Aggregati per calcestruzzo e miscele bituminose

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Cemento e asfalto sono di gran lunga i materiali da costruzione più comuni utilizzati oggi. Il calcestruzzo è un materiale composito costituito da cemento, acqua, aria, aggregati grossolani e aggregati fini. Gli aggregati fini sono tipicamente sabbie e gli aggregati grossolani sono rocce naturali o frantumate. Sono anche comunemente usati additivi chimici per modificare determinate proprietà specifiche (ad esempio, superplastificanti per rendere fluido il calcestruzzo durante la fusione). Le miscele asfaltiche sono costituite principalmente da asfalti, aggregati grossolani e aggregati fini, oltre a una serie di emulsionanti e altri additivi utilizzati per migliorare la viscosità durante il posizionamento.

Sia nelle miscele di calcestruzzo che in quelle asfaltiche, gli aggregati costituiscono una parte molto significativa del volume della miscela, poiché l'economia richiede che la quantità di cemento e asfalto sia ridotta al minimo. Due tipi di aggregati sono comunemente riconosciuti: aggregati grossolani, definiti come particelle più grandi di circa 4,75 mm (rocce), e aggregati fini, costituiti da particelle più piccole (sabbie). Altre caratteristiche importanti degli aggregati sono che sono rigidi, durevoli e chimicamente inerti rispetto alla malta cementizia o all'asfalto. Gli aggregati sono destinati ad essere riempitivi, ma non sono destinati a svolgere un ruolo chiave nel comportamento di entrambi i materiali. Tuttavia, la rigidità e la resistenza degli aggregati devono essere superiori alla malta cementizia o all'asfalto, in modo da non essere la fase di controllo.

Per prestazioni efficaci, diverse caratteristiche degli aggregati, che vanno dalle loro proprietà meccaniche e chimiche alla loro distribuzione dimensionale, devono essere prese in considerazione nella progettazione della miscela aggregata. Inoltre, entrambe le miscele di calcestruzzo subiscono un comportamento molto diverso quando vengono posizionate, con i materiali che assomigliano a un fluido newtoniano, e quando nella loro configurazione indurita, con i materiali che assomigliano a un solido elastico. Inoltre, nel caso dell'asfalto, l'intervallo di temperatura di servizio è molto importante, poiché le proprietà degli asfalti dipendono dalla temperatura all'interno del consueto intervallo di temperatura di manutenzione.

In questo laboratorio, esamineremo le proprietà di base degli aggregati necessari per sviluppare progetti di mix di calcestruzzo di successo. Le proprietà necessarie per gli asfalti sono molto simili, ma a volte utilizzano tecniche di test diverse. Le caratteristiche primarie che esamineremo sono la distribuzione dimensionale, il peso specifico, l'assorbimento, il contenuto di umidità e la densità apparente, che saranno tutti descritti e misurati in questo esercizio di laboratorio. Altre caratteristiche importanti che non saranno affrontate in questo modulo sono la forma e l'angolarità delle particelle, la resistenza all'abrasione e agli urti, la stabilità chimica, nonché la solidità e la presenza di sostanze organiche nocive.

Poiché gli aggregati sono utilizzati principalmente come riempitivi e sono relativamente economici, è importante che occupino il maggior volume possibile per ridurre al minimo il volume della pasta. Nel caso di miscele di calcestruzzo, è necessario ottenere un'adeguata distribuzione dimensionale affinché il volume di pasta sia ridotto al minimo. Una distribuzione uniforme (particelle di dimensioni simili) richiederà più pasta per riempire i vuoti rispetto a un aggregato correttamente classificato (particelle di molte dimensioni). Un aggregato correttamente classificato contiene particelle di tutte le dimensioni in modo tale che pochissimo spazio deve essere riempito dalla pasta. Inoltre, la distribuzione dimensionale delle particelle avrà una grande influenza sulle proprietà del calcestruzzo fresco, compresa la sua scorrevolezza, o la capacità di essere facilmente collocato nelle forme, e la finibilità, o la capacità di ottenere una superficie piana con buone caratteristiche di vestibilità.

Attraverso molti anni di esperienza sul campo e test di laboratorio, le curve di gradazione sono state sviluppate come intervalli raccomandati per la classificazione di aggregati sia grossolani che fini. In queste curve, l'asse orizzontale si riferisce alla dimensione delle particelle, con aggregati fini o sabbie a sinistra e aggregati grossolani (o rocce) a destra. L'asse verticale rappresenta la percentuale cumulativa di particelle più piccole della dimensione data. Per motivi pratici, le distribuzioni ottimali sono specificate come intervalli. Ad esempio, la sabbia molto fine deve avere al massimo l'85% delle sue particelle con una dimensione n.16 (1.118 mm) o inferiore, mentre la sabbia molto grossolana deve avere al massimo il 55% delle sue particelle al di sotto di questa dimensione. Le miscele di aggregati pratici avranno quindi circa il 55-85% delle sue particelle che passano il setaccio da 1,18 mm.

