ITMI20001699A1

ITMI20001699A1 - Agente coesivizzante inorganico per impasti cementizi autocompattanti

Info

Publication number: ITMI20001699A1
Application number: IT2000MI001699A
Authority: IT
Inventors: Marco Tiziana De
Original assignee: Italcementi Spa
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-01-25
Also published as: EP1176124A1; US20040149173A1; IT1318642B1; US6855200B2; ITMI20001699A0; ES2234766T3; DE60107625D1; ATE284371T1; EP1176124B1; US20020040664A1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce a un agente coesivizzante inorganico per impasti cementizi autocompattanti.

Sono ben noti in letteratura i calcestruzzi autocompattanti (self-compacting concrete, SCC) che sono stati sviluppati in Giappone a partire dagli anni '80 (Okamura, H.; Kunishima, M.; Maekawa, K. and Ozawa, K.; High Performance Concrete based on thè Durability Design of Concrete Structures, Proceedings of EASEC-2, No.l, January 1989, pag. 445-450). Tali calcestruzzi autocompattanti consistono in conglomerati cementizi che presentano allo stato fresco una tale fluidità {autolivellanti) da potere essere messi in opera senza necessità di vibrazione e senza richiedere sforzi di compattazione.

Tali impasti cementizi autocompattanti devono avere eccellenti proprietà sia allo stato fresco (fluidità, coesione e assenza di segregazione), sia allo stato indurito (resistenze meccaniche e durabilità). Queste caratteristiche si possono ottenere adottando allo stesso tempo un basso rapporto acqua/cemento, l'uso di additivi superiluidificanti e l'aggiunta di agenti coesivizzanti o viscosizzanti.

Caratteristica principale dei calcestruzzi autocompattanti, in quanto autolivellanti , è una fluidità estremamente elevata: questo significa che la misura dell'abbassamento al cono di Abrams ("slump test") è così elevata (>240 mm) da non essere più significativa; perciò si ricorre alla misura del diametro medio di calcestruzzo sformato dal cono ("slump flow") che deve raggiungere valori di almeno 600 mm.

L'altra caratteristica essenziale di un calcestruzzo autocompattante, accanto ad una fluidità molto elevata, è l'assenza di bleeding e segregazione. Tale assenza di segregazione viene realizzata mediante l'aggiunta di fillers minerali estremamente efficaci quali per esempio il fumo di silice e/o di agenti viscosizzanti di natura organica, quali prodotti a base di cellulosa modificata.

Per quanto riguarda le proprietà allo stato indurito, adeguate resistenze meccaniche, in particolare a compressione, e buona durabilità delle strutture in calcestruzzo possono essere ottenute in un materiale con grado di compattazione elevato.

La durabilità del calcestruzzo è correlata alla permeabilità in funzione dell'omogeneità delle fasi che lo compongono (matrice, aggregato, zona di transizione). In generale, una ridotta permeabilità del materiale e l'uniformità dei valori di permeabilità nelle diverse zone di un manufatto cementizio, sono indici di un buon grado di compattazione.

Non esiste una misura assoluta di un coefficiente di permeabilità, ma ci sono diversi metodi che misurano differenti meccanismi di trasporto di fluidi attraverso il materiale. Uno di questi metodi è la permeabilità ai gas, in particolare la permeabilità all'aria.

Scopo della presente invenzione è quello di individuare un agente alternativo a quelli esistenti nello stato dell'arte che impartisca caratteristiche coesivizzanti e compattanti e consenta quindi di ottenere un calcestruzzo autocompattante che presenta contemporaneamente elevata stabilità, viscosità e coesione a riposo (cioè assenza di bleeding e segregazione) e buoni valori di resistenza a compressione.

E' oggetto della presente invenzione un agente coesivizzante inorganico per impasti cementizi autocompattanti, costituito da una miscela Si02/CaCC>3 co-precipitata.

In particolare, il materiale composito costituito dalla miscela di silice e carbonati di calcio co-precipitata che costituisce l'agente secondo la presente invenzione è ottenuto a partire da silicati di calcio naturali o sintetici, cristallini o amorfi, idrati o non, o loro miscele, che possono permettere, per reazione con C02 in acqua, l'ottenimento di miscele solide di Si02e CaC03 co-precipitate.

