Effetto accoppiato della velocità di scarico e del contenuto d'acqua sul mortaio sotto carichi ciclici differenziali

Perché acqua e sollecitazione contano per il calcestruzzo di tutti i giorni

Dalle dighe e gli argini ai ponti e alle gallerie, gran parte delle nostre infrastrutture critiche è realizzata con calcestruzzo o malta che si bagna, si asciuga e subisce costantemente sollecitazioni variabili. Quando i livelli dei serbatoi salgono e scendono o traffico e onde si ripetono in cicli, il materiale viene ripetutamente compresso e rilasciato. Questo studio esplora una domanda semplice ma importante: come influenzano congiuntamente il contenuto d'acqua e i cicli di carico–scarico disomogenei la resistenza e la durabilità a lungo termine della malta, il composto di cemento e sabbia che tiene insieme il calcestruzzo?

Il calcestruzzo sotto spinta e trazione in situazioni reali

La maggior parte dei test di laboratorio comprime e rilascia il calcestruzzo alla stessa velocità ogni volta, il che semplifica l’analisi dei dati ma non rispecchia la realtà. Nelle dighe, per esempio, i livelli d’acqua spesso aumentano lentamente e calano rapidamente, quindi il materiale viene caricato e scaricato a velocità diverse. Gli autori chiamano questo «carico ciclico differenziale multilivello»: il carico massimo in ciascun ciclo aumenta gradualmente e la velocità di carico differisce da quella di scarico. Contemporaneamente, il calcestruzzo può essere asciutto, parzialmente bagnato o completamente saturo d’acqua. Per riprodurre queste condizioni, il team ha colato prismi di malta, controllato con cura il contenuto d’umidità a tre livelli (0,00%, 6,99% e 13,98% in massa) e quindi li ha sottoposti a cicli di carico ripetuti in una macchina di prova monitorando deformazioni e collasso.

Progettare prove sistematiche con umidità controllata

Per impostare stati di umidità realistici, i ricercatori hanno prima essiccato completamente alcuni campioni e poi li hanno immersi in acqua, misurando l’aumento di massa nel tempo. Questo ha permesso di identificare uno stato mezzo saturo intorno al 6,99% di acqua e uno stato completamente saturo al 13,98%. Prove di compressione monotona separate hanno confermato che i campioni più umidi risultavano più deboli e più deformabili rispetto a quelli asciutti. Con questa base, hanno condotto in totale 45 prove cicliche, combinando i tre livelli di umidità con cinque diverse velocità di scarico che andavano da ultra‑lente a ultra‑veloci, mantenendo costante la velocità di carico. In ciascuna prova il carico massimo è stato incrementato di un ammontare fisso a ogni ciclo finché il provino non è fallito, e la macchina ha registrato continuamente sforzo e deformazione.

Come umidità e velocità di scarico rimodellano il comportamento

Sotto questi cicli a gradini, le curve sforzo–deformazione della malta tracciavano anelli che indicano quanta deformazione non si recuperava tra i cicli. Per campioni più umidi e per scarichi più rapidi, questi anelli diventavano più densi e si spostavano a destra, il che significa che il materiale accumulava più deformazione permanente e collassava a sforzi inferiori. Gli autori hanno seguito l’accumulo di deformazione ciclo dopo ciclo e hanno trovato una relazione chiara, quasi lineare, tra deformazione cumulativa e numero di cicli. Questa semplice legge lineare valeva per diversi contenuti d’umidità e percorsi di carico, suggerendo che potrebbe essere usata per prevedere quando una struttura fatta di malta simile si avvicina al collasso. Hanno inoltre distinto la rigidità in un modulo di carico (quanto è rigida la malta durante la compressione) e un modulo di scarico (durante il rilascio). Il ciclo ripetuto tendeva inizialmente a compattare microfessure e pori, aumentando temporaneamente la rigidità, ma un maggior contenuto d’acqua riduceva costantemente entrambi i moduli e rendeva il materiale più sensibile al regime di carico.

Energia, danno e soglie nascoste

Poiché la frattura e la deformazione plastica consumano energia, il team ha analizzato quanta energia meccanica veniva immessa nei campioni, quanta veniva recuperata e quanta veniva dissipata irreversibilmente come danno. Hanno dimostrato che la malta più umida richiedeva molta meno energia totale per rompersi: i provini completamente saturi necessitavano di circa un decimo dell’energia assorbita da quelli asciutti. Il rapporto tra energia dissipata e energia in ingresso variava in modo irregolare a velocità di scarico molto lente ma si stabilizzava una volta che la velocità di scarico superava circa 2,0 kN/s. Analogamente, confrontando stati asciutto, mezzo bagnato e completamente bagnato, hanno individuato una soglia pronunciata intorno al contenuto d’acqua medio (6,99%), dove le tendenze nella variazione delle componenti energetiche al variare della velocità di scarico invertivano direzione. Un indicatore di danno ricavato dall’energia dissipata cumulativa cresceva in modo esponenziale con il numero di cicli, e livelli di umidità più alti aumentavano sia il danno complessivo sia la convergenza degli effetti tra diverse velocità di scarico.

Cosa significa per dighe e altre strutture

In termini accessibili, lo studio mostra che l’acqua rende la malta non solo più morbida e più debole, ma anche più soggetta a fatica nascosta quando i carichi aumentano e diminuiscono a velocità diseguali. Esistono combinazioni critiche — un contenuto d’umidità medio attorno alla mezza saturazione e una velocità di scarico di circa 2,0 kN/s — in cui il comportamento della rigidità e dell’energia cambia carattere. Per gli ingegneri riconoscere queste soglie è fondamentale per valutare come dighe, argini e altre strutture esposte all’acqua invecchieranno in condizioni operative realistiche. I risultati suggeriscono che la sicurezza a lungo termine non può essere valutata solo dalla resistenza; la storia di bagnatura e asciugatura e i dettagli di come i carichi vengono applicati e rimossi sono altrettanto importanti per prevedere quando il danno si accumulerà fino a livelli pericolosi.

Citazione: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

Parole chiave: durabilità del calcestruzzo, carico ciclico, saturazione d'acqua, sicurezza delle dighe, fatica dei materiali