Per entrambi i tipi di aggregati, questi intervalli sono definiti eseguendo prove di setaccio con setacci a dimensioni standard specificate e in ordine decrescente di aperture di setaccio al fine di determinare le quantità di aggregati di una determinata dimensione e la loro distribuzione cumulativa. Il setaccio più piccolo attraverso il quale passa l'intera quantità di aggregato è chiamato la dimensione massima dell'aggregato, mentre il setaccio attraverso il quale passa il 95% dell'aggregato dà il massimo nominale size dell'aggregato. Una relazione importante che è nascosta all'interno delle curve di gradazione è che la superficie totale degli aggregati dovrà essere rivestita con acqua durante la miscelazione per ottenere una corretta lavorabilità. Se ci sono troppe particelle fini, la superficie sarà alta e molta acqua sarà utilizzata per rivestire le particelle, risultando in una miscela di calcestruzzo più rigida che è più difficile da posizionare.

Per gli aggregati fini, viene spesso calcolato un modulo di finezza (FM). Il modulo di finezza è definito come la somma delle percentuali trattenute in peso dai setacci n. 4 a n. 100, divisi per 100. I valori tipici per il modulo di finezza vanno da circa 2,3 a 3,1, con il primo costituito più da particelle fini e il secondo da particelle più grossolane. L'FM può variare notevolmente con l'applicazione. Ad esempio, l'FM può essere a partire da 1,8 per l'uso in malte per muratura, che non contengono aggregati grossolani e che richiedono una maggiore finibilità.

I progetti di miscele di calcestruzzo sono molto sensibili al contenuto di acqua e, poiché gli aggregati grossolani e fini sono tipicamente immagazzinati all'aperto ed esposti al vento e alla pioggia, è necessario tenere conto anche delle tracce di acqua presenti nell'aggregato. Di solito vengono riconosciute quattro condizioni ambientali. La condizione di asciutto del forno, come suggerisce il nome, si verifica dopo che l'aggregato è stato posto in un forno per un tempo sufficientemente lungo e ad alta temperatura, in modo tale che tutta l'acqua sia evaporata. La condizione di secchezza dell'aria si verifica quando alcuni, ma non tutti i pori interni sono riempiti. La condizione di superficie satura secca (SSD) si verifica quando tutti i pori interni sono saturi, ma la superficie è asciutta. La condizione SSD è quella utilizzata come riferimento per la progettazione della miscela e si ottiene immergendo gli aggregati in acqua fino a quando tutti i pori interni sono saturi e quindi asciugando la superficie di tutte le particelle. Questo può essere fatto con un piccolo sforzo per l'aggregato grossolano, ma è molto difficile da fare per gli aggregati fini in quanto è impossibile ottenere la superficie di tutte le particelle di sabbia asciutta senza attingere l'acqua dai pori interni. In alternativa, l'SSD per aggregato fine può essere misurato utilizzando il test di slump, come descritto nella sezione del protocollo. Per questo, uno stampo conico viene riempito con sabbia o aggregato e quindi imballato. Lo stampo viene capovolto e rimosso. Se crolla leggermente, è in condizioni SSD. Se lo stampo mantiene la sua forma, l'aggregato è in condizioni umide o bagnate. La condizione umida o umida si verifica dopo che l'aggregato è stato immerso in acqua abbastanza a lungo che tutti i pori interni sono saturi e la superficie è bagnata. In pratica, gli aggregati saranno in un ambiente umido (troppa acqua) o secco all'aria (troppo poca acqua) rispetto alle condizioni SSD di progettazione. Pertanto, prima della miscelazione, la quantità di acqua deve essere regolata.

