IL CALCESTRUZZO PER LA COSTRUZIONE DI DIGHE: FOCUS SULLE STRATEGIE PER LA GESTIONE DEL CALORE DI IDRATAZIONE
A CURA DI Dott. Simone Rapelli simone.rapelli@unibg.it Dott. Denny Coffetti denny.coffetti@unibg.it Prof. Luigi Coppola luigi.coppola@unibg.it
LA DIGA DEL GLENO A UN SECOLO DAL DISASTRO. Riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria Progetto finanziato nell’ambito del bando di Ateneo per iniziative di Public Engagement 2023
DIGHE IN CALCESTRUZZO XX secolo
Diga del Gleno, Italia
XXI secolo
Diga del lago di Kops, Austria La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
DIGHE IN CALCESTRUZZO CALCESTRUZZO
Cemento Legante idraulico. Se miscelato con acqua reagisce formando i prodotti d’idratazione con sviluppo delle resistenze meccaniche.
Acqua Fondamentale per promuovere la reazione d’idratazione dei costituenti anidri del cemento.
Additivi Sostanze chimiche che promuovono sensibili modifiche alle caratteristiche del conglomerato allo stato fresco e/o allo stato indurito.
Aggregati Fondamentali per ridurre il quantitativo di pasta di cemento mantenendo delle buone proprietà meccaniche mitigando alcuni problemi di durabilità della pasta di cemento.
La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
CALORE D’IDRATAZIONE Idratazione dei costituenti del cemento
Reazioni esotermiche
Sviluppo di calore
Possibile problema per le strutture massive (Dighe) La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
CONDIZIONE IDEALE
CONDIZIONE REALE
Elemento strutturale privo di vincoli e costituito da materiale ad elevatissima conducibilità termica
Elemento strutturale costituito da materiale a bassa conducibilità termica (calcestruzzo)
Aumento di temperatura uniforme in tutto lo spessore dell’elemento strutturale
Gradiente di temperatura tra «cuore» e «corteccia» dell’elemento
Espansione libera
Contrazione libera
Impedimento reciproco della deformazione tra «cuore» e «corteccia» dell’elemento Nascita di coazioni termiche e possibile formazione di fessure
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CONDIZIONE REALE A poche ore dal getto
A pochi giorni dal getto
Corteccia
Cuore
Corteccia
Cuore
Raffreddandosi vorrebbe contrarsi
Essendo caldo vorrebbe espandersi
Essendo a temperatura ambiente è stabile dimensionalmente
Raffreddandosi vorrebbe contrarsi
Nascita di un vincolo relativo tra «cuore» e «corteccia»
Lo stato tensionale di trazione coinvolge gli strati superficiali dell’elemento
Lo stato tensionale di trazione coinvolge le interfacce tra «cuore» e «corteccia» dell’elemento
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CONDIZIONE REALE A poche ore dal getto
σ
Cuore
σ
Corteccia
Gli strati più esterni, a causa dell’opposizione nei confronti della dilatazione del cuore, sono assoggettati a uno stato tensionale di trazione.
Il calcestruzzo non ha ancora sviluppato una sufficiente resistenza a trazione. POSSIBILE FORMAZIONE DI FESSURE NEGLI STRATI CORTICALI DEGLI ELEMENTI IN CALCESTRUZZO! La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
CONDIZIONE REALE A pochi giorni dal getto
σ
Cuore
σ
Corteccia
Esauritosi lo sviluppo di calore, la struttura tende ad equilibrare la propria temperatura con quella ambiente. Gli strati più interni, raffreddandosi, cercano di contrarsi.
La corteccia, già a temperatura ambiente, inibisce la contrazione creando all’interfaccia uno stato tensionale di trazione.
POSSIBILE FORMAZIONE DI FESSURE ALL’INTERNO DEGLI ELEMENTI IN CALCESTRUZZO! La diga del Gleno a un secolo dal disastro: riflessioni sul progetto e sulla costruzione di un’imponente opera di ingegneria
APPROCCIO AL PROBLEMA Riduzione dei quadri fessurativi dovuti alle coazioni termiche a cui è assoggettata la struttura
Riduzione del calore sviluppato dalla reazione d’idratazione del cemento
Utilizzo di cementi a basso sviluppo di calore (LH – Low Heat)
Riduzione del gradiente termico tra «cuore» e «corteccia» della struttura
Riduzione del quantitativo di cemento nella miscela del calcestruzzo
Utilizzo di additivi super-riduttori d’acqua
Protezione del getto tramite l’utilizzo di casseri coibentati
Utilizzo di aggregati di grossa pezzatura
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CARATTERISTICHE DEI CEMENTI «LOW HEAT» Requisiti secondo UNI EN 197-1: • Calore d’idratazione sviluppato a 7 giorni < 270 J/g (EN 196-8) • Calore d’idratazione totale < 300 J/g
Riduzione della velocità d’idratazione
Cementi di classe 32.5 N o 32.5 R
Riduzione del quantitativo di Clinker
Cementi pozzolanici (CEM IV), d’altoforno (CEM III) o compositi (CEM V)
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CARATTERISTICHE DEI CEMENTI «LOW HEAT» Calore d’idratazione unitario a 3 e 7 giorni di diversi cementi disponibili in Italia: Tipo di cemento I II/A-LL II/B-LL II/B-M II/A-S III/A III/B IV/A (ARS) IV/A IV/B
Classe cemento 52.5 R 42.5 R 32.5 N 32.5 R 42.5 R 32.5 R 32.5 N 32.5 R 42.5 R 32.5 R
q3 (kJ/kg) 380 - 410 300 - 320 250 - 270 250 - 270 290 - 310 230 - 250 180 - 190 200 - 210 240 - 290 175 - 220
q7 (kJ/kg) 400 - 430 330 - 340 285 - 290 285 - 290 320 - 330 265 - 270 190 - 200 210 - 220 285 - 310 190 - 240
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RIDUZIONE DEL QUANTITATIVO DI CEMENTO Riduzione del quantitativo di cemento a parità d’acqua d’impasto
𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
Variazione del rapporto a/c
Variazione delle proprietà del calcestruzzo allo stato fresco ed allo stato indurito!
Utilizzo di aggregati di grossa pezzatura
Utilizzo di additivi super-riduttori d’acqua
Riduzione del quantitativo d’acqua d’impasto
A parità di rapporto a/c è necessario ridurre il quantitativo di cemento
𝐴𝑐𝑞𝑢𝑎 𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
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PROTEZIONI TERMOISOLANTI Riduzione del gradiente di temperatura tra «cuore» e «corteccia» del getto 1
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∆𝑡!,#
Necessità di rallentare la dissipazione del calore d’idratazione verso l’ambiente esterno
Protezione del getto tramite l’utilizzo di materassini coibenti
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