1. RIASSUNTO

Nel presente lavoro vengono illustrati i risultati di una campagna sperimentale tesa a valutare, mediante prove accelerate, la capacità delle membrane elastiche in polimero-cemento di incrementare la durabilità delle strutture in cemento armato. L’esecuzione di prove di elasticità e di adesione al substrato, condotte nell’arco di dieci anni ha, inoltre, consentito di verificare il mantenimento nel tempo di queste proprietà, da parte delle membrane, nei vari ambienti di esposizione.
Vengono, infine, riportati alcuni dei risultati ottenuti, nell’ambito di una più vasta campagna, da prove di invecchiamento accelerato condotte su elementi in cemento armato rivestiti con membrane cementizie sia in presenza che in assenza di fessure.


2. DURABILITA' DEL CALCESTRUZZO E DURABILITA' DELLE STRUTTURE

Tra le cause di degrado delle strutture in cemento armato, le più diffuse e ricorrenti sono, certamente, quelle legate alla penetrazione nel calcestruzzo dell’anidride carbonica e degli ioni cloruro.
L’ingresso nel calcestruzzo di queste sostanze ha come risultato la promozione di un’intensa corrosione delle armature metalliche e la conseguente espulsione del copriferro per effetto dell’aumento di volume connesso alla formazione dei prodotti di ossidazione.
La velocità di penetrazione dell’anidride carbonica e del cloruro è funzione crescente della porosità del calcestruzzo e, quindi, in ultima analisi, del suo rapporto a/c.
La norma UNI EN 206-1 “Calcestruzzo. Specificazione, prestazione, produzione e conformità”, emanata nell’ottobre del 2001, definisce quattro diverse classi di esposizione ambientale (XC1 ÷ XC4) per le strutture soggette a rischio di corrosione indotta da carbonatazione, tre classi di esposizione per strutture esposte a corrosione indotta dai cloruri presenti nell’acqua di mare (XS1 ÷ XS3) e tre classi di esposizione per strutture soggette a corrosione da cloruri non provenienti dall’acqua di mare (XD1 ÷ XD3).
Per ciascuna di queste classi di esposizione, la UNI EN 206-1 suggerisce il valore del rapporto acqua/cemento che occorre non superare per garantire una durabilità di almeno 50 anni alle strutture esposte a tali ambienti.
In realtà, l’adozione di un calcestruzzo con basso rapporto acqua/cemento rappresenta una condizione necessaria ma non sufficiente per garantire la durabilità di una struttura.
La presenza di fessure nel conglomerato cementizio comporta, infatti, il più delle volte, una riduzione della durabilità effettiva della struttura rispetto a quella potenziale legata al valore del rapporto acqua/cemento del calcestruzzo adottato. A queste si devono aggiungere le macroporosità indotte da difetti di costipazione (i cosiddetti vespai) e le riprese di getto mal eseguite.
Tutte queste soluzioni di continuità rappresentano delle vere e proprie “autostrade” per l’ingresso delle sostanze aggressive all’interno della struttura con conseguente notevole accelerazione dei fenomeni di degrado.
Se è sempre possibile eliminare la presenza di difetti di costipazione e di ripresa di getto con una accurata posa in opera, non è altrettanto semplice eliminare del tutto la presenza di fessure nelle strutture in servizio. Le cause che possono promuovere la fessurazione in esercizio delle strutture in cemento armato sono, infatti, molteplici e non sempre eliminabili. Fra queste le più ricorrenti sono: i gradienti termici che si producono nei getti massivi in conseguenza dello sviluppo del calore di idratazione del cemento; le contrazioni legate al ritiro plastico e igrometrico del calcestruzzo impedite dalla presenza di vincoli o delle armature metalliche; i carichi accidentali straordinari.


3. I RIVESTIMENTI PROTETTIVI ELASTICI

La soluzione migliore per garantire la durabilità delle strutture in cemento armato anche negli ambienti più aggressivi è l’adozione di un adeguato rivestimento protettivo facile da applicare ed eventualmente rinnovabile nel tempo.
Un buon rivestimento protettivo deve possedere le seguenti caratteristiche:

- impermeabilità all’acqua e alle soluzioni saline;
- buona impermeabilità a gas come l’anidride carbonica e l’ossigeno (necessario nei processi di corrosione);
- capacità di crack-bridging* di almeno 1 millimetro;
- tensione limite di adesione al substrato in calcestruzzo di almeno 0,7 ÷ 0,8 MPa.

Alcuni rivestimenti, come le resine epossidiche, posseggono grande capacità di bloccare l’ingresso dei liquidi e dei gas nel calcestruzzo ma sono dotati di scarsa elasticità per cui tendono a fessurarsi insieme al substrato. Altri tipi di rivestimento, come le pitture acriliche, pur essendo dotati di notevole elasticità, non possiedono una sufficiente capacità di crack-bridging in ragione dell’esiguo spessore (100 ÷ 200 mm) con cui vengono applicati.
I rivestimenti elastici in polimero-cemento, detti anche membrane cementizie elastiche, sono dotati di notevole capacità di crack-bridging in virtù della notevole elasticità e tenacità che li contraddistingue e del discreto spessore (1 – 3 mm) con cui vengono applicati. Alcuni di questi rivestimenti, inoltre, sembrano dotati di eccellente capacità di bloccare l’ingresso nel calcestruzzo di gas e liquidi aggressivi e di sufficiente adesione al sottofondo.
Le membrane cementizie elastiche, pertanto, rappresentano, probabilmente, il miglior sistema attualmente disponibile per garantire una sufficiente durabilità alle opere in calcestruzzo.

* Il crack-bridging è la capacità della membrana di fare da ponte ad eventuali fessure o soluzioni di continuità che si possono instaurare nel sottofondo senza rompersi e garantendo, comunque, l'impermeabilità della struttura.

