IT202000031412A1 - Procedimento per la progettazione di miscele cementizie con aggregati riciclati - Google Patents
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Description
PROCEDIMENTO PER LA PROGETTAZIONE DI MISCELE CEMENTIZIE CON AGGREGATI RICICLATI
DESCRIZIONE
Campo di applicazione
La presente invenzione trova applicazione nel settore dei metodi per la produzione di miscele cementizie ed ha particolarmente per oggetto un metodo per la progettazione di miscele cementizie comprendenti aggregati riciclati, comunemente noti come RAC (Recycled Aggregate Concrete).
Stato della tecnica
Come ? noto, la necessit? di trovare soluzioni ecosostenibili in ambito edilizio ha condotto all?utilizzo sempre maggiore di miscele cementizie comprendenti materiali di scarto derivanti da attivit? varie, quali demolizioni, attivit? di ripristino di edifici o altre strutture, scarti della produzione del cemento, testi di laboratorio.
Tali materiali di risulta sono comunemente indicati con la sigla RCA (Recycled Concrete Aggregates).
? tuttavia evidente come gli RCA abbiano caratteristiche meccaniche non comparabili a quelle dei materiali naturali per cui il loro utilizzo deve essere ben ponderato.
Attualmente, sono noti alcuni metodi per la progettazione delle miscele di aggregati, ossia sia degli RCA che dei RAC.
Ad esempio, CN104261731 descrive un metodo di progettazione per una miscela di calcestruzzo aggregato riciclato (RAC) che prevede una prima fase di definizione di una resistenza di progetto per la miscela, successivo calcolo del rapporto acqualegante, consumo di acqua, consumo di materiale cementizio, rapporto di sabbia, consumo di aggregato fine e consumo di aggregato grossolano del RAC.
Le metodologie note, tuttavia, non considerano per? l?influenza delle varie componenti dell?RCA sulle propriet? ingegneristiche complessive.
Infatti, gli RCA possono essere considerati come un composto a due fasi costituito da Aggregati Naturali grossolani (NA ? Natural Aggregates) ed un composto di sabbia, prodotti di idratazione e frazioni di cemento non idratato, generalmente denominato Attached Mortar (AM).
Diversi studi evidenziano che le RCA sono significativamente pi? porose delle NA; questa maggiore porosit? ? dovuta all?AM, che ? caratterizzato da micro-crepe e pori accessibili dall?acqua.
La porosit? effettiva delle RCA dipende da due variabili: la composizione del calcestruzzo originale e il procedimento di lavorazione adottato per trasformare i detriti di calcestruzzo in aggregati di calcestruzzo riciclato.
Di conseguenza, le regole di mix-design comunemente impiegate per il calcestruzzo strutturale ordinario non possono essere applicate come tali per i RAC.
La presenza di un costituente caratterizzato da una maggiore porosit? ha una duplice influenza sulla resistenza del RAC.
Da un lato, una maggiore porosit? degli RCA si traduce in una maggiore capacit? di assorbimento dell?acqua degli aggregati, che influisce sull?effettivo rapporto acqua/cemento e, dall?altro, un costituente poroso rappresenta il "collegamento" debole all'interno dello scheletro solido della matrice composita cementizia.
Sebbene molti studi siano stati dedicati alla caratterizzazione delle propriet? degli RCA e allo studio delle prestazioni meccaniche dei RAC, solo poche procedure di mix design dedicate sono attualmente disponibili in letteratura per i calcestruzzi con aggregati riciclati.
Presentazione dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un metodo di ixdesign ovvero di progettazione di miscele cementizie (RAC) contenenti materiali cementizi aggregati riciclati (RCA) che sia particolarmente efficace e di semplice implementazione.
Uno scopo particolare ? quello di mettere a disposizione un metodo per la progettazione di miscele cementizie (RAC) che prenda in considerazione le caratteristiche delle varie componenti dell?RCA, ossia AM e NA.
Altro scopo particolare ? quello di mettere a disposizione un metodo di progettazione di miscele cementizie (RAC) contenenti materiali cementizi aggregati riciclati (RCA) che generalizzi le regole tipiche per la progettazione delle miscele tradizionali tenendo conto della maggiore porosit? delle RCA.