Sebbene la gamma di contenuti di umidità dal forno secco a quello bagnato sia piccola (per lo più nell'intervallo dal 4% al 6%), la quantità di aggregati in una tipica miscela di calcestruzzo è molto più grande di quella dell'acqua, spesso nell'intervallo da 25 a 1. Pertanto, anche una piccola differenza nel contenuto percentuale di acqua degli aggregati può avere un enorme effetto sull'acqua totale che deve essere aggiunta per mantenere un certo rapporto acqua-cemento, la variabile principale utilizzata per controllare la resistenza e la durata delle miscele di calcestruzzo. La capacità di assorbimento di un aggregato è definita come:

(Eq. 1)

Il contenuto di umidità di un campione di peso W è definito come:

(Eq. 2)

Il peso specifico alla rinfusa è definito come il rapporto tra la massa di un volume unitario di aggregato, compresa l'acqua nei vuoti, e la massa di un volume uguale di acqua distillata senza gas alla temperatura dichiarata. Questo è in contrasto con il peso specifico apparente, che ha una definizione simile ma non include il volume d'acqua nei vuoti. Il peso specifico alla rinfusa è una caratteristica aggregata importante perché le miscele sono spesso specificate dal volume o dal peso dei costituenti, e quindi è fondamentale essere in grado di passare da un insieme di misure all'altro. I valori di peso specifico sono indicati come se si trovasse in condizioni di asciutto a secco o di superficie satura. Nel primo caso, il peso specifico di massa è la massa secca del forno divisa per la massa di un volume d'acqua pari al volume aggregato SSD. In quest'ultimo caso, il peso specifico di massa dell'SSD è la massa satura superficiale-secca divisa per la massa di un volume d'acqua pari al volume aggregato dell'SSD. La maggior parte degli aggregati ha un SSD a peso specifico di massa compreso tra 2.3 e 3.0.

Altre caratteristiche chiave che influenzano la scelta delle fonti aggregate sono l'inerzia chimica e la resistenza all'usura. L'inerzia chimica è auspicabile per evitare problemi come l'attacco di solfato e le reazioni alcali-silicati, che hanno comportato perdite sostanziali in passato, in quanto sono problemi che emergono molti anni dopo che il calcestruzzo è stato gettato. La resistenza all'usura si riferisce alla capacità delle particelle aggregate di resistere al deterioramento del traffico pedonale e veicolare senza usura indebita o intasamento. I test per queste caratteristiche esulano dallo scopo di questo laboratorio e non saranno discussi.

Contenuto di umidità e peso specifico (per aggregati fini)

1. Ottenere circa 1 kg di aggregato fine secco all'aria (sabbia) e metterlo in una padella metallica piatta. La sabbia dovrebbe essere stata asciugata in un forno a temperature superiori a 220 ° F per almeno 24 ore per far evaporare tutta l'acqua.
2. Portare l'aggregato fine alle condizioni SSD cospargendo alcune gocce d'acqua sulla sabbia asciutta all'aria e mescolando accuratamente.
3. Tenere saldamente uno stampo conico sulla padella metallica piatta con il grande diametro verso il basso.
4. Posizionare una parte della sabbia liberamente nello stampo riempiendolo fino al punto di trabocco, quindi accumulare ulteriore sabbia sopra la parte superiore dello stampo.
5. Tamponare leggermente la sabbia nello stampo con 25 gocce leggere dell'asta di pigiatura. Inizia ogni goccia di circa 0,2 pollici sopra la parte superiore della sabbia. Lascia che l'asta cada liberamente su ogni goccia. Regolate l'altezza iniziale in base alla nuova elevazione della superficie dopo ogni goccia e distribuite le gocce uniformemente sulla superficie.
6. Pulire la sabbia sciolta da intorno alla base e rimuovere lo stampo sollevandolo verticalmente. Quando la sabbia crolla leggermente indica che ha raggiunto una condizione di superficie satura asciutta. Se il cono mantiene la sua forma di stampo, la sabbia è ancora in condizioni umide e il processo deve essere ripetuto usando meno acqua. Questa è una procedura per tentativi ed errori.
7. Prendi circa 400 g di aggregato SSD. Registrare il peso esatto del campione SSD (D).
8. Riempire un matraccio con 500 ml di acqua e registrare il peso dell'acqua e del matraccio in grammi (B). La temperatura dell'acqua dovrebbe essere di circa 73 ± 3^oF (23 ± 1,5^oC).
9. Svuotare l'acqua dal pallone e aggiungere l'intero campione di sabbia SSD al pallone. Riempire il matraccio con acqua a circa 1/2 in. sopra l'aggregato. Applicare il vuoto e l'azione di rotolamento per eliminare l'aria intrappolata nell'aggregato. Questa azione richiederà almeno 5 minuti.
10. Riempire il pallone con acqua fino a 500 ml di marchio. Registrare il peso totale (in grammi) del matraccio più l'acqua più l'aggregato (C).
11. Calcola il peso specifico di massa (SSD) in base ai pesi B, C, D e confronta il valore calcolato con il valore tipico per assicurarti che i dati ottenuti siano accurati.
12. Versare l'intero contenuto del pallone in una padella e metterlo in forno. L'acqua supplementare del rubinetto può essere utilizzata, se necessario, per lavare tutto l'aggregato dal pallone. Dopo 24 ore, restituire e misurare il peso dell'aggregato secco del forno (A).

