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CAPITOLO 1
I LEGANTI
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Inquadramento Normativo
Italia: Legge 1086 e successivi aggiornamenti quali D.M: 14/9/2005 «Norme tecniche per le costruzioni»
Direttiva comunitaria: 89/106/EEC sui Prodotti della Costruzione del 1988.
Norme volontarie degli Enti di normazione UNI, ASTM, DIN, BSEN, CEN
Vengono citate nelle leggi e capitolati appalti:
UNI EN 206-1 CalcestruzzoUNI 11104 istruzioni per applicazione di UNI EN 206-1 in ItaliaUni EN 13670-1 Esecuzione di strutture di calcestruzzo- requisiti comini
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LEGANTI E MISCELE LEGANTI
COSTRUIRE - Conglomerati: malte e calcestruzzi = materiale inerte tenuto insieme da leganti
Il legante dà impasto plastico che solidifica facendo presa. E’ resistente. Mostra buona adesione a pietre e laterizi.
Natura del legante: minerale, naturale (Conglomerati bituminosi), di sintesi (calcestruzzi e malte di resina)
MISCELE LEGANTI:
• PASTA cemento + acqua
• MALTA cemento + acqua + sabbia
• CALCESTRUZZO cemnto + acqua + sabbia + ghiaia
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Stagionatura o maturazione
Presa: fino a che l’impasto non è più sufficientemente plastico da essere manipolato-da qualche minuto a qualche giorno-
Indurimento: l’impasto già rappreso acquista resistenza meccanica –da qualcheora a qualche mese-
Leganti
AEREI, meno resistenti, ne fanno parte le calci UNI EN 459-1 (calci vive, calci spente, calci idrate e grasselli)
IDRAULICI cementi e cementi speciali, calci idrauliche ed agglomerati cementizi (UNI EN 197-1), cementi da muratura (UNI EN 413-1
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Tabella 1.1 Denominazione, formula e formula nella notazione abbreviata dei compostidel clinker
CEMENTO PORTLAND (miscela di clinker di Portland e gesso biidrato)
Tabella 1.2 Componenti del cemento: formula e formula abbreviata
Argilla (silicati idrati di Al Fe, Mg)+ quarzo e calcare)
ossidi450-750°C
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Tabella 1.3 Analisi chimica elementare di un cemento, percentuali in peso
TGA
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Da questa composizione, mediante un metodo di calcolo proposto da Bogue, si può risalire al contenutopercentuale dei composti mediante le seguenti equazioni in cui le formule rappresentano le percentuali dei variossidi e dei composti sul peso del cemento.
C3S = 4,07.CaO – 7,6.SiO2 – 6,72.Al2O3 – 1,43.Fe2O3 – 2,85.SO3
C2S = 2,87.SiO2 – 0,754.C3S
C3A = 2.65.Al2O3 – 1,69.Fe2O3
C4AF = 3,04.Fe2O3
CaSO4.2H2O (gesso) = 2,15.SO3
Tabella 1.4 Analisi dei composti di un cemento Portland, percentuali in peso
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Tabella 1.5 Limiti di composizione del cemento Portland
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Fig.1.1 Schema del processo di fabbricazione del cemento
calcare argilla
mulino
Cenere di piriteSabbia silicea
bauxite
Dispositivo preriscaldatore
Forno rotativo
Fino 1450 gradi
raffreddatore
Aggiunta di gesso biidrato
Altri additivi: pozzolana, loppa,
ceneri, calcare
mulini
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Figura 1.2 Sezione del clinker al microscopio
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Silicato Tricalcico C3S
Tabella 1.6 Relazione tra le percentuali in peso degli ossidi e quelle dei composti nel clinker del cemento Portland
Reagisce rapidamente con acqua conferendo agli impasti induriti elevata resistenza meccanica
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Se la cottura avviene a temperatura troppo bassa, nel prodotto ottenuto sarà presente,anziché C3S, una miscela di C2S e CaO che, oltre ad avere scarse capacità leganti,possiede un elevato tenore di CaO espansivo. Inoltre il C3S è stabile solo al di sopra di1250 °C mentre sotto tale temperatura si decompone in silicato bicalcico e calce:
Si decompone sotto 700°C: si raffredda bruscamente il clinker per evitarlo!
