Il calcestruzzo
Accettazione e controlli dei materiali in cantiere
Ordine degli ingegneri di Monza e Brianza
6 luglio 2022
Ing. Paolo Redaelli
Il calcestruzzo
Controlli a piè d'opera: $R_{ck} $ "del materiale"
Cubo ≠ Cilindo ≠ Carota
La posa in opera e la stagionatura influiscono in modo determinante sulle caratteristiche meccaniche:
- Umidità
- Temperatura
- Costipazione
Controllo sul materiale a piè d'opera ed in opera.
Interesse primario della D.L. prima e del collaudatore poi che il materiale in opera si avvicini quanto più possibile a quello prelevato; questo usualmente si ottiene con una corretta posa in opera ("concreting") ed una corretta maturazione ("curing").
Cubetto ≠ cilindro ≠ carota
Determinazione della resistenza a compressione in opera
È pertanto necessario stimare la resistenza del materiale posato in opera e conoscere l'accuratezza di tale stima.
A tal fine risultano preziose le linee guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo indurito mediante prove non distruttive
- Carotaggio (riferimento)
- Metodi Non distruttivi:
- Indice di rimbalzo
- Velocità di propagazione degli ultrasuoni
- SonReb
- Indice di rimbalzo
- Metodi parzialmente distruttivi
- Estrazione di inserti
- Resistenza alla penetrazione
- Indagine magnetometrica
Comparazione delle comuni PND
| Costo | Velocità | Danno | Rappresentatività | Qualità della correlazione | |
|---|---|---|---|---|---|
| Carotaggio | Elevato | Lento | Moderato | Moderata | Ottima |
| Indice di rimbalzo | Molto basso | Veloce | Nessuno | Interessa solo la superficie | Debole |
| Velocità di propagazione degli ultrasuoni | Bassi | Veloce | Nessuno | Buona, riguarda tutto lo spessore | Moderata |
| Estrazione di inserti | Moderato | Veloce | Limitato | Interessa solo la superficie | Buona |
| Resistenza alla penetrazione | Moderato | Veloce | Limitato | Interessa solo la superficie | Moderata |
Magnetometria - Pacometro
Utilizza le proprietà magnetiche del ferro per localizzare posizione, direzione e diametro delle armature e spessore del copriferro (norma di riferimento BS 1881-204:1988).
Funzionamento: induzione magnetica e correnti parassite nelle barre 
: si misura il campo magnetico determinato dalla presenza materiali ferrosi nelle vicinanze della superficie del calcestruzzo oggetto di indagine.
Prova iniziale per individuare zone non attraversate da armature da sottoporre a carotatura e PND (tutte influenzata da presenza armatura).
Carotaggio
- Diametro sufficiente: $ Ø_{carota} > 3 Ø_{aggregati} $ solitamente 75mm ≤ Ø ≤ 150mm
- Snellezza limitata $ 1 ≤ \frac{l}{Ø} ≤ 2 $
- nessuna barra d'armatura, in particolare inclinate o parallele all'asse
- Carotatrice ben fissata
- evitare l'essicazione del campione
- verifiche di planarità ed ortogonalità
Carotaggio
- Dispersione, decresce con Ø carota e cresce Ø aggregato
- $ L / Ø = 2$ → confronto con resistenza cilindrica $f_c$
- $ L / Ø = 1 $ → confronto con resistenza cubica $R_c$
- Almeno 3 carote
- Inadatto per:
- Calcestruzzi di bassa resistenza ($ R_c < 20 N/mm^2 $)
- Calcestruzzi giovani
Carotaggio: una prova "delicata"
Numerosissimi fattori correttivi: \[ R_{c,opera} = f_{c,carota} \cdot F_{h/d} \cdot F_{Fe} \cdot F_{Tor} \cdot F_{Dir} \cdot F_{t} \cdot F_{T}\] dove:
- $F_{h/d}$ effetto snellezza (0.66 - 1.32)
- $F_{Fe} $ influenza armature
- $F_{Tor}$ effetto del carotatore ("tormento")
- $F_{Dir}$ effetto della direzione del carotaggio rispetto a quella di getto
- $F_{t}$ effetto età calcestruzzo e temperatura maturazione
- $F_{T}$ effetto della temperatura di maturazione
Indice di rimbalzo
Principio di funzionamento
Principio: misurare l'energia elastica assorbita dal calcestruzzo a seguito di un impatto di una sfera d'acciaio.
L'energia assorbita dipende dalla durezza superficiale, correlata a $E$ ed $R_c$:
$ E_{assorbita} → E_{cls} → R_{c,cls}$
Durezza superficiale e resistenza meccanica sono apprezzabilmente correlate.
Zone sottoporre a prova:
- prive di armature superficiali
- superficie priva di vespai liscia, priva di pori ed irregolarità
- cls "nudo" (no intonaco, vernice, ecc.)
