Calcestruzzi Auto-Compattanti: materiali, tecnologia ed applicazioni

Calcestruzzi Auto-Compattanti: materiali, tecnologia ed applicazioni 
Cap.1 
  
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1. Storia del Calcestruzzo Auto-Compattante 
Il calcestruzzo Auto-Compattante, o anche SCC ( dall‘inglese ―Self-Compacting 
Concrete‖), nasce come materiale considerato da molti esperti come la più grande 
rivoluzione nella tecnologia del calcestruzzo;  era la fine degli anni ‗80 all'Università 
di Tokyo con il prof. Okamura e i suoi studenti, tra gli altri Ozawa e Maekawa, 
quando è stata stabilita la descrizione di base dell‘SCC. Prima di questa nascita 
ufficiale, ci sono stati diversi casi di applicazioni di calcestruzzi che non avevano 
bisogno di compattazione esterna per la consolidazione ma essi non venivano ancora 
definiti Auto-Compattanti. L‘impiego del calcestruzzo Auto-Compattante, subito 
dopo la nascita del  suo prototipo, è gradualmente aumentato, dal Giappone si diffuse 
prima in Asia per arrivare poi, intorno al 1993, in Europa, precisamente in Svezia, e 
le principali ragioni che hanno favorito questo sviluppo possono essere così definite: 
• Riduzione dei tempi di costruzione; 
• Ottimo grado di compattazione nella struttura soprattutto nelle aree confinate 
dove sarebbe difficile una compattazione per mezzo di vibrazione; 
• Riduzione significativa del rumore nei cantieri e nelle fabbriche di 
calcestruzzo prefabbricato, migliorando le condizioni ambientali sia per 
coloro che sono coinvolti nei processi di lavorazione, sia per chi è 
involontariamente coinvolto trovandosi nelle vicinanze di queste aree, tanto 
che l‘SCC viene denominato ―calcestruzzo silenzioso‖; 
• Riduzione dell‘esposizione alle vibrazioni per gli operatori del settore le quali 
possono provocare problemi circolatori, cosicché  l‘SCC è denominato anche 
―Calcestruzzo salubre‖; 
• Omogeneità del materiale allo stato indurito indipendente dalla vibrazione 
eseguita e dalla sua qualità, proprietà che porta ad una definizione del 
materiale come ―calcestruzzo tollerante‖; 
• Riduzione dei costi poiché non deve essere eseguita nessuna vibrazione 
risparmiando così manodopera; 
Dopo questa larga diffusione sempre più organi e associazioni internazionali  si 
occupano della divulgazione della conoscenza del materiale, delle sue caratteristiche, 
proprietà e usi, come fa ad esempio RILEM, ―the International Union of Laboratories 
and Experts in Construction Materials, System and Structures‖, nei suoi vari simposi 
internazionali e nelle sue pubblicazioni; questo soprattutto perché i termini ―SCC‖ o 
―Calcestruzzo Auto-Compattante‖ sono solo termini descrittivi e non sono garanzia 
di specifiche proprietà e caratteristiche del materiale e dei suoi componenti. Ciò porta 
al fatto che ogni ricercatore o ogni attore della catena di produzione può avere il 
proprio concetto delle prestazioni richieste al materiale a cui poi verrà 
indiscriminatamente assegnata l‘etichetta di ―Auto-compattante‖. Per questa ragione 
la normativa europea sta cercando di adeguarsi elaborando nuove Norme Tecniche
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come la UNI 11040:2003, nel frattempo qualunque figura, dal produttore al 
committente, può far riferimento anche alle Linee Guida Europee sul Calcestruzzo 
Auto-Compattante per avere informazioni approfondite sulle caratteristiche del 
materiale sul suo uso, impiego, posa in opera ecc.
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2. Il materiale 
2.1 Introduzione 
Il Calcestruzzo Auto-Compattante è un innovativo calcestruzzo che non richiede 
vibrazione per la posa in opera e la compattazione, è infatti in grado di fluire sotto il 
solo peso proprio riempiendo completamente le casseforme, anche laddove siano 
presenti armature di rinforzo  molto congestionanti. Allo stato indurito è denso, 
omogeneo e ha le stesse proprietà meccaniche del tradizionale calcestruzzo vibrato. 
L‘SCC offre una  maggiore velocità di posa in opera con tempi di costruzione più 
veloci e la sua fluidità e resistenza alla segregazione garantisce un elevato livello di 
omogeneità, con minor presenza di vuoti e difetti superficiali, offrendo uniforme 
resistenza del calcestruzzo ed un più elevato grado di finitura e durabilità della 
struttura.  
Il basso rapporto acqua-cemento con cui viene prodotto fornisce il potenziale per un 
alta resistenza iniziale, una disarmatura degli elementi strutturali anticipata e quindi 
un più rapido utilizzo di elementi e strutture, argomento di rilevante interesse 
soprattutto per l‘impiego di SCC nella produzione di prefabbricati. 
Dunque la pratica di costruzione e il miglioramento delle prestazioni, combinate con 
benefici per la salute e la sicurezza degli operatori, fanno dell‘SCC una soluzione 
molto attraente per le costruzioni di ingegneria civile. 
 
