Calcestruzzi per il restauro – Diagnosi del degrado nelle strutture in calcestruzzo

I materiali cementizi impiegati per il restauro sono di due tipi:

calcestruzzi preconfezionati da prescrivere in funzione del restauro
malte cementizie premiscelate, ovvero pronte all’uso da mescolare con acqua sul cantiere.

In questa nona presentazione sulla “Diagnosi del degrado nelle strutture in calcestruzzo” è questo il tema che affrontiamo con il professor Collepardi. Buona visione!

Vi ricordiamo che le precedenti presentazioni sull’argomento “Tecnologia del calcestruzzo” sono disponibili nella sezione Formazione calcestruzzi speciali, che si trova nel reparto Libri e Formazione.

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – La fisica dell’acqua nelle costruzioni

La presentazione di oggi riguarda la fisica dell’acqua nelle costruzioni. Il professor Mario Collepardi analizza nel video le proprietà dell’acqua ed il comportamento di quest’ultima nei materiali da costruzione.

Buona parte di questa lezione verte su un approfondimento chimico-fisico della tematica, mentre nella parte finale, che riguarda la formazione di ghiaccio e la risalita capillare dell’umidità, è di grande interesse pratico in quanto si tratta di fenomeni che provocano il degrado del calcestruzzo armato.

Come sempre vi ricordiamo che le precedenti presentazioni sull’argomento “Tecnologia del calcestruzzo” sono disponibili nella sezione Formazione calcestruzzi speciali, che si trova nel reparto Libri e Formazione.

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in calcestruzzo armato – Terminologia

Nella lezione di oggi, il professore Mario Collepardi ci espone un’ introduzione alla terminologia legata alla diagnosi del degrado e restauro delle strutture in calcestruzzo armato.

Dato il normale divenire delle strutture in CLS armato, è di fondamentale importanza capirne lo stato delle strutture onde evitarne possibili conseguenze.

La principale terminologia impiegata per definire lo stato materiale e strutturale si può raggruppare nelle seguente lista:

Durabilità,
Degrado,
Dissesto,
Diagnosi,
Restauro.

Inoltre, il Professore avvierà i criteri e le professionalità legate attorno al degrado del calcestruzzo armato.

In fine, ci sarà un introduzione alle diverse tipologie e tecniche di restauro del CLS armato e un introduzione alla diversa catalogazione di strutture che necessitano un intervento.

Vi auguriamo buona visione.
Vi ricordiamo che, le precedenti presentazioni sull’argomento “Tecnologia del calcestruzzo” sono disponibili nella sezione Formazione calcestruzzi speciali, che si trova nel reparto Libri e Formazione.

Il degrado del calcestruzzo armato

In questa undicesima presentazione parliamo del degrado del calcestruzzo armato, provocato dalla corrosione dei ferri di armatura e dalla reazione alcali-silice e dall’intrinseco deterioramento della pasta cementizia.

Vi ricordiamo che potete consultare tutti gli approfondimenti didattici del professor Collepardi in questa pagina, dove potete trovare anche molti altri utili contenuti informativi sul mondo del calcestruzzo.

Diagnosi del degrado e restauro delle strutture in C.A. – Capitolo 7

Intervento a spruzzo o a cazzuola

L’intervento è destinato all’applicazione di malte espansive a consistenza plastica per riparare grandi estensioni superficiali (pareti, volte, soffitti) di spessore relativamente ridotto (in genere da 2 a 4 cm).

L’intervento comprende:

preparazione del sottofondo;
produzione della malta;
applicazione della malta;
stagionatura del rivestimento.

Preparazione del sottofondo

In linea di massima è necessario che il sottofondo di calcestruzzo sul quale si deve applicare la malta da restauro si presenti sano, irruvidito e saturo di acqua.

I ferri di armatura, inoltre, debbono essere privati della loro ruggine incoerente.

Occorre, pertanto:

rimuovere, mediante scarifica meccanica o idrodemolizione, il materiale ammalorato fino ad arrivare ad un calcestruzzo meccanicamente resistente e irruvidito: lo spessore di calcestruzzo rimosso deve essere almeno eguale a quello che, in base alle indagini diagnostiche (Capitolo II), risulta essere ormai penetrato dagli agenti aggressivi (cloruro, solfato, ecc.) anche se ancora non completamente danneggiato; i residui di precedenti interventi non perfettamente aderenti, come anche oli, grassi, vernici superficiali, ecc., dovranno essere ugualmente rimossi; un irruvidimento ideale del sottofondo corrisponde ad una superfi cie con asperità di circa 5 mm;
pulire i ferri di armatura da polvere e ruggine incoerente mediante sabbiatura ed applicare una rete elettrosaldata o nuovi ferri di armatura eventualmente previsti dal progetto di restauro; la rete elettrosaldata (per spessori di malta fi no a 25 mm) va applicata direttamente sul sottofondo e fissata con chiodi in modo da garantire un copriferro di almeno 15 mm; nel caso di spessori di malta fi no a 50 mm – fermo restando il copriferro di almeno 15 mm – è consigliabile, mediante distanziatori, sistemare la rete elettrosaldata in modo che non sia a diretto contatto del sottofondo (ma disposta simmetricamente nello strato di malta) per utilizzare al massimo l’azione di contrasto della rete stessa nei confronti dell’espansione della malta; ad ogni modo, per spessori maggiori di 25 mm è consigliabile applicare il prodotto a più strati ciascuno dei quali per non più di 25 mm; spessori di malta inferiori a 15 mm possono essere applicati anche in assenza di rete elettrosaldata, purché il contrasto all’espansione della malta sia assicurata dalle asperità (5 mm) del sottofondo in calcestruzzo;
saturare di umidità il sottofondo bagnando con acqua a pressione al fine di evitare sottrazione di acqua alla malta da applicare con conseguente perdita delle caratteristiche espansive: una tecnologia ottimale è quella basata sull’ impiego delle macchine per lavaggio ad acqua delle autovetture con rimozione dell’eccesso di acqua mediante aria compressa o stracci per ottenere un sottofondo saturo di acqua a superficie asciutta.

Produzione della malta

Prima di iniziare la produzione della malta è necessario aver predisposto le attrezzature occorrenti (betoniera, macchina intonacatrice, cazzuola, spatola, frattazzo) ed accertare che il quantitativo di prodotto sia sufficiente per l’esecuzione del lavoro (di solito da 1900 a 2000 kg per 1 m3 di malta). Si procede, quindi, alla miscelazione della malta in betoniera seguendo le istruzioni del produttore per quanto concerne la quantità di acqua da impiegare e le modalità operative.

Nel caso di climi caldi (> 35°C) si raccomanda di immagazzinare i prodotti occorrenti alla preparazione della malta in luoghi protetti dalla diretta insolazione, ed in quelli freddi (< 10°C) in ambienti chiusi al riparo dalle intemperie. Questa precauzione evita fenomeni di presa rapida o lenta della malta. Per lo stesso motivo è consigliabile l’impiego di acqua raffreddata (0-10°C) o riscaldata (40-60°C) rispettivamente nei periodi di clima caldo o freddo.

Applicazione della malta

L’applicazione può essere eseguita a cazzuola o, più produttivamente ed efficacemente a spruzzo con macchina intonacatrice. Immediatamente si può procedere, con una spatola di legno, a rendere più o meno planare la superficie rimuovendo la malta dalle zone di maggior accumulo. La finitura finale, (con frattazzo di legno, di ferro o di spugna sintetica) può essere eseguita in un tempo successivo (circa 30-60 min) quando, appoggiando la mano sulla superficie, le dita non affondano ma lasciano solo una leggera impronta. Se la malta ha da poco iniziato la presa l’operazione di frattazzatura superficiale può essere agevolata se è accompagnata dall’applicazione di acqua nebulizzata.

Stagionatura

Subito dopo la finitura finale, le superfici della malta applicata debbono essere stagionate con teli costantemente umidi per almeno 24 ore e fino a 2 giorni in ambienti caldi (> 30°C), asciutti (UR < 70%) e ventilati (velocità del vento > 10 km/ora). In alternativa, subito dopo la finitura le superfici possono essere trattate con agente stagionante per creare una pellicola anti-evaporante: questa operazione è sconsigliata se si debbono applicare ulteriori rivestimenti protettivi o vernici, a meno che non si provveda successivamente a rimuovere la pellicola mediante spazzolatura.

Il nuovo calcestruzzo – Il degrado delle strutture in calcestruzzo armato

10.2.1 CORROSIONE PROMOSSA DALLA CARBONATAZIONE.

L’aria – ed in particolare l’anidride carbonica, l’ossigeno e l’umidità in essa contenuti – può provocare la corrosione delle armature metalliche a seguito di un fenomeno denominato carbonatazione. In realtà, il ruolo dell’anidride carbonica (CO2) è quello di un complice, mentre i veri killer nei confronti dei ferri sono l’ossigeno e l’umidità contenuti nell’aria, come è mostrato nel processo [10.1].