I materiali di partenza possono anche essere cementi o clinker di cemento.

Le miscele Si02/CaC03, co-precipitate, secondo la presente invenzione, possono essere impiegate tal quali, come derivano dal procedimento di ottenimento, ovvero in sospensione acquosa, oppure possono essere impiegate allo stato secco, previa evaporazione/separazione di tutta o parte dell'acqua.

Preferibilmente la miscela Si02/CaC03 coprecipitata, secondo la presente invenzione, può presentare un rapporto ponderale Si02/CaC03 compreso tra 1,2 e 0,1. Essa può contenere altri componenti fino al 50% in massa, tra cui silicati di calcio (non reagiti o trasformati), per esempio quelli indicati come CSH, e/o ossidi metallici.

La superficie specifica misurata con il metodo BET può essere compresa tra 20 e 100 m /g.

Un esempio di procedimento per l'ottenimento di silice e di compositi silice e calcio carbonato, a partire da silicati di calcio è descritto nel brevetto CA 1,122,779. In tale brevetto viene descritto un procedimento per l'ottenimento di silice, in cui i cristalli di silicato di calcio sono posti a contatto con CO2 in presenza di acqua e convertiti in silice, avente la stessa configurazione dei cristalli di silicato, e in particelle di calcio carbonato attaccate alle particelle di silice amorfa.

Questa miscela Si02/CaC03 (cioè la miscela secondo tale brevetto) viene preferibilmente trattata con acidi inorganici in modo da decomporre il carbonato di calcio, separare i sali di calcio e ottenere silice amorfa pura oppure viene impiegata tal quale senza nessun tipo di trattamento o separazione.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un calcestruzzo autocompattante ottenuto con l'impiego di un agente coesivizzante inorganico costituito da una miscela Si02/CaC03 co-precipitata.

Sono oggetto della presente invenzione anche malte e paste per ripristino, ottenibili mediante l'impiego di un agente coesivizzante inorganico costituito da una miscela Si02/CaC03 co-precipitata.

La miscela Si02/CaCC>3, co-precipitata, è preferibilmente impiegata a dosaggi compresi tra 1'1 e il 30% sul peso del cemento, in particolare tra il 5 e il 15%.

Il principale vantaggio dell'agente secondo la presente invenzione è quello di essere un agente coesivizzante che, oltre a garantire nel calcestruzzo proprietà di assenza di segregazione migliori o equivalenti a quelle fornite dagli additivi e/o dalle aggiunte minerali abitualmente impiegati, consente allo stesso tempo di ottenere un calcestruzzo durevole e con un'ottima resistenza a compressione.

Infatti l'impiego di alcuni additivi, come la sola silice precipitata o un viscosizzante organico, se da una parte permette la maggiore coesione degli impasti allo stato fresco, dall'altra provoca una drastica riduzione delle resistenze a compressione rispetto ad un calcestruzzo di pari lavorabilità {spandimento libero), confezionato con solo cemento e senza aggiunte. Calcestruzzi confezionati con altre aggiunte minerali come i fillers calcarei, pur presentando valori di resistenza a compressione (Re) sufficientemente elevati, mostrano allo stato fresco fenomeni di segregazione. Tale segregazione determina una mancanza di omogeneità in un manufatto sia durante la sua messa in opera che dopo indurimento, con la formazione di zone a diverso grado di compattazione, che presentano quindi diversi valori di permeabilità, in particolare diversi coefficienti di permeabilità all'aria.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'agente secondo la presente invenzione risulteranno meglio comprensibili dalla seguente descrizione dettagliata ed esemplificativa, riferita ai seguenti esempi.

Descrizione delle figure allegate:

le figure 1-4 sono una rappresentazione fotografica, rispettivamente, degli impasti 2, 3, 4 e 9 allo stato fresco;

le figure 5, 6 e 7 sono una rappresentazione fotografica, rispettivamente, degli impasti 1, 3 e 4 allo stato indurito;

la figura 8 è una rappresentazione fotografica che mostra nell'ordine i provini degli impasti 1, 6, 4 e 3, dopo sformatura;

la figura 9 è un grafico che rappresenta un confronto tra le resistenze a compressione degli impasti 1-8.

