DISA UniBg | PE Diga Gleno - Calcestruzzo per le dighe: gestione del calore di idratazione

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

2

∆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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2

∆𝑡!,#

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