Fig. 10.2 – Ferri nel calcestruzzo: situazione di passività (assenza di carbonatazione)

Inizialmente nel calcestruzzo si stabiliscono, per lo sviluppo di Ca(OH)2 a seguito della idratazione del cemento secondo la reazione [3.3] (§ 3.5; 3.6), condizioni di forte basicità (pH>13) particolarmente favorevoli alla buona conservazione delle armature metalliche; in queste condizioni, infatti, sul ferro si forma un film di ossido ferrico impermeabile e adesivo al substrato metallico (Fig. 10.2). In questa situazione (detta di passività) la pellicola impermeabile di ossido impedisce all’ossigeno ed all’umidità di arrivare al ferro metallico che si trova sotto il film impermeabile e pertanto impedisce la formazione di ruggine secondo lo schema del processo [10.1].Quando però la zona di calcestruzzo che protegge i ferri (copriferro) è completamente penetrata dall’anidride carbonica, la situazione cambia radicalmente.Infatti, l’anidride carbonica annulla la basicità a seguito del processo di carbonatazione che consiste nella trasformazione della calce in carbonato di calcio:A seguito della neutralizzazione della calce, per effetto della reazione [10.2], il pH scende a valori di circa 9 ed il ferro, già a pH minori di 11, perde la sua passività (depassivazione), cioè è in grado di subire la corrosione (Fig. 10.3) secondo l’equazione [10.1]. In sostanza, il film di ossido inizialmente protettivo (per la sua impermeabilità all’ossigeno ed all’acqua) diventa poroso ed incoerente se il pH scende sotto 11 e non è più in grado di bloccare l’accesso dell’ossigeno e dell’umidità al

Fig. 10.3 – Ferri nel calcestruzzo: perdita di passività per carbonatazione di tutto il copriferro

Fig. 10.4 – Ferri nel calcestruzzo: corrosione dei ferri e copriferro fessurato

Fig. 10.5 – Struttura in calcestruzzo armato con espulsione del copriferro a seguito della formazione di ruggine (più voluminosa dell’acciaio) sulla superficie delle armature metalliche

substrato metallico (Fig. 10.4). In queste condizioni a seguito della trasformazione del ferro in ruggine (circa 6-7 volte più voluminosa del metallo) il copriferro viene prima fessurato (Fig. 10.4) e quindi espulso (Fig. 10.5).La carbonatazione, di per sé, non danneggia il calcestruzzo e neppure danneggia direttamente i ferri di armatura. Essa crea solo le condizioni favorevoli al processo di corrosione da parte dell’ossigeno e dell’umidità (M. Collepardi, R. Fratesi, G. Moriconi, C. Branca, S. Simoncini, “L’influenza della carbonatazione sulla corrosione dei ferri nel calcestruzzo armato”, Giornate AICAP’89, Napoli 4-6 maggio (1989), disponibile su www.encosrl.it ? Pubblicazioni scientifiche ? Corrosione e protezione delle armature nelle strutture in c.a. e c.a.p. ? Articolo N. 7).In altre parole, un calcestruzzo armato conservato in un ambiente di pura CO2 potrà subire una completa carbonatazione del copriferro senza, però, alcun rischio di corrosione per le armature metalliche a causa della mancanza dei prodotti (H2O, O2) che alimentano la trasformazione di ferro metallico in ruggine secondo il processo [10.1]. Ciò non toglie che la velocità con cui la CO2 penetra nel calcestruzzo sia di grande importanza nel determinare il tempo durante il quale il copriferro protegge i ferri di armatura dalla corrosione.La velocità con cui il fronte della carbonatazione avanza nel copriferro segue una legge del tipo:dove x è lo spessore di calcestruzzo penetrato dalla CO2 al tempo t, e K è una costante che dipende dalla qualità del calcestruzzo, in particolare dal rapporto a/c oltre che dal tipo e classe di cemento, ma anche dall’UR dell’aria raggiungendo il valore massimo a circa 60-70% di UR.Lo spessore carbonatato x è determinabile spruzzando una soluzione di fenolftaleina (che cambia colore se il pH è sopra o sotto 11) sulla superficie di frattura di un provino di calcestruzzo esposto all’aria, e registrando la variazione di colore da rosso a grigio come è mostrato in Fig. 10.6 (M. Collepardi, “Analisi del calcestruzzo in laboratorio”, Atti della Conferenza: Durabilità del Calcestruzzo. Lugano, Novembre (1986), disponibile su www.encosrl.it ? Pubblicazioni scientifiche ? Degrado, durabilità e restauro delle strutture in calcestruzzo ? Articolo N.12). La zona bassa del provino – a pH >11 perché non carbonatata – si colora in rosso mentre lo spessore della zona grigia superiore – a pH <11 in quanto carbonatata – rappresenta x nell’equazione [10.3] al tempo t; facendo più determinazioni di x a tempi t diversi si può calcolare K (Tabella 10.2) dalla pendenza della retta x contro ?t (Fig. 10.7).La Fig. 10.8 mostra l’applicazione del test alla fenolftaleina in una struttura le cui armature sono immerse in un calcestruzzo carbonatato: questo tipo di test consente di stabilire lo spessore di calcestruzzo carbonatato da rimuovere e sostituire con una nuova malta in fase di restauro.

Fig. 10.6 – Carbonatazione parziale del copriferro: la parte colorata in rosso non è stata penetrata dalla CO2

Tabella 10.2 – Valori esemplifi cativi di K per la carbonatazione in funzione del rapporto a/c in un calcestruzzo con cemento CEM IIA-L 32.5N, con UR = 65%

Fig. 10.7 – Spessore di calcestruzzo penetrato dalla CO2 (x) in funzione del tempo (t) di esposizione all’aria, con cemento CEM IIA-L 32.5N e con UR = 65%

Fig. 10.8 – Applicazione del test alla fenolfraleina sulla struttura in sito

Come ci si può difendere dalla corrosione promossa dalla carbonatazione? Sostanzialmente con due accorgimenti:a) ridurre il rapporto a/c, perché questa riduzione rende la matrice cementizia meno porosa (§ 8.5), più compatta e quindi meno penetrabile tanto dal complice (CO2) quanto dai due killer (O2 e H2O);b) aumentare lo spessore del copriferro;c) impiegare acciaio zincato più resistente alla corrosione da carbonatazione (R. Fratesi, G. Moriconi, L. Coppola, “The Infl uence of Steel Galvanization onRebars Behaviour in Concrete”, Proceedings of the “Fourth International Symposium on Corrosion of Reinforcement in Concrete Contruction”, pp. 630-641, Cambridge, U.K., Luglio (1996), disponibile su www.encosrl.it ? Pubblicazioni scientifiche ? Corrosione e protezione delle armature nelle strutture in c.a. e c.a.p.? Articolo N.16).I primi due accorgimenti trovano un riscontro quantitativo nelle normative attraverso l’imposizione di un vincolo, sia sul rapporto a/c sia sullo spessore di copriferro, come verrà mostrato più avanti (§ 11.2).Ci si potrebbe chiedere se nei calcestruzzi con parziale sostituzione del cemento Portland da parte di materiali pozzolanici o loppa -dove per effetto della reazione [3.4] è presente una minore quantità di calce (§ 3.6)- la velocità per neutralizzare la calce con il processo di carbonatazione aumenti rispetto ai corrispondenti calcestruzzi senza pozzolana o loppa. I risultati sperimentali indicano che la velocità di carbonatazione non cambia se si sostituisce parte del cemento Portland con cenere volante o loppa purché il confronto sia fatto tra calcestruzzi di pari resistenza meccanica (M. Collepardi, S. Collepardi, J.J. Ogoumah Olagot, F. Simonelli, “The infl uence of slag and fl y ash on the carbonation of concrete”, Proceedings of the CANMET-ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans, Las Vegas, USA, 2004, pp. 495- 506, disponibile su www.encosrl.it ? Pubblicazioni scientifi che ? Aggiunte Minerali per malte e calcestruzzi ? articolo N. 20; A. Borsoi, J.J. OgoumahOlagot, F. Simonelli e R. Troli; “ Infl uenza della resistenza meccanica del calcestruzzo sulla carbonatazione”, Enco Journal N.42, Settembre 2008, disponibilesu www.enco-journal.com ? Gli ultimi numeri ? Enco Journal N. 42).I risultati mostrati nella Tabella 10.3 mostrano la penetrazione dell’anidride carbonica in calcestruzzi con o senza sostituzione del cemento Portland da parte di cenere volante (25 %) o loppa (15-50%) di pari resistenza meccanica (compresa nell’intervallo di 40-45 MPa) esposti all’aria fi no a 360 giorni. In tutti i calcestruzzi la penetrazione, che è trascurabile a 1 mese (0.0-0.5 mm), raggiunge un valore compreso tra 5 e 7 mm dopo 1 anno. Questi risultati appaiono plausibili perché una pari resistenza meccanica dei calcestruzzi è sintomo di una pari porosità capillare della pasta cementizia (§ 8. 2) e quindi di una pari permeabilità (§ 8.4) dell’anidride carbonica nella matrice cementizia.