Sono stati infatti preparati nove impasti, alcuni dei quali contenenti l'agente secondo la presente invenzione (impasti 1 e 2) ed altri contenenti additivi secondo lo stato dell'arte (impasti 3-9).

Tutti gli impasti sono stati confezionati a pari lavorabilità (slump flow compreso tra 600 e 650 mm).

In particolare, i materiali con cui sono stati preparati i vari impasti sono i seguenti: cemento: CEM I 52,5 R ULTRACEM Italcementi; aggregato: silico-calcareo SATAF, suddiviso in cinque distinte pezzature. La curva granulometrica è di tipo discontinuo con diametro massimo uguale a 20 mm;

additivo superfluidificante acrilico: 2000AC AXIM.

Il calcestruzzo viene confezionato mediante un mescolatore forzato ad asse verticale e le caratteristiche sono state valutate mediante i seguenti metodi:

massa volumica (kg/m ): metodo UNI 6394, Parte 1°; spandimento libero (cm): cono di Abrams; resistenze a compressione (MPa): metodo EN 196/1; permeabilità all'aria: su campioni di Φ - 8 cm e h = 3 cm, prelevati dalla parte superiore e da quella inferiore di provini cilindrici (Φ = 12 cm e h = 40 cm), dopo maturazione di 28 giorni. I provini cilindrici sono stati ottenuti riempiendo di calcestruzzo appositi stampi cilindrici, senza vibrazione, e lasciando poi indurire in posizione verticale. Per le misure di permeabilità all'aria è stata utilizzata una cella tipo Hassler, calcolando il coefficiente di permeabilità k mediante la seguente equazione (proposta da Grube e Lawrence):

dove

k = coefficiente di permeabilità, m2;

.

η = viscosità del mezzo fluido, N's'm2;

V2 = velocità del flusso in uscita, m’s-1;

P1 e P2 = rispettivamente pressione d'ingresso e d'uscita, N'm-2 ;

A = superficie trasversale del provino, m2;

L = spessore del campione, rivalutazione della coesione e della segregazione: tale valutazione è stata effettuata sia allo stato fresco, valutando la coesione dell'impasto a fine confezione e l'eventuale presenza di bleeding, sia allo stato indurito, valutando la segregazione interna di provini cilindrici (Φ = 12 cm; h = 40÷50 cm), appositamente confezionati senza vibrazione e rotti alla brasiliana (cioè per trazione indiretta) dopo due giorni di indurimento;

valutazione dell'estetica: valutazione visiva sui provini cilindrici, dopo indurimento.

Gli agenti coesivizzanti presenti negli impasti 1-9 degli esempi seguenti, sono:

Impasto 1: agente coesivizzante secondo la presente invenzione, sola miscela Si02/CaC03 co-precipitata;

Impasto 2: agente coesivizzante secondo la presente invenzione, miscela Si02/CaC03/CSH;

Impasto 3 e 3 bis: nessun agente coesivizzante;

Impasto 4 : filler calcareo di Carrara (confronto) Impasto 5: CaC03 precipitato commerciale (confronto);

Impasto 6: silice precipitata commerciale ULTRASIL VN3 (Degussa)(confronto);

Impasto 7: Silica fumé Elkem 940 (confronto);

Impasto 8: viscosizzante organico commerciale (confronto);

Impasto 9: nessun agente coesivizzante, ma aumento del dosaggio di cemento.

ESEMPIO 1.

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 1 (con agente secondo la presente invenzione, sola miscela Si02/CaC03 co-precipitata).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 1 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2405 kg/cm3;

spandimento libero: 63 cm;

resistenze a compressione: vedi la seguente tabella 1;

valutazione della segregazione: vedi figura 5; valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona (figura 8).

