Il calcestruzzo non possiede un calendario

 Sono le 7 del mattino in un cantiere. La soletta è stata gettata due giorni fa, la squadra successiva è in attesa e tutti si pongono la stessa domanda: il calcestruzzo è abbastanza resistente da poter rimuovere le casseforme? Per molto tempo, la risposta onesta è stata "probabilmente". Le decisioni si basavano su regole empiriche, esperienza e su alcuni provini schiacciati in un laboratorio. Questo articolo illustra un metodo che rende la risposta molto più affidabile. Si chiama metodo della maturità.

Esamineremo cosa accade effettivamente all'interno del calcestruzzo durante il processo di indurimento, perché il calendario non è un indicatore affidabile, come funziona passo dopo passo il metodo della maturazione, dove viene standardizzato, dove è vantaggioso e quali sono i suoi limiti.

Come la maggior parte delle reazioni chimiche, l'idratazione dipende fortemente dalla temperatura. Il calore la accelera, il freddo la rallenta e, quando la temperatura scende a livelli sufficientemente bassi, la reazione si arresta quasi completamente. È simile alla lievitazione dell'impasto: in una cucina calda è pronto in un'ora, in una cantina fredda ci vuole molto più tempo, pur trattandosi dello stesso impasto. Per questo motivo, l'affermazione "il calcestruzzo ha tre giorni" da sola non fornisce molte informazioni. Tre giorni in una mite estate e tre giorni in un gelido novembre producono un calcestruzzo molto diverso. Il tempo da solo non indica la sua resistenza. Il tempo combinato con la temperatura sì. In molti cantieri, questo aspetto viene ancora gestito con tempi di attesa fissi, ad esempio "rimuovere la soletta dopo X giorni", a volte con una tolleranza maggiore in inverno. Queste regole sono semplici, ma presentano un problema intrinseco. Per garantire la sicurezza in condizioni avverse, devono essere conservative, il che significa che le squadre spesso aspettano più a lungo del necessario. E se le condizioni sono peggiori di quanto previsto dalla regola, non sono sufficientemente conservative. 

Il metodo della maturità tiene traccia della quantità di calore assorbita dal calcestruzzo nel tempo e utilizza questo totale per stimarne la resistenza. Un'immagine utile è quella di un conto di risparmio. Ogni ora, il calcestruzzo "deposita" del calore nel suo conto. Un'ora calda corrisponde a un deposito consistente, un'ora fredda a un deposito minimo, e un'ora gelida a un deposito quasi nullo. Il saldo progressivo è chiamato maturità. La regola fondamentale del metodo è semplice: la stessa miscela di calcestruzzo con lo stesso saldo ha all'incirca la stessa resistenza , indipendentemente dal fatto che l'abbia raggiunta rapidamente con il caldo o lentamente con il freddo. Quindi, invece di chiedersi "Quanti anni ha il calcestruzzo?", ci si chiede "Quanto calore ha accumulato?". A questa domanda si può rispondere in modo misurabile, perché la temperatura è facile da misurare, in modo continuo e senza danneggiare nulla. 

Tradizionalmente, la resistenza viene verificata con piccoli provini (cubi o cilindri). Questi vengono realizzati con lo stesso calcestruzzo, conservati nelle vicinanze o in laboratorio e compressi in una pressa. Questo metodo sembra affidabile, ma c'è un problema: un piccolo campione non è soggetto alle stesse temperature della struttura reale. Si pensi a una tazza di tè accanto a una grande pentola di zuppa. Entrambe sono inizialmente ugualmente calde, ma la tazza si raffredda molto più velocemente. Il calcestruzzo si comporta allo stesso modo. Bisogna considerare il calore prodotto dall'idratazione: una parete o una lastra spessa trattiene quel calore molto meglio di un piccolo cubo di prova, che lo disperde quasi immediatamente.

Di conseguenza:

•  In condizioni normali o calde, l'elemento reale è spesso più concentrato di quanto suggerisca il campione di prova. Le squadre aspettano più a lungo del necessario.

• Con il freddo, può accadere il contrario. Un campione conservato in un laboratorio riscaldato sembra a posto, mentre la lastra reale su una terrazza esposta è ancora più debole del previsto. Questo è il caso rischioso.