Tabella 10.3 – Carbonatazione di calcestruzzi con e senza cenere volante o loppa di pari resistenza meccanica a 28 giorni (Rcm28)

10.2.1.1 CALCOLO DELLA CARBONATAZIONE A LUNGO TERMINE

La velocità di carbonatazione è molto condizionata dalla umidità relativa (UR) ambientale: la carbonatazione procede molto lentamente in ambienti saturi di umidità con UR prossima a 100% o molto asciutti (UR < 20 %); la massima velocità di carbonatazione avviene in ambienti con UR tra 65% e 85% (P. Pedeferri e L.Bertolini, La durabilità del calcestruzzo armato”, Mc Graw Hill Italia, Milano, 2005). La variazione di UR durante l’esposizione delle strutture in calcestruzzo all’aria rende molto difficile prevedere la penetrazione di carbonatazione a causa della difficoltà a conoscere la “storia igrometrica” ambientale con UR variabile in funzione degli eventi atmosferici. In altre parole, la linearità della curva x contro t che appare nella equazione [10.3] e nei grafi ci della Fig. 10.7 si verifica solo in provini di calcestruzzo esposti in laboratorio con UR costante.Tuttavia, anche con questa limitazione, l’equazione [10.3] consente di prevedere con buona approssimazione quando il fronte della carbonatazione raggiungerà i ferri di armatura dopo aver penetrato interamente il copriferro di una struttura in calcestruzzo esposto all’aria in condizioni igrometriche variabili. Si supponga, per esempio, che attraverso la misura in situ mostrata in Fig. 10.8, si determini uno spessore di carbonatazione di 15 mm dopo 10 anni dalla costruzione dell’opera in calcestruzzo armato che presenta un copriferro di 25 mm come (Fig. 10.6). Sebbene non sia dato di conoscere la UR e la sua variazione nei primi 10 anni di vita di servizio della struttura, si può calcolare il coefficiente “medio“ di carbonatazione K che si è di fatto instaurato nell’arco della esposizione per 10 anni della struttura all’aria mediante l’equazione [10.3]:

x = K • ?t ? K = x/ ?t = 15 ?10 = 5 mm•anno-1/2

Quindi, anche ammettendo che la UR non sia rimasta costante durante i primi 10 anni di esposizione del calcestruzzo all’aria, in relazione alle variabili condizioniclimatiche ambientali, si può assumere che nel caso specifico il valore “medio” di K è eguale a 5 mm•anno-1/2. Inoltre, si può ragionevolmente assumere che nel restante periodo di esposizione all’aria, necessario per carbonatare tutto lo spessore di copriferro (25 mm), le condizioni igrometriche ambientali, ancorché variabili, saranno mediamente variabili come quelle dei primi 10 anni di vita di esercizio. Secondo questa ragionevole ipotesi, il K “medio” nel restante periodo per arrivare a carbonatare tutto il copriferro, si manterrà sullo stesso valore di 5 mm•?anno-1/2 registrato nei primi 10 anni. Con questa ipotesi il tempo t per carbonatare completamente il copriferro di 25 mm secondo la [10.3] sarà:

x = K•? t = 25 = 5? t ? t = (x/K)2 = (25/5)2 = 25 anni

Pertanto, tenendo conto che sono già trascorsi 10 anni per carbonatare i primi 15 mm di copriferro, il tempo residuo perché il fronte della carbonatazione arrivi ai ferri di armatura è di 25-10 = 15 anni.

Questa informazione, deducibile con una semplice rilevazione della carbonatazione del copriferro dopo un tempo noto dalla costruzione dell’opera, consente di stabilire razionalmente il tempo ancora a disposizione (nell’esempio specifico 15 anni) per intervenire con una eventuale azione di restauro prima che il fronte della carbonatazione raggiunga il copriferro, e quindi prima che l’armatura metallica sia depassivata (Fig. 10.3) con conseguente rischio di corrosione (Fig. 10.4). L’intervento di restauro (M.Collepardi, M.Corradi, S.M. Guella “Proprietà degli impasti cementizi per il consolidamento ed il ripristino strutturale di costruzioni ammalorate”, Atti delle Giornate AICAP, Venezia 1977, Pubblicato sul Notiziario AICAP pg.11,1978, disponibile su www.encosrl.it ? Pubblicazioni scientifiche ? Degrado, curabilità e restauro delle strutture in calcestruzzo ? Articolo N. 6) potrà consistere nella rimozione del copriferro completamente o parzialmente carbonatato e nel ripristino della condizione dipassività con l’applicazione di una malta in sostituzione del copriferro rimosso; in alternativa, prima che sia trascorsi 15 anni, si potrà proteggere la superficie della struttura in calcestruzzo con un rivestimento impermeabile all’aria e quindi alla CO2 , oltre che all’ossigeno e all’acqua.

Durabilità del Calcestruzzo Armato

DEFINIZIONE DI DURABILITÀ

Si definisce durabile una costruzione in calcestruzzo armato con una vita utile di servizio di almeno 50 anni. Tuttavia, per opere di una particolare importanza strutturale o sociale si può raddoppiare la vita utile di servizio aumentando il copriferro di almeno 10 mm.

A CHI SERVE LA DURABILITÀ?

Chi trae il vantaggio economico dalla durabilità dell’opera? Solo il proprietario. Ed è quindi il committente dell’opera ed il suo progettista a dover rispettivamente pretendere e prescrivere la durabilità. In sostanza, occorre che la durabilità sia prescritta dal progettista in capitolato, che ci sia il giusto riconoscimento economico all’impresa, e che si eserciti un controllo in corso d’opera per verificare se la prescrizione è stata rispettata. La verifica della prescrizione è possibile solo se è basata su determinazioni di proprietà oggettivamente misurabili. Si dovrebbero bandire, da ogni capitolato che si rispetti, frasi generiche ed ambigue come “calcestruzzo di buona qualità” oppure “esecuzione a regola d’arte” o determinazioni impossibili come quella sul dosaggio di cemento in una carota di calcestruzzo.

DURABILITÀ E AMBIENTE

La durabilità di un materiale è la capacità di conservare nel tempo le prestazioni iniziali in relazione all’ambiente in cui si trova. E’ importante, nel valutare la durabilità di una struttura, considerare l’ambiente in cui l’opera è destinata a sorgere. Le categorie ambientali più o meno aggressive nei confronti del calcestruzzo e dei ferri di armatura sono chiamate classi di esposizione e nella Tabella 1 sono mostrate le varie classi di esposizione. Tabella 1. Classi di esposizione secondo la norma UNI-EN 206Nei paragrafi che seguono verranno esaminati i parametri composizionali e lo spessore di copriferro per garantire la durabilità nelle varie classi di esposizione. Successivamente, verranno discusse alcune raccomandazioni esecutive da adottare sempre, indipendentemente dall’ambiente cui il calcestruzzo è esposto.

AMBIENTI INTERNI

Gli ambienti interni (abitazioni, uffici, ecc.) sono quelli protetti dagli agenti atmosferici. Questo ambiente può arrecare qualche danno, solo ai ferri di armatura. L’aria – ed in particolare l’anidride carbonica, l’ossigeno e l’umidità in essa contenuti – può provocare la corrosione delle armature metalliche a seguito di un fenomeno denominato carbonatazione. In realtà, il ruolo dell’anidride carbonica è quello di un complice, mentre i veri killer nei confronti dei ferri sono l’ossigeno e l’umidità.In un calcestruzzo non carbonatato si stabiliscono, per lo sviluppo di Ca(OH)₂ a seguito della idratazione del cemento, condizioni di forte basicità (pH > 13) particolarmente favorevoli alla buona conservazione delle armature metalliche, perché sul ferro si forma una patina di ossido impermeabile e adesivo al substrato. In questa situazione (passività) la pellicola di ossido impedisce all’ossigeno ed all’umidità di trasformare il ferro metallico in ruggine secondo il seguente schema:

	3O₂
4 Fe +	=====>	4 Fe(OH)₃	[1]
	6H₂O
(metallo)	(aria umida)	(ruggine impermeabile)

Quando però la zona di calcestruzzo che avvolge i ferri è penetrata dall’anidride carbonica, la situazione cambia radicalmente. Infatti, l’anidride carbonica annulla la basicità a seguito del processo di carbonatazione:

Ca(OH)₂	+ CO₂	=====>	CaCO₃+H₂O	[2]
(calce)	(anidride carbonica)		(carbonato)

In queste condizioni il pH scende a valori di circa 9 ed il ferro perde la sua passività (depassivazione) cioè è in grado di subire la corrosione secondo l’equazione [1]. La carbonatazione non danneggia il calcestruzzo e neppure danneggia direttamente i ferri di armatura. Essa crea solo le condizioni favorevoli al processo di corrosione da parte dell’ossigeno e dell’umidità, attraverso la diminuzione del pH. In sostanza l’anidride carbonica è solo un complice che spiana la strada ai veri responsabili (ossigeno e umidità) della corrosione.Come ci si può difendere dalla corrosione promossa dalla carbonatazione? Sostanzialmente con due accorgimenti:1) riducendo il rapporto acqua/cemento ( a/c), perché questa riduzione rende la matrice cementizia più compatta e quindi meno penetrabile tanto dal complice (CO₂) quanto dai due killer (O₂ e H₂O); 2) aumentando lo spessore del copriferro. Nelle strutture normali, cioè non armate, non esiste alcun limite per a/c giacché, non esiste alcun rischio di corrosione. D’altra parte, per le opere in c.a. p. – rispetto a quelle in c.a. – occorre adottare misure preventive più conservative sia per a/c (0.60 anziché 0.65), sia per il copriferro (25 anziché 15 mm).

