beton

Calcestruzzo (dalla fr. béton) è un materiale edile solido formato dall'indurimento del calcestruzzo fresco, o un materiale da costruzione formato mescolando legante, riempitivo e acqua, eventualmente con altri additivi e aditivi, che dopo l'indurimento acquisisce le proprietà di un materiale solido.

Composizione

Composto da una miscela di:

• legante ad esempio cemento o anche calce, asfalto, scaglie, magnesite (pavimenti xilolitici), resine macromolecolari (calcestruzzo plastico), gesso (partizioni acustiche) e simili. Il calcestruzzo con un alto contenuto di cemento si chiama grass, con un basso contenuto di cemento magro.
• riempitivo ad esempio materiali naturali inorganici come sabbia e rocce frantumate, ma anche artificiali: scorie, cenere, ceramzite e alcuni materiali organici ad esempio segatura di legno, scaglie di legno, cork, torba e simili. I riempitivi possono avere diverse frazioni.
• acqua
• additivi
• aditivi

Proprietà

Per le sue proprietà, il calcestruzzo cementizio (CB) rientra tra i materiali edili più utilizzati. Ha un'alta resistenza alla compressione, ma una bassa resistenza alla trazione e al taglio. La resistenza alla compressione varia in base alle esigenze da 5 a 50 MPa. Il calcestruzzo ha le proprietà del roccia naturale, la durata e la resistenza (alla compressione 3-60 MPa, alla trazione circa dieci volte minore). Per aumentare la resistenza alla trazione e alla portanza si rinforza con barre, fili e reti in acciaio (calcestruzzo armato). Le sue proprietà e la sua resistenza cambiano in base alla composizione e al trattamento della miscela. La resistenza è anche uno svantaggio, poiché le ricostruzioni di strutture in calcestruzzo sono molto laboriose. La resistenza dipende principalmente dalla frazione della sabbia o della ghiaia. I calcestruzzi più resistenti e costosi sono quelli vibrati con una piccola frazione di sabbia. È facilmente modellabile e permette, con l'aiuto del getto, di creare, entro i limiti statici, forme varie. È resistente alle sostanze chimiche, alle alte temperature, è duraturo e ha una stabilità volumetrica. La durata del calcestruzzo è elevata sia in acqua che in aria.

Il calcestruzzo indurisce in circa 28 giorni. L'indurimento però non finisce, il calcestruzzo indurisce con l'adeguata umidità quasi all'infinito (anche sotto l'acqua). Come rinforzo si utilizza principalmente acciaio STN11xxx (acciai strutturali, acciaio per calcestruzzo). L'unione permette quasi la stessa espansione termica dell'acciaio e del calcestruzzo.

Uno svantaggio del calcestruzzo è il suo peso, che dipende dai materiali utilizzati (soprattutto le rocce frantumate). Per il calcestruzzo semplice la densità specifica varia tra 2000 e 2400 kg/m³ e per il calcestruzzo armato tra 2300 e 2600 kg/m³. Per i prefabbricati è necessaria l'assistenza di macchinari sollevatori, che aumentano i costi della costruzione. La conducibilità termica ha anche un effetto negativo sulla costruzione e dipende dalla densità del calcestruzzo. Il volume del calcestruzzo cambia durante l'indurimento e l'indurimento, creando fessure, che vengono eliminate con giunti di dilatazione.

Storia

L'uso del calcestruzzo si è diffuso in modo significativo solo nel 20° secolo. Il calcestruzzo semplice veniva però utilizzato già in un periodo più antico. I Persiani, i Cartaginesi, ma soprattutto i Romani antichi utilizzavano il calcestruzzo come materiale edile, come testimoniano le costruzioni conservate fino ad oggi come strade e acquedotti, che risalgono al 1° secolo del nostro calendario. Il calcestruzzo smise di essere utilizzato per molti secoli dopo la caduta dell'Impero Romano.

