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Le pavimentazioni
industriali in calcestruzzo costituiscono una delle strutture in calcestruzzo
più soggette al rischio della cosiddetta reazione alcali-aggregato.
Questa reazione è generalmente associata alla presenza di alcali
(sodio e potassio) nel cemento e di silice amorfa o scarsamente
cristallina in alcuni aggregati. Il fenomeno è anche noto come
reazione alcali-silice (Alkali-Silica Reaction, ASR).
Alcune forme di silice quali l'opale, il calcedonio, la tridimite
e la cristobalite, possono interagire con il sodio ed il potassio
per dar luogo ad una sorta di silicato alcalino gelatinoso capace
di rigonfiarsi in ambiente umido. La capacità di produrre silicato
sodico aumenta al diminuire del grado di cristallinità della
silice e diventa massima se la silice è amorfa (opale e calcedonio).
La manifestazione del degrado connesso con la reazione alcali-aggregato
dipende significativamente - nel caso delle pavimentazioni in calcestruzzo
- dal tipo di finitura superficiale realizzata. Il degrado, infatti,
è contraddistinto da tipologie differenti a seconda che la
pavimentazione in calcestruzzo risulti semplicemente rifinita a stadia
e lisciata a frattazzo oppure provvista di uno strato antiusura realizzato
con la tecnica "a spolvero" o a "pastina".
Nel primo caso, infatti, la reazione alcali-aggregato si manifesta
nel tempo con fessurazioni (Fig. 1) di forma irregolare dalle quali
fuoriesce un liquido gelatinoso e biancastro (silicato sodico).
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Fig.
1 - Macrofessurazione di un pavimento in calcestruzzo da ASR.
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Alla
fessurazione segue solitamente il distacco superficiale del calcestruzzo
a causa dell'azione dirompente provocata dal rigonfiamento degli aggregati.
Poiché il decorso della reazione alcali-aggregato richiede
in genere tempi molto lunghi (da qualche mese a qualche decina d'anni),
il fenomeno si presenta molto insidioso in quanto comporta il degrado
della struttura quando essa è ormai da tempo in pieno servizio.
Per le pavimentazioni provviste di strato antiusura "a spolvero"
o "a pastina", il degrado per reazione alcali-aggregato
si manifesta (per cause che verranno chiarite in dettaglio nel seguito)
in forma di espulsione (pop-out) di piccoli coni di materiale (costituiti
dallo strato indurente e da piccole porzioni di calcestruzzo contenenti
l'aggregato alcali-reattivo) con formazione sulla superficie del pavimento
di crateri di diametro variabile da 8 a 30 mm circa (Fig. 2).
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Fig.
2 - Frammenti di calcestruzzo espulsi (pop-out) per reazione
alcali-aggregato da una pavimentazione con strato antiusura
realizzato con la tecnica a "spolvero" di cemento
e quarzo.
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Per
quanto l'esatto meccanismo della reazione alcali-aggregato non sia
stato ancora del tutto chiarito, sono stati individuati alcuni parametri
fondamentali che concorrono al decorso del fenomeno distruttivo: la
reazione alcali-aggregato si manifesta tanto più velocemente
ed intensamente quanto più aumentano:
a) il contenuto di sodio e di potassio nella fase acquosa che
riempie i pori capillari della pasta cementizia;
b) la quantità degli aggregati silicei criptocristallini
ed amorfi;
c) l'umidità relativa dell'ambiente.
E' sufficiente che manchi una delle tre suddette condizioni perché
il fenomeno non si manifesti senza danni apparenti: per esempio, in
ambienti secchi gli aggregati reattivi possono coesistere con gli
alcali del cemento senza alcun danno per il calcestruzzo. D'altra
parte in ambienti umidi e con cementi ricchi di alcali la reazione
alcali-aggregato potrebbe decorrere celermente e con gravi danni anche
se la silice degli aggregati fosse scarsamente amorfa e per lo più
criptocristallina.
La presenza di cloruro di sodio in un ambiente umido circostante le
strutture in calcestruzzo (come si verifica nelle pavimentazioni di
opere marittime ed in quelle autostradali esposte ai trattamenti con
Na-Cl nei periodi invernali) può provocare un grave peggioramento
nello stato di salute del materiale: in questo caso è lo ione
sodio, e non il cloruro, che, congiuntamente all'acqua, crea le condizioni
per un grave degrado del conglomerato. Ovviamente, anche la penetrazione
e la concomitante azione corrosiva del cloruro sui ferri delle pavimentazioni
provviste di armatura strutturale, è fortemente favorita quando
il copriferro viene fessurato ed in parte rimosso della reazione alcali-aggregato.
