17.5.2 Idratazione e microstruttura

L’aggiunta di SAP ha effetti importanti sul processo di idratazione e sullo sviluppo della microstruttura del calcestruzzo. Ciò si verifica a causa di una serie di ragioni. In primo luogo, l’assorbimento iniziale di SAP potrebbe alterare il rapporto w/b effettivo e le caratteristiche di idratazione iniziale. In secondo luogo, il successivo rilascio di acqua dalla SAP promuove l’ulteriore idratazione del cemento, producendo ulteriori prodotti di idratazione e l’affinamento dei pori. In terzo luogo, la SAP essiccata e collassata lascia dei macrovuoti dispersi nella pasta di cemento indurita e questo cambia la porosità totale e la distribuzione delle dimensioni, a seconda del dosaggio della SAP. Inoltre, induce un’interfaccia tra la SAP e la matrice di pasta di cemento con caratteristiche microstrutturali uniche che possono avere conseguenze importanti.

Mechtcherine et al. (2014) e Justs et al. (2014) hanno osservato che la SAP ha causato un leggero ritardo nell’idratazione iniziale, mentre Hasholt e Jensen (2015) hanno riportato un lieve effetto accelerante. In questi casi, è stata aggiunta acqua extra per compensare l’assorbimento di SAP nel mix fresco. Tuttavia, la maggior parte degli studi concorda sul fatto che la SAP aumenta il grado di idratazione nelle età successive, in particolare da 14 giorni in poi, a causa dell’acqua supplementare resa disponibile per reagire con il cemento (ad esempio, Igarashi e Watanabe, 2006; Lura et al., 2006; Justs et al., 2014). Inoltre, l’idratazione a lungo termine sembra essere controllata dal rapporto w/b totale piuttosto che dal rapporto w/b effettivo iniziale (Justs et al., 2014; Reinhardt e Assmann, 2014; Hasholt e Jensen, 2015). In altre parole, il grado finale di idratazione dipende dall’acqua totale disponibile nel sistema, indipendentemente dal fatto che una parte di essa sia stata trascinata in SAP nelle prime età.

Il miglioramento dell’idratazione nei sistemi contenenti SAP dovrebbe portare a una riduzione della porosità capillare e a un affinamento della distribuzione delle dimensioni dei pori, in particolare nelle età successive. Tuttavia, i risultati degli studi disponibili non sono in totale accordo. Questo perché l’effetto netto sulla struttura dei pori dipende da una serie di fattori, tra cui il dosaggio e la capacità di assorbimento della SAP, il rapporto w/b e l’aggiunta o meno di acqua extra durante il dosaggio per compensare l’assorbimento della SAP. La riduzione della porosità capillare come risultato di una migliore idratazione (indurimento interno) o la diminuzione del rapporto w/b effettivo dovuto all’assorbimento della SAP può o non può essere sufficiente a contrastare l’aumento della porosità dovuto alla formazione di macrovuoti. L’effetto netto dipende anche dal rapporto w/b perché l’indurimento interno è vantaggioso solo per sistemi con un rapporto w/b molto basso. Questo evidenzia gli effetti contrastanti della SAP sulla microstruttura. Le incertezze nella stima dell’assorbimento della SAP nei materiali cementizi, come discusso nella Sezione 17.4.3, complica ulteriormente questo problema.

Per esempio, alcuni studi che utilizzano la porosimetria a intrusione di mercurio hanno trovato una porosità totale più alta nelle malte e nei calcestruzzi contenenti SAP e acqua trascinata. Questo è stato attribuito ai macrovuoti che si formano quando la SAP si asciuga (Mönnig, 2005; Mechtcherine et al., 2009). Tuttavia, è stata osservata una porosità totale inferiore nei sistemi senza acqua trascinata (Mönnig, 2005; Igarashi e Watanabe, 2006), presumibilmente perché il rapporto w/b effettivo è diminuito dall’assorbimento della SAP. Usando la tomografia a raggi X, Lura et al. (2008) hanno osservato una riduzione dei piccoli pori capillari a causa dei prodotti di idratazione aggiuntivi dalla polimerizzazione interna e una riduzione della microfessurazione causata dal ritiro autogeno. Utilizzando l’assorbimento del vapore acqueo, Snoeck et al. (2015) hanno osservato che le paste di cemento con SAP e senza acqua trascinata hanno mostrato una leggera diminuzione della gamma di micro (<2 nm) e mesopori (2-50 nm). Le paste di cemento con SAP e acqua trascinata non hanno mostrato alcun cambiamento significativo nella gamma dei micropori, ma un leggero aumento nella gamma dei mesopori più grandi. Anche Beushausen et al. (2014) non hanno trovato un effetto significativo della SAP sulla porosità, il che suggerisce che il maggiore vuoto iniziale creato dalla SAP è compensato da una microstruttura migliorata dall’indurimento interno.

Fig. 17.4 mostra alcuni esempi di immagini elettroniche retrodiffuse di paste, malte e calcestruzzi contenenti SAP. Si può vedere che le particelle e i macro-vuoti di SAP sono isolati e ben distribuiti nella pasta di cemento indurita. I macro vuoti vanno da ~10 a più di 500 μm, a seconda della dimensione iniziale della SAP secca e del rigonfiamento (Lam, 2005; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). Il confine dei macro vuoti tende a seguire la forma originale della SAP secca, come osservato anche con la tomografia a raggi X (Lura et al., 2008). La particella di SAP collassata può apparire come una particella solida, porosa/cellulare o a forma di anello stretto. Alcuni campioni mostrano un vuoto tra la pasta e la SAP a causa del restringimento (Lam, 2005), mentre un buon legame viene mantenuto nei campioni contenenti SAP polimerizzata in sospensione con struttura ruvida e area superficiale maggiore (Lee et al., 2010a,b,c), come si vede, ad esempio, nella Fig. 17.4F. Occasionalmente, i macrovuoti contengono precipitati di idrossido di calcio o piccoli grani di cemento che hanno successivamente reagito per formare prodotti di idratazione all’interno del serbatoio d’acqua, riempiendo lo spazio originariamente occupato dalla SAP gonfiata (Fig. 17.4D-F).

La pasta di cemento che circonda la SAP presenta una microstruttura altamente variabile e condivide caratteristiche simili alla “zona di transizione interfacciale” aggregato-pasta e all’interfaccia vuoto d’aria-pasta (Scrivener et al, 2004; Wong e Buenfeld, 2006; Wong et al., 2011). L’interfaccia contiene meno cemento rispetto alla pasta sfusa più lontana, a causa della rottura dell’imballaggio delle particelle. Tende anche ad essere molto porosa e occasionalmente contiene grandi depositi di idrossido di calcio (Fig. 17.4C,D). Queste caratteristiche possono essere attribuite all’alto contenuto di acqua sulla superficie della SAP gonfiata, o forse al rilascio precoce dell’acqua assorbita nella pasta circostante che causa la precipitazione preferenziale. Il ritiro della SAP quando si asciuga può portare a microfessurazioni della pasta di cemento circostante (Lee et al., 2010a,b,c), ma l’umidità rilasciata dalla SAP dovrebbe promuovere un’ulteriore idratazione e lo sviluppo della microstruttura nella pasta circostante. Nelle malte e nei calcestruzzi, i vuoti della SAP hanno le dimensioni dei grani di sabbia e possono estendersi tra le particelle di aggregato (Lee et al., 2016), ad esempio, Fig. 17.4B.