Il calcestruzzo alla prova del fuoco e della sostenibilità ambientale

A prima vista, il calcestruzzo può sembrare un materiale solido, quasi invulnerabile. Eppure, sotto l’effetto del calore estremo, può comportarsi in modo del tutto inatteso: esplodere.

È il fenomeno noto come spalling esplosivo, in cui frammenti si staccano violentemente dalla superficie con un suono simile a chicchi di mais che scoppiano. Come popcorn.

L’esplosione è causata dall’acqua presente nel calcestruzzo che, riscaldandosi, si trasforma in vapore e aumenta di volume, creando una pressione tale da far saltare via pezzi di superficie con un fragoroso “POP!”.

Questo rischio è noto, soprattutto quando si parla di conci prefabbricati in calcestruzzo, gli anelli strutturali che rivestono le pareti dei tunnel realizzati con TBM (Tunnel Boring Machines, o talpe meccaniche).

Da qui, una domanda cruciale: perché testare la resistenza del calcestruzzo al fuoco solo dopo aver scelto la miscela e avviato la produzione? Non sarebbe più efficace farlo prima?

La fragilità del calcestruzzo sottoposto a temperature elevate è stata tristemente dimostrata da eventi come l’incendio del Tunnel della Manica del 1996. In situazioni di spalling esplosivo, la sicurezza strutturale viene compromessa, mettendo a rischio le persone in fuga o impegnate nei soccorsi.

Da queste esperienze, l’industria del tunnelling ha tratto preziose lezioni.

È nato così l’uso del calcestruzzo fibrorinforzato (Steel Fibre Reinforced Concrete), una miscela che integra nella composizione del calcestruzzo fibre di acciaio e polipropilene per migliorare le performance e ridurre il rischio di esplosione.

Miscelate al calcestruzzo, queste fibre hanno eliminato la necessità di inserire gabbie in acciaio per garantire forma e resistenza ai conci prefabbricati, riducendo in modo significativo l’intensità dello spalling esplosivo e rendendo gli stessi conci più leggeri, sicuri e in linea con i criteri di sostenibilità ambientale.

Ma se a livello internazionale questa tecnica è ormai consolidata, in Italia l’adozione è ancora limitata. È per questo che Webuild sta lavorando per colmare il divario.

Il metodo tradizionale per la composizione del calcestruzzo prevede l’inserimento manuale di gabbie d’armatura in acciaio all’interno di un cassero, seguite dalla colata di calcestruzzo, la stagionatura in forno e il raffreddamento. Un processo complesso e oneroso.

Al contrario, la gabbia non è necessaria se la miscela di calcestruzzo contiene fibre, perché le fibre d’acciaio conferiscono resistenza al concio, oltre a ridurre il rischio di fessurazioni e, a differenza delle gabbie metalliche, non arrugginiscono. Inoltre, le fibre di polipropilene aumentano la resistenza al fuoco, riducendo al minimo il rischio di spalling esplosivo.

L’utilizzo di queste fibre nella miscela è più economico e sostenibile, perché elimina la necessità di produrre gabbie in acciaio, oltre a rendere più semplice e sicura la produzione dei conci, poiché gli operai non devono più inserire manualmente ogni gabbia nel cassero.

Nei tunnel, comunque, si continuano a utilizzare entrambi i tipi di conci prefabbricati, perché, i conci con gabbie d’armatura restano comunque indispensabili nei punti in cui lo stato di sforzo geologico intorno al tunnel è particolarmente elevato.

Fino a oggi, i test di resistenza al fuoco venivano condotti a valle della produzione, quando ormai la miscela era definitiva e i processi industriali già avviati. Un limite importante.

Per superarlo, Webuild ha sviluppato insieme al Politecnico di Milano un test innovativo: il Confined Slab Spalling Test (CSST). Dopo tre anni di ricerca, il CSST consente di simulare in laboratorio l’effetto del fuoco su campioni di calcestruzzo prima della produzione industriale.

Il test permette di risparmiare tempo e costi fino al 30%, evitando l’invio dei conci all’estero. Il CSST consiste nel posizionare una lastra campione di calcestruzzo a forma quadrata all’interno di un telaio d’acciaio, fissare martinetti idraulici sui quattro lati, applicare una pressione compresa tra 450 e 600 bar, installare sensori, collocare la lastra davanti a una fornace ed esporla a temperature fino a 1.350 gradi Celsius per vedere come reagisce.

L’applicazione della pressione su tutti i lati – chiamata carico confinante biassiale – riproduce fedelmente le condizioni a cui un concio è sottoposto quando fa parte della parete di un tunnel.
La lastra testata misura 1,3 metri per lato e ha uno spessore compreso tra 20 e 30 centimetri, leggermente inferiore a quello di un concio standard.

Se i danni causati dallo spalling esplosivo durante il test restano entro i 5 centimetri di profondità, il calcestruzzo viene considerato adeguatamente resistente al fuoco.

Gli ingegneri di Webuild non si sono fermati qui. Un altro obiettivo allo studio era quello di sviluppare una miscela di calcestruzzo con meno fibre di polipropilene rispetto allo standard.

Normalmente, l’industria utilizza 40 kg di fibre d’acciaio per metro cubo e 2 kg di polipropilene per metro cubo. Gli ingegneri hanno lavorato per ridurre il polipropilene a 1,5 kg o meno, senza compromettere la resistenza al fuoco del calcestruzzo.

Il risultato? Una miscela più lavorabile, più economica e altrettanto efficace, oggi in fase di test per essere utilizzata nei grandi progetti infrastrutturali italiani:  la linea ferroviaria Messina-Catania-Palermo in Sicilia; l’alta velocità Napoli-Bari; la Circonvallazione di Trento; e la tratta Fortezza-Ponte Gardena, prolungamento del Tunnel di Base del Brennero, che diventerà il tunnel ferroviario più lungo al mondo sotto le Alpi.

Attualmente questo metodo è già in uso, e nei prossimi mesi questo tipo di calcestruzzo fibrorinforzato verrà impiegato per la prima volta in Italia nella realizzazione di conci destinati a rivestire le pareti dei tunnel. Un passo avanti nella sicurezza delle gallerie e nell’innovazione dell’ingegneria civile.