Altro scopo particolare ? quello di mettere a disposizione un metodo che sia bidirezionale, ossia che permetta sia di progettare un RAC avente determinate caratteristiche di progetto che di definire le propriet? di un RAC a partire dalla conoscenza della sua composizione.
Tali scopi, nonch? altri che appariranno pi? chiari in seguito sono raggiunti da un metodo secondo la rivendicazione 1, alla quale si rimanda per maggiore sinteticit? dell?esposizione.
Forme vantaggiose di esecuzione dell?invenzione sono ottenute in accordo alle rivendicazioni dipendenti.
Descrizione di alcune forme di realizzazione preferite dell?invenzione Nell?elaborazione di un metodo di mix-design di un RAC occorre innanzitutto tenere conto di quale sia l?influenza del contenuto della cosiddetta Attached Mortar sulle propriet? ingegneristiche degli RCA selezionati, in particolar modo in termini di porosit? e di capacit? di assorbimento idrico.
Come ? noto, infatti, la porosit? (o frazione di vuoti) ? definita come la frazione di volume dei vuoti sul volume totale di RCA esaminato e, pertanto, ? compresa tra 0 e 1, oppure tra 0 e 100%.
Inoltre, la porosit? aperta, ovvero la parte di vuoti reciprocamente connessa e accessibile all?aria e all?acqua dall?esterno dell?aggregato, ? di particolare rilevanza. Essa ? direttamente correlata alla capacit? di assorbimento dell?acqua, che esprime la quantit? massima di acqua che gli inerti possono assorbire. Quest?ultima pu? essere determinata come la differenza di peso tra lo stato di superficie secca satura e lo stato di essiccazione, espressa come percentuale del peso a secco in forno.
Si propone, innanzitutto, la seguente correlazione lineare tra il parametro p (in %), definente sia la porosit? aperta che la capacit? di assorbimento d?acqua in 24 ore, e il parametro AM (in %), che rappresenta invece il contenuto in Attached Mortar:
in cui ?d? ? il diametro degli aggregati espresso in millimetri e d0=20 mm ? un diametro della particella di riferimento.
La porosit? risultante dell?RCA ? espressa come combinazione lineare dei parametri pNA and pAM rappresentativi della porosit? delle due fasi NA and AM di cui si compone un RCA.
Il contenuto in AM ? previsto avere anche influenza sull?evoluzione nel tempo della capacit? di assorbimento dell?acqua. Sebbene, generalmente, si assume come riferimento il valore dell?assorbimento d?acqua dopo 24 ore di immersione, l?evoluzione temporale Abs(t) dell?acqua assorbita ? considerata come un?ulteriore propriet? rilevante degli RCA.
L?evoluzione temporale dell?assorbimento d?acqua comporta la seguente relazione analitica:
(2)
in cui k1 e k2 sono due costanti, solitamente poste uguali rispettivamente a 0.01 and 0.1, ed il tempo (t) ? espresso in ore. Il rapporto tra i parametri Abs (t) e p ? ovviamente compreso tra zero e uno.
La densit? delle particelle pu? essere correlata alla porosit? aperta. Si pu? ipotizzare la seguente correlazione tra queste due grandezze:
(3) in cui??0 ? comunemente posto uguale a 2700 kg/m<3 >e ?? ? un valore costante.
In secondo luogo, occorre tener conto dell?influenza della AM sulle propriet? ingegneristiche delle RAC, diretta conseguenza dell?influenza della AM sugli RCA, in particolare in termini di idratazione e resistenza alla compressione della miscela. La presenza degli RCA nel materiale cementizio e la loro condizione di umidit? iniziale influiscono sulle performance della miscela.
Le miscele RAC caratterizzate da rapporti di sostituzione degli aggregati pi? elevati hanno resistenze alla compressione inferiori; inoltre, quest?ultimo tende ad essere inferiore per le miscele con RCA inizialmente saturi (SAT).
Questa osservazione pu? essere interpretata tenendo conto che gli RCA sono pi? porosi delle NA: quando vengono miscelati in condizioni inizialmente sature, tendono a rilasciare parte dell'acqua assorbita e, quindi, a modificare l?effettiva quantit? di acqua disponibile per l?idratazione, aumentando il rapporto acqua/cemento w/c ?effettivo?. Al contrario, inizialmente gli RCA secchi (DRY) tendono ad assorbire parte dell?acqua di impasto e, quindi, a ridurre il suddetto rapporto effettivo w/c. Questo fenomeno ? meno evidente quando si utilizzano inerti naturali, in quanto questi ultimi hanno una capacit? di assorbimento d?acqua notevolmente inferiore.
