Fessurazione del calcestruzzo: ingresso degli agenti aggressivi
LA FESSURAZIONE INSIDIA LA DURABILITÀ
Una struttura in calcestruzzo fessurata molto spesso non è più in grado di garantire il servizio al quale era stata destinata: per esempio, una trave in calcestruzzo normale, una volta che si è fessurata, non è più in grado di sopportare le sollecitazioni flessionali in servizio. Proprio per questo, da molto tempo, il calcestruzzo normale è stato rinforzato con i ferri di armatura che sopperiscono alle intrinseche deficienze strutturali del conglomerato, ed in particolare alla tendenza di questo materiale a fessurarsi sotto l’azione di sollecitazioni di trazione e flessione neppure rilevanti. Se le armature metalliche hanno risolto brillantemente i problemi strutturali del calcestruzzo quando è sottoposto ai carichi statici e dinamici in servizio, esse non hanno però risolto l’altro problema connesso con la fessurazione: la durabilità della struttura.Val la pena di ricordare che le armature metalliche, sapientemente disposte dal progettista, possono eliminare la frattura ed il conseguente collasso della struttura. Esse possono, inoltre, ridurre l’ampiezza di un’unica macrofessura, che si verificherebbe in un calcestruzzo non armato, in tante microfessure di ampiezza minore. Rimane il fatto, però, che il calcestruzzo, ancorché armato, è suscettibile di fessurarsi, magari in forma di micro anziché di macro-fessure (Fig. 1). Ed è questo il problema, ancora irrisolto, che rimane da affrontare in relazione alla durabilità.La durabilità – cioè la capacità di durare nel tempo, ma non all’infinito, alle aggressioni ambientali – viene oggi convenzionalmente assicurata per non più di 50 anni, purché si adotti un copriferro sufficientemente spesso ed un rapporto acqua/cemento (a/c) sufficientemente basso per impedire agli agenti aggressivi dell’ambiente di entrare all’interno del calcestruzzo, e purché siano rispettate alcune regole fondamentali – spesso, però disattese nella pratica – di assicurare un minimo di stagionatura umida soprattutto dopo una precoce scasseratura (si veda l’articolo “Durabilità del calcestruzzo armato” disponibile sul sito www.encosrl.it è l’ABC del calcestruzzo). Tuttavia, soprattutto in strutture con grande estensione superficiale rispetto alla massa, come si verifica per i pavimenti o le volte sottili, un calcestruzzo non è durabile – anche se confezionato con basso rapporto a/c – se presenta fessure o anche solo microfessure (cioè non visibili a occhio nudo ma rilevabili con microscopio ottico : < 100 mm). Infatti, l’obiettivo di ridurre la macroporosità della matrice cementizia e quindi l’accesso degli agenti aggressivi mediante la riduzione del rapporto a/c, può essere completamente vanificato dalla presenza di fessure o microfessure attraverso le quali gli agenti aggressivi possono penetrare nonostante una densa e compatta matrice cementizia. L’aspetto più preoccupante nell’aggressione ambientale, perpetrata attraverso i cammini preferenziali rappresentati dalle fessure e microfessure, riguarda proprio i ferri di armatura particolarmente esposti al rischio di prematura corrosione per l’ingresso di aria umida, e quindi di un gas che permea facilmente le fessure ma anche le invisibili microfessure. Nel giro di qualche anno l’incipiente corrosione dei ferri prima farà apparire le macchie di ruggine in corrispondenza delle microfessure, successivamente tramuterà le micro in macrofessure ed infine provocherà il distacco del copriferro a causa dell’aumento di volume delle armature per effetto della corrosione promossa dalla carbonatazione. Insomma, il confezionamento di un calcestruzzo di qualità, con un basso rapporto a/c in conformità alle normative, è condizione necessaria, ma non sufficiente per garantire la durabilità di una struttura, soprattutto se l’aspettativa di durabilità va ben oltre i 50 anni previsti dalla normativa europea . Se questa aspettativa si protrae per qualche secolo, come pure sarebbe lecito attendersi per opere di alto valore architettonico e di grande interesse sociale, è assolutamente indispensabile controllare, se non eliminare, il quadro fessurativo e micro-fessurativo del calcestruzzo.