- preferibilmente asciutta
eseguire 10-12 battute (perpendicolari) distribuite su una griglia prederminata (maglia di qualche cm).
Registrare l'Indice di Rimbalzo (IR) e l'inclinazione dello strumento rispetto all'orizzontale. Per ogni gruppo si utilizza la media scartando le letture più alte e quelle più basse.Sclerometro: correlazione
\[ R_c = A * N^B \] Relazione sperimentale ed empirica.
Fattori di disturbo:
- superficie umida (abbassa IR)
- carbonatazione superficiale (aumenta IR)
- finitura, compattazione e stagionatura superficiale
- superficie ruvida (generalmente abbassa IR)
- orientazione dello strumento rispetto alla verticale (sono disponibili fattori di correzione approssimati)
- età del calcestruzzo
- dimensione e tipo di aggregati (alluvionali, frantumati, durezza)
Sclerometro: limiti ed utilizzi
Miglior utilizzo: individuare le zone relativamente più o meno "dure" (e quindi più o meno resistenti) per decidere dove estrarre le carote da schiacciare.
Utilizzo errato utilizzarlo per stimare Rc senza calibrazione ("usando la tabella").
La calibrazione è necessaria e di validità limitata per rendere "accettabile" la correlazione.
Metodologia influenzata dalle condizioni locali del materiale:
- presenza "sottopelle" di inerti grossi e/o barre d'armatura
- presenza di vuoti, difetti di compattazione.
Utile effettuare numerose serie di battute adeguatamente distanziate.
Velocità ultrasuoni
Principio di base: la velocità di propagazione delle onde elastiche in un mezzo omogeneo
dipende dalle caratteristiche del materiale:
- $ V = [\frac{E_d}{ρ} \frac{(1-ν)}{(1+ν)(1-2ν)} ] ^ ½ $
- modulo elastico e resistenza sono correlate ($E = K_E \cdot \sqrt{R_c} $);
- $ R_c = A \cdot e^{B*V} $
Ultrasuoni: utilizzi
- Verificare l'omogeneità dei getti: $\Delta_{max} ≤ 200--300 m/s $
- Individuare discontinuità
- Misurare profondità fessurazione
- Stimare resistenza in opera:
- Calcestruzzi "scadenti": V < 3000 m/s
- Calcestruzzi di media qualità: 3000 m/s ≤ V ≤ 4000 m/s
- Calcestruzzi "buoni": V > 4000 m/s
- V ≤ 2500 m/s o V ≥ 4500 m/s: ulteriori analisi
Misura delle profondità delle fessure con ultrasuoni
Vari metodi:
- Metodo L-L: una misura a distanza prefissata
- Metodo T: una serie di misure ad intervalli prefissati.
- Metodo BS: due misure a cavallo della fessura.
Metodo L-L
$ d = a \sqrt{(t_c/t_0)^2-1 } $ 
Metodo delta
$d = \sqrt{\left(\frac{T^2-R^2+(V t)^2}{2Vt}\right)^2-T^2}$
Metodo T
$d = x/2 \cdot \sqrt{\frac{1- v_1/v_2}{1 + v_1/v_2 }}$
Metodo BS
British Standard BS4408; due misure a cavallo della fessura a distanza doppia una dell'altra
\[ d = 150 \sqrt{\frac{4t_1^2 - t_2^2}{t_2^2 - t_1^2}}\]
SON-REB
Metodo combinato SONic-REBound
La resistenza $R_c$ di un calcestruzzo in opera è stimata da velocità degli ultrasuoni e dall'indice di rimbalzo (eseguiti nella stessa zona):
- Risultati più affidabili delle due prove eseguite separatamente: diversi fattori influenzano in modo opposto i due metodi separati:
- all'aumentare dell'età calcecetruzzo V aumenta, I dimunuisce (carbonatazione, a parità di resistenza)
- all'aumentare dell'umidità: V diminuisce, I aumenta
- L'indice di rimbalzo è una prova superficiale
- Gli ultrasuoni coinvolgono potenzialmente l'intero getto.
\[ R_c = a V^b I_R^c \] dove:
- $ R_c$ Resistenza a compressione
- $V$ Velocità ultrasuoni
- $I_R$ Indice di rimbalzo
- $a, b, c$ coefficienti di correlazione
SonReb: correlazioni
Numerose correlazioni proposte:
| Correlazione | Autore |
|---|---|
| \[R = 7.876 \cdot 10^{-19} V^{4.636} I^{1.747} \] | Lenzi, Versari, Zambrini (2010) |
| \[R = 9.27 \cdot 10^{-11} V^{2.60} I^{1.40} \] | RILEM - NDT4 (1993) |
| \[R = 1.2 \cdot 10^{-9} V^{2.446} I^{1.058} \] | Di Leo e Pascale (1994) |
| \[R = 1.51\cdot10^{-7} V^{0.8084} I^{1.8815} \] | Masi (2005) |
| \[R = 8.06\cdot10^{-8} V^{1.85} I^{1.246} \] | Gasparik (1992) |
| \[R = 0.9\cdot + 0.022 \cdot V - 94 \] | Tanigawa, Baba , Mori | Resistenze in MPa, velocità in m/s |
Estrazione di inserti "pull-out"
\[ R_c = A + B*F \]
Misurata la forza necessaria per estrarre un inserto metallico standardizzato;
- Vantaggi
- correlazione stabile nel tempo
- correlazione invariante al tipo di cemento
- Svantaggi:
- difficile esecuzione su calcestruzzi "nobili" (≥50MPa)
- lieve disturbo e danno da ripristinare
Norma di riferimento: UNI EN 12504-3:2005 - Prove sul calcestruzzo nelle strutture. Parte 3: determinazione della forza di estrazione.