Il calcestruzzo riapparve solo nel 1774, quando John Smeaton lo utilizzò per riparare le fondazioni del faro di Edystone in Inghilterra. Smeaton aggiunse scorie di ferro alla combinazione abituale di calce non spenta, sabbia e acqua. Così nacque il primo calcestruzzo moderno.^[1]

L'uso del calcestruzzo in modo più ampio iniziò solo 50 anni dopo l'introduzione della produzione di cemento Portland. Il brevetto per la sua produzione fu ottenuto nel 1824 da un marmista inglese Joseph Aspdin da Leeds nel distretto di Portland. L'origine del nome cemento Portland proviene proprio da lì. Per l'introduzione della produzione industriale del cemento nel 1845 si adoperò un inglese Johnson, che scoprì il processo di cottura del calcare e della argilla. Grazie alla produzione del cemento Portland, nel secondo semestre del 19° secolo furono costruite, soprattutto in Francia, notevoli opere ingegneristiche in calcestruzzo semplice. L'idea di combinare calcestruzzo con elementi metallici fu elaborata nel 1849 da un francese Joseph-Louis Lambot durante la costruzione di una barca, quando applicò malta cementizia su una rete metallica. Questa barca fu utilizzata per 60 anni. Sei anni dopo gli fu concesso il brevetto per la costruzione di navi in calcestruzzo armato. Nel 1861 un francese Francois Coignet pubblicò il primo libro sul calcestruzzo e sul suo utilizzo pratico in edilizia. Il libro si intitolava Les betóns aglomérés appliqués l'art de construire e descriveva l'applicazione del calcestruzzo armato nelle strutture edilizie. La sua casa in calcestruzzo armato (a Parigi del 1862) esiste ancora oggi.^[1] Subito dopo, un avvocato americano Hyatt nel 1877 pubblicò la scoperta dell'utilità del calcestruzzo armato sotto carico flessionale e in relazione al incendio

Sviluppo del calcestruzzo

L'inglese J. B. White già nel 1837 costruì una casa in calcestruzzo e un imprenditore francese Francois Coignet ottenne nel 1856 il brevetto per l'inserimento di aste di ferro tirate in materiale cementizio, nonostante questo la storia di successo del calcestruzzo armato iniziò solo con la scoperta di un giardiniere parigino Joseph Monier. Monier cercava un materiale per tubazioni idrauliche che resistessero al gelo e in questo modo scoprì nuove proprietà del materiale: Quando si unisce una massa liquida di cemento con filo di ferro, si crea un legame interno di natura organica. Il cemento circonda le barre di ferro come un muscolo circonda l'osso. L'importanza di disporre correttamente l'acciaio e quindi distribuire le forze di compressione e trazione all'interno del calcestruzzo però Monier non lo capì. Nonostante questo, il suo brevetto per contenitori in calcestruzzo per fiori del 1867 e il successivo brevetto aggiuntivo del 1878, registrato presso la commissione internazionale, divenne un commercio redditizio.

Questo portò a un lungo contendere con il maestro berlinese Rabits, che voleva anche lui far valere il suo brevetto sull'inserimento di ferro nel calcestruzzo. Monier stesso lavorò a diversi progetti in relazione al calcestruzzo armato, ad esempio casserati in calcestruzzo armato. Costruì serbatoi idrici, ottenne brevetti per diversi progetti per ponti e promosse l'uso del calcestruzzo armato per pavimenti, volte, cantine e ponti.

Essendo un non ingegnere, non poteva costruire ponti in Francia. Vendette il suo brevetto ad imprenditori in Germania e in Austria (Wayss, Freitag e Schuster), che costruirono i primi ponti in calcestruzzo armato in Europa. Ad esempio nel 1884 a Treviri, dove conobbe l'imprenditore Conrad Freytag. Questi alla fine ottenne i diritti per il sud della Germania mentre i diritti brevettuali per il nord della Germania furono acquisiti da Gustav Adolf Wayss. A causa del metodo di costruzione, Wayss cercò di utilizzare metodi scientifici e molti test di carico su volte monier, i risultati dei quali pubblicò nel 1887 in un libro intitolato Système monier e le sue applicazioni nell'edilizia. Un passo costruttivo complementare fu quando un francese Francois Henebique trasferì il principio a tutti gli elementi edilizi, contribuendo così alla creazione di una struttura monolitica.

