CALCESTRUZZO
CALCESTRUZZO (fr. béton; sp. betón; ted. Beton; ingl. beton)
S'intende per calcestruzzo ogni conglomerato, composto da materiali inerti (sabbia, ghiaia, pietrisco, ecc.) riuniti insieme, in presenza di un'opportuna quantità d'acqua, da un materiale cementante o legante, in modo da formare una massa compatta e resistente.
Il calcestruzzo si dice grasso (ricco) o magro (povero) secondo la quantità maggiore o minore di cementante in esso contenuto.
S'intende per dosatura di un dato componente (ghiaia, sabbia o pietrisco, materiale legante, acqua, ecc.) il quantitativo, in peso o in volume, del dato componente nell'unità di volume del calcetruzzo. I recenti studî sulla costituzione e sul comportamento dei conglomerati artificiali hanno condotto a risultati abbastanza precisi, in base ai quali non è ora più possibile considerare il conglomerato stesso come un miscuglio qualsiasi di materiali, ma un insieme, in precise proporzioni, di ben determinati materiali rispondenti a dati requisiti.
I regolamenti governativi delle varie nazioni fissano in modo preciso le norme da seguire per la confezione dei calcestruzzi e prescrivono le qualità dei materiali da adoperare. Le norme italiane sono fissate dai r. decreti n. 1431 del 7 giugno 1928 e n. 592 del 4 aprile 1929, emanati dal Ministero dei lavori pubblici.
Cenno storico. - I materiali per costruzioni murarie usati nell'antichità furono eminentemente la pietra (Egitto, Grecia) e il mattone (Assiria, Babilonia, Fenicia, ecc.).
Nell'epoca romana vennero introdotti nell'uso i conglomerati artificiali, aventi per cementante la pozzolana mista alla calce comune (betunium). Il calcestruzzo venne dai Romani adoperato per fondazioni, gettate di muraglie, ecc. Nell'ossatura muraria in elevazione il calcestruzzo costituiva spesso uno scheletro, limitato sulle superficie esterne da paramenti di mattoni. Nelle vòlte, il calcestruzzo costituì dapprima l'unico elemento costruttivo. In seguito, il calcestruzzo venne usato solo per riempire i cassettoni, mentre i costoloni portanti e i paralleli erano formati da muratura a mattoni. L'ottima qualità delle malte e i grossi spessori davano alla costruzione grande solidità e resistenza. La semplicità di tale metodo costruttivo, a getti di grandi masse di calcestruzzo, rispondeva particolarmente alla speciale organizzazione dei lavori, in cui numerosa mano d'opera di prigionieri o di schiavi era posta sotto la direzione di pochi abili artefici.
Dopo l'enorme sviluppo dato dai Romani alle costruzioni di calcestruzzo, la tecnica costruttiva dei periodi seguenti sembrò preferire altri materiali da costruzione muraria, soprattutto mattoni e pietrame vario. Soltanto dopo che, nel secolo scorso, la produzione dei più moderni materiali agglomeranti (cementi e calci idrauliche) ebbe raggiunto intenso sviluppo industriale, la costruzione di getto di calcestruzzo progredì rapidamente.
Confezione dei calcestruzzi. - La confezione dei calcestruzzi può essere fatta a mano o meccanicamente.
1. Confezione a mano. È conveniente soltanto per piccole cubature e quindi in cantieri di limitata potenzialità. Gl'impasti a mano si eseguono sopra una piattaforma unita, resistente e pulita (superficie lastricata o tavolaccio di legno), mai sul terreno naturale.
2. Confezione meccanica. Si chiama impastatrice o betoniera, la macchina nella quale si effettua il miscuglio tra il cemento, la sabbia e la ghiaia e nella quale viene poi versata l'acqua e effettuata la conveniente manipolazione dell'impasto.
I tipi d'impastatrici variano moltissimo sia per sistema di funzionamento sia per capacità di produzione e si possono distinguere in due categorie principali.