L?analisi dei risultati sperimentali di resistenza a compressione ottenuti per impasti caratterizzati dallo stesso rapporto di sostituzione aggregato conferma l?influenza del rapporto w/c (nominale), che, nel calcestruzzo ordinario, ? dato dalla nota legge di Abrams.
Tuttavia, i valori di resistenza a compressione raggiunti da miscele caratterizzate sia dallo stesso rapporto di sostituzione degli aggregati che da un uguale valore di w/c sono maggiori per gli aggregati inizialmente secchi (DRY) rispetto a quelli saturi (SAT).
Ci? conferma che il valore nominale di w/c non pu? controllare la resistenza a compressione risultante di un RAC, ma dovrebbe essere generalizzato definendo un rapporto acqua/cemento ?efficace? che tenga conto sia dell?effettiva capacit? di assorbimento d?acqua degli inerti che della loro iniziale condizione di umidit?.
Sulla base delle considerazioni di cui sopra, si introduce la seguente espressione generale per definire un rapporto w/c ?effettivo?, tenendo conto dei suddetti parametri rilevanti:
(4)
in cui wadd ? l?acqua aggiuntiva che pu? essere eventualmente addizionata alla miscela per saturare almeno in parte gli aggregati, mentre pi e Pi rappresentano la capacit? di assorbimento ed il peso della i-esima frazione di aggregato; ? ? assunto pari a zero per miscele di aggregate di tipo SAT e 0.5 for miscele in condizioni DRY, sulla base dell?osservazione per cui, durante la miscelazione e la stabilizzazione, gli aggregati secchi possono assorbire una quantit? di acqua equivalente a circa il 50% della loro capacit? di assorbimento in 24 ore.
La resistenza a compressione Rc pu? essere correlata al corrispondente valore di ? (grado di idratazione) secondo la seguente relazione lineare:
(5)
in cui ?0 e Rc,max (con quest?ultimo che costituisce la Rc per ?=1) possono essere determinati mediante una regressione dei minimi quadrati per ciascuna miscela. Le conoscenze acquisite sul ruolo dei vari parametri rilevanti per la resistenza alla compressione e le correlazioni concettuali (e quantitative) possono essere utilizzate nella formulazione di un metodo per la progettazione di una miscela RAC basato sulle correlazioni che emergono tra Rc,max e ?0 e il rapporto effettivo acqua/cemento (w/c)eff definito dall'equazione (5).
Pertanto, occorre introdurre altri due parametri per esprimere l?effetto di indebolimento in miscele con elevati rapporti di sostituzione degli aggregati:
(6)
(7)
che rappresentano la riduzione rispettivamente della Rc,max e di ?0 rispetto ai valori Rc,max,NAT e ?0,NAT delle miscele di riferimento: in principio, i due parametri sono compresi tra 0 e 1.
Poich? ci si pu? aspettare che la riduzione di Rc,max e ?0 sia correlata alla maggiore porosit? degli RCA, entrambi possono essere espressi in funzione della ?porosit? media ponderata? AMIX definita come segue:
(8)
in cui pi ? la porosit? della i-esima frazione degli aggregati grossolani e Vi ? il volume della frazione corrispondente.
Pi? nello specifico, si introduce la seguente formula analitica per descrivere la correlazione tra r* e a* ed AMIX:
(9)
(10)
in cui ANAT corrisponde ad AMIX per una miscela cementizia ordinaria e aR, bR, a ? and b ? sono costanti calibrate sperimentalmente.
Si evince una stretta correlazione tra (w/c)eff e Rc,max/r* che pu? essere considerata come un legge di Abram generalizzata secondo la formula seguente ?s:
(11)
in cui AR e BR sono determinati su base sperimentale.
Allo stesso modo, si riscontra una correlazione lineare tra (w/c)eff e?0/?*, secondo la formula seguente:
<(12) >
in cui A ? e B ? sono determinati su base sperimentale.
Di seguito si riassume un metodo per una progettazione razionale di RAC o, analogamente, per prevedere l?evoluzione temporale della resistenza a compressione per una data miscela contenente RCA.