AMBIENTI ESTERNI

Gli ambienti esterni possono essere di due tipi: quelli esposti alla pioggia o in genere all’umidità (XC) e quelli esposti alle alternanze termica intorno allo 0°C con formazione di ghiaccio (XF). Nell’ambiente esposto alla pioggia si possono verificare fenomeni di dilavamento del calcare da parte dell’azione congiunta dell’acqua e della CO₂. Per questo motivo è necessario abbassare il rapporto a/c a 0.60.Nelle strutture esposte ai cicli di gelo-disgelo occorre abbassare il rapporto a/c a 0.55, innalzare il copriferro di 5 mm, adottare aggregati non gelivi, e soprattutto inglobare aria in forma di microbolle uniformemente spaziate e capaci di ospitare l’acqua libera sospinta dalla formazione di ghiaccio.

I SALI DISGELANTI

Sono esposte ai sali disgelanti a base di cloruro nel periodo invernale le opere stradali, autostradali, aeroportuali e le pavimentazioni esterne. Oltre alle aggressioni presenti nella classe di esposizione XF, occorre tener conto della presenza dei cloruri capaci di promuovere una corrosione più severa (pitting corrosion) delle armature (XD). Pertanto, è necessario predisporre una risposta all’attacco aggressivo ancor più efficace che non negli ambienti esposti solo ai cicli di gelo-disgelo.

IL MARE

Sono previste due sub-ambienti: ambiente marino (XS) in clima temperato oppure accompagnato da cicli di gelo e disgelo (XF) . In entrambi i casi il calcestruzzo è esposto all’attacco dei sali solfatici, ed i ferri di armatura sono aggredibili dai cloruri. Nel caso in cui, nell’ambiente marino si verifichino anche cicli di gelo e disgelo, occorre adottare una linea difensiva più efficace inglobando microbolle d’aria.

AMBIENTE CHIMICAMENTE AGGRESSIVO

La classe di esposizione XA riguarda le opere in calcestruzzo in ambiente chimicamente aggressivo: solfati, solfuri, ammoniaca, magnesio, sostanze acide, ecc. Tra questi agenti, il solfato gioca un ruolo determinante per la frequenza con cui è riscontrabile nei terreni, nelle acque naturali e negli ambienti industriali. Quando un calcestruzzo poroso viene a contatto con il solfato subisce degrado a seguito della reazione di quest’ultimo con i calcio-alluminati idrati (C-A-H) ed i calcio-silicati idrati (C-S-H), entrambi prodotti dall’idratazione del cemento.I fenomeni di degrado consistono nella formazione di due componenti (entrambi a carattere espansivo-dirompente) denominati ettringite e thaumasite formati per reazione del solfato rispettivamente con C-A-H e C-S-H. Per impedire il degrado è necessario adottare due misure: rendere il calcestruzzo meno poroso abbassando il rapporto a/c e stagionando adeguatamente il conglomerato; impiegare un cemento meno ricco in alluminati e quindi meno disponibile a formare l’ettringite. Per individuare il rapporto a/c e stabilire se si deve impiegare un cemento resistente ai solfati è necessario conoscere la concentrazione di solfato nell’ambiente.

VERIFICA DELLE PRESCRIZIONI

Se è vero che un limite nel rapporto a/c è la premessa indispensabile per la costruzione di un calcestruzzo durabile, cosa si può fare in pratica per verificare che questo limite non sia stato effettivamente superato? La verifica di questo parametro offre non poche difficoltà anche a chi volesse determinare sia l’acqua di impasto, sia il dosaggio di cemento al momento del getto. Infatti, se in qualche modo si arriva a determinare l’acqua di impasto, la verifica del dosaggio di cemento – basato sul passante ad un certo vaglio del calcestruzzo fresco – presenta notevoli incertezze per la presenza di altri componenti non cementizi di paragonabile finezza. D’altra parte, la determinazione del dosaggio di cemento in un calcestruzzo indurito è di fatto oggi impossibile con la disponibilità dei leganti idraulici secondo la nuova normativa europea. Da tutto ciò deriva che l’unico modo praticabile, per verificare che sia stato effettivamente adottato il rapporto a/c prescritto consiste nel controllo indiretto della resistenza caratteristica (R_ck) sugli impasti delle prove preliminari eseguite con il rapporto a/c prescelto. In mancanza di queste prove, la correlazione tra R_ck ed a/c viene fornita indicativamente dalla norma UNI 9858 che stabilisce i criteri di durabilità del calcestruzzo in relazione alle classi di esposizione ambientale. Se nel calcestruzzo è necessario prevedere la presenza di un determinato volume di aria (4-6%) per le classi di esposizione i valori di R_ck debbono essere abbattuti di circa il 20%.

NON SOLO A/C: OCCORRE ANCHE COSTIPARE E STAGIONARE

Per garantire la durabilità delle strutture reali non è sufficiente rispettare il limite nel rapporto a/c e nel volume di aria. Per una struttura durabile occorre anche che in corso d’opera siano rispettate due altre condizioni tanto importanti quanto disattese nella pratica del cantiere: il calcestruzzo gettato deve essere costipato a rifiuto; il calcestruzzo al momento dello scassero deve essere protetto dall’evaporazione per un periodo di almeno 3 giorni. Sulla prima delle due condizione si possono fare le seguenti tre importanti considerazioni:- l’importanza della compattazione è legata al fatto che un calcestruzzo mal compattato presenta vuoti e macro-difetti che favoriscono l’ingresso degli agenti aggressivi nel materiale;- per assicurare realisticamente una buona costipazione è necessario che il calcestruzzo possegga un’adeguata lavorabilità (classe di consistenza S4 o S5) senza che si ricorra a riaggiunte d’acqua in cantiere che aumenterebbero di fatto a/c e penalizzerebbero la durabilità;- per verificare, in modo semplice, che l’impresa abbia costipato adeguatamente il calcestruzzo si può prescrivere in capitolato di misurare la massa volumica sulle carote estratte dalla struttura in opera e confrontarla con quella del provino impiegato per il controllo della R_ck; la prima non dovrebbe risultare inferiore alla seconda per più del 3% (o di altro valore che si è disposti a tollerare).Sulla seconda condizione (stagionatura umida) per almeno 3 giorni è necessario sottolineare che un calcestruzzo rischia di non essere di fatto durabile se la sua “pelle” si essicca prima ancora che il cemento abbia potuto reagire con l’acqua di impasto. Se ciò accade, si verifica un arresto nel processo di idratazione con grave pregiudizio sulla impermeabilità dello strato corticale del conglomerato.Poiché anche la stagionatura ha un costo, difficilmente essa verrà offerta da un’impresa se questa operazione non è stata prevista in capitolato. In pratica, per assicurare una buona stagionatura umida occorre che la superfice a vista della struttura sia bagnata continuamente con acqua nebulizzata, oppure coperta con teli impermeabili o più semplicemente trattata con membrane anti-evaporanti applicate a spruzzo subito dopo la scasseratura.

CONCLUSIONI

Per concludere un calcestruzzo durabile richiede – già in fase di capitolato – che si definiscano tre aspetti da verificare in corso d’opera:

una R_ck che corrisponda al rapporto a/c da adottare in relazione all’ambiente aggressivo;
una costipazione del calcestruzzo in opera in modo, che la massa volumica della struttura (misurata su carote) non scenda per più del 3% sotto quella del corrispondente provino (su cui si determina la R_ck) compattato a rifiuto;
una stagionatura umida della superficie del calcestruzzo per almeno 3 giorni dopo la scasseratura.

Non-distruttive: prove sul calcestruzzo in opera

La diagnosi del deterioramento di una struttura consiste nella raccolta di dati sperimentali che — unitamente alle informazioni al contorno, di carattere ambientale, climatico, storico, strutturale — consente di stabilire le cause del deterioramento della struttura in genere, e del degrado dei materiali in particolare. La raccolta di dati sperimentali si basa sull’esecuzione di prove che possono essere suddivise in distruttive e non-distruttive.La distinzione tra prove distruttive e non-distruttive consiste fondamentalmente nel fatto che le prime si basano su prove sperimentali, generalmente eseguite in laboratorio, effettuate su provini o campioni prelevati dalla struttura: ne consegue che esse prevedono in genere il sollevamento sia pure parziale di un pavimento, il carotaggio di una muratura, ecc., tutte operazioni che possono arrecare una compromissione alle strutture sospettate di essere coinvolte da un processo di deterioramento.Le prove non-distruttive, invece, presentano il vantaggio di fornire elementi utili alla interpretazione del potenziale deterioramento in atto, senza minimamente aggravare lo stato della struttura dal punto di vista estetico o strutturale. Le prove non-distruttive sono di carattere prevalentemente fisico o fisico-meccanico da eseguire in sito sulla struttura; le prove distruttive, invece, sono di carattere chimico, fisico, o meccanico da effettuare in laboratorio.In generale, è molto difficile che con le sole prove non-distruttive si possa arrivare ad una diagnosi corretta del degrado di una struttura. Molto spesso, esse debbono essere accompagnate da quelle distruttive. L’accoppiamento di prove distruttive e non-distruttive, oltre al carattere di complementarità e di completezza dell’informazione desunta, presenta anche il vantaggio di ridurre globalmente il numero totale delle prove da eseguire e quindi il costo generale della diagnosi: infatti, in linea di massima, il costo della singola prova di laboratorio è relativamente basso, ma si richiede un numero relativamente elevato di prove sui diversi prelievi, rispetto alle prove non distruttive, per poter emettere una diagnosi.Lo scopo principale delle prove non-distruttive in sito è quello di fornire elementi utili non tanto e non solo per emettere direttamente una diagnosi, quanto e soprattutto per guidare il tecnico in un prelievo ben finalizzato dei campioni e dei provini da sottoporre a successive prove di laboratorio. Le prove non-distruttive sono in genere caratterizzate dalle seguenti proprietà:· mantengono integra (o quasi) la struttura indagata;

informano in modo globale, rapido e semplice;
forniscono risultati sia qualitativi che quantitativi o comunque comparativi.