Resistenza alla penetrazione
\[ R_c = A + B * W_F \]
La "sonda di Windsor" spara con una carica calibrata una sonda di metallo temprato standardizzata. Si misura la profondità di penetrazione, inversamente proporzionale alla resistenza.
Ogni prova è costituita da tre fori sui vertici di un triangolo di lato 3 in (177mm si usa una dima).
Norma di riferimento: ASTM C 803
Affidabilità
| Metodo di prova | Coefficiente variazione | Limite confidenza (al 95%) | Numerosità campione |
|---|---|---|---|
| Carotaggio | 10% | ±10% | 3 |
| Indice di rimbalzo | 4% | ±25% | 12 |
| Ultrasuoni | 2.5% | ±20% | 1 |
| Resistenza alla penetrazione | 4% | ±20; | 3 |
| Forza d'estrazione | 15% | ±15% | 9 |
Carotaggio: interpretazione dei risultati
Riferimenti normativi: circolare C11.2.6
- Rck 30 N/mm² (resistenza cubica caratteristica ovvero C25/30)
- valore caratteristico cilindrico di progetto $f_{ck} = 0,83 \cdot R_{ck} = 24,9 N/{mm^2}$
- valor medio cilindrico risulta $f_{cm} = f_{ck} + 8 = 32,9 N/{mm^2}$
- deve risultare $ f_{opera,m} \ge 0,85 f_{cm} = 0,85 \cdot 32,9 = 27,9 N/{mm^2}$
Un piccolo Gedankenexperiment
Il requisito $ f_{cm} ≥ f_{ck} + 8 $ è particolarmente gravoso:
| $R_{i,cube}$ | 40,22 | 34,95 | 35,81 | 35,61 | 38,67 | 38,08 | 33,35 | 39,07 | 36,5 | 37,08 | 39,61 | 29,87 | 37,2 | 38,05 | 45,66 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Passiamo ad ipotetiche resistenze cilindriche | |||||||||||||||
| $R_{i,carota}≅f_{c,i}$ | 33,38 | 29,01 | 29,72 | 29,55 | 32,1 | 31,6 | 27,68 | 32,43 | 30,29 | 30,77 | 32,87 | 24,79 | 30,88 | 31,58 | 37,9 |
| $R_{i,cube}$ | $f_{c,i}$ | |
|---|---|---|
| $\bar R_c $ | 37,31 MPa | 30,97 MPa |
| $σ$ | 3,51 MPa | 2,91 MPa |
| $R_{ck}=32,12Mpa$ | $f_{ck}=26,66Mpa$ |
$f_{ck} = 26,66 Mpa ≱ f_{c,nom} + 8 = 30 \cdot 0,83 +8= 32,9 Mpa$ Non conforme!
Valori "buoni" per le prove a piè d'opera risultano inaccettabili a verifiche successive. Il normatore vuole probabilmente rendere particolarmente svantaggioso il ricorso a queste prove.
Il normatore vuole svantaggiare fortemente chi si "dimentica" di fare i controlli in corso d'opera.
Possibile "soluzione": conoscere a priori la varianza σ del calcestruzzo gettato (dell'impianto con FPC) oppure prescrivere un σ massimo. (vedi: NTC: Dubbi sul calcestruzzo in opera - prof. Mario Collepardi - Enco journal n,47)
Normative di riferimento
- Linee guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo indurito mediante prove non distruttive
- UNI 10766 Calcestruzzo indurito - Prove di compressione su provini ricavati da microcarote per la stima delle resistenze cubiche locali del calcestruzzo in situ.
- UNI EN 12504-2 Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Prove non distruttiveDeterminazione delli'indice sclerometrico
- UNI EN 12504-4 Prove sul calcestruzzo nelle strutture - Parte 4: Determinazione della velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici.
L'attuale normative prevede che siano considerati accettabili resistenze in opera superiori all'85% (punto 11.2.6 del D.M. 14 gennaio 2008)
è accettabile un valore caratteristico della resistenza in situ non inferiore all’85% della resistenza caratteristica assunta in fase di progetto
Domande
Scritevemi a paolo.redaelli@gmail.com oppure paolo.redaelli@monodes.com