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Spalle in fiamme

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Abbiamo trattato il comportamento del calcestruzzo in caso di incendio, soprattutto dal punto di vista dell’analisi dei danni a rogo spento, ora vogliamo approfondire un aspetto particolare dei danni da incendio su strutture in calcestruzzo, chiamato spalling.

Lo spalling, chi opera in cantiere lo conosce bene non solo per l’incendio, magari più per gli effetti sul manufatto che per il termine anglofono, è il distacco di frammenti di calcestruzzo che ricoprono i ferri di armatura durante l’incendio. Il fenomeno può anche essere estremamente rapido ed esteso, soprattuto al crescere delle temperature della struttura in calcestruzzo, tuttavia è una dinamica ben conosciuta, tanto da essere prevista dalle normative di calcolo strutturale, soprattutto per incendi che interessano strutture adibite a civile abitazione o a utilizzo pubblico (non per strutture particolari come le gallerie).

La fessurazione e il distacco di componenti, anche importanti, di strutture in calcestruzzo, è dovuta principalmente all’evaporazione dell’acqua presente all’interno del materiale (un ruolo è anche giocato dalla diversa dilatazione degli inerti rispetto alla matrice cementizia) che comincia a cambiare stato già a 120 – 140 °C, con conseguente aumento, all’interno delle zone porose, della pressione nella struttura.

Tale fenomeno accelera al crescere della temperatura del manufatto e, superati i 400 °C, si aggrava dato che anche l’idrossido di calcio comincia a disidratarsi con ulteriore aumento della pressione e aggravamento delle fessurazioni e dei distacchi; quest’ultimo processo inoltre diminuisce le caratteristiche di resistenza delle strutture a livello generale.

Lo stato di collasso teorico per il calcestruzzo arriva a 600 °C, fino a questa temperatura il cemento mantiene sostanzialmente inalterata la sua resistenza a compressione; sottolineiamo tuttavia che, vista l’alta inerzia termica del materiale, la perdita di caratteristiche della struttura riguarda, molto spesso solo gli strati superficiali della struttura stessa, mentre il nucleo mantiene buona parte della resistenza.

In superficie, tuttavia, l’aumentare della temperatura accelera i fenomeni di spalling che tendono ad esporre aree sempre maggiori di armatura, generando fenomeni estremamente evidenti che possono anche arrivare all’espulsione violenta del copriferro con proiezione di schegge di cemento anche di dimensioni significative che generano ulteriori danni alle strutture e possono accelerare l’azione del fuoco (rotture di vetri con immissione di aria fresca negli ambienti incendiati).

Comportamento diverso all’incendio rispetto a calcestruzzi tradizionali, hanno i calcestruzzi a alta resistenza con Rck superiore a 85 N/mm2 (valore massimo 115 N/mm2) che trovano notevoli applicazioni in ambito strutturale; qui le perdite di resistenza a compressione, soprattutto nella prima fase dell’incendio o per eventi limitati (entro i 400 °C), sono maggiori, probabilmente perché questi calcestruzzi hanno una bassa permeabilità e quindi riescono in maniera molto minore a sfogare l’accumulo di pressione interna dovuta all’evaporazione della componente acquosa.

Lo spalling viene  accentuato per calcestruzzi con aggregati leggeri come l’argilla espansa o la perlite; in compenso però calcestruzzi di questo tipo hanno una capacità isolante molto maggiore rispetto a quelli tradizionali, garantendo un resistenza al fuoco complessiva molto maggiore.

Questione di fibra

Interessante, date le caratteristiche prestazionali che garantisce, l’aggiunta nella miscela di fibre in polipropilene; se inserite nella matrice cementizia con dosaggi corretti (in genere fra 0,5 e 2 kg al metro cubo), le fibre, in caso di incendio, limitano drasticamente e, in molti casi, eliminano del tutto lo spalling e, ovviamente, il conseguente fenomeno della scheggiatura esplosiva.

Quale l’azione delle fibre in concreto? A 170 °C, le fibre sublimano lasciano cavità nella matrice cementizia, cavità che consentono di diminuire la pressione all’interno del calcestruzzo. Inoltre, se inglobate nel calcestruzzo con una frazione volumetrica corretta (il valore dovrebbe essere compreso fra lo 0,1 e lo 0,25% della massa complessiva) riducono la formazione e la propagazione delle fessurazioni, distribuendo al meglio le tensioni interne, garantendo resistenza e durabilità ottimali al calcestruzzo considerato.

Le fibre polipropileniche hanno un’azione estremamente positiva soprattutto nel ridurre i fenomeni di scheggiatura esplosiva in strutture, realizzate con calcestruzzi ad alta resistenza, anche in presenza degli incendi più devastanti, quelli di idrocarburi.

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