Le principali prove non-distruttive che possono essere prese in considerazione per una diagnosi delle strutture includono: fotografia, termografia, endoscopia, magnetometria, gammagrafia, auscultazione sonica, prove con ultrasuoni e sclerometria.

FOTOGRAFIA

Per quanto banale essa possa sembrare, la documentazione fotografica (Fig. 1) è una prova non-distruttiva che sempre dovrebbe accompagnare una diagnosi, anche e soprattutto se seguita da prove distruttive in laboratorio, per evidenziare e documentare dove sono localizzati i prelievi sottoposti alle altre osservazioni o analisi. Essa dovrebbe includere sia la visione d’assieme della struttura da indagare, sia i dettagli possibilmente identificati con un codice per consentire un facile ed immediato riferimento alla struttura generale.

TERMOGRAFIA

Il principio della termografia è basato sul fatto che qualsiasi oggetto che si trova ad una determinata temperatura emette un flusso di energia regolato dalla legge dì Stefan-Bolzmann:E= esT⁴dove T è la temperatura assoluta (in °K) della superficie da cui proviene il flusso energetico E (in W/m²), s è una costante che vale 5,67 · 10^-8 W/m²°K⁴, ed e una costante adimensionale — detta emissività — che dipende dal materiale che costituisce la superficie.

Fig. 1 – Esempio di documentazione fotografica per la diagnosi del degrado.

Immaginando che una struttura composita, come una muratura, sia esposta nelle stesse condizioni termiche (per esempio all’irraggiamento solare), i singoli elementi (pietra, malta, mattone, acciaio, ecc.) si porteranno ad una diversa temperatura in funzione delle loro proprietà termiche, ed in particolare del loro calore specifico e della loro conducibilità termica. Ciascun elemento emetterà un flusso di energia in accordo con la legge di Stefan-Bolzmann, in funzione della temperatura raggiunta e della sua emissività. La termografia consiste nel registrare, mediante un rilevatore ad infrarosso, le temperature raggiunte dai vari elementi presenti in una struttura. Il rilevatore impiegato consente, in particolare, di misurare le radiazioni infrarosse (IR) comprese nell’intervallo di lunghezza d’onda tra 2 e circa 6 mm. Mediante un sistema ottico (costituito da varie lenti) ed elettrico (capace di tramutare in un segnale elettrico l’intensità della radiazione ricevuta) le differenze di temperature vengono registrate, attraverso un termogramma consistente nella registrazione grafica di tonalità monocromatiche (varianti, per esempio, dal bianco al nero) proporzionali alle diverse temperature (Fig. 2).

Fig. 2 – Termografia per rilevare la distribuzione dell’umidità (maggiore nelle zone più scure)

Una particolare applicazione della termografia consiste nel rilevare la distribuzione superficiale dell’umidità: riscaldando artificialmente ed omogeneamente la superficie esterna di una muratura, la temperatura raggiunta in ogni elemento superficiale dipende fortemente dal contenuto di umidità localmente presente: l’aumento di temperatura nelle zone più umide sarà minore che in quelle più asciutte, e pertanto una registrazione termografica consente di ricavare una mappatura comparativa dell’umidità superficiale. Sarà poi possibile, con pochi prelievi mirati sulla base delle indicazioni termografiche, determinare in assoluto e con precisione il contenuto di umidità mediante prove di essiccamento dei prelievi in laboratorio. Questo è un tipico esempio per dimostrare la complementarità di una prova non-distruttiva (come la termografia) con una prova distruttiva (come la determinazione dell’umidità in laboratorio per essiccamento dei prelievi).

ENDOSCOPIA

L’endoscopio è uno strumento che consente di vedere in cavità, inaccessibili all’osservazione diretta, attraverso fori (da qualche mm a qualche cm) praticati nella struttura e nei quali passa un sistema ottico di tipo rigido costituito da obiettivi e lenti tradizionali, o di tipo flessibile formato da fibre ottiche. In entrambi i casi, l’apparecchio include anche un sistema di illuminazione interna ed un oculare esterno abbinato ad una camera fotografica per registrare le osservazioni endoscopiche. L’endoscopio consente in sostanza di osservare lo stato delle superfici interne in corrispondenza dei fori praticati nella struttura. Sebbene, a rigore, la prova non sia assolutamente non-distruttiva, in quanto occorre praticare dei fori nella struttura, essa viene così catalogata in quanto è impiegata per diagnosi in sito sulla struttura, molto spesso con successo soprattutto dopo aver effettuato l’indagine termografica a cui viene spesso abbinata.

MAGNETOMETRIA

Questa tecnica consente di individuare materiali ferromagnetici nascosti nella muratura. Il principio del metodo si basa sull’induzione magnetica: se un conduttore elettrico (di lunghezza l) si muove con una velocità v attraverso un campo magnetico di intensità B, all’estremità del conduttore si genera una differenza di potenziale e cosi calcolabile:e = B l vSe le estremità del conduttore in movimento sono collegate con un circuito esterno stazionario rispetto al campo magnetico, la tensione indotta e causa il passaggio di una corrente di intensità i, la quale determina una caduta di potenziale iR, dove R è la resistenza elettrica del conduttore in movimento. La differenza di potenziale V alle estremità del conduttore diventa:V = e – iRIn pratica il magnetometro si compone di una sonda che viene messa in movimento sulla superficie della struttura da indagare. La sonda consiste in una bobina attraversata da una corrente alternata di frequenza costante che genera un campo magnetico alternato. Gli oggetti metallici, incassati nella struttura da indagare, ma tali che si trovino nell’area di influenza del campo magnetico, alterano la differenza di potenziale all’estremità della bobina in base al principio sopra illustrato. L’alterazione del voltaggio viene segnalata su una scala o registrata graficamente (Fig. 3). L’alterazione dipende dallo spessore dell’oggetto metallico e da quello del materiale coprente: nel caso di strutture in cemento armato, per esempio, il magnetometro, adeguatamente tarato, consente di rilevare il diametro dell’armatura in acciaio e lo spessore del copriferro.

Fig.3 – Esempio di applicazione della magnetometria per rilevare la presenza dei ferri nel solaio in c.a.

GAMMAGRAFIA

Questa tecnica di indagine non-distruttiva, largamente impiegata in altri settori dell’ingegneria meccanica, si basa sulle diverse capacità dei materiali di assorbire energia elettromagnetica emessa da sorgenti radioattive in grado di produrre raggi X. Una pellicola particolare viene impressionata dalle radiazioni che fuoriescono dal manufatto esposto alle radiazioni provenienti dalla sorgente radioattiva: sulla pellicola si evidenziano diverse tonalità di grigio in relazione alle caratteristiche di opacità o trasparenza del manufatto alle radiazioni X.Per quanto molto utile nel segnalare la presenza di elementi metallici, di fessurazioni e di cavità non visibili, la gammagrafia pone qualche problema in relazione alla sicurezzadelle persone direttamente o indirettamente coinvolte nella sperimentazione e pertanto richiede una specifica autorizzazione.

AUSCULTAZIONE SONICA

La tecnica, già utilizzata con successo per il controllo delle fondazioni profonde, si basa fondamentalmente sulla misurazione del tempo impiegato dalle onde soniche – di frequenza compresa tra 16 e 20 kHz nell’attraversare un determinato percorso all’interno di un materiale. Nella Fig. 4 è schematicamente mostrato il principio del metodo nel caso si voglia evidenziare la presenza di una fessura in un palo di fondazione in c.a. attraverso l’auscultazione delle onde soniche: queste, infatti, incontrando una discontinuità del palo (fessura) vengono in parte riflesse ed in parte rifratte. Il trigger fa scattare un contatore di tempo allorquando la sorgente (un martello, un generatore di rumore, ecc.) emette le onde soniche. Il sensore raccoglie l’onda riflessa, la trasforma in un segnale elettrico che interrompe il contatore. La misura del tempo t di percorrenza dell’onda sonica riflessa all’interno del materiale integro (2L₀) e la conoscenza della velocità (V) con cui le onde soniche viaggiano attraverso il materiale permettono di risalire alla lunghezza L₀ in corrispondenza della quale si trova una fessura. Lo stesso principio può essere utilizzato nell’auscultazione sonica per trasmissione: in questo caso la sorgente ed il sensore sono posti, per esempio, sulle due facce opposte di una muratura; muovendo la sorgente ed il sensore lungo l’altezza della muratura è possibile registrare eventuali discontinuità del materiale che compone la struttura (cavità, fessure, eterogeneità, ecc.).