L'impiego della sola miscela Si02/CaCC>3 coprecipitata, secondo la presente invenzione a dosaggi compresi tra l'I e il 30% sul peso del cemento, in particolare tra il 5 e il 15%, consente di ottenere un sistema coesivo e non segregabile, di applicazione estremamente semplice nel settore del calcestruzzo autocompattante .

ESEMPIO 2-E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 2 (con agente secondo la presente invenzione, miscela SiOg/CaCC3/CSH).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 2 presenta le seguenti caratteristiche :

massa volumica: 2373 kg/cm3;

spandimento libero: 60 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1; valutazione del coefficiente di permeabilità all'aria k (m ) su campioni di Φ = 8 cm e h = 3 cm, che costituiscono la parte superiore (sup.) e inferiore (inf.) di provini cilindrici di Φ = 12 cm e h = 40 cm: vedi la seguente Tabella 2;

valutazione della coesione: vedi figura 1; valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona.

ESEMPIO 3

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 3 - (senza agente coesivizzante).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

La composizione dell'impasto è stata scelta in modo tale da avere un impasto con forte segregazione in modo che risulti apprezzabile il miglioramento dovuto agli additivi coesivizzanti.

L'impasto 3 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2443 kg/m3;

spandimento libero: 63 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

valutazione della coesione e della segregazione: vedi figure 2 e 6;

valutazione dell' estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona (figura 8}.

L'esempio 3 è stato quindi ripetuto con un impasto da 20 litri con la seguente composizione: IMPASTO 3 bis - (senza agente coesivizzante).

L'impasto 3bis presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2429 kg/m3;

spandimento libero: 63 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1; valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona.

ESEMPIO 4

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 4 (con filler calcareo di Carrara).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 4 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2444 kg/m3;

spandimento libero: 64 era;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

valutazione della coesione e della segregazione: vedi figure 3 e 7;

valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona {figura 8).

E' evidente dalle fotografie riportate nelle figure 3 e 7, che l'impiego di un filler calcareo non è in grado di aumentare la coesione di un calcestruzzo "segregabile" quale quello dell'Esempio 3, rappresentato nelle figure 2 e 6.

ESEMPIO 5.

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 5 (con CaC03 precipitato).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 5 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2339 kg/cm3;

spandimento libero: 63 era;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

valutazione del coefficiente di permeabilità all'aria k (m2): vedi tabella 2;

valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona.

ESEMPIO 6

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 6 (con silice VN3).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 6 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2397 kg/cm3;

spandimento libero: 60 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1; valutazione dell'estetica: dopo la sformatura, l'estetica del provino è risultata buona (figura 8). ESEMPIO 7.

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 7 (con silica fumé).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 7 presenta le seguenti caratteristiche :

massa volumica: 2408 kg/cm ;

spandimento libero: 60 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

ESEMPIO 8.

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 8 (con viscosizzante organico).

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 8 presenta le seguenti caratteristiche:

3

massa volumica: 2365 kg/cm ;

spandimento libero: 60 cm;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

valutazione del coefficiente di permeabilità all'aria k (m2): vedi tabella 2.

ESEMPIO 9.

E' stato preparato un impasto da 20 litri con la seguente composizione:

IMPASTO 9 (senza agente coesivizzante, ma aumento del dosaggio del cemento)

* l'acqua comprende anche l'acqua contenuta nell'additivo acrilico.

L'impasto 9 presenta le seguenti caratteristiche:

massa volumica: 2425 kg/cm ;

spandimento libero: 64 era;

resistenze a compressione: vedi tabella 1;

valutazione della coesione: vedi figura 4;

Dal confronto tra i precedenti dati si può rilevare quanto segue.

Gli impasti 1 e 6, cioè gli impasti contenenti quale agente coesivizzante, l'agente secondo la presente invenzione e la silice precipitata commerciale, non presentano in assenza di vibrazione alcuna scomposizione, scomposizione che si rileva invece per gli impasti 3, 4 e 9, come evidente dalle figure 1-4 e 5-7.

Tuttavia a pari lavorabilità rispetto agli impasti 1, 3 e 4, l'impasto 6, cioè quello con silice precipitata commerciale, prevede un aumento dell'acqua d'impasto dell'ordine del 25% e del superiluidificante acrilico del 18%.