Fig. 1 – Fessurazione provocata da escursioni termo-igrometriche
FESSURAZIONE E RIGIDITÀ
Quali sono le principali cause che determinano nel calcestruzzo un’elevata tendenza alla fessurazione anche in assenza di carichi statici e dinamici in servizio? Sono fondamentalmente due: una scarsa resistenza (Rt) alle sollecitazioni di trazione (st ); un elevato modulo elastico (E) cioè una scarsa deformabilità soprattutto al momento della rottura sostanzialmente fragile.Se una struttura è sollecitata con una tensione (st ) che supera la resistenza (Rt), il calcestruzzo, come ogni altro materiale, si fessura. Ovviamente occorrerà evitare che si verifichi questa diseguaglianza:
st > Rt
Noto il valore di Rt (di solito molto basso: 1-7 N/mm2) si deve fare in modo che le sollecitazioni statiche o dinamiche in servizio non inducano sforzi maggiori di Rt , pena la fessurazione del calcestruzzo. Con più difficoltà, invece, si potrà evitare le insidie che si nascondono nelle deformazioni di origine igrometrica o termica che, se impedite o comunque ostacolate, di fatto si tramutano in tensioni. Si consideri, per esempio, una lastra di calcestruzzo appoggiata su terreno. Si supponga che – per effetto dell’ambiente insaturo di umidità, e del conseguente asciugamento del calcestruzzo – la lastra subisca un ritiro igrometrico ei. Se non esistesse alcun vincolo alla contrazione, se per esempio non ci fosse alcun attrito tra calcestruzzo e terreno, la lastra si accorcerebbe di ei senza alcuna conseguenza negativa. Se, all’opposto, la lastra è del tutto impedita nell’accorciamento, essa è costretta a rimanere nella sua posizione originale sotto l’azione di una tensione di trazione st, calcolabile in prima approssimazione, con la legge di Hooke:
st = E ei [1]
In sostanza, per una data contrazione da ritiro igrometrico (ei ), la tensione di trazione (st), indotta proprio dall’impedimento alla contrazione, diventa tanto maggiore, quanto più alto è il modulo elastico (E) del calcestruzzo.
Fig. 2 – A parità di sviluppo della resistenza meccanica a trazione (Rt), ed a parità di ritiro (ei), la fessurazione avviene sono nel calcestruzzo B dotato di maggior modulo elastico EB, non appena la tensione (st) indotta dal ritiro impedito, supera la resistenza a trazione (Rt)
Due calcestruzzi (A e B), dotati di moduli elastici diversi (EA < EB), ma con stessa resistenza a trazione Rt, (Fig. 2), potrebbero comportarsi – dal punto di vista fessurativo – in modo completamente diverso nei confronti delle tensioni indotte dallo stesso ritiro igrometrico (ei ). Infatti, per il calcestruzzo A, meno rigido, la stA indotta potrebbe risultare inferiore alla resistenza Rt, mentre per il calcestruzzo B più rigido (EB > EA ) la stB indotta potrebbe superare Rt e provocare, quindi la fessurazione del materiale:
stB = EB· ei > Rt > stA = EA · ei [2]
In generale i valori di E, di ei e di st che si riscontrano normalmente nei calcestruzzi dovrebbero portare ad una situazione come quella indicata in Fig. 1 per il calcestruzzo B. In altre parole ci si dovrebbe aspettare una fessurazione indotta da ritiro in quasi tutte le strutture. Poiché, però, fortunatamente ciò non accade, vuol dire che la tensione indotta dal ritiro, calcolata secondo l’equazione [2] è in realtà attenuata da un concomitante fenomeno che riduce di fatto la contrazione da ritiro ei . Questo fenomeno è individuabile nella deformazione viscosa o creep (ec) generata dall’insorgere della stessa tensione di trazione st consistente in un allungamento (ec) e quindi di segno opposto al ritiro. Insomma, se la contrazione ei genera una tensione st, quest’ultima a sua volta produce un rilassamento del materiale attraverso un allungamento viscoso ec di segno opposto ad un allungamento ei . E’ come se l’equazione [2] diventasse:
st = E(ei – ec) [3]
La Fig. 3 riassume i concetti sopra esposti mostrando comparativamente il comportamento del calcestruzzo B: nella ipotesi che ci sia l’allentamento della tensione a causa del creep la fessura non si manifesta. In sostanza, per non avere fessure occorrerebbe un calcestruzzo con alta resistenza, basso ritiro e soprattutto con basso modulo elastico (su una elevata deformazione viscosa, ec, che pure ridurrebbe la tensione di trazione st, è meglio non contare per evitare altri problemi: per esempio rilassamento dello stato di coazione nel calcestruzzo precompresso). Insomma è il sogno di tutti i ricercatori, i tecnologi e i progettisti: inventare, sviluppare ed impiegare un calcestruzzo resistente, ma poco rigido, cioè con modulo elastico così basso da poter praticamente annullare le tensioni di trazione che insorgono per effetto del ritiro igrometrico e della contrazione termica; e più in generale per cancellare le differenze nello stato tensionale che insorgono per effetto delle diverse variazioni dimensionali generate da gradienti igrometrici o termici.Si pensi, per esempio, alla situazione di una struttura esposta alle escursioni termiche ed igrometriche ambientali: queste escursioni, di carattere giornaliero e stagionale, provocheranno una lenta ma progressiva microfessurazione sull’epidermide del calcestruzzo proprio per la sua rigidità e per effetto delle differenze di temperatura e di umidità rispetto agli strati più interni e quindi più protetti dalle escursioni termo-igrometriche. Questo meccanismo, che è alla base della microfessurazione iniziale, è il precursore del degrado a lungo termine, soprattutto nelle armature metalliche protette da un copriferro di inadeguato spessore.
