Il calcestruzzo è un impasto di ghiaia, sabbia e cemento. Può essere integrato con altri elementi dando vita alle diverse tipologie. Scopriamo quali sono gli usi più comuni e come viene preparato l'impasto.
Il calcestruzzo, anche chiamato conglomerato, è un materiale artificiale utilizzato nell’edilizia, e più generalmente nelle costruzioni, che, ad indurimento avvenuto, si presenta simile, per aspetto e consistenza, ad una roccia.
Esso è costituito da una miscela di materiali eterogenei formata da:
Legante. E’ l’elemento che idratandosi (reagendo con l’acqua) indurirà e legherà tenacemente insieme ai vari componenti della miscela formando un prodotto monolitico e quindi simile ad una roccia sia per aspetto che per durezza. Esistono varie tipologie di leganti e tra essi solitamente si utilizzano, per la preparazione del calcestruzzo, quelli che vengono detti idraulici ossia quelli che sono in grado di indurirsi anche in assenza di aria e quindi sommersi in acqua. I leganti idraulici sono: idrossido di calcio (calce idrata) e cemento. I calcestruzzi moderni comunque utilizzano quasi esclusivamente cemento e per gli usi comuni la sua tipologia più diffusa ovvero il cemento di Portland.
Inerti o aggregati. Possono essere naturali (provenienti da cave) o ottenuti per frantumazione di rocce di dimensioni più grandi. Costituiscono l’ossatura del calcestruzzo e sebbene non partecipino alle reazioni che conducono alla presa (mantenimento della forma) e indurimento dell’impasto sono praticamente gli elementi che ne determinano peso e volume (circa il 70%). Sono essenzialmente di 3 diverse categorie:
Sabbia. Sono aggregati lapidei (di origine rocciosa) a grana fine con diametro inferiore ai 3 mm.
Ghiaia o pietrisco. Sono sempre aggregati lapidei con diametro compreso tra i 3 mm ed i 30 mm.
Inerti speciali. Sono aggregati sia naturali che artificiali che hanno una struttura alveolare (sferette rigide che al loro interno presentano numerose cavità non contigue ripiene di aria). Possono sostituire completamente o parzialmente gli inerti comuni (sabbia e pietrisco) e conferiscono così al calcestruzzo indurito minor massa volumica nonché particolari proprietà chimico fisiche come miglior isolamento termico ed acustico. Esempi di inerti speciali sono la pomice (sostanza naturale che viene da eruzioni vulcaniche effusive) e l’argilla espansa (sostanza artificiale che si ottiene cuocendo l’argilla in speciali forni).
Va menzionato in maniera esplicita che la granulometria degli inerti influenza in maniera considerevole le proprietà del calcestruzzo. Infatti, se si usassero inerti troppo grossi l’impasto avrebbe dei grandi vuoti che il legante fluido non riuscirebbe a riempire completamente.
Bisognerà perciò miscelare in maniera opportuna il diametro degli inerti in maniera che quelli di dimensioni minori possano parzialmente riempire gli spazi vuoti creando un impasto ben compatto.
Acqua. Reagisce col legante (reazione di idratazione) e dà luogo al processo che conduce a presa ed indurimento e che quindi porta l’impasto fluido ad assumere una consistenza paragonabile a quella di una roccia. Ci si attenderebbe che la quantità di acqua necessaria sia pari a quella stechiometrica della reazione di idratazione. In realtà nella preparazione della miscela sarà necessario usare una quantità di acqua che è circa il doppio di questo valore. Il motivo di ciò è che per utilizzare al meglio il calcestruzzo è necessario che sia lavorabile ossia in grado di occupare completamente tutti gli spazi vuoti e la lavorabilità aumenta con la percentuale di acqua. Purtroppo però eccessive quantità di acqua peggiorano la capacità del calcestruzzo indurito di resistere alle sollecitazioni meccaniche. Per calcestruzzi cementizi si utilizza solitamente un volume di acqua tale da avere un rapporto volume di acqua/volume di cemento compreso tra 0,45 e 0,65. Caratteristica importante che deve avere l’acqua è quella di essere priva di composti organici e composti inorganici come i solfati che interferirebbero nelle reazioni di idratazione.