Prima di tutto, sono necessari i seguenti dati di input:
- la capacit? di assorbimento dell?acqua determinata per ciascuna frazione di aggregato;
- composizione di una miscela di riferimento in termini di frazioni di volume di NA e il corrispondente valore ANAT che caratterizza la maggior parte dei suoi aggregati.
Per prevedere la resistenza alla compressione di una miscela RAC caratterizzata da un certo rapporto di sostituzione di NA con RAC si eseguono i seguenti calcoli: dopo aver impostato il rapporto di sostituzione, si determina il valore AMIX per la miscela aggregata secondo l?eq. (9);
i parametri r * e ? * sono determinati tramite le eq. (10) e (11);
i valori di Rc, max e ?0 possono essere ottenuti applicando le eq. (12) e (13):
il valore della resistenza a compressione Rc a 28 giorni ? determinato mediante l?eq. (6), una volta determinato il corrispondente valore di ? tramite una simulazione numerica del processo di idratazione effettuata mediante modelli disponibili in letteratura; in assenza di determinazioni pi? accurate, pu? essere adottata la seguente relazione analitica:
(13)
La procedura sopra descritta pu? anche essere invertita. Una volta selezionata la resistenza a compressione Rc obiettivo, ? possibile determinare i corrispondenti valori di AMIX e, quindi, la composizione della miscela: ? possibile, tuttavia, che sia necessario limitare il rapporto di sostituzione degli aggregati oltre che prevedere un processo di pulizia al fine di ridurre la porosit? dell'aggregato.
La procedura di mix-design prevede innanzitutto la definizione di un valore di progetto per la resistenza alla compressione Rc, che potr? essere ad esempio la Rc a 28 giorni. In maniera preferita si definir? anche la classe di lavorabilit?, ad esempio mediante un indice della consistenza o Slump S, secondo i seguenti intervalli di valore:
? S1 ? Slump tra 10 a 40 mm;
? S2 ? Slump tra 50 a 90 mm;
? S3 ? Slump tra 100 a 150 mm;
? S4 ? Slump tra 160 a 210 mm;
? S5 ? slump ? 220 mm.
Per ogni classe di aggregate (i) si definiscono o si misurano i seguenti valori:
? Intervallo del diametro nominale (dmax,i e dmin,i);
? Tipologia di aggregato (NA o RCA);
? Capacit? di assorbimento dell?acqua a 24 ore (pi) oppure corrispondente densit? delle particelle (?i)
Una prima fase prevede la definizione della distribuzione granulare e delle propriet? degli aggregati, secondo la seguente sequenza.
1- Valutazione della densit? delle particelle (o capacit? di assorbimento di acqua p se la densit? ? misurata) tramite l?equazione (5):
2- Valutazione dell?Attached Mortar (AM) per ogni classe di RCA, tramite l?equazione (2):
3- Distribuzione delle misure dei grani tramite l?equazione di Fuller:
??..
in cui Dmax p la misura massima degli aggregati considerati nella miscela.
4 ? Valutazione della frazione volumetrica della i-esima classe di aggregati (Vi) rispetto al volume totale degli aggregati grossolani:
(considerando solo la frazione grossolana) Una fase successiva prevede il proporzionamento della RAC secondo la seguente sequenza.
1 ? Valutazione della porosit? media degli aggregati grossolani nella miscela (AMIX) con l?equazione (7):
2 - Valutazione della porosit? media degli inerti grossolani di una miscela di riferimento (a parit? di distribuzione granulometrica) prodotta con NA:
3 ? Valutazione dei fattori di correzione per Rc,max e?0 con le equazioni (10) and (11):
4 ? Calcolo del coefficiente w/c effettivo:
a) Inversione dell?equazione (14):
b) Sostituzione della equazione inversa (14) nelle equazioni (12) e (13):
c) Valutazione di ?max mediante sostituzione dell?equazione inversa (14), delle equazioni (12) e (13) nell?equazione (1) con Rc uguale alla resistenza di progetto:
d) Calcolo del rapport w/c effettivo dall?equazione (14):
5- Valutazione della quantit? di acqua libera in funzione dello slump richiesto e della dimensione massima dell?aggregato (regola di Lyse):
6 - Valutazione del contenuto in cemento:
7 ? Valutazione del volume di impasto e di aggregati volume:
8 - Valutazione della proporzione in peso per ogni classe di aggregato:
9 ? Valutazione dell?acqua assorbita nella miscela:
con ? uguale a 1 per condizioni di umidit? iniziali asciutte degli RCA ed uguale a 0 per condizioni di saturazione.