Analisi del setaccio (per aggregati fini)

1. Ottenere il giusto peso dell'aggregato secco. Per l'aggregato fine, utilizzare circa 400 grammi.
2. Assemblare setacci da 8" di diametro nel seguente ordine: #4, #8, #16, #30, #50, #100, padella.
3. Posizionare gli aggregati nella parte superiore della pila del setaccio e coprire con il coperchio. Fissare correttamente i setacci nello shaker meccanico e accendere lo shaker per cinque minuti.
4. Pesare i materiali che vengono trattenuti su ciascuno dei setacci, compreso il peso trattenuto sulla padella, e registrare sulla scheda tecnica. Se la somma di questi pesi non è entro 0,1% il numero di setacci utilizzati (0,6%) del peso del campione originale, la procedura deve essere ripetuta. In caso contrario, utilizzare la somma del peso trattenuto nella padella per calcolare la percentuale trattenuta su ciascun setaccio.
5. Calcolare la percentuale cumulativa mantenuta e la percentuale che passa ogni setaccio. Traccia le curve di gradazione per gli aggregati fini dell'esperimento sul grafico di gradazione, come mostrato di seguito nel grafico di esempio riportato di seguito.
6. Calcolare il modulo di finezza per l'aggregato fine.

Tabella 1: Dati del test di umidità aggregata fine

Dai dati di cui sopra (Tabella 1), i valori di peso specifico e di assorbimento sono calcolati come segue (Tabella 2):
Peso specifico apparente (secco) = A / (B + A-C)
Peso specifico alla rinfusa (secco) = A / (B + D-C)
Peso specifico di massa (SSD) = D / (B + D-C)
Assorbimento = ((D-A) / A) x 100%

Tabella 2: Riepilogo dei risultati dei test di umidità

La tabella 3 illustra il calcolo del modulo di finezza. Un'interpretazione del modulo di finezza potrebbe essere che rappresenta il setaccio medio (ponderato) del gruppo su cui è conservato il materiale, il n. 100 è il primo, il n. 50 il secondo, ecc. Pertanto, per la sabbia con un FM di 3,00, il setaccio n. 30 (il terzo setaccio) sarebbe la dimensione media del setaccio su cui viene trattenuto l'aggregato. Nel nostro caso, un modulo di finezza di 2,92 indica che ci sono molte particelle fini nel nostro campione aggregato, poiché un modulo di alta finezza indica che molte particelle sono rimaste intrappolate nei setacci più piccoli.

Tabella 3: Calcolo del campione nella determinazione del modulo di finezza

Modulo di finezza della sabbia = % cumulativo trattenuto/100
= (12,2+28,5+40,7+54,9+73,2+93,5)/100 = 3,02
* #200 setaccio non deve essere incluso nel calcolo dell'FM.

In questa esercitazione di laboratorio sono state esaminate tre importanti caratteristiche degli aggregati utilizzati nelle miscele di calcestruzzo. Il primo è il contenuto di umidità e la capacità di assorbimento. Queste quantità sono necessarie per determinare correttamente la quantità di acqua da aggiungere a una miscela di calcestruzzo. La seconda caratteristica è il peso specifico. Questo valore è necessario perché a volte è necessario passare dai volumi ai pesi e viceversa nel dosaggio delle miscele di calcestruzzo. La terza caratteristica è la distribuzione dimensionale o gradazione. È auspicabile un'adeguata gradazione di un aggregato in una miscela di calcestruzzo di cemento Portland al fine di garantire la lavorabilità della miscela di calcestruzzo e l'economia nell'uso del cemento. Per il calcestruzzo asfaltato, una gradazione adeguata non solo influenzerà la lavorabilità della miscela e l'economia nell'uso dell'asfalto, ma influenzerà anche in modo significativo la resistenza e altre proprietà integrali.

Nella progettazione di miscele di calcestruzzo e asfaltica, è sempre auspicabile massimizzare l'uso di aggregati fini e grossolani, in quanto sono il componente meno costoso di queste miscele. Le miscele di calcestruzzo sono utilizzate in molti progetti di costruzione, che vanno dalla costruzione di ponti a centrali elettriche e impianti industriali. L'uso appropriato della gradazione, del contenuto di umidità e del modulo di finezza si tradurrà in progetti infrastrutturali durevoli ed efficienti.