Nelle impastatrici della prima categoria la massa contenuta in un recipiente per lo più di lamiera, viene rimescolata da spatole portate da un albero girevole. Il recipiente può avere la forma di un catino e in tal caso l'albero con le spatole ha l'asse verticale; oppure il recipiente ha forma semicilindrica (truogolo) e in tal caso l'albero è orizzontale con le spatole disposte ad elica.
Nelle impastatrici della seconda categoria, la massa di calcestruzzo viene racchiusa in un tamburo (sferico o a doppio tronco di cono) girevole su sé stesso. Le impastatrici sono azionate da motori elettrici o a scoppio, montati sulla stessa incastellatura.
Caratteristiche fisiche dei calcestruzzi. - Le prove sui calcestruzzi sono di due categorie.
a) prove da eseguire al momento del getto (plasticità o consistenza, compattezza);
b) prove da eseguire dopo l'indurimento (ritiro, porosità, permeabilità, omogeneità, resistenza meccanica ed elasticità).
A) Prove da eseguire al momento del getto.
1. Plasticità. - In mancanza di metodi semplici per calcolare preventivamente la proporzione di acqua così da ottenere, con dati materiali, una consistenza voluta, si procede alla misura della plasticità sull'impasto già confezionato.
Il metodo dello slumptest, dovuto all'Abrams, è così definito:
"Il campione per la prova dovrà essere ricavato mediante una forma di lamiera galvanizzata a tronco di cono (base inferiore, diametro 8 pollici; base superiore, diametro 4 pollici; altezza 12 pollici). Le due basi dovranno essere aperte, parallele l'una all'altra e normali all'asse del cono. La forma dovrà essere munita di pedali e di maniglia.
"La forma dovrà essere collocata sopra una superficie piana, non assorbente (tavola di legno o lastra di calcestruzzo), e l'operatore dovrà tenere la forma bene in posto, mentre viene riempita, appoggiando i piedi sui pedali. Si riempie la forma per circa un quarto della sua altezza con calcestruzzo, che viene poi pigiato con 20 o 30 battute di una bacchetta del diametro di mezzo pollice. Il riempimento dovrà essere completato con successivi strati.
"Si dovrà poi spianare la forma superiormente ed alzarla esattamente tre minuti dopo la fine del riempimento. Si lascerà quindi assestare il calcestruzzo e si misurerà l'altezza finale del campione. La consistenza sarà espressa mediante il cedimento del campione durante la prova".
Secondo le diverse destinazioni del calcestruzzo si possono fissare convenienti valori dello slump.
Il metodo della tavola a scosse (flowtest) è basato sull'impiego di una tavola coperta da una piastra metallica, il cui collegamento con la base permette l'innalzamento e la rapida caduta della piastra stessa. Il provino di calcestruzzo viene preparato in una forma tronco-conica (altezza cm. 12,5; diametro superiore cm. 16,5, inferiore cm. 25,5). Per effettuare la prova si pone la forma sulla tavola e la si riempie di calcestruzzo fresco, che viene pigiato leggermente. Appena ultimato il riempimento, si toglie la forma e si mette in moto un particolare dispositivo munito di eccentrico, che sottopone la tavola a una serie di 15 movimenti di alzata e caduta ogni 18″ (altezza di caduta cm. 12,7). Il calcestruzzo si spande tanto più quanto maggiore è la sua plasticità. Il rapporto percentuale fra il diametro della base della massa dopo la prova e il diametro iniziale, misura il coefficiente di fluidità.
2. Compattezza. - S'intende per compattezza il rapporto del volume pieno di un calcestruzzo al volume apparente totale.
La buona compattezza di un calcestruzzo ne migliora la resistenza meccanica e la resistenza all'azione di acque contenenti sali nocivi (selenitose, torbose, ecc.).
B) Prove da eseguire dopo l'indurimento.