10 ? Valutazione del quantitativo totale di acqua:
Claims (10)
- Rivendicazioni 1. Un procedimento per la progettazione di una miscela cementizia da aggregati riciclati (RAC), comprendente le seguenti fasi: a) definizione di una pi? delle caratteristiche tecnologiche della miscela, tra cui almeno la resistenza alla compressione di progetto (Rc), preferibilmente la resistenza alla compressione (Rc) a 28 giorni; b) selezione di una pluralit? di aggregati derivanti da riciclo e definizione delle caratteristiche di ciascuna frazione di aggregati in termini di granulometria e della relativa capacit? di assorbimento di acqua nelle 24 ore; c) determinazione del valore di acqua libera da aggiungere in funzione della granulometria massima; d) calcolo della quantit? di cemento da aggiungere alla miscela; in cui detto calcolo della quantit? di cemento ? eseguito in funzione del rapporto acqua/cemento effettivo misurato in funzione di detta capacit? di assorbimento di acqua nelle 24 ore di ciascuna frazione di aggregato.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui in detta fase a) si definisce anche l?indice di lavorabilit? (Slump) ed in cui in detta fase c) il valore di acqua libera da aggiungere ? determinato anche in funzione dell?indice di lavorabilit? desiderato.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui per ognuna di dette frazioni di aggregati si valuta la relativa composizione in Aggregati Naturali (NA) ed in Attached Mortar (AM) ed il relativo intervallo (dmin, dmax) del diametro delle particelle.
- 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta resistenza a compressione Rc ? correlata al grado di idratazione (?) secondo la seguente relazione lineare:in cui Rc,max ? Rc per ?=1 ed in cui ?0 e Rc,max sono determinati mediante una regressione dei minimi quadrati per ciascuna miscela.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto effettivo di acqua e cemento (w/c)eff ? calcolato con l?inversione della seguente equazionein cui ?max ? il grado di idratazione a 28 giorni.
- 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ? prevista una fase di proporzionamento della miscela RAC mediante valutazione della porosit? media degli aggregati grossolani nella miscela (AMIX) con l?equazione:e successiva valutazione della porosit? media degli inerti grossolani (ANAT) di una miscela di riferimento avente pari distribuzione granulometrica prodotta con aggregati naturali (NA) mediante la seguente equazione:
- 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui per il calcolo di Rc,max e ?0 si applicano rispettivamente un primo fattore correttivo r<* >ed un secondo fattore correttivo ?<* >calcolati mediante le equazioni:in cui ANAT corrisponde ad AMIX per una miscela cementizia ordinaria e aR, bR, a? and b ? sono costanti calibrate sperimentalmente.
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il contenuto in cemento ? dato dalla seguente equazione:ed in cui il contenuto in acqua totale ? dato dalla seguente formulain cui wads ? l?acqua assorbita dalla miscela.
- 9. Procedimento per il calcolo della resistenza a compressione di una miscela cementizia da aggregati riciclati (RAC) caratterizzato dal fatto di essere eseguito mediante inversione di un metodo di progettazione secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti.
- 10. Procedimento per la determinazione della composizione di una miscela di riferimento in termini di frazioni volumetriche di Aggregati Naturali (NA) e del corrispondente coefficiente di porosit? media ponderata ANAT; comprendente le seguenti fasi: a) determinazione di un rapporto di sostituzione di detti Aggregati Naturali con una miscela cementizia di aggregati di riciclo (RCA); b) determinazione del coefficiente di porosit? media ponderata AMIX per detta miscela cementizia (RCA); c) calcolo della resistenza alla compressione massima Rc,max e del grado di idratazione ?0 mediante le seguenti equazioniin cui il valore di ? ? determinato tramite una simulazione numerica del processo di idratazione effettuata mediante modelli disponibili in letteratura ovvero mediante la seguente relazione analitica:ed in cui r* e ?* sono rispettivamente un primo ed un secondo parametro indicatori rispettivamente della riduzione in termini di resistenza alla compressione e di grado di idratazione della miscela in seguito alla sostituzione di detti Aggregati Naturali con detta miscela cementizia (RCA).
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