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C2S: forma polimorfa di tipo beta. Si idrata lentamente e quindi contribuisce allaresistenza solo in tempi lunghi
C3A: si idrata rapidamente ma non contribuisce alla resistenza meccanica. Allumina edossido di ferro sono necessarie per abbassare la T e formare fase liquida nella quale lacalce si scioglie dando C3S.
C4AF: si idrata rapidamente dando modesto contributo alla resistenza. Ha come soprafunzione di fondente
COMPOSTI MINORI:• CaO libero: se è >1% espansione e fessuratura• MgO (non deve superare 2-2,5%) periclasio (no calcari dolomitici!)• Fosfati e fluoruri• Alcali (Na2O, K2O)
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Fig .1.3 Idratazione di un granulo di cemento e formazione di uno strato continuo di prodotti di idratazione
IDRATAZIONE
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Ponendo uguale a 1 la velocità di idratazione del cemento a 20°C, la velocità relativa Via temperatura T da - 10 a 95 °C può essere calcolata con l’equazione seguente in cui R èla costante dei gas (R = 8,314 J/mole) ed E (T) è un valore empirico dell’energia diattivazione, pari a 33.500 per valori di T > 20 °C e pari a 34.970 × (20 – T) per valori di T< 20 °C. Con questa equazione si ricava, ad esempio, che la velocità di idratazione a 60°C è circa 5 volte quella a 20°, mentre a – 10 °C tale velocità risulta pari a circa il 2% diquella a 20°
Più finemente è macinato il clinker, maggiore è la velocità di idratazione.
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Fig. 1.4 a) Andamento dell’idratazione nel tempo del C3S; b) sviluppo di calore nellevarie fasi; c) formazione di una pellicola continua di idrato; d) rottura della pellicola,proiezione di soluzione e formazione di tubuli (fibre) di silicato idrato
inizio
Fase dormiente
Periodo di accelerazione Periodo di rallentamento
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La stechiometria dell’idratazione del silicato tricalcico può essere rappresentata nel modo di seguito indicato, incui x + z = 3 e x, y e z non sono generalmente numeri interi
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La formula C3S2H3 indica una composizione media del prodotto di idratazione e sono riportati anche i pesi deiprodotti reagenti e formati; infine, dato che il rapporto fra i vari componenti non è costante , per il silicato idratosi può utilizzare più semplicemente la formula CSH
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Fig. 1.5 Valori analitici di concentrazione di Ca e Si sul raggio di un granulo sferico di C3S sezionatodopo un’idratazione parziale; la curva che dà il rapporto molare CaO/SiO2 che ne deriva evidenzia unvalore dello strato esterno dei prodotti di idratazione di circa 1,6
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Fig. 1.6 Granuli di C3S idratati a vapore, a 2 ore, a 7500 ingrandimenti; si riconoscono il gel in forma difibre ad accrescimento radiale, tra di esse la porosità del gelo ed inoltre una porosità di maggioredimensione, la porosità capillare. Le fibre di granuli adiacenti stanno formando punti di contatto esaldatura
1 micron
0,1 micron
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Il prodotto di idratazione è ancora un gelo del tipo formato per idratazione del C3S, frammisto a cristalli diidrossido di calcio
Rapporto CH/CSH favorevole per ottenere maggiore resistenza rispetto a C3S a lungo termine
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Fig. 1.7 Andamento dell’idratazione del silicato bicalcico nel tempo
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Se il C3A reagisce con solo acqua forma degli alluminati idrati cristallini che si possonorappresentare mediante la formula C3AH6. Se la reazione ha luogo in presenza diidrossido di calcio, allora si forma, con velocità elevata, un alluminato dalla formulaC4AH13; questa reazione ha luogo con notevole sviluppo di calore e rapidorapprendimento dell’impasto
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Quando tutto il solfato di calcio scompare dalla fase acquosa, in conseguenza della reazione di formazionedell’ettringite, quest’ultima, a contatto con H2O non più satura di CaSO4, diventa instabile e si trasforma inmonosolfalluminato di calcio idrato, designato anche monosolfato, secondo la reazione:
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Fig. 1.8 Idratazione dei composti del cemento nel tempo
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Fig. 1.9 Sviluppo della resistenza dei composti del cemento nel tempo, secondo Bogue
Falsa presa: dovuta a lavorazione sbagliata in produzione del gesso che non è biidrato e quindi assorbe acqua.