2.2  Componenti 
I materiali costitutivi del calcestruzzo Auto-Compattante sono gli stessi di quelli 
utilizzati nel tradizionale calcestruzzo vibrato conformi alla norma UNI EN 206-1; 
tuttavia per essere sicuri di avere prestazioni uniformi e coerenti per gli SCC è 
necessaria ulteriore attenzione nella selezione iniziale dei materiali costituenti ed un 
loro continuo monitoraggio, limitando la tollerabilità di variazione delle loro 
caratteristiche. 
2.3  Cemento 
Per la produzione di SCC possono essere utilizzati tutti i cementi conformi alla 
norma UNI EN 197-1. Solitamente la corretta scelta del tipo di cemento è dettata 
dalle esigenze specifiche di ogni applicazione e destinazione d‘uso.
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2.4 Aggiunte [Additions] 
Per garantire le proprietà a fresco richieste all‘ SCC vengono usati comunemente 
inerti o aggiunte pozzolaniche/idrauliche per migliorare la coesione e la resistenza 
alla segregazione; queste aggiunte disciplineranno poi anche il contenuto di cemento 
al fine di ridurre la contrazione termica e il calore di idratazione. 
 
Le aggiunte sono classificate in base alla loro capacità reattiva con l‘acqua (Tab.1): 
TYPE I Inerti o semi-inerti 
- Mineral filler(filler 
calcareo) 
- Pigmenti 
TYPE II 
 
Pozzolanici 
- Ceneri volanti 
conformi alla EN 
450 
- Fumi di silice 
conformi alla EN 
13.263 
Idraulici 
 
- Ground granulated 
blast furnace slag  
 
Tab.1:Classificazione delle aggiunte. 
 
2.4.1 Aggiunte minerali [Mineral fillers] 
La granulometria, la forma e l‘assorbimento di acqua dei riempitivi minerali possono 
influenzare la domanda di acqua e quindi l‘idoneità all‘impiego nella produzione di 
SCC; di solito sono usati i riempitivi minerali a base di Carbonato di Calcio, che 
offrono ottime proprietà reologiche e un buon grado di finitura. La dimensione più 
appropriata è la più piccola, 0.125 mm-0.063 mm.  
2.4.2 Cenere volante 
La cenere volante (CV) è una polvere molto fine ottenuta come sottoprodotto del 
processo di produzione dell‘energia elettrica nelle centrali termoelettriche che 
utilizzano come combustibile il carbone polverizzato. Costituita da micro-particelle 
di forma sferoidale (0.5μm <diametro<100 μm), Fig.1, ha una natura essenzialmente 
silico-alluminosa, composizione chimica con notevoli quantità di diossido di silicio 
(SiO
2
) e ossido di calcio (CaO), ed una struttura amorfa e vetrosa. Pensando alle sue 
caratteristiche chimico-mineralogiche ha tutte le proprietà per essere definita una
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―pozzolana artificiale‖
1
. La maggiore coesione, maggiore durabilità soprattutto nei 
confronti dei cloruri, minore sensibilità alla variazione del contenuto di acqua e le 
proprietà fillerizzanti e fluidificanti che trasmette al calcestruzzo la rendono un 
ottimo componente per le elevate performance richieste all‘ SCC. 
Tuttavia livelli elevati di cenere volante possono produrre una pasta di cemento che è 
così coesa da resistere al flusso. 
 
Fig.1: Microfotografia fatta con un microscopio elettronico a scansione (SEM): 
Cenere Volante con ingrandimento di 2000 X. 
Classe F
2
 
Classe C
3
 
Componente Da carbone 
Bituminoso 
Da carbone 
Subbituminoso 
Lignite 
SiO
2
 (%) 20-60 40-60 15-45 
Al
2
O
3
 (%) 5-35 20-30 20-25 
Fe
2
O
3
 (%) 10-40 40-10 4-15 
CaO (%) 1-12 50-30 15-40 
LOI (%)
4 
0-15 0-3 0-5 
Tab.2:Composizione chimica della cenere volante. 
 