RILEVAMENTO DEGLI ULTRASUONI

Le vibrazioni meccaniche con frequenze superiori a 20 kHz, e fino a 1000 MHz, non sono percepite dall’orecchio umano e sono definite ultrasoniche. Le onde ultrasoniche, a differenza di quelle soniche, non si trasmettono altrettanto facilmente nell’aria; entrambe, però, possono essere molto facilmente trasmesse, anche per lunghe distanze, attraverso materiali liquidi e soprattutto solidi.La specificità delle onde ultrasoniche consiste nel fatto che se esse incontrano uno strato di aria (fessura, cavità, intercapedine) vengono quasi completamente riflesse. Si calcola che è sufficiente una fessura di circa 1 mm per bloccare la trasmissione degli ultrasuoni aventi una lunghezza d’onda di circa 1 mm. La velocità (V) con cui si trasmettono le onde soniche o ultrasoniche è regolata dalla seguente equazione:dove E_d è il modulo elastico dinamico (N/mm²) del materiale attraversato dalle onde ultrasoniche, r è la sua massa volumica (kg/m³), e v è il modulo di Poisson.Se sono noti (o si misurano) i valori di r e di V, si può calcolare E_d dalla misura di V. Se si evidenziano variazioni di V lungo una certa dimensione di una struttura di spessore nominale costante, ciò può essere imputato a variazioni di materiale (variando il materiale varia E_d) oppure a presenza di fessure o di cavità. Come si vede, non è facile emettere una diagnosi di deterioramento sulla semplice rilevazione di questa prova non-distruttiva: tuttavia, come si è già detto, le prove non-distruttive, incluse quelle basate sulla misura di velocità di propagazione degli ultrasuoni, possono segnalare le zone sospettate di essere degradate e permettono pertanto di “mirare” meglio le aree da sottoporre a prelievi per le prove distruttive.Il rilevamento della trasmissione degli ultrasuoni può essere fatto mediante una sorgente di onde con frequenza solitamente compresa tra 50 e 100 kHz, ed una sonda ricevente. Con un cronometro elettronico si misura il tempo impiegato dalle onde a percorrere un determinato cammino di spessore L noto e si calcola quindi la velocità V. Si possono attuare tre tipi di rilevazioni a seconda delle circostanze: trasmissione diretta, semi-diretta, ed indiretta (Fig. 5).

Fig.4 – Rilevamento di una fessura in un palo di fondazione mediante auscultazione sonica.

Fig.5 – Tipi di trasmissione (diretta, indiretta e semi-diretta) degli ultrasuoni realizzati con diversi posizionamenti della sonda di emissione (E) e di ricezione (R) delle onde.

Ovviamente, quando è possibile, la trasmissione diretta è preferibile perché consente una misura dello spessore (L) attraversato dalle onde e quindi, mediante il rilevamento del tempo (t), anche della velocità V e quindi del modulo elastico dinamico E_d. Quando non è possibile posizionare le due sonde in opposizione, si può ricorrere agli atri due tipi di trasmissione che — pur meno precisi perché non si conosce il cammino percorso dalle onde — consentono comunque, attraverso rilevazioni comparative eseguite su strutture analoghe, di evidenziare discontinuità o difetti non visibili direttamente. Per esempio, nella trasmissione indiretta effettuata lungo un muro di spessore (L) si può evidenziare la presenza di anomalie posizionando la sonda di ricezione in punti diversi ed equidistanti tra loro.

SCLEROMETRIA

Le prove sclerometriche, sicuramente le più impiegate tra quelle non-distruttive, consentono di determinare la durezza superficiale di una struttura in calcestruzzo mediante la misura del rimbalzo di un’asta proiettata sulla superficie della struttura stessa. Poiché esiste una qualche correlazione tra la durezza superficiale e la resistenza meccanica, molto spesso lo sclerometro (Fig. 6) è utilizzato per ricavare i valori di resistenza meccanica a compressione. In realtà, la correlazione tra durezza superficiale e resistenza a compressione — e quindi la taratura dello strumento — dipende da alcuni parametri (come la durezza dell’aggregato lapideo, finitura e compattazione dello strato corticale, stagionatura superficiale, ecc.) che possono influenzare la correlazione stessa.

Fig.6 – Impiego dello sclerometro per misurare la durezza superficiale di un pilastro.

Pertanto, il miglior impiego della sclerometria, come avviene tipicamente per le prove non-distruttive, è quello di individuare comparativamente zone di calcestruzzo relativamente più deboli e più forti (in termini di durezza superficiale e quindi di resistenza meccanica), in corrispondenza delle quali con poche e misurate prove distruttive (carotaggio e schiacciamento dei provini) si può determinare, in valore assoluto, la resistenza meccanica o il modulo elastico statico del materiale in sito.

Zona di transizione nel calcestruzzo

Calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC)

La produzione di calcestruzzo ad alte prestazioni, noto in inglese come HPC (High Performance Concrete), è ormai diventata una pratica corrente, ancorché non usuale, in molti Paesi. In sintesi, il calcestruzzo ad alte prestazioni è caratterizzato da una resistenza meccanica a compressione generalmente compresa nell’intervallo di 60-100 N/mm² grazie a:a) ridotto rapporto acqua/cemento (0,40-0,30) per l’impiego di additivi super-riduttori di acqua;b) impiego di aggiunte minerali, da sole o in combinazione tra loro, ad alta attività pozzolanica e/o elevata area superficiale specifica come fumo di silice, loppa microfine, ecc.;c) inerti di frantumazione di alta qualità (basalto, granito, ecc.) capaci di assicurare un’elevata resistenza meccanica intrinseca della roccia ed un’ottima adesione all’interfaccia tra elemento lapideo e matrice cementizia.L’applicazione dell’HPC è stata inizialmente destinata a opere di ingegneria infrastrutturale particolarmente sollecitate da carichi statici e dinamici in servizio o da azioni aggressive da parte di un ambiente particolarmente ostile (piattaforme marine per estrazione del petrolio, ponti di grande luce, tunnel sottomarini, grattacieli in zone sismiche, ecc.). Si sta, tuttavia, prospettando la tendenza ad impiegare il calcestruzzo HPC anche in opere di architettura o di ingegneria civile meno sollecitate per sfruttare le caratteristiche meccaniche attraverso una diversa progettazione, per produrre calcestruzzi più durevoli in conseguenza del basso rapporto acqua/cemento, ed infine, per sfruttare la rapidità produttiva sia in fase di getto per l’elevata lavorabilità degli impasti, sia in fase esecutiva per un velocissimo sviluppo della resistenza meccanica.Un elenco non esaustivo delle principali applicazioni prevedibili per questa nuova categoria di materiali comprende i seguenti settori:

ingegneria civile: costruzioni di mega-infrastrutture e mega-edifici che per loro dimensioni richiedono superprestazioni non solo in termini di resistenza meccanica, ma anche di duttilità, di tenacità, ecc.;
ingegneria chimica ed ambientale: contenitori di alta affidabilità per lo stoccaggio di fluidi o solidi pericolosi per tossicità, infiammabilità, ecc.;
ingegneria meccanica: produzione di manufatti con alta resistenza all’urto (antiscoppio ed anti proiettile) o alta resistenza all’abrasione per produrre stampi destinati alla formatura di pezzi meccanici metallici o polimerici (lamiere per auto).

Fig. 1 – Micrografia al microscopio elettronico delle sferette di fumo di silice

L’avvento del fumo di silice: il calcestruzzo DSP

Il fumo di silice è un sottoprodotto dell’industria del silicio e delle leghe metalliche ferro-silicio. Questo materiale ha conosciuto un successo strepitoso nel settore delle malte e del calcestruzzo solo dopo l’invenzione dei superfluidificanti negli anni ’70. Prima di allora il fumo di silice – che pure era già disponibile – non trovò che sporadiche applicazioni nel settore del calcestruzzo senza apprezzabili vantaggi prestazionali. Per comprendere le straordinarie prestazioni conseguibili con il binomio superfluidificante-fumo di silice è necessario tener presente che quest’ultimo si presenta in forma di sferette con dimensioni comprese tra 0.01 e 1 µm (Fig.1), cioè 50-100 volte più piccole di quelle del cemento.Ciò consente il posizionamento delle sferette di fumo di silice nei vuoti interstiziali presenti tra i granuli di cemento (così come la sabbia si posiziona tra i granuli di ghiaia) con il risultato di ottenere un sistema meno poroso, più densificato e quindi meccanicamente più resistente oltreché impenetrabile da qualsiasi agente aggressivo.Il termine DSP (Densified with Small Particles) è stato coniato da Bache (H.H. Bache, “Densified Cement/Ultra-Fine Particle Based Materials“, Second International Conference on Superplasticizers in Concrete, pp. 35 Ottawa (1981), per il calcestruzzo con fumo di silice, proprio per sottolineare l’addensamento microstrutturale derivante dal posizionamento delle piccole sferette silicee tra i granuli di cemento (Fig.2). Esiste, però, un’altra faccia della medaglia nella piccola dimensione delle particelle di fumo di silice: l’elevata area superficiale specifica di questo materiale (fino a 20-30 m²/g) fa aumentare enormemente la richiesta d’acqua per confezionare il calcestruzzo ed il maggiore rapporto acqua/cemento, che ne consegue, annulla il vantaggio derivante dalla densificazione della microstruttura della matrice cementizia.Con l’avvento dei superfluidificanti cominciarono i primi esperimenti sull’uso combinato di additivo superfluidificante con fumo di silice per eliminare l’inconveniente della maggiore richiesta d’acqua e trarre così pieno vantaggio dall’addensamento microstrutturale.La combinazione superfluidificante-fumo di silice si rivelò presto molto felice e già verso la fine degli anni ’70 apparvero i primi brevetti su questa sinergica combinazione: infatti, non solo il superfluidificante eliminava l’inconveniente della maggiore richiesta d’acqua in presenza di fumo di silice, ma anche il fumo di silice eliminava l’inconveniente dell’acqua di bleeding che si raccoglie all’interfaccia tra l’aggregato lapideo e la matrice cementizia (Fig. 3).L’utilizzazione congiunta di fumo di silice e superfluidificante ad alto dosaggio (2-4% sul cemento) consente di ottenere prestazioni ancora superiori se si sostituisce il comune aggregato calcareo con rocce di migliori prestazioni meccaniche e soprattutto con caratteristiche superficiali tali da migliorare il legame all’interfaccia aggregato-matrice cementizia. In sostanza, la matrice cementizia che avvolge gli elementi lapidei – e che nei calcestruzzi ordinari rappresenta l’anello debole della catena per la sua maggiore porosità – diventa meccanicamente più resistente dei comuni aggregati per la maggiore compattezza della sua microstruttura grazie all’impiego congiunto di fumo di silice e riduttori di acqua. In queste condizioni, l’anello debole della catena diventa l’aggregato e più esattamente quella sottilissima area del materiale (poche decine di mm) situata all’interfaccia tra aggregato e matrice cementizia (Fig. 4), nota con il nome di “zona di transizione” (F. Maso, “The bond between aggregate and hydrated cement paste“, Proceedings of the Seventh International Congress on the Chemistry of Cements, Vol 1, pag. VII-1/3, VII-1/15, Editions Septima, Parigi (1980). Se si vuole, quindi, sfruttare al massimo nel materiale composito (calcestruzzo) il beneficio derivante da una matrice (pasta cementizia) più densa e compatta è necessario disporre di aggregati naturali particolari (basalto, granito, diabase, ecc.), altrettanto densi e compatti e capaci soprattutto di stabilire un migliore legame adesivo nella “zona di transizione” con la matrice cementizia.Fig. 2 – Posizionamento delle particelle di fumo di silice tra i granuli di cementoFig. 3 – Rappresentazione schematica dell’acqua di bleeding intrappolata sotto le particelle più grosse di aggregato durante la risalita nel calcestruzzo fresco a seguito della compattazione

