Calcestruzzo senza frazione fina: studio della funzione dreno

In questo articolo si parlerà brevemente dello studio sperimentale che ho portato avanti durante la redazione della mia tesi di laurea magistrale presso l’Università di Palermo, dedicata al calcestruzzo senza frazione fina, cioè la cui composizione prevede solo inerti a grana grossa, e allo studio della funzione dreno.

Introduzione

Il materiale denominato NFC ovvero No-Fines Concrete (calcestruzzo senza frazione fina) è un particolare calcestruzzo la cui composizione prevede solo inerti a grana grossa (solitamente ghiaie), la frazione fina (sabbia fina e finissima) è assente.

Dallo studio della letteratura inerente questo materiale ne emergono alcune particolari proprietà che ne hanno consentito l’impiego per le pavimentazioni e nelle costruzioni. In particolare presenta una spiccata permeabilità, ragion per cui sono molteplici le applicazioni nel campo delle pavimentazioni pedonali, stradali e aeroportuali, più recente è l’applicazione di tale calcestruzzo speciale come materiale costituente le trincee drenanti, finalizzate alla stabilizzazione dei pendii. In letteratura non si trova una formulazione teorica rigorosa che studia il mix-design ideale da adottare per il progetto delle miscele sulla base delle proprietà che si vogliono conferire al getto indurito.

Obiettivi della tesi

Lo studio è stato quindi volto a trovare una relazione tra la composizione della miscela e la permeabilità del materiale indurito risultante. Inoltre si è rivelato importante studiare la natura dei vuoti formatisi e di come forma e dimensioni dei meandri influiscano sui caratteri del moto di filtrazione che si attua sotto differenti gradienti piezometrici. Di fondamentale importanza è stato indagare l’estensione del campo di validità della legge di Darcy per i moti di filtrazione in funzione delle caratteristiche della miscela (proporzione tra le frazioni di inerti, dosaggio di cemento, rapporto acqua/cemento, costipamento) e quindi del getto indurito.

Sperimentazione

L’attività di ricerca condotta in laboratorio si è articolata nelle seguenti fasi:

• prove di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali, determinazione delle curve granulometriche e delle porosità massima e minima standard delle sabbie e delle ghiaie utilizzate;
• 51 prove di realizzazione di miscele per la verifica sperimentale di una possibile formulazione matematica sul mix-design ideale dei calcestruzzi senza frazione fina, di cui 8 finalizzate alla verifica dell’effetto del costipamento sulla porosità finale del getto;
• 24 prove di permeabilità a carico variabile per lo studio della funzione dreno dei calcestruzzi senza frazione fina, sotto vari gradienti piezometrici e indagini al microscopio ottico sulla forma e natura dei vuoti presenti nella struttura.

Leggi anche Disastri ambientali: calcestruzzo, quanta sabbia ci costa?

Mix-design

La prima definizione del No-Fines Concrete riscontrabile in letteratura risale a Malhotra (1976) e gli studi che ne sono seguiti hanno posto in evidenza che tale materiale è costituito preminentemente da inerti di diametro medio compreso nell’intervallo 5÷15 mm, che il cemento e l’acqua devono essere dosati in modo da non generare segregazioni di pasta cementizia durante il getto. Nella presente sperimentazione si è potuto constatare che l’eccesso di dosaggio di cemento provoca segregazione di pasta cementizia per colamento e che tale fenomeno induce disomogeneità della distribuzione dei vuoti e quindi della permeabilità.

Inoltre la presenza della pasta cementizia indurita presente al contatto dei grani causa una variazione di forma dei meandri, arrotondando e smussando gli spigoli e una riduzione delle sezioni di passaggio dell’acqua quindi una riduzione della porosità efficace. Come ha dimostrato la serie di n.51 provini di realizzazione delle miscele (Fig.1.1), il mix design indagato è molto sensibile alle porosità di progetto e al rapporto d_50,1/d_50,2 tra i diametri medi delle due frazioni di inerti.

Lo scopo della derivazione matematica studiata è stato di stabilire l’ideale rapporto numerico tra le particelle e conseguentemente l’ideale rapporto in peso tra le due frazioni granulometriche, affinché l’assortimento di una miscela di inerti sia tale da riempire i vuoti lasciati dalla prima frazione con le particelle della seconda frazione (Fig.1.2).

In tal modo, pur ottenendo la dimensione dei vuoti caratteristica della frazione più piccola, si massimizza la quantità di inerte grosso presente, riducendo i costi. Ai fini della formulazione del mix-design si sono considerate le seguenti ipotesi semplificative:

• particelle sferiche;
• contatto perfetto tra le particelle;
• disposizione regolare di massima porosità delle particelle di diametro minore;
• rapporto d₁/ d₂ tra il diametro delle particelle sferiche più grandi e quello delle particelle più piccole >10.

Studio della funzione dreno

Le 24 prove di permeabilità a carico variabile, eseguite su una serie di 6 provini di NFC, hanno consentito di esplorare la relazione tra il gradiente piezometrico e la velocità di filtrazione nel campo di gradienti compreso tra 0,1 e 6. Si riporta in Fig.1.3 un risultato tipico che si ottiene attraverso una prova di permeabilità.

Conclusioni

Si riportano le principali conclusioni:

La porosità finale del getto di un NFC tende ad essere maggiore della porosità massima standard utilizzata in fase di progetto e relativa alla frazione fina a causa della presenza del cemento che favorisce strutture più porose, tale tendenza è compensata parzialmente con la propensione della pasta cementizia a ridurre la porosità efficace.

È stato possibile verificare la formulazione teorica del mix-design riportata identificando una forte sensibilità della formulazione stessa nei confronti della porosità di progetto. L’analisi dell’errore conferma che per la validità della formulazione, il rapporto d_50,1/d_50,2 tra i diametri medi delle due frazioni deve essere maggiore di 15 e che il getto deve essere costipato per vibrazione.

La permeabilità necessaria ad assolvere alla funzione dreno può essere garantita se il dosaggio di cemento non è eccessivo ed è proporzionato alla dimensione dei grani e al valore della porosità di progetto quindi tenendo conto della loro superficie specifica; ne risulta un dosaggio di cemento compreso tra 250 e 400 kg/m3.

Il regime del moto di filtrazione all’interno di un NFC tende al moto laminare quando la dimensione dei meandri si riduce, in particolare il valore limite del gradiente piezometrico i oltre il quale la funzione velocità di filtrazione v=f(i) diviene non lineare cresce con la dimensione media dei vuoti e quindi con il diametro medio d_50,2 della frazione di diametro minore. Per NFC con diametri medi delle particelle ≥2,5 mm non è stato possibile determinare moti di filtrazione che seguono la legge di Darcy.

Per quei regimi che non possono considerarsi laminari, in quanto la funzione v=f(i) non è più lineare, la legge che regola il moto di filtrazione è una funzione potenza del tipo v=k*∙i^a ove i valori dei coefficienti k* e a presentano un andamento logaritmico in funzione del diametro d_90,2², il primo crescente e il secondo decrescente e tendente a 0,6, entrambi con un coefficiente R2 alto.

Il coefficiente di permeabilità, definito secondo Darcy, calcolato per gli NFC è compreso tra 0,5 cm/s e 5 cm/s e può ridursi anche a valori minori di 0,05 cm/s, valori modesti ai fini di una trincea di drenaggio quando si adottano diametri della frazione minore d_50,2 minori di 0,5 mm e dosaggi di cemento maggiori di350 kg/mc.

Immagine: www.silaflex.it

Leggi anche Calcestruzzo preconfezionato: radiografia di una flessione continua