ll nuovo calcestruzzo – Calcestruzzo leggero strutturale

Capitolo XIX

19.2 CLASSIFICAZIONE DEL CALCESTRUZZO LEGGERO

Prescindendo dalla microstruttura, i calcestruzzi leggeri possono essere classifi
cati in base alla loro massa volumica secca e alla loro resistenza meccanica a
compressione, entrambe determinate dopo 28 giorni di stagionatura, in:
a) Calcestruzzi leggeri termoisolanti
Si tratta di calcestruzzi leggeri con una volumica variabile tra 300 e 800 kg/
m3, le cui resistenze meccaniche a compressione variano tra 0,5 e 7 MPa.
Questi calcestruzzi vengono utilizzati esclusivamente come materiali da riempimento,
oppure come rivestimenti coibenti;
b) Calcestruzzi leggeri a resistenza moderata
Sono calcestruzzi leggeri con proprietà meccaniche intermedie tra quelle dei
calcestruzzi strutturali e termoisolanti. La loro massa volumica varia tra 800
e 1400 kg/m3 e le resistenze meccaniche tra 7 e 18 MPa. Questi calcestruzzi
leggeri sono destinati alla realizzazione di strutture per le quali non si richiede
un particolare impegno dal punto di vista statico, ma per le quali si vuole
garantire un livello accettabile di comfort termico;
c) Calcestruzzi leggeri strutturali
Sono calcestruzzi leggeri con massa volumica variabile tra 1400 e 2000 kg/m3,
generalmente confezionati con inerti leggeri artifi ciali a base di argilla espansa
(Fig. 19.2), le cui resistenze meccaniche a compressione variano tra 18 e 70
MPa. Questi calcestruzzi sono destinati alla realizzazione di strutture armate e
non. Poiché la loro massa volumica è considerevolmente più elevata di quella
dei calcestruzzi leggeri termoisolanti, i calcestruzzi leggeri strutturali posseggono
una resistenza termica non elevata, ma comunque sostanzialmente
migliore di quella dei calcestruzzi ordinari.

19.3 IL CALCESTRUZZO CON INERTI LEGGERI

Gli inerti leggeri impiegati per la produzione dei calcestruzzi leggeri si contraddistinguono
per la microstruttura molto porosa (§ 8.1), e pertanto sono caratterizzati da una massa volumica in mucchio (< 1100 kg/m3) inferiore a quella degli inerti impiegati per il confezionamento dei calcestruzzi ordinari (1500 -1700 kg/m3).

Fig. 19.2 – Deposito di argilla espansa (Pietro Bellinzona, Laterlite)

Gli inerti leggeri possono essere naturali oppure artifi ciali, ottenuti cioè sottoponendo dei materiali naturali o artifi ciali ad un ciclo di lavorazione capace di produrre dei granuli con una struttura cellulare o molto porosa. Dal punto di vista delle applicazioni nel campo strutturale, e non, senz’altro gli inerti leggeri di maggiore importanza sono le argille e gli scisti espansi. Tuttavia, l’esempio più famoso di struttura in calcestruzzo leggero, la cupola del Pantheon a Roma (Fig. 19.3) capolavoro di architettura ed ingegneria con un diametro di 43,3 m, è stata costruita con sabbia ordinaria ed inerti leggeri naturali (pomice) legati con calce e pozzolana (Appendice II). La cupola, che poggia su una struttura circolare in mattoni spessa 6 m, è stata realizzata gettando su casseforme in legno un calcestruzzo sempre più leggero, con massa volumica decrescente dal basso verso l’alto grazie al diverso rapporto pomice/sabbia. Ciò ha consentito, tra l’altro, di realizzare l’ardito progetto di costruire una struttura perfettamente semi-sferica (essendo l’altezza della cupola uguale al suo diametro di 43,3 m) con lo spessore della cupola che si riduce da 6 a 1,2 m in corrispondenza dell’apertura circolare (8,7 m) sulla sommità.

Fig. 19.3 – Cupola del Pantheon a Roma costruita in calcestruzzo con inerti leggeri naturali

Nel caso specifi co delle argille espanse (inerti leggeri artifi ciali per eccellenza), le materie prime contengono naturalmente delle sostanze capaci, per riscaldamento, di modifi carsi con sviluppo di gas e, contemporaneamente, di trasformarsi in una massa piroplastica molto viscosa in modo da intrappolare al suo interno il gas prodotto e di consentire in tal modo l’espansione. Il processo avviene in grandi forni rotanti (diametro di circa 4,5 m e lunghezza di circa 70 m) costituiti da due cilindri in cascata: nel primo l’argilla viene pre-riscaldata a circa 600 °C, mentre nel secondo avviene la fase piroplastica dell’argilla, e quindi l’espansione, a circa 1150 °C. Dopo raffreddamento il prodotto si presenta sotto  forma di granuli a microstruttura cellulare interna con la superfi ce costituita da una corteccia vetrosa che conferisce all’inerte una consistente resistenza meccanica e un basso assorbimento d’acqua.