                                                           
1
  Il comportamento pozzolanico di un materiale è la sua capacità di reagire con l'idrossido di calcio 
Ca(OH)
2 
 per formare composti idraulici simili a quelli che si generano durante l'idratazione del 
clinker di cemento Portland (CSH). Sono sostanze naturali o sottoprodotti industriali con struttura 
amorfa o parzialmente cristallina, quindi molto reattivi. 
2
 Cenere volante a basso tenore di calcio e provengono dalla combustione di antracite o carbone 
bituminoso; sono prodotti che non hanno caratteristiche cementanti ma che, grazie alla loro finezza, 
possono reagire con l‘idrossido di calcio che si libera per idratazione del cemento Portland (attività 
pozzolanica). 
3
 Ceneri ricche in calcio prodotte per combustione di lignite o carboni sub-bituminosi e posseggono 
proprietà cementanti oltre all‘attività pozzolanica. 
4
 LOI(%): ―Loss On Ignition‖ o perdita al fuoco; è un test utilizzato nella chimica inorganica 
soprattutto nell‘analisi dei minerali e consiste nel valutare, dopo un riscaldamento eseguito per un 
tempo determinato ad un temperature determinata, la variazione di massa (che tende a stabilizzarsi) di 
un campione di materiale, di solito alcuni grammi, che avviene per perdita delle sostanze volatili.
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Esistono infatti diversi tipi di cenere volante in base alla loro composizione chimica. 
L‘unico inconveniente che deriva dall‘uso di calcestruzzo con cemento parzialmente 
sostituito da cenere volante è la minore resistenza meccanica alle brevi stagionature 
(1-7 giorni). 
 
2.4.3 Cenere volante “beneficiata” (CVB) 
La cenere volante ―beneficiata‖ si ottiene attraverso due processi: 
• rimozione del carbone incombusto mediante la tecnologia tribo-elettrostatica; 
• rimozione delle particelle di ceneri più grosse e di forma irregolare mediante 
un processo di flottazione all‘aria. 
In modo tale da avere  un calcestruzzo più fluido allo stato fresco e meno poroso allo 
stato indurito. 
 
(A) 
 
(B) 
Fig.2 :Aspetto cromatico (A) e microscopia elettronica (B) delle cenere volante 
(CV), a sinistra, e della cenere volante “beneficata” (CVB).
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MASSA (%) 
ANALISI CHIMICA CV CVB 
SiO
2 
54.1 53.7 
Al
2
O
3
 28.9 34.2 
CaO 2.0 4.1 
Fe
2
O3 3.7 3.8 
K
2
O 0.7 0.7 
Na
2
O 0.4 0.3 
MgO 0.5 0.9 
p.a.f. 6.6 0.8 
Tab.3: Analisi chimica della CV e della CVB 
La perdita al fuoco, p.a.f (o anche L.O.I) della CVB è molto più bassa rispetto ad una 
normale cenere volante, questo grazie alla rimozione del carbone incombusto. 
E’ possibile confezionare una miscela di SCC sostituendo il 50% di cemento con 
cenere volante o cenere volante beneficiata, la sua composizione sarà (Tab.4): 
MIX Cemento 
(kg/m
3
) 
Sabbia 
0-4mm 
(kg/m
3
) 
Ghiaia 
4-
16mm 
(kg/m
3
) 
Acqua 
(kg/m
3
) 
Additivo 
SP 
(kg/m
3
) 
a/c a/l Slump 
(mm) 
CV 
(kg/m
3
) 
CVB 
(kg/m
3
) 
SCC-
CV 
244 858 925 166 9.0 0.68 0.34 750 244 
- 
SCC-
CVB 
246 869 938 163 3.0 0.66 0.33 750 - 
244 
Tab.4:Composizione dell’SCC con CV e CVB. 
Questa tabella mostra come due conglomerati di SCC con lo stesso dosaggio di 
cemento Portland, stesso dosaggio di cenere volante e stesso Slump dimostrano un 
diverso dosaggio di additivo Super-Fluidificante (cap.2.6.1), passando da 9 Kg/m
3
 
per CV a soli 3 Kg/m
3 
per CVB. Questo grazie al fatto che le particelle ci CVB 
risultano più regolari e tondeggianti rispetto a quelle di CV che presenta particelle 
più grosse, irregolari e che, a causa della presenza di carbone incombusto, assorbono 
parte dell‘additivo Super-Fluidificante introdotto nella miscela. Il risultato è che un 
calcestruzzo SCC con CVB risulta molto più fluido e mobile rispetto ad un 
conglomerato con la tradizionale cenere volante (Tab.5).