Elaborazione del calcestruzzo

A causa delle elevate richieste, il calcestruzzo viene prodotto industrialmente in centri di produzione e viene trasportato sul luogo di destinazione con mezzi di mescolamento. Per grandi costruzioni (autostrade, ponti) si costruiscono centri di produzione vicino al cantiere. Sul luogo di destinazione il calcestruzzo viene versato in un casseratura già preparata e si forma così un monolite. Per luoghi difficilmente accessibili il calcestruzzo viene trasportato anche con una pompa per calcestruzzo o con recipienti, che vengono sollevati con grù. La pompa per calcestruzzo è un camion modificato con un braccio idraulico lungo 20 a 70 metri, al quale è fissato un tubo in acciaio con un diametro di 100 e 125 mm e con l'aiuto di pistoni idraulici spinge la miscela di calcestruzzo nel tubo. Piccole quantità di calcestruzzo possono essere elaborate anche manualmente sul luogo di utilizzo.

Il calcestruzzo cementizio non può essere elaborato a basse temperature. L'acqua, che è parte della miscela, gela e la reazione chimica tra legante e roccia frantumata non avviene a causa di questo. Se il calcestruzzo durante l'indurimento è esposto a alte temperature (ad esempio all'irraggiamento diretto del sole), deve essere raffreddato con acqua per evitare che si formino crepe a causa dell'evaporazione dell'acqua degli additivi. Se invece il calcestruzzo è esposto alla pioggia, deve essere protetto dall'acqua per non far dilavare il legante.

Tipi di aditivo

Aditivi per calcestruzzo sono una delle componenti del calcestruzzo. Si tratta di polveri fini che vengono aggiunte alla miscela di calcestruzzo già durante il mescolamento. Il volume degli aditivi nella miscela di calcestruzzo fresco varia tra il 10 – 40 % del peso del cemento. Gli aditivi nel calcestruzzo hanno lo scopo di migliorare le proprietà tecnologiche del calcestruzzo fresco, così come le proprietà meccaniche del calcestruzzo indurito.

• Scorie di cenere volante
  • aumenta la quantità di acqua di miscelazione
  • aumenta le resistenze a lungo termine del calcestruzzo
  • riduce la profondità della carbonatazione del calcestruzzo

• Materiali di silice, scorie
  • aumenta la quantità di acqua di miscelazione
  • influisce sulla struttura porosa del calcestruzzo (porosità aumenta l'assorbimento)
  • aumenta la resistenza del calcestruzzo
  • aumenta la resistenza del calcestruzzo all'ambiente aggressivo (adatto per l'industria idraulica e chimica)

• Pigmenti colorati
  • servono per tingere il calcestruzzo

Additivi per calcestruzzo

Aggiuntivi per calcestruzzo sono una delle componenti del calcestruzzo. Si tratta di composti chimici che vengono aggiunti alla miscela di calcestruzzo già durante il mescolamento. Il volume degli aggiuntivi nella miscela di calcestruzzo fresco varia tra 2-50 g/m³.

• Aggiuntivi plastificanti
  • riducono la tensione superficiale del calcestruzzo
  • migliorano la lavorabilità della miscela di calcestruzzo (maggiore distanza di trasporto)
  • riducono la quantità necessaria di acqua di miscelazione
  • aumentano la resistenza alla compressione della miscela indurita fino al 10%

• Aggiuntivi stabilizzanti
  • riducono la separazione dell'acqua
  • riducono l'altezza dell'elevazione dell'acqua
  • aumentano la densità del cemento indurito, riducono la porosità, impediscono l'ascesa e l'assorbimento dell'acqua

• Aggiuntivi antischiuma
  • creano un gran numero di pori microscopici
  • garantiscono resistenza all'azione ripetuta del congelamento e del disgelo e alle sali scioglienti

• Aggiuntivi ritardanti
  • ritardano l'indurimento e l'indurimento della miscela di calcestruzzo

• Aggiuntivi acceleranti
  • accelerano l'indurimento e l'indurimento della miscela di calcestruzzo