L’assorbimento di acqua da parte degli inerti leggeri è un fattore determinante sia nell’ottenimento di calcestruzzi strutturali di adeguate prestazioni elasto-meccaniche, sia nel trasporto e nel pompaggio del calcestruzzo: infatti inerti con assorbimento elevato richiedono dei lunghi periodi di pre-bagnatura (addirittura 1 o 2 giorni) al fi ne di evitare che, dopo il confezionamento del calcestruzzo, l’assorbimento di acqua dall’impasto da parte dell’inerte insaturo provochi eccessive perdite di lavorabilità.

19.4 I CALCESTRUZZI LEGGERI STRUTTURALI

I calcestruzzi con inerti leggeri, in particolare quelli prodotti con aggregati di argilla espansa, consentono di coniugare il requisito di “leggerezza” con le esigenze di carattere strutturale richieste per un conglomerato da destinare alla realizzazione di strutture armate e precompresse. Questi calcestruzzi leggeri strutturali sono caratterizzati da una massa volumica variabile tra 1400  e 2000 kg/m3 e da resistenze meccaniche a compressione tra 18 e 70 MPa.

In generale il costo unitario del calcestruzzo leggero strutturale è superiore a quello di un calcestruzzo ordinario, soprattutto per un maggior costo di produzione degli aggregati leggeri rispetto a quelli ordinari. Tuttavia, l’impiego del calcestruzzo leggero può risultare più economico in quanto, per la sua leggerezza, diminuiscono i carichi permanenti della struttura, e quindi è possibile ridurre le dimensioni degli elementi strutturali. Il minor peso della struttura permette, inoltre, di costruire anche su terreni di scarsa portanza, senza dover ricorrere a tipologie di fondazione complesse e costose, ma soprattutto consente, a parità di pressioni trasmesse al terreno, di realizzare edifi ci con uno sviluppo verticale maggiore: il maggior costo del calcestruzzo leggero in questi casi risulta ampiamente compensato dalla maggiore superfi cie abitabile.

Con il calcestruzzo leggero strutturale è possibile costruire soprelevazioni di costruzioni esistenti che non sono suffi cientemente resistenti da poter sopportare il peso di strutture in calcestruzzo ordinario e che quindi richiederebbero dei complessi interventi di adeguamento per aumentarne la capacità portante. Inoltre, l’impiego del calcestruzzo leggero strutturale riduce le forze d’inerzia che insorgono allorquando la struttura è soggetta ai movimenti sismici, consentendo una diminuzione delle armature a parità di sezione, oppure una diminuzione della sezione resistente a parità di armature.

Il calcestruzzo leggero, tuttavia, possiede una minore duttilità rispetto al calcestruzzo ordinario: duttilità elevate sono richieste invece per strutture antisismiche, in quanto maggiore è la duttilità del materiale, maggiore è la sua capacità di deformarsi nel campo plastico, e quindi maggiore è la capacità di dissipare energia prima di collassare (Appendice I).

Questo handicap del calcestruzzo leggero può essere comunque eliminato se  si conferisce duttilità alle sezioni più a rischio (es.: nodi trave-pilastro) con una opportuna staffatura con passo non superiore a 10 cm (Fig. 19.4). D’altra parte gli stessi accorgimenti debbono essere adottati per le strutture armate in calcestruzzo ordinario.

Fig. 19.4 – Andamento schematico delle curve sforzo deformazione di calcestruzzo ordinario e leggero

si conferisce duttilità alle sezioni più a rischio (es.: nodi trave-pilastro) con una opportuna staffatura con passo non superiore a 10 cm (Fig. 19.4). D’altra parte gli stessi accorgimenti debbono essere adottati per le strutture armate in calcestruzzo ordinario. La riduzione dei carichi permanenti e conseguentemente delle sollecitazioni indotte dal sisma può consentire inoltre l’utilizzo di calcestruzzi con Rck più basse rispetto a quelle richieste per calcestruzzi ordinari.

Il vantaggio di utilizzare il calcestruzzo leggero in luogo di quello ordinario risulta molto più pronunciato nelle strutture precompresse; infatti, la riduzione del peso proprio degli elementi strutturali consente di ridurre il numero dei cavi di precompressione. Si deve comunque notare che la maggiore applicazione del calcestruzzo strutturale rimane la produzione di manufatti prefabbricati utilizzati, sia come elementi integrativi di strutture intelaiate tradizionali, sia come elementi strutturali ed integrativi di procedimenti costruttivi industrializzati. Infatti, grazie ai bassi costi di realizzazione, movimentazione e trasporto dei manufatti, il calcestruzzo leggero rappresenta il materiale ideale per manufatti prefabbricati.

In questi ultimi anni si è inoltre assistito ad un notevole incremento nell’uso di blocchi di calcestruzzo leggero per le realizzazioni di tramezzi e murature portanti. L’uso del calcestruzzo leggero consente al solito di ridurre i carichi permanenti, ma anche di migliorare l’isolamento termico e la resistenza al fuoco degli edifi ci (§ 24.2).