1. Ritiro. - La considerazione del ritiro ha grandissima importanza: essa interviene anche nel calcolo delle strutture di conglomerato cementizio.
La misura del ritiro si effettua mediante un comparatore costituito da un regolo di legno o di metallo caudato alle due estremità, che sono munite di palmer di precisione. Il calcestruzzo, i cui componenti vanno accuratamente misurati prima dell'impasto, viene colato in forme prismatiche, per solito di sezione quadrata, di lato da 7 a 8 cm. e lunghe 1 metro, annegando a ciascuna estremità una vite di ottone, la cui testa serve poi di riferimento per le misure al comparatore. La stagionatura dei provini può avvenire all'aria o in altre circostanze speciali. Le misure di ritiro vanno ripetute a intervalli regolari, e possono raggiungere la precisione di 1/20 di mm. per metro di lunghezza.
I risultati delle misure del ritiro eseguite in condizioni di prova diverse possono servire di base per stabilire un valore medio del relativo coefficiente.
2. Porosità. - È la proprietà che ha il calcestruzzo di presentare dei vuoti. Tale proprietà non va confusa con la permeabilità, che consiste invece nella capacità del calcestruzzo a lasciarsi attraversare dai fluidi. Una malta confezionata con sabbia fine è porosa ma impermeabile, mentre una malta confezionata con sabbia grossa non è porosa ma permeabile.
3. Permeabilità. - I calcestruzzi permeabili sono quelli magri confezionati con sabbia grossa, con vuoti che permettono facilmente il passaggio dell'acqua; tutti gli altri sono piú o meno permeabili, se non vengono sottoposti a speciali provvedimenti.
I calcestruzzi per costruzione di recipienti da sostanze liquide, per dighe di ritenuta, ecc. debbono rispondere a particolari requisiti di impermeabilità, che possono essere conseguiti in vario modo (v. cemento armato).
4. Omogeneità. - Può talora essere utile di rendersi conto della omogeneità di una malta o di un calcestruzzo, cioè della ripartizione più o meno regolare della sabbia e dei ciottoli della massa di esso.
Il Malette indica un metodo di controllo, basato sulla colorazione che prendono le basi (calce, magnesia e loro composti) in presenza di reattivi indicatori, come la tintura di tornasole e la fenolftaleina. La prima dà con i composti basici una colorazione azzurra, l'altra una colorazione rossa intensa. Per eseguire una prova di omogeneità, si sega una parte del calcestruzzo da esaminare, in modo da avere una superficie piana; si immerge tale superficie per 10-20 minuti in un recipiente contenente una delle soluzioni sopra indicate; si estrae poi il provino e si lascia asciugare; le sostanze inerti (sabbia e ghiaia) conservano la loro tinta naturale, composti basici si colorano in azzurro od in rosso.
Per porre in rilievo l'ossido ferrico si procederà invece a immersioni successive, prima nell'acido cloridrico diluito, poi in ammoniaca; l'ossido ferrico assume allora una colorazione intensa bruno-ruggine.
5. Resistenza meccanica. - Queste prove riguardano normalmente la resistenza a compressione e a flessione.
α) Resistenza a compressione.
a) Preparazione e conservazione dei provini. - I provini di conglomerato per le prove di compressione hanno generalmente forma cubica, con spigoli di dimensioni variabili. Alcuni regolamenti (per es. l'americano) prevedono anche provini di forma cilindrica.
La preparazione dei provini cubici dev'essere preferibilmente effettuata mediante cassette metalliche, in modo che le superficie opposte siano esattamente parallele. Si deve procedere al riempimento delle cassette per strati successivi, su ognuno dei quali si praticherà una battitura leggiera.