Additivi. Non sono essenziali per la preparazione del calcestruzzo e perciò non sono sempre presenti ma possono migliorarne le caratteristiche. Esistono ovviamente una gran varietà di additivi di seguito ne riportiamo solo alcuni dei più usati:
Fluidificanti. A parità di rapporto volume d’acqua/volume di cemento migliorano la lavorabilità dell’impasto. Sono costituiti da polimeri solubili in acqua.
Acceleranti/ritardanti. Accelerano o ritardano la durata dei processi di presa ed indurimento del calcestruzzo.
Antigelivi. Accelerano le reazioni di idratazione che avvengono con sviluppo di calore. Calore che impedirà all’acqua dell’impasto di gelare. Sono ovviamente necessari quando si lavora a temperature inferiori allo 0°C.
Aeranti. Sono prodotti chimici che inducono sviluppo di ossigeno in seno all’impasto. Le bollicine di ossigeno di piccole dimensioni rimarranno intrappolate nel composto solidificato dando luogo ad una struttura ad alveoli che avrà un peso specifico più basso, una minore resistenza alla compressione ed un miglior isolamento termoacustico.
La miscela fluida di calcestruzzo in cemento sviluppa la presa (mantiene la forma) in un tempo compreso tra i 45 minuti e le 12 ore e pertanto richiede per la sua posa opera di appositi stampi dette casseri o casseforme in cui viene versata e mantenuta fino all’acquisizione di una consistenza stabile. L’indurimento (acquisizione del 90% della sua resistenza meccanica) si raggiunge invece in circa 28 giorni.
Come si prepara un impasto di calcestruzzo cementizio.
Naturalmente le percentuali e la qualità dei componenti saranno scelti in funzione delle caratteristiche che si richiedono al prodotto indurito. Per questo motivo non esiste una composizione univoca di un metro cubo di calcestruzzo.
Tuttavia per impieghi comuni come può essere quello della gettata di una soletta la composizione tipica è:
300 Kg di cemento del tipo Portland. Quantità che equivale ad un volume di circa 100 litri pari ad 100 dm3 pari ancora a 0,1 m3.
Sabbia, ossia inerti lapidei con diametro inferiore ai 3 mm, kg 600 circa che equivale ad un volume di circa 230 litri e quindi 0,230 m3.
Ghiaia per kg 1300 circa per un volume di 0,500 m3. Ripartita in 0,250 m3 di elementi con pezzatura tra i 3 ed i 15 mm di diametro e 0,250 m3 di elementi con pezzatura tra i 15 ed i 30 mm di diametro.
Acqua. Per un volume pari a 120 litri ossia 0,12 m3. Di questo volume 90 litri sono necessari per le reazioni di idratazione dei 300 Kg di cemento e 30 per rendere fluida e lavorabile la miscela. Il rapporto acqua cemento sarà in questo caso 120/300=0,4. Valore che garantirà al calcestruzzo ottime prestazioni alle sollecitazioni per compressione. Se si ha necessità di migliorare le prestazioni agli sforzi di taglio e flessione si annegherà nell’impasto una armatura di tondini di acciaio.
Sommando i volumi dei vari componenti si otterrà un totale di 0,950 il restante volume ad 1 m3 ossia 0,05 m3 pari a 50 litri costituirà la porosità del calcestruzzo. L’impasto si effettuerà in cantiere meccanicamente con la betoniera.
Tipologie di questi preparati.
Variando i componenti di base e le loro percentuali si ottengono varie tipologie di calcestruzzi. I più comuni sono:
Calcestruzzi comuni. Sono quelli fin qui descritti.
Calcestruzzi schermanti. Si ottengono a partire da calcestruzzi pesanti ossia ad elevato peso specifico in cui a parte della sabbia è sostituita da elementi chimici ad elevato peso molecolare come ad esempio il bario. Si usano per schermare dalle radiazioni (come ad esempio per le pareti di reattori nucleari).
Calcestruzzi alleggeriti. Si possono ottenere in due distinte maniere:
Sostituendo parte degli inerti con elementi alveolari naturali o artificiali.
Aggiungendo all’impasto un additivo areante. Il più comune di tali additivi è la polvere di alluminio.
Calcestruzzi bituminosi o di asfalto. Utilizzano come legante asfalto o composti bituminosi e servono principalmente a pavimentare strade.
Utilizzo dei calcestruzzi.
Nella moderna edilizia il calcestruzzo è il materiale più utilizzato e viene impiegato in qualunque tipo di costruzione dalle parti strutturali degli edifici, agli acquedotti, invasi di acque, ponti, gallerie, etc..
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