Un metro cubo di calcestruzzo pesa circa 2.400 kg e li ripartisce in modo netto: tre quarti o più sono aggregati, il 12-16 per cento è cemento, il 7-8 per cento è acqua, a cui si aggiungono pochi litri di additivo. Il mix design è la scelta di queste proporzioni. Si parte dal risultato richiesto (classe di resistenza, classe di esposizione, consistenza) e si risale ai dosaggi, non il contrario.
Il legante: i cementi della EN 197-1
La EN 197-1 divide i cementi comuni in cinque tipi. Il CEM I è il Portland, con almeno il 95 per cento di clinker. Il CEM II è un Portland composito, con il 6-35 per cento di altri costituenti come calcare (L, LL), loppa d'altoforno (S), pozzolana (P, Q), cenere volante (V, W) o fumo di silice (D). Il CEM III è il cemento d'altoforno, con il 36-95 per cento di loppa. Il CEM IV è pozzolanico e il CEM V è composito. Ogni tipo ha una classe di resistenza a 28 giorni (32,5, 42,5 o 52,5 N/mm2) e una sigla per lo sviluppo iniziale: N per normale, R per rapido.
La scelta pesa su durabilità, tempi di cantiere ed emissioni. I cementi con molta loppa, come il CEM III/B (66-80 per cento di loppa), guadagnano resistenza più lentamente e vanno stagionati con più cura, specie con il freddo. In cambio resistono meglio a cloruri e solfati e, secondo le dichiarazioni ambientali di prodotto dei produttori (che variano da stabilimento a stabilimento), emettono per tonnellata meno della metà di un CEM I.
L'acqua e il rapporto acqua/cemento
Il rapporto acqua/cemento (w/c) governa resistenza e porosità. L'idratazione completa del cemento richiederebbe un rapporto di circa 0,40. L'acqua in più serve solo a rendere la miscela lavorabile e, evaporando, lascia pori capillari: sono il percorso con cui anidride carbonica, cloruri e acqua raggiungono i ferri. Con cementi comuni, scendere da w/c 0,60 a 0,45 porta la resistenza a 28 giorni da circa 30 a circa 45 N/mm2 (valori indicativi, che dipendono dal cemento e dagli aggregati).
La lavorabilità si misura con l'abbassamento al cono di Abrams e si esprime in classi: S1 (10-40 mm), S2 (50-90 mm), S3 (100-150 mm), S4 (160-210 mm), S5 (oltre 220 mm). Aggiungere acqua in cantiere per fluidificare la miscela è la causa più comune di perdita di resistenza. In una miscela con 350 kg di cemento, 10 litri d'acqua in più per metro cubo alzano il rapporto w/c di circa 0,03.
Gli aggregati
Gli aggregati (EN 12620) sono la parte più abbondante e quella meno visibile. La dimensione massima è di norma 16-32 mm, e non deve superare un quarto della dimensione minima dell'elemento né impedire il passaggio tra i ferri. La distribuzione dei grani si confronta con la curva di Fuller, P = 100 √(d/D), dove P è la percentuale di passante al setaccio d e D è la dimensione massima. La curva dà la massima compattezza teorica e si corregge poi per ottenere la lavorabilità voluta.
Contano anche la pulizia e la reattività. Argille, cloruri e solfati nell'aggregato danneggiano la miscela, e alcuni aggregati silicei reagiscono con gli alcali del cemento (reazione alcali-silice, trattata nell'articolo sulle patologie). L'umidità degli aggregati va misurata ogni volta, perché l'acqua che portano con sé fa parte del dosaggio.
Additivi e aggiunte
Gli additivi (EN 934-2) si dosano in quantità inferiori al 5 per cento della massa del cemento. I riduttori d'acqua tolgono almeno il 5 per cento dell'acqua a parità di lavorabilità e i superfluidificanti di alta efficacia, oggi quasi tutti a base di policarbossilati, almeno il 12 per cento. Gli aeranti inglobano micro-bolle d'aria, di norma il 4-6 per cento in volume, per resistere ai cicli di gelo e disgelo (classi XF). Ritardanti e acceleranti regolano il tempo di presa in funzione della stagione e della distanza dall'impianto.
Le aggiunte sono materiali fini che entrano nel calcolo del legante: ceneri volanti (EN 450), fumo di silice (EN 13263), loppa macinata (EN 15167). Servono a densificare la matrice e, quando sostituiscono parte del cemento, a ridurre il clinker.
Un esempio di calcolo dei volumi
Si richiede un C32/40 in classe di esposizione XC4, consistenza S4, dimensione massima 25 mm. Dalla UNI 11104:2025 si ricava w/c massimo 0,50 e cemento minimo 320 kg/m3. Si sceglie un dosaggio di 370 kg/m3 e 175 litri d'acqua efficace, con superfluidificante, ottenendo w/c = 0,47. Il resto del volume lo occupano gli aggregati.
| Componente | Massa (kg) | Volume (litri) |
|---|---|---|
| Cemento CEM II/A-LL 42,5 R (densità 3,10) | 370 | 119 |
| Acqua efficace | 175 | 175 |
| Aria inglobata (2 per cento) | - | 20 |
| Sabbia 0/4 mm (38 per cento degli aggregati) | 690 | 260 |
| Ghiaietto 4/12 mm (25 per cento) | 454 | 171 |
| Ghiaia 12/25 mm (37 per cento) | 672 | 254 |
| Totale | 2.361 | 1.000 |
La stagionatura
Una miscela corretta si può rovinare nei primi giorni. Se la superficie asciuga prima che l'idratazione abbia chiuso i pori, lo strato esterno, che è proprio il copriferro, resta poroso e permeabile. La EN 13670 fissa una durata minima di protezione che dipende dalla velocità di sviluppo della resistenza e dalla temperatura. In cantiere si prevedono di norma almeno alcuni giorni di mantenimento dell'umidità (spesso sette) con teli, acqua nebulizzata o prodotti filmogeni, e più a lungo con cementi a sviluppo lento. Sotto i 5 °C l'idratazione rallenta molto e sotto zero il getto va protetto dal gelo.