UNA PELLE ELASTICA SUL CALCESTRUZZO RIGIDOPer ritornare al sogno di un calcestruzzo poco rigido, che annullerebbe in un sol colpo gran parte dei problemi della fessurazione e della durabilità a lungo termine, esso è stato in parte risolto impiegando come ingrediente aggiuntivo – oltre a quelli tradizionali (cemento, inerti) – un polimero elastomerico: una sorta di gomma sintetica, dispersa in forma di particelle finemente suddivise in un mezzo acquoso (lattice) da impiegare al posto della normale acqua di impasto. Grazie a questa aggiunta, il modulo elastico del sistema polimero-cemento diventa minore di 1000 N/mm2, contro un valore tipicamente compreso tra 20000 e 40000 N/mm2 per i più rigidi sistemi cementizi tradizionali. Esistono, però, due limiti a questa strategia: il costo elevato del componente elastomerico rispetto agli altri ingredienti tradizionali che ne rende proibitivo l’impiego massiccio nel calcestruzzo; la diminuzione di resistenza meccanica a compressione che accompagna la diminuzione del modulo elastico. Per questo motivo il sistema polimero-cemento è finora impiegato in forma di malta da applicare come rivestimento sottile (circa 2 mm), duttile, flessibile, e capace di impermeabilizzare, come una guaina elastica su misura, il substrato rigido in calcestruzzo. Una delle proprietà maggiormente studiate ed apprezzate per questi rivestimenti elastici è la cosiddetta crack-bridging-ability, cioè la capacità di formare un “ponte” elastico ed integro sulle inevitabili fessure della sottostante struttura in calcestruzzo rigido (Fig. 4). In sostanza, una pelle elastica può sopperire alla rigidità del substrato in calcestruzzo ed alla sua suscettibilità alla microfessurazione causata da carichi statici o dinamici in servizio, oppure indotta dalle variazioni termo-igrometriche dell’ambiente. Un sottile (2 mm) rivestimento flessibile con le caratteristiche elastiche sopra descritte, dovrebbe sempre completare la finitura superficiale di una nuova costruzione in calcestruzzo armato la cui attesa di vita in servizio supera i 50 anni.
Fig.3 – Effetto del creep (ec) sull’allentamento della tensione st indotta dal ritiro (ei): la curva della tensione (stB) supera quella della resistenza (Rt) in assenza di creep; la tensione (st), in presenza di creep, si attenua e non si verifica la fessurazione o si verifica a tempi più lunghi. 
Fig. 4-Trave armata sollecitata a flessione: le fessure del substrato in calcestruzzo sono coperte dal rivestimento flessibile in superficie.
COME DISTRIBUIRE LE FESSURE CON I GIUNTI DI CONTRAZIONE
La formazione di fessure provocate dal ritiro igrometrico è distribuita in forma casuale e irregolare. Esiste, tuttavia, una tecnologia grazie alla quale le fessure possono essere convogliate in forma predeterminata e non pericolosa per l’ingresso degli agenti aggressivi. Questa tecnologia, particolarmente applicata nei pavimenti industriali, si basa sulla protezione del calcestruzzo dalla evaporazione per qualche giorno finché esso non è indurito. Si procede quindi al taglio della superficie della struttura per ridurre lo spessore della sezione di circa un terzo e a sigillare le fessure provocate dal taglio. Quando, a seguito della evaporazione dell’acqua, il calcestruzzo subisce il ritiro igrometrico si verifica la completa rottura nella sezione sottostante il taglio del giunto di contrazione per effetto del minore spessore del calcestruzzo al di sotto del giunto.
UN CALCESTRUZZO A RITIRO COMPENSATO
Il modo più efficace per eliminare le fessure provocate dal ritiro igrometrico si basa sull’impiego di un composto capace di espandere nel calcestruzzo indurito dove la presenza dei ferri di armatura trasforma l’espansione del calcestruzzo in uno stato di compressione. Uno dei composti espansivi più impiegati a questo scopo è il CaO cotto ad alta temperatura (1000 °C) in modo che la sua trasformazione in Ca(OH)2 per reazione con l’acqua di impasto si completi in circa due giorni quando cioè il calcestruzzo è indurito. Se si impiegasse il normale CaO cotto a 800 °C per produrre la calce idrata la sua espansione si esaurirebbe in poche ore, quando il calcestruzzo è ancora plastico, e quindi non sarebbe capace di instaurare alcuno stato di compressione. Nella pratica il CaO espansivo è associato all’additivo SRA (Shrinkage Reducing Admixture) in modo da incrementare l’effetto espansivo e ridurre il successivo ritiro in modo da mantenere il calcestruzzo in un permanente stato di compressione. Uno straordinario esempio di questa tecnologia è rappresentato dal MAXXI (Museo dell’Arte del XXI secolo) di Roma progettato dall’Architetta Zaha Hadid che prevedeva “onde” piegate e curve di calcestruzzo lunghe centinaia di metri prive di fessure in assenza di giunti di contrazione (Fig. 5).
Fig. 5. Vista del MAXXI di Roma
