Espansione e degrado del calcestruzzo dovuti alla reazione alcali-silice : analisi di una diga ad arco

The alkali-silica reaction (ASR) is a reaction that occurs in concrete between the alkalis in the cement paste and the amorphous silica that may be contained in certain types of aggregates. The product of this reaction is an amorphous gel which, in the presence of water, tends to expand generating a swelling that can give rise to micro-cracks with consequent degradation of the mechanical properties of the material. In the literature there are numerous studies in this regard that have led to the formulation of different numerical models. In this paper a two-phase damage model is considered, in which we distinguish the contributions of solid skeleton and wet gel: the first phase consists of cement paste, aggregates and unconnected pores, while the second concerns the combination of the gel produced by the chemical reaction and the absorbed water. The particularity of the model discussed is the ability to describe the dependence of the reaction not only on the temperature and the state of stress, but also on the degree of saturation. First of all, the values of the model parameters are calibrated on the basis of experimental results documented in the recent literature concerning the expansion from ASR of specimens subject to multiaxial stress. Then a structural example is analyzed: an arch dam, built in the late 1950s, with significant degradation effects due to the alkali-silica reaction. The numerical results demonstrate the validity of the considered damage model and the ASR reaction dependence on the environmental factors such as temperature and humidity.

La reazione alcali-silice (ASR) è una reazione che avviene nel calcestruzzo tra gli alcali presenti nella pasta cementizia e la silice amorfa che può essere contenuta in alcuni tipi di aggregati. Il prodotto di tale reazione è un gel amorfo il quale, in presenza di acqua, tende ad espandersi generando un rigonfamento che può dare origine a micro-fessurazioni con conseguente degrado delle proprietà meccaniche del materiale. In letteratura sono presenti numerosi studi al riguardo che hanno portato alla formulazione di diversi modelli numerici. Nel presente elaborato si considera un modello a danno bifase, nel quali si distinguono i contributi di scheletro solido e gel umido: la prima fase si compone di pasta cementizia, aggregati e pori non connessi mentre la seconda riguarda la combinazione del gel prodotto dalla reazione chimica e dell'acqua assorbita. La particolarità del modello discusso è la capacità di descrivere la dipendenza della reazione non solo dalla temperatura e dallo stato di sollecitazione, ma anche dal grado di saturazione. Per prima cosa i valori dei parametri del modello sono calibrati in base risultati sperimentali documentati nella recente letteratura che riguardano l'espansione da ASR in provini soggetti a sforzo multiassiale. Dopodiché si analizza un esempio strutturale di una diga ad arco, costruita a fine anni '50, con notevoli effetti di degrado dovuti alla reazione alcali silice. I risultati numerici dimostrano la validità del modello a danno e la dipendenza della reazione ASR dai principali fattori ambientali come temperatura e umidità.