Qual è il meccanismo d'azione dell'agente di espansione nel calcestruzzo?

Nell'ingegneria edile, il verificarsi di crepe nel calcestruzzo e infiltrazioni d'acqua è comune e le crepe strutturali possono compromettere l'estetica o, nei casi più gravi, la sicurezza dell'edificio. A causa di fattori quali un maggiore utilizzo di cemento, requisiti di resistenza più elevati, condizioni di costruzione e stagionatura inadeguata, la formazione di crepe nelle strutture in calcestruzzo è inevitabile. Attualmente, l’unico approccio fattibile in ingegneria è quello di controllare le crepe entro limiti innocui.

Cause di fessurazione del calcestruzzo

Esistono vari motivi per la fessurazione del calcestruzzo nei progetti di costruzione, tra cui la progettazione strutturale, la stagionatura della costruzione e le materie prime. La causa principale delle crepe è lo stress da trazione generato quando il calcestruzzo subisce carico, deformazione e miscelazione durante il processo di indurimento. Le crepe si verificano quando la tensione di trazione interna supera la resistenza alla trazione ultima del calcestruzzo. Tra queste, le fessurazioni non strutturali causate da deformazione rappresentano l'80% e la maggior parte di queste fessurazioni non strutturali sono dovute al ritiro del calcestruzzo (come ritiro autogeno, ritiro plastico, ritiro per essiccazione, ritiro termico, ecc.).

Non esistono specifiche tecniche dettagliate per il controllo delle fessure non strutturali e i metodi comuni utilizzati in ingegneria includono la progettazione di giunti di dilatazione o l'utilizzo del "metodo del magazzino saltante" durante la costruzione. Tuttavia, questo approccio prolunga il periodo di costruzione e aumenta i costi di pulizia. Numerose applicazioni ingegneristiche hanno dimostrato che il metodo più efficace consiste nell’utilizzare calcestruzzo a ritiro compensato per il controllo delle fessurazioni.

Meccanismo e applicazione degli agenti espansivi

Gli agenti espansivi del calcestruzzo sono additivi che, aggiunti al calcestruzzo, ne provocano l'espansione di volume, compensando il ritiro del calcestruzzo. Gli agenti espansivi sono classificati in base ai loro componenti espansivi, come solfoalluminato di calcio, a base di CaO, a base di MgO, solfoalluminato di calcio-ossido di calcio e tipi compositi di calcio-magnesio. A causa dei diversi componenti espansivi, anche le loro prestazioni di espansione variano. I meccanismi più ampiamente accettati degli agenti espansivi includono la teoria della crescita cristallina, la teoria del rigonfiamento per assorbimento di acqua e la teoria dell’espansione del volume in fase solida.

2.1 Agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio

L'effetto espansivo degli agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio si ottiene principalmente attraverso la formazione di ettringite di calcio (C3A-3CaSO4-32H2O) durante l'idratazione. Gli studi esistenti suggeriscono che l’effetto combinato della pressione di crescita cristallina e della forza di rigonfiamento dell’assorbimento d’acqua dell’ettringite è la causa fondamentale dell’espansione, con il rigonfiamento dell’assorbimento d’acqua che è il fattore dominante. Sulla base di questa teoria, la reazione di idratazione dell'ettringite richiede una quantità significativa di acqua, limitandone l'applicazione nel calcestruzzo ad alta resistenza con bassi rapporti acqua-cemento. Inoltre, il calcestruzzo contenente agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio richiede un rigoroso controllo della maturazione. Una polimerizzazione impropria non solo non riesce a compensare il ritiro, ma aumenta anche il rischio di fessurazioni. Inoltre, l'ettringite di calcio può decomporsi in ambienti umidi e caldi, compromettendo resistenza e durata. Pertanto particolare attenzione va posta alla temperatura ambientale quando si utilizzano agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio in ambito metalmeccanico.