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Il calore di idratazione Cidr del cemento si ricava per differenza applicando la legge di Hess:
Calore di idratazione
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Tabella 1.7 Calore di idratazione (calorie per grammo)
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Assumendo che in media la pressione parziale della CO2 sia pari a: pCO2 = 4,10-4 atm allatemperatura di 25 °C, nell’acqua a contatto con l’aria si scioglie una quantità di CO2
ricavabile dall’espressione (legge di Henry)
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La presenza di acido carbonico nell’acqua fa sì che essa reagisca con la pasta di cemento; lareazione che avviene in due tempi: nel primo la calce idrolisi si trasforma in carbonato dicalcio insolubile:
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La reazione precedente non è pericolosa e rende il calcestruzzo meno permeabile; in secondo tempo il CaCO3 ètrasformato in bicarbonato di calcio solubile. In definitiva, per azione dell’acqua aggressiva l’idrossido di calciodelle paste di cemento è disciolto e asportato come bicarbonato solubile; la porosità aumenta e il pH della pastastessa, inizialmente di circa 13, scende a valori più bassi, cosicché anche il silicato di calcio idrato vieneaggredito.
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In presenza di CaCO3 si può stabilire nell’acqua il seguente equilibrio che ad ogni temperatura possiede un bendeterminata costante di equilibrio e un rapporto di equilibrio fra la concentrazione di CO2 e quella di Ca(HCO3)2
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CO2 dell’aria carbonatazione
Solfati
Ettringite espansione (ROTTURA)
VOLUME MOLARE DELL’ETINGITE Più DEL DOPPIO DEL VOLUME MOLARE DEL MONOSOLFATO
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Pressione di cristallizzazione esercitata sui pori
P =𝑅𝑇
𝑉𝑠log
𝐶
𝐶𝑠
R = costante gasT = temperatura assolutaVs= volume molare del saleC= concentrazione sovrasaturaCs= concentrazione di saturazione
Per gesso biidrato se rapporto è 2 p= 30 MPa
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R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta, Vs il volume molare del sale; per la cristallizzazione del gessobiidrato, con un rapporto C/Cs, pari a 2, la pressione così calcolata è di circa 30 MPa; se il suddetto rapporto salea 10, la pressione sale a circa 100 MPa
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I solfati alcalini possono formare con l’idrossido di calcio, qualora la loro concentrazione sia così elevata dasuperare il prodotto di solubilità del solfato di calcio, quest’ultimo sale. Ad esempio si avrà:
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che produce effetti espansivi (Lea). In modo analogo si comporta il solfato di magnesio
Azione aggressiva delle acque di mare in cui il solfato di Mg è di 3 g/l circa.
PH si alza disgregazione ettringite
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A temperature inferiori a 6°C, in presenza di carbonato di calcio, l’interazione dei solfati con la pastadi cemento può portare alla formazione di un altro sale complesso, la thaumasite. Il carbonato dicalcio può essere presente come aggregato o nel terreno a contatto.
Cloruri
Attacco del calcestruzzo con meccanismo non ben definito
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Fig.1.10 Ritiro della pasta di cemento al variare dell’umidità e della temperatura erelativa perdita d’acqua
porositàPori del geloPorosità capillare
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Tabella 1.8 Caratteristiche di vari tipi di porosità della pasta di cemento
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Se si fanno reagire 100 g di cemento con 42 g d’acqua, la somma dei volumi di cemento(Vc) e dell’acqua (Va) mescolati, pari al volume apparente della pasta (Vp) che noncambia durante l’idratazione a meno di evaporazione verso l’esterno, è maggiore delvolume gelo di cemento (Vg) che è comprensivo sia dei prodotti solidi di reazione e delcemento non ancora idratato (Vs) sia della porosità del gelo (Pg)
Pc =Porosità capillareQuesta disuguaglianza è spiegabile considernado Pc
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Fig. 1.11 Modello di sviluppo di porosità della pasta di cemento
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Fig.1.12 Variazione dei volumi in gioco durante l’idratazione del cemento. a) a/c = 0,42; b) a/c = 0,36
POWERS Vpc =(a/c - 0,36h) h= grado di idratazione Vpc è espresso in litri/Kg di cemento
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Fig. 1.13 Porosità in funzione del grado di idratazione e del rapporto a/c
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Fig. 1.14 Influenza della porosità sulla resistenza meccanica della posta di cemento.