Nelle pavimentazioni in calcestruzzo rinforzate superficialmente con
uno strato antiusura realizzato con la tecnica a spolvero o
pastina di cemento (con aggregati quarzitici o metallici) il
rischio della reazione alcali-aggregato può risultare molto
elevato anche per le pavimentazioni non soggette all'azione diretta
del cloruro di sodio. Val la pena di precisare che, in questo caso,
la reazione intercorre tra gli aggregati alcali-reattivi presenti
nel calcestruzzo e gli alcali provenienti dallo spolvero. Infatti,
l'apporto di cemento dello spolvero (o della pastina)
sulla superficie della pavimentazione potrebbe determinare all'interfaccia
con il calcestruzzo un'elevata concentrazione di alcali, che potrebbe
innescare il fenomeno degradante anche in presenza di aggregati a
minor reattività che, quindi, in assenza di spolvero non avrebbero
determinato alcuna espansione deleteria.
Peraltro, nelle pavimentazioni il contrasto all'espulsione di piccoli
coni di materiale prodotti dalla reazione alcali-aggregato è
modesto, in quanto rappresentato esclusivamente dall'aderenza dello
strato indurente al sottostante calcestruzzo nelle zone intorno al
granulo di aggregato coinvolto dall'alcali-reazione.
Pertanto, già modeste espansioni sono in grado di provocare
il fenomeno del pop-out. Relativamente all'apporto di alcali
delle miscele (aggregato-cemento) utilizzate per la realizzazione
dello strato antiusura con la tecnica a spolvero si possono fare alcune
considerazioni:
- generalmente
il rapporto aggregato indurente: cemento varia da 1:1 ad un massimo
di 2:1. Miscele con rapporti superiori non vengono utilizzate in
quanto troppo magre e, quindi, difficili da incorporare mediante
frattazzatura sulla superficie del calcestruzzo della pavimentazione.
Ne consegue che il dosaggio di cemento che si realizza nello strato
indurente può variare all'incirca tra 800 e 1200 Kg/m3;
- i
cementi usualmente impiegati per la miscela con cui si realizza
lo strato indurente sono generalmente di tipo Portland che consentono
un indurimento sufficientemente rapido dello strato antiusure.
Non vengono,
invece, preferiti da pavimentisti i cementi pozzolanici o quelli d'altoforno
in quanto caratterizzati da una minore velocità di idratazione,
e, quindi, non in grado di indurire (o "tirare" come si
dice nel gergo dei pavimentisti) in un tempo sufficientemente breve.
I cementi Portland usualmente disponibili in Italia sono caratterizzati
da un contenuto di alcali (espresso come Na2O equiv.) compreso
solitamente tra 0,6 e 1,2%. Pertanto, all'interfaccia strato antiusura-lastra
in calcestruzzo si viene a determinare un elevato contenuto di alcali
che nella migliore delle ipotesi (basso contenuto di cemento nella
miscela utilizzata e cemento con tenore di alcali minore dello 0,6%)
risulta pari all''incirca a 4,8 kg/m3. Questo quantitativo di alcali
risulta di gran lunga superiore al limite massimo ammesso dalla normativa
britannica di 3 Kg/m3 (come Na2O equiv.). E'
evidente, quindi, che a causa dell'elevato tenore di alcali all'interfaccia
strato antiusura-lastra in calcestruzzo, la reazione alcali-aggregato
potrebbe manifestarsi più facilmente anche in presenza nel
calcestruzzo di aggregati caratterizzati da una modesta reattività
con gli alcali.
D'altra parte, a conferma del ruolo negativo svolto nelle pavimentazioni
industriali dallo "spolvero" nell'esaltare la reazione
alcali-aggregato si può evidenziare come, ancorché degradi
connessi con questo fenomeno siano stati segnalati anche per altre
strutture all'ingegneria civile (edifici, cavalcavia, ponti, strutture
di fondazione, etc.), tuttavia, la percentuale delle pavimentazioni
degradate per reazione alcali-silice risulta di gran lunga maggiore
di quella rilevata per le altre tipologie di opere. Inoltre, in queste
aree sono stati segnalati casi di alcali-reazione soltanto nelle pavimentazioni
interne di edifici industriali rifinite a spolvero e non nelle aree
esterne (marciapiedi, parcheggi, aree di stoccaggio, etc.) realizzate
con lo stesso calcestruzzo, ma prive dello strato antiusura, ancorché
queste ultime risultassero più a rischio per la reazione alcali-aggregato
a causa della diretta esposizione all'acqua piovana.
BIBLIOGRAFIA
- A.M.
Neville, "Properties of Concrete", Fourth Edition, Longman
Group Lim., Harlow, England (1995).
Per un approfondimento dell'argomento si può consultare
il libro "Pavimentazioni Industriali in Calcestruzzo",
Edizione Enco, Silvia Collepardi, Luigi Coppola e Roberto Troli.
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