L'impiego invece della miscela SiO2/CaC03 coprecipitata, secondo la presente invenzione, contiene l'aumento della quantità d'acqua d'impasto al 13%. L'aumento del rapporto acqua/cemento influenza negativamente la resistenza a compressione dal calcestruzzo con silice commerciale cioè dell'impasto 6. Tale effetto, come è evidente dal grafico riportato in figura 9, non si evidenzia per l'impasto 1 che presenta per tutte le scadenze di prova valori simili a quelli degli impasti 3 e 4.

Tale risultato è probabilmente dovuto ad una rapida attivazione della silice della miscela SiO2/CaC03 co-precipitata, insieme con un effetto "fillerizzante" della miscela Si02/CaC03 coprecipitata.

La figura 8 mostra che gli impasti 1 e 6 presentano la migliore finitura.

Un confronto tra i valori delle resistenze a compressione dei vari impasti riportati in tabella 1, consente di rilevare immediatamente come, a parità di lavorabilità, gli impasti 1 e 2, cioè gli impasti contenenti l'agente coesivizzante secondo la presente invenzione, presentino una resistenza meccanica a compressione molto alta rispetto agli impasti con altri additivi secondo lo stato dell'arte.

Dai dati riportati in tabella 2, si rileva come l'impasto 2 , contenente l'agente coesivizzante secondo la presente invenzione, presenta valori del coefficiente di permeabilità all'aria molto bassi e soprattutto valori praticamente costanti in qualsiasi punto del provino. Al contrario, gli impasti contenenti additivi secondo lo stato dell'arte, presentano valori del coefficiente di permeabilità molto diversi tra i differenti punti del provino e tale mancanza di omogeneità è una ulteriore prova del fatto che essi non presentano un buon grado di compattazione .

Il principale vantaggio dell'agente secondo la presente invenzione è quello di essere un agente coesivizzante che, oltre a garantire nel calcestruzzo proprietà di assenza di segregazione migliori o equivalenti a quelle fornite dagli additivi abitualmente impiegati, consente allo stesso tempo di ottenere un calcestruzzo durevole e con un'ottima resistenza a compressione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Agente coesivizzante inorganico per impasti cementizi autocompattanti, costituito da una miscela Si02/CaC03 co-precipitata.
2. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la miscela di silice e carbonati di calcio co-precipitata è ottenuta a partire da silicati di calcio naturali o sintetici, cristallini o amorfi, idrati o non, o loro miscele,cementi o clinker di cemento.
3. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaCO3 co-precipitata, è in sospensione acquosa.
4. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaC03 co-precipitata è allo stato secco.
5. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaCCO3 co-precipitata presenta un rapporto ponderale Si02/CaC03 compreso tra 1,2 e 0,1.
6. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaCO3 co-precipitata contiene altri componenti fino al 50% in massa.
7. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che gli altri componenti sono silicati di calcio (non reagiti o trasformati) per esempio quelli indicati come CSH, e/o ossidi metallici.
8. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie specifica della miscela co-precipitata è compresa tra 20 e 100 m /g.
9. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaC03 co-precipitata è presente in dosaggi compresi tra l'I e il 30% sul peso del cemento.
10. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la miscela Si02/CaC03 co-precipitata è presente in dosaggi compresi tra il 5 e il 15% sul peso del cemento.
11. Agente coesivizzante secondo la rivendicazione 1, ottenibile mediante un procedimento per l'ottenimento di silice, in cui i cristalli di silicato di calcio sono posti a contatto con CO2 in presenza di acqua e convertiti in silice, avente la stessa configurazione dei cristalli di silicato, e in particelle di calcio carbonato attaccate alle particelle di silice amorfa.
12. Uso dell'agente secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, per impasti cementizi autocompattanti.
13. Calcestruzzo autocompattante ottenibile con l'impiego di un agente coesivizzante inorganico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.
14. Malte o paste per ripristino ottenibili mediante l'impiego di un agente coesivizzante inorganico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10.