DEF (formazione ritardata di ettringite)
in calcestruzzi non esposti ad ambiente solfatico

 
SCOPO DELL'ARTICOLO

Si è spesso assunto che il deposito dei cristalli di ettringite all'interno di fessure nel calcestruzzo sia responsabile del degrado associato alle fessurazioni. Si è anche sostenuto che la formazione di ettringite in calcestruzzi non trattati a vapore possa provocare un degrado da DEF (Delayed Ettringite Formation).
In questo articolo si esamina la validità di queste assunzioni alla luce delle informazioni disponibili sugli aspetti chimici e microstrutturali della formazione di ettringite nel calcestruzzo.

LA RICRISTALLIZZAZIONE DELL'ETTRINGITE

L'osservazione al microscopio elettronico a scansione mostra molto spesso la presenza di ettringite depositata all'interno di cavità o pori della matrice cementizia in calcestruzzi sani, assolutamente non danneggiati. Le microfotografie delle Fig. 1 e 2 sono soltanto due esempi di questa situazione. La Fig. 1 si riferisce alla presenza di ettringite in forma di cristalli fibrosi all'interno di calcestruzzi sani gettati nel 1947 ed esposti in servizio ad un ambiente umido. La Fig. 2 riguarda un calcestruzzo, anch'esso assolutamente non deteriorato, confezionato con cemento soprasolfatato e stoccato in acqua per 52 anni.
Anche in questo caso si osservano cristalli aghiformi di ettringite, spesso aggregati in forma di ricci, che si depositano all'interno di cavità e pori della matrice cementizia.
Le immagini delle foto delle Fig. 1 e 2 sono molto simili a quelle pubblicate in lavori (1, 2) che riguardano calcestruzzi deteriorati all'interno dei quali sono stati osservati cristalli di ettringite come se questi fossero responsabili del degrado. E' invece chiaro dalle Fig. 1 e 2 che questa spiegazione è priva di fondamento.
L'ettringite che si forma nella pasta di cemento a seguito della reazione del C3A con il gesso aggiunto come regolatore della presa, si presenta in cristalli molto piccoli. A causa della loro elevata area superficiale specifica, questi cristalli di piccola dimensione sono instabili e, se è presente il mezzo acquoso attraverso il quale possano diffondere gli ioni, tendono a ridepositarsi in cristalli di maggior dimensione all'interno di cavità o fessure di ogni tipo sempre presenti nella matrice cementizia. Secondo la terminologia in uso presso i petrografi, questa forma di ettringite ricristallizzata è chiamata "secondaria".



Fig. 1 - Osservazione al microscopio elettronico della superficie di frattura di un calcestruzzo sano esposto in ambiente umido dal 1947. Le cerchiature evidenziano i cristalli aghiformi di ettringite depositati nelle cavità delle pasta cementizia.

Fig. 2. - Osservazione al microscopio elettronico di una superficie di frattura di un calcestruzzo sano, dopo 52 anni dal getto: i cristalli aghiformi di ettringite si sono depositati all'interno di una bolla d'aria.