C'è anche un problema pratico. I campioni devono essere preparati, conservati, trasportati e analizzati, e il risultato arriva ore o giorni dopo. A quel punto, la decisione in loco è spesso già stata presa. Inoltre, un singolo campione rappresenta un singolo pezzo di calcestruzzo, non il bordo di una lastra esposta al vento per tutta la notte. Il metodo di maturazione evita questi problemi perché misura la temperatura dove conta davvero, all'interno della struttura stessa, e fornisce il risultato in modo continuo anziché solo il giorno successivo all'analisi in laboratorio.  

Passaggio 1: Insegna al sistema il tuo mix.

Ogni miscela di calcestruzzo acquisisce resistenza a un ritmo diverso, a seconda del tipo di cemento, della quantità di acqua, degli additivi e degli altri ingredienti. Per questo motivo, il metodo inizia con una calibrazione iniziale. In laboratorio, vengono realizzati campioni della miscela esatta. Alcuni vengono dotati di sensori di temperatura, altri vengono testati per la resistenza a diverse età. Per ogni test, la resistenza viene associata al calore accumulato fino a quel momento. Insieme, queste coppie formano una curva che collega il "calore accumulato" alla "resistenza raggiunta" per quella specifica miscela. Si può pensare a questo come a una tabella di conversione personalizzata per la miscela.

 

Fase 2: Effettuare le misurazioni in loco.

Prima del getto, piccoli sensori di temperatura vengono fissati all'armatura nei punti appropriati. Dal momento in cui il calcestruzzo viene gettato, ne registrano automaticamente la temperatura, 24 ore su 24. I sistemi moderni inviano i dati in modalità wireless, quindi nessuno deve recarsi fisicamente a un sensore con un lettore o un cavo.

 

Passaggio 3: Leggi l'intensità.

Il software somma il calore rilevato da ciascun sensore e confronta la resistenza corrispondente con la curva di calibrazione. Il team in loco visualizza in tempo reale una stima della resistenza in situ per ogni punto della struttura. Se viene definito un valore target, ad esempio la resistenza necessaria per l'impatto, il sistema può anche indicare quando tale valore è stato raggiunto. 

 Per rendere il concetto più concreto, ecco come potrebbe svolgersi il processo in un progetto tipico:

• Settimane prima: la miscela viene calibrata in laboratorio, idealmente con calcestruzzo proveniente dallo stesso impianto e con la stessa ricetta che verrà consegnata in seguito.

• Il giorno prima del getto: i sensori vengono fissati all'armatura nelle posizioni concordate e ciascun sensore viene collegato all'elemento e alla miscela calibrata nel software.

• Durante la gettata: i sensori iniziano a registrare non appena vengono circondati dal calcestruzzo. Le prime ore mostrano la temperatura del calcestruzzo fresco e la rapidità con cui inizia a riscaldarsi.

• Nei giorni successivi: il responsabile del sito verifica la resistenza stimata su un laptop o un telefono anziché attendere i risultati di laboratorio. Di solito è il sensore più freddo a essere determinante.

• Momento decisionale: una volta che tutti i sensori pertinenti indicano la resistenza richiesta e sono stati effettuati tutti i controlli aggiuntivi necessari per le fasi critiche, la cassaforma può essere rimossa oppure si può iniziare la fase successiva.

• Successivamente: la cronologia di temperatura e intensità viene memorizzata e può essere utilizzata come documentazione per il progetto.   

Negli Stati Uniti, il metodo di maturazione ha una propria norma: la ASTM C1074, "Standard Practice for Estimating Concrete Strength by the Maturity Method" , pubblicata per la prima volta nel 1987. Questa norma descrive l'intero processo passo dopo passo. Illustra entrambi gli approcci di calcolo (la semplice somma e l'età equivalente), spiega come calibrare una miscela in laboratorio e specifica quali controlli aggiuntivi sono necessari prima di fasi critiche come la rimozione delle casseforme o la post-tensione. Per questo motivo, la ASTM C1074 è il riferimento su cui si basano molti progetti e sistemi di sensori in tutto il mondo.

In Europa, la norma EN 13670 consente esplicitamente di stimare la resistenza in situ a partire da misurazioni di temperatura. Tuttavia, non prescrive una procedura di calibrazione dettagliata come la ASTM C1074, pertanto i dettagli pratici sono lasciati alle normative nazionali, alle linee guida e alle specifiche di progetto. 

Non è necessario effettuare alcun calcolo, ma è utile sapere che esistono tre approcci comuni. Tutti seguono la stessa logica e differiscono solo per il peso che attribuiscono alle ore calde e a quelle fredde.