2.2 Agenti espansivi a base di Ossido di Calcio

Il meccanismo di espansione degli agenti espansivi a base di ossido di calcio prevede l'idratazione dell'ossido di calcio (CaO) per formare idrossido di calcio (Ca(OH)2). Questo processo aumenta il volume della fase solida e l’accumulo locale di prodotti di idratazione allarga il volume dei pori, con conseguente espansione del volume della pasta. Rispetto agli agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio, gli agenti espansivi a base di ossido di calcio richiedono meno acqua, hanno una maggiore efficienza di espansione e sono più convenienti, il che li rende più ampiamente utilizzati. Tuttavia, il CaO reagisce esotermicamente con l'acqua, il che è dannoso per il controllo delle fessurazioni termiche nel calcestruzzo. Inoltre, il rapido tasso di idratazione del CaO porta a un consumo significativo di espansione nella fase plastica del calcestruzzo, rendendolo inefficace per compensare il ritiro nella fase successiva. CaO è anche sensibile all'umidità ambientale, richiedendo un imballaggio accurato per prevenire l'assorbimento di umidità, che può ridurre la sua efficacia di espansione. Inoltre, Ca(OH)2 è solubile a determinate pressioni dell'acqua, quindi è necessaria cautela quando si utilizzano agenti espansivi a base di ossido di calcio in progetti di costruzione sottomarina.

2.3 Agenti espansivi a base di Ossido di Magnesio

L'effetto di espansione degli agenti espansivi a base di ossido di magnesio avviene attraverso l'idratazione dell'ossido di magnesio (MgO) per formare idrossido di magnesio (Mg(OH)2), con la variazione di volume guidata dalla forza di rigonfiamento dell'assorbimento di acqua di Mg(OH)2 in le prime fasi di idratazione e la pressione di crescita cristallina di Mg(OH)2 nelle fasi successive. Studi approfonditi e applicazioni ingegneristiche hanno dimostrato che gli agenti espansivi a base di ossido di magnesio mostrano un'espansione ritardata e un lungo ciclo di espansione, che può compensare efficacemente il ritiro dovuto alla temperatura durante il raffreddamento e il ritiro da essiccazione. Le loro proprietà meccaniche sono stabili e richiedono meno acqua per l'idratazione. Gli agenti espansivi a base di ossido di magnesio presentano anche i vantaggi di prodotti a idratazione stabile e proprietà di espansione regolabili, che li rendono ampiamente applicabili in progetti di calcestruzzo su larga scala come le dighe. In pratica, fattori come il grado di resistenza del calcestruzzo, le dimensioni strutturali e l'ambiente di costruzione dovrebbero essere considerati quando si selezionano agenti resistenti alle fessurazioni del calcestruzzo ad alte prestazioni o agenti espansivi a base di ossido di magnesio con diversa reattività (tipo R, tipo M, tipo S) per compensare il ritiro del calcestruzzo, ottenendo così il controllo delle fessurazioni a ciclo completo e semplificando le misure di controllo della temperatura. Occorre però prestare attenzione al dosaggio degli agenti espansivi a base di ossido di magnesio, in quanto quantità eccessive potrebbero provocare un'espansione eccessiva con conseguente scarsa stabilità del volume.

2.4 Agenti espansivi a doppia sorgente di espansione

Gli agenti espansivi comuni a doppia fonte di espansione sul mercato includono agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio-ossido di calcio (come HCSA, CSA, FQY, ecc.) e agenti espansivi compositi di calcio-magnesio.

Agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio-ossido di calcio: Le fonti di espansione di questi agenti sono l'ettringite e il Ca(OH)2. Quando questi agenti vengono utilizzati nel calcestruzzo, il Ca(OH)2 compensa il ritiro precoce, mentre l'ettringite compensa il ritiro nelle fasi successive. L'espansione da queste fonti avviene in fasi diverse, ottenendo un efficace effetto di compensazione del ritiro. Rispetto agli agenti sorgente a espansione singola, gli agenti espansivi a base di solfoalluminato di calcio e ossido di calcio presentano i vantaggi di una maggiore espansione, una minore richiesta di acqua e un periodo di espansione stabile precedente. Sono ampiamente utilizzati in progetti come strutture in calcestruzzo autoimpermeabili e costruzione senza soluzione di continuità di strutture super lunghe.

Agenti espansivi compositi calcio-magnesio: Questi agenti sono realizzati combinando ossido di magnesio leggermente bruciato con ossido di calcio, con fonti di espansione da Ca(OH)2 e Mg(OH)2. La velocità di espansione di questi agenti compositi è regolata dalla velocità di idratazione più rapida dell'ossido di calcio e dalla velocità di idratazione più lenta dell'ossido di magnesio. Questo aggiustamento consente una compensazione graduale e a ciclo completo del ritiro del calcestruzzo. Inoltre, gli agenti espansivi compositi calcio-magnesio superano la sensibilità alla temperatura dei singoli agenti espansivi a base di ossido di calcio, rendendoli adatti a progetti con requisiti di controllo della temperatura meno rigorosi.