Perché vengono utilizzati gli acceleratori nella costruzione di calcestruzzo spruzzato? Poca conoscenza degli additivi

Perché vengono utilizzati gli acceleratori nella costruzione di calcestruzzo spruzzato? Poca conoscenza degli additivi

Con il rapido sviluppo dell’ingegneria sotterranea e della costruzione di infrastrutture di trasporto, l’applicazione della tecnologia del calcestruzzo proiettato per la riparazione dei pendii, il supporto delle rocce e il blocco delle perdite nella costruzione di tunnel e nella manutenzione rapida sta diventando sempre più diffusa. Il calcestruzzo proiettato è un tipo di calcestruzzo formato mediante spruzzatura ad alta velocità di una miscela di materiali cementizi e aggregati su una superficie designata utilizzando aria compressa o altre fonti di energia.

La costruzione del calcestruzzo proiettato è divisa in due tipologie principali: metodi di miscelazione a secco e di miscelazione a umido. Il metodo della miscelazione a secco utilizza acceleratori in polvere, mentre il metodo della miscelazione a umido utilizza acceleratori liquidi. In Cina, la maggior parte delle costruzioni con calcestruzzo proiettato utilizza ancora il metodo della miscelazione a secco, mentre la costruzione con miscela umida rappresenta solo il 10% circa delle applicazioni di calcestruzzo proiettato. Tuttavia, con l’aumento dei requisiti di qualità per il calcestruzzo proiettato nell’ingegneria sotterranea e con la crescita della consapevolezza ambientale, il metodo della miscelazione a umido è visto come la tendenza inevitabile per lo sviluppo futuro della tecnologia del calcestruzzo proiettato.

Gli acceleranti sono gli additivi principali del calcestruzzo proiettato e svolgono un ruolo cruciale nella velocità di presa e nella resistenza del calcestruzzo. Il loro dosaggio è solo del 2%-3% della quantità di cemento nel calcestruzzo, tuttavia possono raggiungere la presa iniziale entro 5 minuti e la presa finale entro 10 minuti, soddisfacendo i requisiti di presa rapida nelle costruzioni speciali e garantendo un rapido consolidamento nei tunnel o alberi. Pertanto, la ricerca e l'applicazione degli acceleratori sono fattori chiave che determinano il livello della tecnologia del calcestruzzo proiettato.

Gli acceleratori sono disponibili in vari tipi, classificati in base alla forma del prodotto come acceleratori in polvere (solidi) o liquidi. In base al contenuto alcalino, possono essere acceleratori alcalini o non alcalini, con acceleratori aventi contenuto di Na2O<1% considered non-alkaline. The development of accelerators has gone through stages such as high-alkali powder, low-alkali powder, high-alkali liquid, and low (non)-alkali liquid since the Swiss company Sika first developed Sigunite powdered accelerator in the 1930s.

Gli acceleratori non alcalini risolvono il problema dell'elevato contenuto di alcali negli acceleratori tradizionali. Il calcestruzzo con acceleratori non alcalini può raggiungere più del 90% della sua resistenza 28-giorno rispetto agli acceleranti tradizionali. Inoltre, gli acceleratori non alcalini non sono corrosivi, sono rispettosi dell’ambiente e comportano rischi minimi per la salute del personale di costruzione. La tendenza si sta spostando verso l’uso di acceleranti liquidi non alcalini invece dei tradizionali acceleratori alcalini e poco alcalini.

Lo stato attuale degli acceleratori in polvere iniziò negli anni '30 con Sigunite, sviluppato dalla società svizzera Sika. I primi acceleratori alcalini in polvere, realizzati con materiali salini inorganici come calce, alluminato di sodio e sali di silicato e carbonato, soddisfacevano i requisiti di indurimento rapido ma in seguito subivano una significativa perdita di resistenza, compresa tra il 20% e il 50%.

In Cina, a causa dell’introduzione relativamente tardiva della tecnologia del calcestruzzo proiettato, la ricerca sugli acceleratori è iniziata più tardi. Gli acceleratori in polvere alcalini presentano vantaggi quali buona adattabilità, prestazioni efficaci con varie marche di cemento, buoni effetti di presa, basso costo e processi di preparazione maturi. Tuttavia, presentano diversi difetti, tra cui una significativa perdita di resistenza nelle fasi successive, una ridotta durabilità del calcestruzzo a causa dell'introduzione di alcali, un elevato rimbalzo durante la spruzzatura del calcestruzzo e una forte corrosività durante la preparazione, che comportano rischi per i lavoratori.

Man mano che il metodo wet-mix diventa gradualmente più diffuso, la ricerca sugli acceleratori in polvere è notevolmente diminuita, spostando l'attenzione sullo studio degli acceleratori liquidi a basso contenuto alcalino e non alcalini. Tuttavia, grazie alla semplicità, all’adattabilità e al basso costo del metodo della miscelazione a secco, una parte considerevole dei progetti di calcestruzzo proiettato in Cina utilizza ancora acceleratori in polvere.