La semplice somma , nota come metodo Nurse-Saul, risale a ricerche iniziate intorno al 1950. Essa calcola "temperatura al di sopra di un limite inferiore × tempo". Il limite inferiore, chiamato temperatura di riferimento, è la temperatura al di sotto della quale si presume che il calcestruzzo non acquisisca alcuna resistenza. Spesso viene fissato intorno a 0 °C, oppure determinato in laboratorio per una specifica miscela. Il risultato è espresso in gradi-ora o gradi-giorno. Il metodo considera l'effetto della temperatura come una linea retta: il doppio della temperatura significa il doppio della velocità. Questo è facile da comprendere e funziona bene entro i normali intervalli di temperatura, all'incirca tra 0 °C e 40 °C, motivo per cui è ancora ampiamente utilizzato, soprattutto in Nord America.

Il metodo dell'età equivalente (Freiesleben Hansen & Pedersen, 1977) si basa sull'equazione di Arrhenius della chimica e descrive la reazione in modo più realistico. Utilizza un valore chiamato energia di attivazione, che descrive la sensibilità di un particolare cemento alla temperatura. Invece di gradi-ora, il risultato viene espresso come "questo calcestruzzo è ora maturo come se fosse stato conservato per X giorni a 20 °C". Questo metodo è più preciso quando le temperature variano molto o quando il calcestruzzo stagiona in condizioni di caldo o freddo estremi. Sia questo metodo che il metodo Nurse-Saul sono descritti nella norma ASTM C1074.

Il metodo di maturazione ponderata è stato sviluppato negli anni '70 e perfezionato da de Vree. Si colloca tra gli altri due: invece di un modello di reazione generale, utilizza un valore di sensibilità specifico per il cemento, il valore C, che in genere è compreso tra 1,25 e 1,75. Il valore C può spesso essere ottenuto direttamente dal produttore di cemento, il che rende il metodo pratico nell'uso quotidiano. È standardizzato nei Paesi Bassi come NEN 5970 ed è ampiamente utilizzato in Europa, in particolare nei sistemi che lavorano con dati di cemento pre-calibrati.

Il metodo utilizzato è meno importante della sua applicazione coerente. La curva di calibrazione, il calcolo della maturità e i valori target in loco devono essere tutti basati sullo stesso metodo.

I sistemi Vemaventuri supportano entrambi i metodi descritti nella norma ASTM C1074, Nurse-Saul e Arrhenius (età equivalente), consentendovi di utilizzare quello più adatto alle esigenze del vostro progetto o delle vostre specifiche.

I numeri in questo esempio sono illustrativi e semplificati.

 

Supponiamo che la calibrazione mostri che una particolare miscela raggiunge la resistenza necessaria per l'accensione dopo aver accumulato 600 gradi-ora, ovvero, ad esempio, 60 ore a 10 °C al di sopra del limite inferiore.

• Una settimana calda: il calcestruzzo si mantiene a circa 20 °C. Raggiunge le 600 gradi-ora dopo circa 30 ore.

• Una settimana fredda: il calcestruzzo raggiunge solo circa 8 °C. Per ottenere lo stesso risultato occorrono circa 75 ore. 
  
  

 

Stessa miscela, stessa concentrazione target, ma una differenza di quasi due giorni. Con una regola fissa come "rimuovere dopo 48 ore", si aspetterebbe un giorno in più del necessario nella settimana calda e si rimuoverebbe troppo presto in quella fredda. Con il monitoraggio della maturazione, il sensore indica quando l'obiettivo è stato raggiunto. 

 

In realtà, le temperature cambiano costantemente: il calcestruzzo si riscalda a causa dell'idratazione, si raffredda di notte e si riscalda di nuovo durante il giorno. È proprio per questo che i sensori le registrano continuamente, in genere ogni pochi minuti, anziché basarsi su una media. 

Il metodo di maturazione misura la temperatura nel punto in cui è posizionato il sensore. Quindi la domanda più importante è: quali punti sono rilevanti per la decisione? Alcuni principi possono essere d'aiuto:

• I punti più freddi: bordi, angoli e sezioni sottili disperdono calore più rapidamente rispetto alla parte centrale di una lastra. Anche le superfici superiori esposte al vento e alle notti fredde sono critiche. Se il punto più freddo ha raggiunto la resistenza desiderata, di solito anche il resto dell'elemento l'ha raggiunta.

