N/mmq

classe di esposizione XC2

Facendo riferimento alla norma UNI EN 206-1: 2006 (prospetto F.1), si definiscono i valori del rapporto acqua cemento (A/C) e il contenuto minimo di cemento (C)

A/C = 0,60

C = 280 kg/mc

La correlazione fra la resistenza caratteristica Rck e il rapporto A/C è spesso, in letteratura, espressa in forma grafica. Si veda ad esempio il diagramma sottostante (da “Il calcestruzzo logico”, vedi bibliografia):

Da notare che il grafico propone una correlazione che tiene conto anche del tipo di cemento.

Nel caso in esame, considerando il tipo 32.5 R, il rapporto A/C risulta proprio uguale a 0,60 (si tenga però conto che a diversi tipi di cemento corrispondono altri valori).

Il legame Rck – A/C si completa con altri grafici, quale quello sottostante, che pone in relazione il contenuto di cemento C con il quantitativo di acqua di impasto A, il diametro massimo degli inerti e la classe di lavorabilità (da “Il calcestruzzo logico”, vedi bibliografia):

Nel caso in esame, si considera di confezionare un calcestruzzo pompabile, per il quale sono di regola richiesti uno slump fra 5 e 15cm e un diametro massimo degli inerti che non ecceda un terzo circa del diametro del tubo della pompa.

Adottando quindi:

slump = 15cm

Dmax = 19mm

si ottiene il valore dell’acqua di impasto:

A = 215 litri/mc

Con A/C noto (dalla norma UNI), si può ricavare il valore di C:

C = A / 0,60 = 215 / 0,60 = 360 litri/mc

Dal momento che la massa volumica del cemento è uguale a circa 3,15 kg/l, il valore di C può essere espresso anche come:

C = 360 / 3,15 = 115 litri/mc

Al fine di valutare quanta aria rimane intrappolata nel getto compattato, si possono impiegare diagrammi quale riportato di seguito (da “Il calcestruzzo logico”, vedi bibliografia):

Nel caso specifico, in funzione di Dmax = 19mm, si ottiene a’ = 2% circa.

Con riferimento a 1000 litri di miscela, si ha quindi:

A = 215 litri / mc

C = 115 litri / mc

a’ = 1000 x 0,02 = 20 litri / mc

Il volume complessivo degli inerti è quindi pari a:

Vi = 1000 – 215 – 115 – 20 = 650 litri / mc

Assumendo una densità degli inerti di 2,7 kg/litro, si ha:

Vi = 650 x 2,7 = 1755 kg / mc

Da notare che, assumendo il valore di C suggerito, quale minimo, dalla norma UNI, si sarebbe arrivati ad un quadro leggermente diverso:

A/C = 0,60

C = 280 kg / mc = 90 litri / mc

A = 168 litri / mc

a’ = 20 litri / mc

Vi = 725 litri / mc = 1950 kg / mc

 

Bibliografia

Scienza e tecnologia del calcestruzzo, M. Collepardi, Hoepli, 1991

Il calcestruzzo, B. Bolis, Hoepli, 1951

Il calcestruzzo logico, M. Collepardi, S. Collepardi, R. Troli, Enco srl, 2004

De Architectura, Vitruvio, BUR, 2002, traduzione di S. Ferri.

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