La chimica-fisica fornisce le indicazioni sulle modalità attraverso le quali la crescita dei cristalli può provocare danni (3). Un cristallo non crescerà dove deve esercitare una pressione, se altrove la crescita può avvenire senza esercitare alcuno sforzo: questa seconda situazione si verifica, appunto quando l'ettringite si deposita all'interno di macro-fessure o all'interfaccia aggregato-matrice cementizia. La massima pressione esercitata dalla crescita dei cristalli è limitata dal grado di soprasaturazione che è molto basso nel deposito di ettringite nelle macro-fessure.
La crescita di cristalli corti e sub-micrometrici in pori molto piccoli esercita una pressione molto maggiore di quella relativa alla crescita di cristalli aghiformi in fessure aperte (3). Pertanto, il danno correlato alla formazione di ettringite è provocato solo dalla crescita di cristalli molto piccoli all'interno della pasta di cemento, mentre l'ettringite che si deposita entro macro-cavità e fessure (come quella mostrata in Fig. 2) avviene attraverso un processo di ricristallizzazione innocuo.
In accordo con questa conclusione, Stark e collaboratori (4) considerano la presenza dei cristalli di ettringite aghiformi, ben formati all'interno di fessure, come la conseguenza e non la causa delle fessure stesse provocate da altri fenomeni deteriorativi. Erlin (5) trova che il fatto che questi vuoti si riempiano di ettringite o altri prodotti dimostra solo che la pasta cementizia si è espansa, ma non la causa che ha provocato l'espansione.
Il calcestruzzo e tutti i prodotti cementizi possono fessurarsi per molte cause, come quelle legate ai cicli di gelo-disgelo, la reazioni alcali-silice, le sollecitazioni termiche o meccaniche per l'applicazione di carichi.
Il gelo-disgelo provoca fessure nella interfaccia inerte-pasta di cemento. L'ettringite e l'idrossido di calcio possono essere presenti in queste fessure senza esserne responsabili. Detwiller e Powers-Couche (6) hanno osservato che i cristalli di ettringite non si trovano vicino alle punte delle fessure, e ciò indica che questi cristalli non contribuiscono al propagarsi delle fessure. Jensen (7) ha descritto il caso di un calcestruzzo fessurato principalmente dai cicli di gelo-disgelo nelle cui fessure ha trovato ettringite "secondaria".
Sono frequenti gli esempi di ettringite che si forma in strutture di calcestruzzo precedentemente danneggiate dalla reazione alcali-aggregato (8). La Fig. 3 mostra un tipico esempio di deposito di ettringite formata per ricristallizzazione all'interno di fessure provocate dalla reazione alcali-silice.


Fig. 3. - Osservazione al microscopio elettronico di una superficie fratturata di calcestruzzo danneggiato dalla reazione alcali-aggregato: gli aghi di ettringite ben cristallizzati si sono depositati vicino alla superficie degli inerti

DANNI DA DEF NEL CALCESTRUZZO MATURATO A CALDO

Calcestruzzi la cui temperatura di stagionatura supera all'incirca i 70°C possono subire successivamente espansione in servizio se esposti in ambienti umidi. Questo tipo di espansione è provocata da un processo noto come DEF, Delayed Ettringite Formation (formazione ritardata di ettringite). L'ettringite, di solito non rilevabile subito dopo il riscaldamento, comincia a formarsi in forma di cristalli sub-micrometrici mescolati con il C-S-H (Calcium-Silicated-Hydrated) nella matrice cementizia (9). Successivamente appare in microcavità vicino ai granuli di clinker e successivamente nelle fessure all'interfaccia inerte-pasta cementizia. Il deposito di ettringite e di idrossido di calcio all'interno di queste fessure coincide con l'insorgere di una significativa espansione (10). Nei calcestruzzo con inerti silicei a base di quarzo l'espansione comincia nel giro di qualche mese e si completa in 1-2 anni (11), mentre il processo è molto più lento nella pasta a nei calcestruzzi con inerti calcarei (12).
Le maturazioni a vapore ad alta temperatura possono provocare micro-fessurazioni per sollecitazione di origine termica se non vengono adottate opportune precauzioni attraverso una lunga pre-stagionatura, un lento riscaldamento, una temperatura di regime non molto alta ed un lento raffreddamento. Tutti questi aspetti sono molto importanti in relazione ai danni da DEF.

DANNI DA DEF IN STRUTTURE MATURATE A TEMPERATURA AMBIENTE

Alcuni ricercatori (13-15) sostengono che il danno associato alla DEF si possa manifestare anche nelle strutture maturate a temperatura ambiente quando si impiegano cementi con un clinker ricco in SO3 (1-3%). Questo processo potrebbe essere dovuto al lento rilascio di solfato presente nel clinker non accompagnato da altrettanto elevato contentuto di alcali e presente, quindi, in forma di anidrite (CaSO4) o di soluzione solida nelle fasi silicatiche caratterizzate da un lento rilascio del solfato. Queste osservazioni sono puramente speculative e non risultano essere supportate da studi sperimentali con cementi e calcestruzzi in condizioni ben controllate.
L'asserzione (2, 15) che il solfato presente nelle fasi del clinker non sia bilanciato dalla presenza di alcali non tiene conto del fatto che il solfato è presente sotto forma di calcio langbeinite (2CaSO4·K2SO4) che reagisce molto rapidamente. Nessun dato è stato fornito per dimostrare che il solfato del clinker oltre l'1% sia potenzialmente pericoloso (15) e questo è in conflitto con l'esperienza basata sui dati di laboratorio (16, 17).