POWERS
R = Kx3 =k(1-Ppc)3
R = k(1-(Vpc/(Vs+Vpc)))3
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Fig. 1.15 Permeabilità della pasta di cemento in funzione della porosità capillare
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Tabella 1.9 Limiti di composizione dei cementi Portland ASTM
TIPI DI CEMENTO PORTLAND E DERIVATI
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Cemento Portland bianco
Ossido ferrico < 0,5%Aggiunta di fondenti (CaF2 o NaAlF4)
Cemento portland ferrico o cemento Ferrari
Cemento resistente ai solfati, con tebnori più elevati di ossido ferrico e quindi con poco C3A e molyop C4AF. Il rapporto tra Al2O3 e Fe2O3 deve esere prossimo a 0,64.
Cemento Portland al calcare
Al clinker viene aggiunta polvere di calcarae (CaCO3). Formazione di carboalluminatimigliore chiusura degli impasti cementizi (effetto tipico dei filler)
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Cemento pozzolanico
Si può definire pozzolana ogni sostanza silicea o silico-aluminosa che, in formafinemente suddivisa e in presenza d’acqua, sia capace di reagire a temperaturaambiente con Ca(OH)2 per formare dei composti cementanti.• alato contenuto di Silice• Silice reattiva (non cristallina)• Alta superficie per reagire con acqua e Ca(OH)2.
Pozzolane naturaliMateriali vulcanici incoerenti, la cui parte attiva è una fase vetrosa, costituita inprevalenza (dal 50 al 100%) da silice e da allumina, contenent un gran numero dicanalicoli e bolle microscopiche.Da reazioni vulcaniche esplosive –no etna-Zone vulcaniche Lazio e Campania.
Anche i tufi pozzolanici ci sono in Italia, Grecia, Germania, usa urss
Terra di diatomee (scheletri di alghe microscopiche) (california, Canada, Algeria,Danimarca e Germania)
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Tabella 1.10 Analisi chimiche dei materiali pozzolanici naturali e artificiali
Pozzolane artificiali
Cenere volante (fly ash) centrali a carbone (separatori elettrostatici)
60-90% di silice e allumina
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Fig.1.16 Effetto della sostituzione del cemento con pozzolana sullo sviluppo diresistenza del calcestruzzo
Cemento pozzolanico : Clinker + materiale pozzolanico + gesso biidrato
Il Ca(OH)2 ( circa 20% del Portland) reagisce con pozzolana e forma nuovo CSH. Le ceneri danno anche C4AH13
Resistenza all’attacco acido, resistenza ad acqua di mare (formazione ettringitegrossolana, meno espansiva)
Calore di idratazione inferiore a Portland ed evoluzione più lenta.
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Il campo di variabilità delle concentrazioni degli ossidi principali, checostituiscono le loppe basiche utilizzate per la produzione del cemento,è riportato nella tabella seguente.
CEMENTO D’ALTOFORNO
Loppa da altoforno getti d’acqua fredda materiale granulare simile alla sabbia
La loppa acquista proprietà leganti quando è mescolata con soluzioni di idrossido o solfato di calcio (attivatori). Fungono dunque da attivatori il CH del Portland.Forma CSH e CH.