I provini debbono essere conservati in ambiente umido durante l'intera stagionatura. Essi verranno levati dalle forme a presa ultimata; per maggior sicurezza, si procederà alla sformatura dopo qualche giorno di stagionatura.
b) Esecuzione delle prove di compressione. - Le prove sui conglomerati vengono eseguite, normalmente, al 28° giorno dopo la confezione del provino. Possono naturalmente essere eseguite prima o dopo tale data, qualora sia necessario porre in evidenza particolari proprietà dell'impasto, quali: rapidità di indurimento, aumento di resistenza alle alte stagionature (3 o 6 mesi; 1 o 2 anni, ecc.).
Lo sforzo di compressione va esercitato sui provini in direzione normale a quella di confezione del provino.
La prova deve essere eseguita su almeno 4 provini di uno stesso impasto.
β) Resistenza a flessione. - La prova di flessione è meno usata della prova di compressione; si costruiscono per essa travi speciali, che vengono conservate in cantiere, a fianco dei calcestruzzi gettati in opera.
Il Freyssinet consiglia travi di prova armate, di dimensioni di cm. 5 × 10 × 110.
Il regolamento austriaco (22 dicembre 1920) prescrive la costruzione di travi di cm. 7 × 10 × 220, con armatura inferiore di 2 ferri del diametro di mm. 12; queste travi vengono sottoposte, dopo 6 settimane di stagionatura, al carico di due pesi crescenti, gradatamente applicati, ciascuno a m. 0,25 dal centro della trave.
Le inflessioni della trave debbono essere misurate con appositi apparecchi.
Il carico di rottura è quello sotto il quale, senza aumento di esso, la deformazione va sempre aumentando.
L'Anstett consiglia travetti non armati di cm. 7 × 7 × 110, eseguiti entro forme costituite facilmente mediante ferri piatti di dimensioni opportune.
6. Elasticità. - L'elasticità del calcestruzzo dipende, come la resistenza, da varî fattori.
Il comportamento elastico del calcestruzzo è diverso se esso è sottoposto alla compressione o alla trazione e varia col variare della entità delle tensioni. Vennero eseguite al riguardo numerose esperienze, fra le quali citiamo quelle della Wayss e Fraytag di Stoccarda, relative a due qualità d'impasti (1 a 3 e 1 a 4) e a due percentuali di acqua (8 e 14 in peso). Il modulo di elasticità decresce con l'aumentare del carico unitario, più lentamente per la compressione, più rapidamente per la trazione. La seguente tabella dà i valori ottenuti in dette esperienze.
Il valore medio del modulo di elasticità risultato da altre prove varia per piccole compressioni da 400.000 a 200.000 kg./cmq. e scende a circa 150.000 kg./cmq. per compressioni elevate. Il valore medio del modulo di elasticità all'inizio della trazione è circa 250.000-200.000 kg./cmq. (press'a poco uguale a quello di compressione); esso scende rapidamente con l'aumentare della forza unitaria di trazione. Il calcestruzzo non segue dunque la legge di proporzionalità di Hooke.
Le esperienze di Bach del 1895 conducono alla legge espressa dall'equazione : ε = ασm in cui ε è l'accorciamento o l'allungai mento unitario;
è la reciproca del modulo di elasticità, ed m E è un esponente che varia da 1,1 a 1,2.
Il modulo di elasticità del calcestruzzo aumenta con la stagionatura, come la resistenza.
Il diagramma a fianco rappresenta, per un calcestruzzo normale: a sinistra, la relazione tra le forze unitarie di compressione e di trazione (ascisse) e gli accorciamenti o allungamenti unitarî relativi (ordinate); a destra, i rispettivi moduli di elasticità.
Bibl.: O. Graf, Der Aufbau des Mörtels und des Betons, Berlino 1923; Stadelmann, Gussbeton, Zurigo 1925; R. Grün, Der Beton, Berlino 1926; Haves, Gussbeton, Berlino 1926; J. Bied, Recherches industrielles sur les chaux, ciments et mortiers, Parigi 1926; F. Anstett, Essai et analyse des matériaux de construction et de travaux publics, Parigi 1927; Kleinlogel, Einflüsse auf Beton, Berlino 1928.