Proprietà del calcestruzzo: valori tecnici e come cambiano nel tempo

Capita spesso di trovare una soletta industriale di trenta metri, gettata in estate senza giunti, con una fessura trasversale ogni quattro o cinque metri. Nessun errore di calcolo: il calcestruzzo si è accorciato e l'attrito con il sottofondo gli ha impedito di farlo liberamente. Con un ritiro finale di 0,4 per mille, trenta metri di soletta tendono ad accorciarsi di 12 mm. Una variazione di temperatura di 30 °C aggiunge altri 9 mm. Le proprietà fisiche del calcestruzzo si leggono bene solo se si ricorda che nessuna di esse è costante nel tempo.

Massa volumica

Il calcestruzzo ordinario ha una massa volumica tra 2.000 e 2.600 kg/m³ (EN 206). Sotto i 2.000 si parla di calcestruzzo leggero, sopra i 2.600 di pesante. Nei calcoli delle azioni le NTC 2018 assumono 24 kN/m³ per il calcestruzzo ordinario e 25 kN/m³ per quello armato. L'armatura pesa: con 100 kg di acciaio per metro cubo la massa del calcestruzzo cresce di quasi il 3 per cento.

Resistenza e sviluppo nel tempo

La classe si riferisce ai 28 giorni, ma l'idratazione continua. L'Eurocodice 2 descrive la crescita con un coefficiente β_cc(t) = exp{s [1 - (28/t)^0,5]}, dove s vale 0,20 per i cementi a sviluppo rapido (42,5 R, 52,5 N e R), 0,25 per quelli a sviluppo normale (32,5 R, 42,5 N) e 0,38 per quelli lenti (32,5 N). Con s = 0,25 a sette giorni il calcestruzzo ha circa il 78 per cento della resistenza a 28 giorni e a 90 giorni circa il 112 per cento. Con un cemento lento (s = 0,38) a sette giorni si è al 68 per cento: è il dato da considerare prima di disarmare.

La resistenza a trazione è circa un decimo di quella a compressione e la sua dispersione è più alta. Per questo il progetto la trascura nei calcoli di resistenza e la usa per le verifiche di fessurazione e di aderenza. Il coefficiente di Poisson vale 0,2 per calcestruzzo non fessurato e si assume nullo per quello fessurato.

Rigidezza e viscosità

Il modulo elastico secante E_cm sale da 30 a 37 GPa tra C20/25 e C50/60, molto meno dell'acciaio (210 GPa). La rigidezza dipende anche dall'aggregato: a parità di classe, un calcestruzzo con aggregati di basalto è più rigido di uno con calcare tenero.

Sotto un carico costante il calcestruzzo continua a deformarsi per anni. Questo fenomeno, la viscosità, si descrive con un coefficiente φ che per strutture correnti vale tra 1,5 e 3. La deformazione finale è pari a quella istantanea moltiplicata per (1 + φ): con φ = 2,5, una freccia di 5 mm subito dopo il disarmo diventa 17,5 mm a lungo termine. È la ragione per cui le frecce dei solai si verificano con il modulo ridotto E_c,eff = E_cm/(1 + φ) e per cui contromonta e rigidezza vanno pensate fin dal progetto.

Ritiro

Il ritiro ha due componenti. Il ritiro autogeno avviene mentre il cemento si idrata e cresce al diminuire del rapporto w/c, quindi pesa soprattutto negli HPC. Il ritiro da essiccamento dipende dall'umidità dell'ambiente, dalla dimensione dell'elemento e dal contenuto d'acqua. I valori finali per strutture correnti sono dell'ordine di 0,2-0,6 per mille. Se il ritiro è impedito dal vincolo, nascono tensioni di trazione che il calcestruzzo non regge e il risultato è la fessura. Giunti di controllo, armatura minima, stagionatura umida e basso contenuto d'acqua sono le misure di cantiere più efficaci.

Comportamento termico e al fuoco

Il coefficiente di dilatazione termica del calcestruzzo è di circa 10 x 10^-6 per kelvin, molto vicino a quello dell'acciaio (12 x 10^-6). È un caso fortunato: se i due materiali si dilatassero in modo molto diverso, il cemento armato non esisterebbe. La conducibilità termica varia da 1,35 a 2,3 W/(m K) a seconda della massa volumica e della quantità di armatura (EN ISO 10456), il calore specifico è circa 1.000 J/(kg K). La massa elevata e la conducibilità media danno una buona inerzia termica, utile contro il surriscaldamento estivo.

Il calcestruzzo non brucia e protegge l'armatura, ma perde resistenza con la temperatura. Secondo la EN 1992-1-2, con aggregati silicei a 500 °C conserva circa il 60 per cento della resistenza a compressione. Nei calcestruzzi molto densi (HPC, UHPC) il vapore intrappolato può provocare il distacco esplosivo dello strato superficiale, rischio che si riduce aggiungendo fibre di polipropilene che fondendo creano canali di sfogo.