Clinker + loppa + gesso
Notevole sviluppo delle resistenza nel tempo ( più di portland e pozzolanico)
Bassi calori di idratazione (costruzioni massicce). Resistenza chimica migliorata rispetto al Portland
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Fig. 1.17 Tempo di presa di miscela di cemento Portland e alluminoso
CEMENTI NON PORTLAND
Cemento alluminosoPrivo di C3S e C2S. Bauxite rossa e calcare, 1500-1600°C. Costutuente principale CA ( > 60% in peso) Indurimento rapido, conversione soprà 30°c da alluminati idrati esagonali a cubici con diminuzione di volume e sviluppo di porosità
Vantaggi: refrattario, , resistente ad acque solfatiche e aggressive
Riparazioni rapide
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Tabella 1.11 Prospetto 1 – Tipi di cemento e composizione. Percentuali in massa 1)
NORME sui cementi
NORMA UNI EN 197 sui cementi comuni
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Tabella 1.12 Prospetto II – requisiti chimici
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Tabella 1.13 Prospetto III – requisiti meccanici e fisici
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Fig. 1.18 Ago di Vicat per la misura dei tempi di presa
Tempo di inizio presa
Tempo di fine presa
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Fig. 1.19 Permeametro di Blaine (per la misura delle superfici)
Superficie specifica del cemento
m2/Kg
S = c (t) 1/2
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Fig. 1.20 Pinza di Le Chatelierstabilità
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Fig.1.21 Prove di flessione
Rc = Pr/1600 N/mm2
40x40x160 mm
Carico che produce rottura
Resistenza a flessione
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Fig.1.22 Prova di compressione
Rc = Pr/1600 N/mm2
Carico che produce rottura
Resistenza a compressione
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Dal carico che produce la rottura, Pr, si ricava la resistenza a compressione Rc conl’equazione seguente, in cui 16 è la superficie delle piastre, in cm2. 16 è la superficie dellepiastre, in cm2.
Prove chimiche
Perdita al fuoco (950°C)Residuo insolubile (HCl poi Na2CO3)
Contenuto di SO3Contenuto di MgO
CloruriPozzolanicità
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Fig. 1.23 Grafico del saggio di Pozzolanicità
40 gradi. 8 giorni (saggio Fratini)
Ca(OH)2 Ca2+ + 2 OH-
1. Determinazione alcalinità2. Da grafico solubilità CaO3. Dosare Ca(OH)2 in soluzione
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FORMALISMO reazioni
Trasporre le seguenti reazioni in notazione abbreviata:
Trasporre la notazione abbreviata in notazione estesa
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Velocità di idratazione
Calcolare il rapporto tra la velocità di idratazione a 60°C rispetto a quella a 20°C di un cemento (R = 8,314 J/mole).
Ponendo uguale a 1 la velocità di idratazione del cemento a 20°C, la velocità relativa Vi a temperatura T da- 10 a 95 °C può essere calcolata con l’equazione seguente in cui R è la costante dei gas (R = 8,314 J/mole)ed E (T) è un valore empirico dell’energia di attivazione, pari a 33.500 per valori di T > 20 °C e pari a34.970 × (20 – T) per valori di T < 20 °C. Con questa equazione si ricava, ad esempio, che la velocità diidratazione a 60 °C è circa 5 volte quella a 20°, mentre a – 10 °C tale velocità risulta pari a circa il 2% diquella a 20°
V20 = 1V60 = 5,2Rapporto 5,2
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Capitolo 2
Altri ingredienti del calcestruzzo
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Fig. 2.1 Effetto della sostituzione del cemento con fumo di silice sulla resistenza a compressione del calcestruzzo
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Tabella 2.1 Caratteristiche e limiti di accettazione per le ceneri volanti impiegate comeaggiunta nel calcestruzzo secondo EN 450
Omogeneità e pozzolanicità
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Fig. 2.2 Cenere volante al microscopio elettronico
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Fig. 2.3 Influenza di aggiunte diverse e di diversa finezza di cenere volante sulla richiesta d’acqua in calcestruzzo.
Si può ridurre dosaggio acqua
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Tabella 2.2 Resistenza a compressione (Rc) a 2 giorni di calcestruzzi a slump = 80 mm, cemento Cem I 32,5
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Una possibilità migliore di tenere conto dell’aggiunta di cenere al calcestruzzo è quella diapplicare il coefficiente di equivalenza nel calcolo del rapporto a/c, per verificarne larispondenza al requisito del massimo valore richiesto ai fini della durabilità. A tale fine ilrapporto a/c si può valutare in base all’espressione seguente in cui f è il dosaggio di cenerevolante nel calcestruzzo
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I limiti di composizione, oltre le quali le resistenze meccanichepossono essere influenzate (considerando solo calcestruzzo nonarmato)
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Tabella 2.3 Limiti di composizione per acque di origine industriale