Influenza della zona di transizione sulla resistenza meccanica

La zona di transizione, che è in genere più porosa e meccanicamente più debole degli altri due componenti (aggregato lapideo e matrice cementizia), esercita un’influenza sulle proprietà del materiale composito significativamente maggiore di quella che ci si potrebbe attendere dalle sue dimensioni relativamente ridotte (Fig. 4). Per interpretare meglio il meccanismo dell’influenza, piuttosto complessa esercitata dalla zona di transizione sulle proprietà meccaniche (ma anche su quelle elastiche e su quelle riguardanti la durabilità) del materiale è opportuno approfondire la descrizione di questa zona-chiave del calcestruzzo.Nel calcestruzzo fresco sottoposto a compattazione, intorno alle zone inferiori dei granuli grossi dell’aggregato vengono a formarsi dei film di acqua (qualche decina di mm) al di sotto dei quali si raccoglie prevalentemente l’acqua di bleeding (Fig. 3). Già questa situazione determina un rapporto acqua/cemento più elevato (e quindi una maggiore porosità) nella zona di transizione rispetto alla matrice cementizia. La formazione dei primi germi-cristallini di Ca(OH)₂ e di ettringite, che avviene in tutta la matrice cementizia per effetto dell’idratazione dei silicati e degli alluminati del cemento è seguita da un maggior accrescimento dei cristalli di questi prodotti nella zona di transizione più porosa per il maggior rapporto acqua/solido localmente esistente (P.K. Metha, “Concrete, Structures, Properties and Materials“, Prentice-Hall, Englewood Cliffs (1986). La maggiore porosità di questa zona consente anche lo sviluppo di cristalli di calce pluri-stratici, orientati più o meno parallelamente alla superficie dell’aggregato, ma anche facilmente sfaldabili e quindi meccanicamente più deboli. In tempi successivi, negli interstizi disponibili tra i cristalli di calce e di ettringite, viene a depositarsi il C-S-H (prodotto per idratazione dei silicati del cemento) in forma di fibre più o meno reticolate e nuovi cristalli più piccoli di calce e di ettringite: questo secondo processo, molto più lento rispetto alla formazione iniziale dei primi grossi cristalli di calce e di ettringite, comporta un progressivo riempimento dei pori esistenti nella zona di transizione, cosicché nel giro di diversi mesi la porosità della zona di transizione tenderebbe ad eguagliare quella della matrice cementizia (Fig. 5). La microstruttura schematizzata nella Fig. 4 si riferisce ad una situazione intermedia (circa 1 mese) quando ancora la zona di transizione è più porosa e quindi meccanicamente più debole della matrice cementizia.Fig. 4 – Rappresentazione schematica di un calcestruzzo nella zona di transizione tra aggregato lapideo e matrice cementiziaFig. 5 – Andamento schematico nel tempo della porosità nella matrice cementizia e della zona di transizione del calcestruzzoIn condizioni particolarmente favorevoli, a tempi molto lunghi, e con accurata stagionatura umida per favorire il grado di idratazione del cemento, la zona di transizione potrebbe anche diventare un po’ meno porosa della matrice cementizia (Fig. 5) con formazione di veri e propri legami chimici tra i prodotti di idratazione del cemento e la superficie dell’aggregato: si registra la formazione di carboalluminati se l’aggregato è di tipo calcareo, o di C-S-H se l’aggregato è siliceo. Tuttavia, è difficile che questa situazione, che potenzialmente determinerebbe addirittura una maggiore resistenza meccanica della zona di transizione, possa realmente verificarsi nelle usuali stagionature all’aria dei conglomerati cementizi, cioè in assenza di un’accurata stagionatura umida.Inoltre, un’altra caratteristica della zona di transizione, in aggiunta ad una maggiore porosità che si protrae per diversi mesi, consiste nell’innesco e nella propagazione di microfessure che danneggiano irreversibilmente il materiale. Le microfessure si possono formare nella zona di transizione per una qualsiasi causa di sollecitazione che provochi un movimento differenziale tra la matrice cementizia e l’aggregato dotati di modulo elastico significativamente diversi tra loro: un gradiente termico originato dal calore di idratazione del cemento; un ritiro igrometrico che coinvolge la matrice ma non l’aggregato; un carico applicato per un tempo più o meno lungo ancorché inferiore a quello di rottura. In tutte queste circostanze la zona di transizione (se viene a mancare una stagionatura umida prolungata per qualche mese e ciò si verifica correntemente) diventa il luogo dove si accumulano le varie microfessure tra la superficie dell’aggregato e la circostante matrice cementizia.Quando il materiale è sollecitato fino a rottura, durante la prova per la determinazione della resistenza meccanica, le microfessure già esistenti subiscono un aumento per spessore e lunghezza, propagandosi preferibilmente nella zona di transizione e successivamente nella matrice cementizia, In genere, a partire da una sollecitazione pari a circa il 40% di quella che provoca la rottura (cioè della resistenza meccanica), le deformazioni del calcestruzzo aumentano molto più rapidamente con il progressivo incremento della sollecitazione proprio per il propagarsi delle microfessure già esistenti nella zona di transizione. Ciò spiega perché il calcestruzzo mostri una deformazione plastica laddove i suoi componenti singoli (aggregato e pasta di cemento) si comportano fragilmente alla rottura dopo una deformazione elastica pressoché lineare (Fig. 6).Inoltre, quando si raggiunge una sollecitazione pari a circa il 70% di quella che provoca la rottura, ha inizio la fessurazione della matrice a causa della concentrazione degli sforzi intorno ai vuoti (macro-cavità, pori, difetti) esistenti nella matrice stessa. Con sollecitazioni progressivamente maggiori, le fessure si diffondono attraverso la matrice e vanno a ricongiungersi con quelle pre-esistenti sviluppatesi nella zona di transizione, creando così uno stato fessurativo pressoché continuo e provocando, quindi, la rottura del materiale. In assenza di aggregati, invece, la propagazione delle fessure nella pasta cementizia, fino allo stato fessurativo continuo e quindi alla rottura, richiede una maggiore sollecitazione. Ciò spiega perché il calcestruzzo presenta una minore resistenza meccanica rispetto non solo all’aggregato, ma anche alla matrice cementizia (Fig. 6).Infine, poiché la propagazione delle fessure richiede più forza ma anche più energia nelle sollecitazioni di compressione che in quelle di trazione, si può spiegare perché la resistenza meccanica a compressione sia maggiore di quella a trazione, e perché il calcestruzzo presenti il caratteristico comportamento di un materiale fragile, anche se in realtà esso subisce, prima delle rottura, una leggera deformazione plastica.Sulla base del meccanismo sopra illustrato, ed in particolare del ruolo giocato dalla zona di transizione, si può anche spiegare l’influenza del fuoco sulle proprietà elastiche e meccaniche del calcestruzzo: a causa delle tensioni termiche, infatti, le microfessure pre-esistenti nella zona di transizione si allargano e si estendono riducendo ulteriormente il contatto tra matrice cementizia ed aggregato e la conseguente possibilità di trasferire gli sforzi. Pertanto, dopo un incendio si registra, in genere, una diminuzione di modulo elastico del calcestruzzo molto maggiore del corrispondente calo nella resistenza meccanica a compressione.Poiché la zona di transizione gioca un ruolo molto più determinante con gli aggregati grossi, dove è più facile che si verifichino le condizioni di acqua intrappolata per effetto del bleeding interno (Fig. 3), ne consegue che, a parità di rapporto acqua/cemento, la resistenza meccanica a compressione risulterà minore nel calcestruzzo che non nella malta.La presenza di microfessure nella zona di transizione, oltre ad influenzare le proprietà meccaniche ed elastiche del calcestruzzo condiziona anche la permeabilità all’acqua e ad altri potenziali agenti aggressivi: in corrispondenza della zona di transizione, intrinsecamente più porosa e più microfessurata, diventa più facile l’ingresso di acqua e di aria con conseguenze negative sula durabilità del calcestruzzo e sulla protezione dei ferri dalla corrosione.Tabella 1 – Composizione di un calcestruzzo DSPFig. 6 – Tipico comportamento sforzo-deformazione del calcestruzzo e dei suoi componenti (aggregati e pasta cementizia)Fig. 7 – Resistenza meccanica a compressione nel tempo del materiale DSP riportato in Tabella 1