La storia degli acceleratori liquidi risale agli anni '70 con lo sviluppo degli acceleratori liquidi alcalini Sika in Svizzera. Tuttavia, questi primi acceleranti liquidi avevano un elevato contenuto di alcali, con conseguente scarsa resistenza e durabilità del calcestruzzo nella fase successiva. Nel tentativo di migliorare le prestazioni nella fase successiva ed eliminare i danni alla salute umana, i ricercatori dei paesi sviluppati hanno iniziato a sviluppare acceleratori liquidi a basso contenuto di alcali negli anni ’70. Hanno utilizzato i sali di alluminio come principale accelerante della presa, riducendo il contenuto di alcali al 10-20%, con una conseguente diminuzione della perdita di resistenza nella fase successiva al 20%-30%.

In Cina, a causa della tardiva introduzione del metodo wet-mix, la ricerca sugli acceleratori liquidi è rimasta indietro rispetto ai paesi sviluppati. I primi acceleratori liquidi, pur soddisfacendo i requisiti standard, mostravano una resistenza del calcestruzzo inferiore nella fase iniziale. Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono concentrati sulla riduzione del contenuto di alcali per mitigare la perdita di resistenza nella fase successiva e migliorare la durabilità. Oggi, gli acceleratori liquidi a basso contenuto alcalino sono ampiamente utilizzati sul mercato e offrono vantaggi quali basso dosaggio e tempi di presa brevi. Tuttavia, questi introducono ancora un certo contenuto di alcali e possono portare a reazioni alcali-aggregati, influenzando negativamente la durabilità del calcestruzzo spruzzato. Di conseguenza, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione agli acceleratori liquidi non alcalini.

Lo studio degli acceleranti liquidi non alcalini è iniziato negli anni '90 in Europa e negli Stati Uniti, poco dopo in Cina. L'approccio di ricerca principale prevede la ricerca di nuovi materiali di fissaggio per sostituire i sali di metalli alcalini negli acceleratori liquidi. Tra questi, il solfato di alluminio, grazie alla mancanza di contenuto di metalli alcalini, promuove efficacemente l'idratazione del cemento e migliora significativamente la resistenza della malta nella fase iniziale. Attualmente è considerato un materiale ideale per la preparazione di acceleranti liquidi non alcalini. Ricercatori di tutto il mondo hanno condotto studi approfonditi su acceleratori liquidi preparati principalmente con solfato di alluminio. Prodotti stabili e ad alte prestazioni, come la serie MEYCOSA di BASF e la serie Sigunite®A di Sika, rappresentano l'attuale livello avanzato di acceleranti liquidi non alcalini.

Gli acceleratori liquidi non alcalini sono al centro dello sviluppo attuale e futuro, riducendo la probabilità di reazioni alcali-aggregate e migliorando efficacemente la resistenza nella fase successiva del calcestruzzo. Tuttavia, lo sviluppo di acceleratori liquidi non alcalini è nelle fasi iniziali e le sfide includono dosaggi relativamente elevati (6%-12%), stabilità di conservazione insufficiente e prezzi e costi più elevati rispetto ai tradizionali acceleratori liquidi e in polvere alcalini .

4.2 Composizione degli Acceleratori

Sali di alluminio, sali di silicato, sali di carbonato e idrossidi sono i principali tipi di alcali negli acceleratori. Il sale di alluminio e gli alcali di alluminio sono i componenti più importanti negli acceleratori liquidi non alcalini. Per il sale di alluminio, il solfato di alluminio è una materia prima ideale e l'uso del solfato di alluminio come principale componente di fissaggio negli acceleratori liquidi non alcalini ha guadagnato ampia attenzione e ricerca.

4.4 Processo di produzione dell'acceleratore

4.4.1 Acceleratori liquidi

Acceleratori alcalini: idrossido di sodio e acqua vengono miscelati in un recipiente di reazione e, dopo l'agitazione, viene aggiunto idrossido di alluminio. La miscela viene riscaldata a 110 gradi, quindi raffreddata per produrre il prodotto finale.

Acceleratori non alcalini: l'acido fluorosilicico viene aggiunto al recipiente di reazione e agitato a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Si aggiunge solfato di alluminio e si agita fino a completa dissoluzione. Il pH viene quindi regolato a 5, ottenendo il prodotto finale.

4.4.2 Acceleratori in polvere

4.4.2.1 Pesatura e miscelazione

Materie prime come ceneri di alluminio (dimensione delle particelle {{0}} cm), calcare (dimensione delle particelle 0,5-1,2 cm) e alcali industriali (carbonato di sodio) vengono trasportati da un trasportatore sigillato a un dispositivo di pesatura. Solfato di alluminio