• Altri aggiuntivi
  • inibitori di corrosione
  • aggiuntivi biocidi
  • aggiuntivi generanti gas (per la produzione di calcestruzzo poroso)
  • aggiuntivi adesivi (aumentano l'aderenza della nuova miscela con il calcestruzzo già indurito)

Tipi di calcestruzzo

• Calcestruzzo asciutto è un calcestruzzo in stato di polvere e può essere trasportato anche senza l'aiuto di mezzi di mescolamento. A differenza della miscela di calcestruzzo elaborata normalmente, al calcestruzzo asciutto si aggiunge una piccola percentuale di acqua. Viene utilizzato principalmente nella costruzione di autostrade come calcestruzzo di base (stabilizzazione) sotto il manto asfaltico. Nell'applicazione del calcestruzzo asciutto si getta direttamente dal cassone del camion in un finitura, che distribuisce uniformemente gli strati spessi. Dopo il posizionamento si compatta e si spruzza con acqua per una migliore resistenza.

• Calcestruzzo semplice è un calcestruzzo senza rinforzo aggiunto. Viene utilizzato principalmente come calcestruzzo di base. Il suo opposto è calcestruzzo armato.

• Calcestruzzi rinforzati in acciaio: calcestruzzi armati

Calcestruzzo precompresso, è prefabbricato calcestruzzo armato. Questo calcestruzzo viene prodotto in modo che l'armatura venga meccanicamente tesa nel casserato fino ai valori desiderati. Nel casserato si aggiunge una miscela di calcestruzzo e l'intera miscela viene vibrata nel casserato. Dopo l'indurimento si libera l'armatura in acciaio tesa e si forma la precompressione. Ha una maggiore resistenza in pressione e viene utilizzato soprattutto nella costruzione di ponti.

Calcestruzzo in fili d'acciaio, è un calcestruzzo con l'aggiunta di fibre d'acciaio che aumentano la sua resistenza alla pressione. Viene utilizzato per pavimenti con alto carico (pavimenti industriali) e per aree consolidate (parcheggi).

• Calcestruzzo bituminoso (AB), è una roccia frantumata di varia frazione ricoperta di asfalto. Viene utilizzato nella costruzione di strati di copertura delle comunicazioni (coperture bituminose).

• Tipi speciali:
  • Calcestruzzo resistente al calore – resistenza al calore dipende dal tipo di roccia frantumata utilizzata, con l'uso di una migliore roccia frantumata varia fino a 800 °C e per il calcestruzzo armato fino a 600 °C.
  • Calcestruzzo decorativo – è un calcestruzzo con finitura superficiale, principalmente per facciate oppure per strutture decorative.

• Tipi leggeri: sono calcestruzzi in cui si mescolano perlite, o polistirene granulare - EPS. Vengono utilizzati principalmente per alleggerire e isolare i pavimenti di case a più piani.
  • Tipi: calcestruzzo schiumato, calcestruzzo poroso/drenante (per sistemi di drenaggio), calcestruzzo perlite

Utilizzo

Viene utilizzato principalmente in edilizia per la creazione di strutture portanti, ma anche in giardinaggio e scultura. Dal calcestruzzo si producono anche pavimenti a incastro, mattoni per casseratura, pietre di copertura, vari prefabbricati come travi, pannelli, colonne, bordi stradali, muri di sostegno, canali, griglie, garage, pozzi, pozzi e simili.

Strutture in calcestruzzo

 

Ruggine ossidata dell'armatura nel calcestruzzo

Vengono utilizzati come elementi portanti con elevata resistenza o come elementi non portanti/riempitivi con proprietà termoisolanti. Gli elementi strutturali portanti vengono utilizzati come colonne, solette, travi, pilastri e simili. Gli elementi portanti stradali vengono utilizzati per pavimenti industriali, aree stradali e aeroportuali, hanno una maggiore resistenza all'usura meccanica e agli effetti atmosferici. Le strutture idrauliche hanno una maggiore resistenza all'azione dell'acqua e vengono utilizzate nella costruzione di dige e serbatoi.