• I punti strutturalmente critici: le aree che sopportano il carico maggiore una volta rimossa la cassaforma, come ad esempio intorno ai supporti o le zone di ancoraggio negli elementi post-tesi. L'ingegnere strutturale sa dove si trovano.

• Ultima sezione gettata: nelle gettate lunghe, il calcestruzzo gettato a fine giornata è più fresco di diverse ore rispetto a quello gettato al mattino. Di solito è meglio utilizzare pochi sensori ben posizionati piuttosto che molti posizionati a caso. L'ingegnere responsabile del progetto dovrebbe concordare le posizioni in anticipo. 

• Cicli di casseratura e salita: sapere qual è il momento giusto per smontare, spostare o salire sulle casseforme può accorciare ogni ciclo. Nei progetti multipiano, questo si traduce in un risparmio sull'intera durata dei lavori, e permette di ridurre il numero di casseforme da tenere in cantiere contemporaneamente.

• Post-tensione e carico: i trefoli possono essere messi in tensione solo dopo che il calcestruzzo ha raggiunto una resistenza definita. I dati misurati sostituiscono l'attesa dei risultati di laboratorio e mostrano la resistenza nelle zone di ancoraggio, dove è realmente importante.

• Getto di calcestruzzo in inverno: con il freddo, è possibile verificare se il calcestruzzo sta effettivamente acquisendo resistenza e quando è possibile rimuovere le misure di protezione come il riscaldamento o l'isolamento. Questo evita entrambi i rischi: rimuovere la protezione troppo presto e pagare per il riscaldamento più a lungo del necessario.

• Getto di calcestruzzo in estate: con il caldo, gli stessi dati di temperatura indicano se il calcestruzzo si sta surriscaldando, il che può causare crepe o ridurre la qualità a lungo termine.

• Calcestruzzo a basse emissioni di carbonio: molti cementi più ecocompatibili con un minor contenuto di clinker sviluppano la resistenza più lentamente nella fase iniziale. Questo rende più difficile la pianificazione con regole empiriche fisse, ed è proprio qui che il metodo della maturazione si rivela utile. Quando è possibile osservare l'effettivo sviluppo della resistenza, è più facile utilizzare queste miscele con sicurezza, anziché evitarle per timore di ritardi nella consegna.

• Documentazione: i dati registrati mostrano cosa è realmente accaduto in ogni elemento. Questo è utile per la documentazione della qualità, i passaggi di consegne e per qualsiasi domanda che possa sorgere in seguito. 

Il metodo della maturità è potente, ma non fa miracoli. Vale la pena conoscerne i limiti.

• La sua efficacia dipende esclusivamente dalla calibrazione. Un termometro non è in grado di stabilire se il calcestruzzo consegnato corrisponde alla ricetta calibrata. Se la miscela cambia o se in cantiere viene aggiunta acqua, la curva non è più corretta. Per le fasi critiche, pertanto, le normative richiedono controlli aggiuntivi per confermare che sia stato consegnato il calcestruzzo corretto. È inoltre opportuno rivedere la calibrazione ogni qualvolta cambino il fornitore, il tipo di cemento o la ricetta.

• Si presuppone una corretta stagionatura. L'idratazione richiede acqua. Il calcestruzzo che si asciuga troppo presto non acquisisce la resistenza prevista, indipendentemente dalla temperatura.
• È ideale per le decisioni nelle prime fasi di indurimento. Il calcestruzzo molto caldo nei primi giorni tende ad acquisire rapidamente resistenza all'inizio, ma può risultare leggermente più debole in seguito rispetto al calcestruzzo che si è indurito più lentamente. Per questo motivo, il metodo viene utilizzato principalmente per le decisioni nei primi giorni e nelle prime settimane, non per prevedere la resistenza finale.

• Non sostituisce le prove di conformità. Le prove standard utilizzate per dimostrare che il calcestruzzo consegnato soddisfa la classe di resistenza specificata, solitamente a 28 giorni, sono ancora obbligatorie. Il metodo di maturazione risponde a una domanda diversa: qual è la resistenza attuale del calcestruzzo in questo elemento?

• Il posizionamento del sensore è fondamentale. Un sensore rileva la temperatura solo nella sua posizione. Se viene installato in un punto comodo anziché in un punto critico, il risultato può essere fuorviante.

Quindi il metodo non sostituisce tutti i test di laboratorio. Sostituisce le congetture sulla domanda più importante in loco: è pronto adesso?