Materiali DSP con aggregati speciali

In teoria, la combinazione di fumo di silice e di superfluidifcante potrebbe essere spinta a dosaggi molto maggiori di quelli utilizzati per i calcestruzzi ordinari arrivando ad una microstruttura della matrice cementizia più densificata e meccanicamente più resistente.Tuttavia, per le ragioni esposte precedentemente, è praticamente inutile adottare questi accorgimenti finalizzati ad una maggiore densificazione della matrice cementizia, se non si dispone di aggregati altrettanto densi e compatti come la matrice stessa e se non si elimina, soprattutto, l’inconveniente di una porosa zona di transizione tra la matrice e gli elementi lapidei. Pertanto, solo disponendo di aggregati densi e compatti (basalti, graniti, ecc.), con tessitura superficiale ruvida per favorire la massima adesione della matrice agli aggregati in corrispondenza della zona di transizione, diventa possibile sfruttare al massimo l’ulteriore densificazione conseguibile nella matrice con un maggior contenuto di particelle ultra-fini. Ovviamente il maggior contenuto di queste particelle finissime deve essere accompagnato da un maggior dosaggio di superfluidificante per compensare l’enorme richiesta d’acqua provocata dalla polvere del finissimo. Un’applicazione di questo principio è presentata esemplificativamente in Tabella 1 dov’è mostrata la composizione di un impasto DSP con resistenze meccaniche a compressione che a tempi lunghi (3 anni) superano i 150 N/mm² e che a 28 giorni superano facilmente i 120 N/mm² (Fig. 7).Come si può vedere in Tabella 1, il dosaggio di fumo di silice arriva a 130 kg/m³ (oltre il 30% del cemento), mentre l’altissimo dosaggio di additivo (oltre il 6% sul cemento e fumo di silice) consente di ridurre il rapporto acqua/cemento a 0,25 e quello acqua/(cemento + fumo di silice) a meno di 0,20. Proprio per utilizzare al massimo il principio della estrema densificazione si è rinunciato ad ottenere un impasto fluido limitando la consistenza a quella di terra umida (S1: slump 30 mm) per ridurre ogni possibilità di bleeding in fase di compattazione e favorire, quindi, la formazione di un legame adesivo nella zona di transizione tra matrice ed aggregato. Tuttavia, tutti questi accorgimenti sarebbero stati in gran parte vanificati se non fosse stato selezionato un aggregato di frantumazione (quarzite e granito), di per sé molto resistente meccanicamente, ma anche con caratteristiche superficiali che favoriscono l’adesione all’interfaccia tra matrice ed aggregato.Incidentalmente si può notare che, nonostante lo slump molto basso (30 mm), il materiale risulta facilmente compattabile per il particolare comportamento reologico del sistema che deriva dall’impiego combinato del fumo di silice e del superfluidificante: viscoso da fermo e fluido in movimento (tixotropico).Un aspetto pratico molto significativo per la produzione di questi tipi di materiali riguarda l’efficacia ed il tempo di mescolamento: solo con l’impiego di premiscelatori che favoriscono uno sforzo di taglio sull’impasto è possibile, con gli usuali tempi di miscelazione, disperdere efficacemente le particelle di fumo di silice in granuli individuali (che normalmente tenderebbero ad agglomerarsi in “ammassi” particella più ingombranti) ed a favorire l’inserimento delle particelle finissime (<0,1 mm) negli interstizi tra i granuli di cemento (Fig. 2). Con la miscelazione correntemente impiegata nella produzione di calcestruzzo preconfezionato, in assenza cioè di un premiscelatore, è necessario prolungare il tempo di miscelazione fino a 10-20 minuti o a disperdere preliminarmente la sospensione di fumo di silice in acqua con trattamenti ad onde ultrasoniche (J. F. Young e H.M. Jennings, ” Advanced cement-based materials “, Cement and Concrete Science & Technology, Vol. 1, Part 1, pp. 346-372, Ed. S.N. Ghosh, 1993). Inoltre, in alcune applicazioni pratiche, dove si è tentato di ridurre al minimo la lavorabilità dell’impasto, per favorire il minor rapporto acqua/cemento possibile, si è trovato che l’applicazione di un sistema di disareazione sotto vuoto favorisce l’espulsione dell’aria in fase di compattazione dell’impasto e consente di raggiungere più facilmente il massimo stato di densificazione con conseguente positiva influenza sulla resistenza meccanica (J. F. Young e H.M. Jennings, ” Advanced cement-based materials “, Cement and Concrete Science & Technology, Vol. 1, Part 1, pp. 346-372, Ed. S.N. Ghosh, 1993)Fig.8 – Curva sforzo-deformazione di provini cubici (150 mm) sottoposti a compressione confezionati con e senza fumo di silice (Fds) e superfluidificante (SF). Il provino armato conteneva una spirale d’acciaio Limiti prestazionali dei materiali DSPAccanto alle straordinarie prestazioni in termini di resistenza meccanica a compressione illustrate nella precedente sezione, ed a parte l’altrettanto straordinario comportamento nei confronti delle aggressioni ambientali qui non esaminate per ragioni di brevità, i materiali DSP presentano, tuttavia, alcuni limiti nel comportamento deformazionale sotto sforzo: viene accentuato, in sostanza, il carattere fragile del materiale che presenta un’energia di frattura relativamente modesto. Questi limiti prestazionali sono strettamente connessi con la microstruttura densa del materiale DSP e non già con la composizione chimica del composito ed in particolare con la presenza di fumo di silice e superfluidificante.Nella Fig. 8 sono mostrate comparativamente le curve di sforzo (a compressione) in funzione della deformazione su provini cubici dei seguenti materiali caratterizzati da diversi valori di resistenza a compressione (R_c):

calcestruzzo ordinario (R_c = 27 N/mm²) senza fumo di silice (Fds) e senza superfluidificante (SF);
calcestruzzo ordinario con fumo di silice (15%), senza superfluidificante (R_c = 35 N/mm²);
calcestruzzo ad alta resistenza meccanica con superfluidificante (2%) senza fumo di silice (R_c = 52 N/mm²);
materiale HPC con 15% di silice e 3% di superfluidificante (R_c = 91 N/mm²);
materiale HPC come in d) nel cui provino cubico è stata inserita una spirale metallica in acciaio (R_c = 95 N/mm²).

Le brusche cadute delle curve dopo il massimo (rottura) evidenziano il carattere fragile sia del calcestruzzo ad alta resistenza meccanica (R_c = 52 N/mm²) senza fumo di silice, sia del materiale HPC (R_c = 91 N/mm²). D’altra parte il carattere fragile diminuisce al diminuire della resistenza meccanica passando al calcestruzzo con R_c = 35 N/mm² (con fumo di silice) ed ancor più a quello con R_c = 27 N/mm² (senza fumo di silice). La presenza di acciaio annegato nel materiale HPC (R_c = 95 N/mm²) elimina completamente il carattere fragile.La minore duttilità dei materiali HPC, che è legata alla microstruttura più densa che favorisce la tipica rottura fragile dei materiali ceramici densi, deve essere tenuta in conto nel calcolo strutturale e compensata, quindi, attraverso un’adeguata distribuzione delle armature metalliche.

Ritornano le Giornate Nazionali sulla corrosione e protezione

Le Giornate Nazionali sulla Corrosione e Protezione tornano dopo 21 anni a Milano, dal 28 al 30 giugno 2017, presso la sede del Politecnico di Milano. Giunte alla loro dodicesima edizione, le Giornate si sono affermate negli anni come uno degli eventi più importanti a livello nazionale per discutere aspetti scientifici, tecnologici e produttivi, nell’ambito della corrosione e protezione dei materiali.Le memorie presentate, verranno suddivise nelle seguenti aree tematiche:

Case histories
Corrosione dei beni culturali
Corrosione delle opere in calcestruzzo armato
Corrosione negli impianti industriali
Degrado e rilascio dei biomateriali metallici
Inibitori di corrosione
Meccanismi di corrosione
Protezione catodica
Rivestimenti e trattamenti superficiali
Tecniche di studio e monitoraggio della corrosione.

All’interno del Convegno, troveranno spazio i workshop presentati dalle associazioni co-organizzatrici del Convegno, APCE, Centro Inox e NACE:

Protezione catodica delle reti idriche interrate (organizzato da APCE)
Gli acciai inossidabili e la corrosione (organizzato da Centro Inox)
Corrosione degli impianti Oil & Gas (organizzato da NACE Milano Italia Section)

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