FATTORI CHE GOVERNANO IL DANNO DA DEF

Si è talvolta supposto che l'aumento di volume che accompagna la formazione di ettringite determini l'espansione del calcestruzzo, ma questa supposizione non è corretta. L'aumento di volume è dello stesso ordine di grandezza di quello che accompagna l'idratazione de cemento con formazione di C-S-H e Ca(OH)2. La misura in cui la crescita di una fase solida all'interno di un materiale poroso può provocare espansione, e conseguentemente un danno, dipende dall'intensità dello sforzo che può essere prodotto e dalla capacità del materiale di resistere a questo sforzo. L'intensità dello sforzo dipende non tanto dalla quantità di ettringite che si forma quanto, invece, dalla dimensione e dalla forma dei cristalli, da quando si formano, e da dove di formano. Come si è già notato prima, cristalli tozzi e sub-micrometrici di ettringite che si formano nei pori capillari della matrice cementizia potrebbero esercitare una pressione significativa, mentre la crescita di lunghi cristalli aghiformi nelle cavità e nelle fessure aperte, sono prodotti di ricristallizzazione che sono la conseguenza e non la causa del danno legato alle fessure.
Il danno da DEF è molto lento e molto probabilmente limitato in paste prive di aggregati o in malte e calcestruzzi con inerti calcarei dove il legame all'interfaccia pasta-aggregato è molto forte. Al contrario, in conglomerati con inerti quarzosi con legame interfacciale con la matrice cementizia molto più debole, il danno da DEF procede più rapidamente. Inoltre il danno è fortemente accelerato da qualsiasi fenomeno (come, per esempio, la reazione alcali-aggregato) che provochi preliminarmente fessurazione.

CONCLUSIONI

L'ettringite è una fase comunemente riscontrata nei calcestruzzi indipendentemente che questi siano sani o deteriorati. La presenza di ettringite all'interno di fessure non è un indicatore di degrado legato alla formazione di ettringite.
L'ettringite che provoca danni si presenta in cristalli troppo piccoli per poter essere rilevati con tecniche petrografiche o microscopiche. I cristalli fibrosi (lunghi 10-30 mm) di ettringite che si vedono all'interno di fessure sono prodotti di ricristallizzazione, ed essi sono il risultato ma non la causa del danno.
Se il tenore di SO3 è entro i normali limiti e non esiste altra fonte esterna di solfati, il danno legato alla formazione di ettringite avviene solo in calcestruzzi trattati termicamente a temperature maggiori di 70°C. Occorre pertanto non superare questa temperatura nella maturazione a vapore degli elementi prefabbricati.
Non vi sono, invece, solide basi scientifiche basate su dati sperimentali per affermare che si formi ettringite ritardata (DEF) in calcestruzzi non trattati ad elevate temperature, se il tenore di solfato nel cemento rientra entro gli usuali limiti di accettazione.

Per approfondire l'argomento si possono leggere i seguenti articoli:
· H.F.W. Taylor, C. Famy, K.L. Scrivener, "Review. Delayed ettringite formation", Cement and Concrete Reserch, 31, 683-693, 2001
· C. Famy and H.F.W. Taylor, "Ettringite in the hydration of Portland Cement concrete and its occurrence in mature concretes", ACI Materials Journal, Vol 98 N° 4 July-August, pp 350-356, 2001

BIBLIOGRAFIA

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  2. R.C., MIELENZ, S.L., MARUSIN, W.G. HIME, and Z.T., JUGOVIC, Investigation of prestressed concrete railway tie distress, Concrete International, 17 (12), 62-68, (1995)
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  6. R.J. DETWILER, and L.J., POWERS-COUCHE, pp. 159-l 81, ,Ettringite - the sometimes host of destruction (Special Publication 177, Ed. Erlin, B.), American Concrete Institute International, Farmington Hills, Michigan, USA, 1999
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