Fig. 1 - Realizzazione dei provini rivestiti da destinare alle prove di penetrazione accelerata.

4. ATTIVITA’ SPERIMENTALE

Nell’ambito di una estesa campagna di prove, iniziata nei primi anni ‘90 e tesa all’ottimizzazione della formulazione di un prodotto da rivestimento impermeabilizzante per strutture in calcestruzzo, sono state eseguite prove di durabilità, accelerate e a lungo termine, su provini in calcestruzzo rivestiti o meno con una membrana elastica bi-componente in polimero-cemento.
In particolare sono stati realizzati:

I. provini cubici 10 x 10 x 10 cm con un calcestruzzo avente rapporto acqua/cemento = 0,40;
II. provini cubici 10 x 10 x 10 cm con un calcestruzzo avente rapporto acqua/cemento = 0,80;
III. travi prismatiche 15 x 15 x 60 cm con un calcestruzzo avente rapporto acqua/cemento = 0,60.

Metà dei provini cubici appartenenti alle serie I. e II. sono stati completamente rivestiti con la membrana in polimero cemento applicata in un unico strato di 2 mm. (Fig. 1). L’altra metà di provini è stata lasciata tal quale. Sui provini, rivestiti e non, sono state condotte le seguenti prove:

1. determinazione della penetrazione accelerata di anidride carbonica;
2. determinazione della penetrazione accelerata dei cloruri.

Le travi prismatiche appartenenti alla serie III. sono state realizzate inserendo, nella zona extradossale, un’armatura metallica costituita da tre Ø 10. All’intradosso delle travi, invece, è stato applicato uno strato di 2 mm della membrana elastica da testare (Fig. 2). Le travi così realizzate sono state esposte per 10 anni a tre diversi ambienti:

a. laboratorio (T = 20°C; U.R. = 70%);
b. ambiente esterno (T= -3°C÷35°C; U.R.= 30%÷100%);
c. costantemente sott’acqua (T = 20°C).

A varie scadenze le travi esposte ai tre ambienti sono state sottoposte alle seguenti prove di laboratorio:

- determinazione della capacità di crack-bridging residua;
- determinazione della tensione di aderenza residua.

Nei paragrafi che seguono vengono descritti e commentati i risultati di suddette prove.

Fig. 2 - Realizzazione delle travi prismatiche da sottoporre alle prove a lungo termine.

4.1 Prove di penetrazione accelerata dell’anidride carbonica

Provini cubici appartenenti alle serie I. e II., tal quali e rivestiti con la membrana elastica, sono stati inseriti per 90 giorni in una camera di carbonatazione accelerata.
All’interno della camera è stato creato un ambiente arricchito di anidride carbonica (30% in volume di CO2). Precedenti esperienze ed estrapolazioni avevano permesso di determinare che 30 giorni di esposizione in questo ambiente corrispondono, dal punto di vista della penetrazione dell’anidride carbonica in un medio calcestruzzo, a 20 anni di esposizione all’atmosfera mentre 75 giorni di esposizione in camera corrispondono a circa 50 anni di esposizione all’atmosfera.
A varie scadenze, i provini sono stati rotti a metà e su di essi si è proceduto a determinare la profondità di penetrazione dell’anidride carbonica mediante la prova colorimetrica alla fenolftaleina. I risultati delle prove colorimetriche sono riportati in Fig. 3.
Come si può notare, dopo soli 28 giorni di esposizione, i provini tal quali realizzati con calcestruzzo avente rapporto a/c = 0,80 sono stati completamente carbonatati (penetrazione di 50 mm). I provini tal quali realizzati con calcestruzzo avente rapporto a/c = 0,40, invece, hanno subito una penetrazione di circa 30 mm dopo 90 giorni di esposizione. I provini rivestiti, infine, indipendentemente dal rapporto a/c del calcestruzzo con cui erano stati confezionati, hanno subito una penetrazione quasi impercettibile (poco più di 1 mm) dopo 90 giorni di esposizione.
Da quanto sopra si può dedurre che il rivestimento elastico testato è in grado di incrementare notevolmente la durabilità delle strutture in cemento armato nei confronti della carbonatazione, indipendentemente dal rapporto a/c del calcestruzzo.

Fig. 3 - Risultati della prova di carbonatazione accelerata.

4.2 Prove di penetrazione accelerata dei cloruri

Provini cubici appartenenti alle serie I. e II., tal quali e rivestiti con la membrana elastica, sono stati immersi per 180 giorni in una soluzione al 6% di NaCl.
A varie scadenze, i provini sono stati rotti a metà e su di essi si è proceduto a determinare la profondità di penetrazione dei cloruri mediante la prova colorimetrica alla fluoresceina e nitrato d’argento. I risultati delle prove colorimetriche sono riportati in Fig. 4.
Come si può notare, i provini tal quali realizzati con calcestruzzo avente rapporto a/c = 0,80 sono stati completamente penetrati dai cloruri (penetrazione di 50 mm) dopo 120 di esposizione. I provini tal quali realizzati con calcestruzzo avente rapporto a/c = 0,40, invece, hanno subito una penetrazione di circa 30 mm dopo 180 giorni di esposizione. Nuovamente, i provini rivestiti, indipendentemente dal rapporto a/c del calcestruzzo con cui erano stati confezionati, hanno subito, dopo 180 giorni di esposizione, una penetrazione di molto inferiore a quella dei provini non rivestiti.
Si può, pertanto, affermare che il rivestimento elastico testato è in grado di incrementare notevolmente la durabilità delle strutture in cemento armato nei confronti della penetrazione dei cloruri, indipendentemente dal rapporto a/c del calcestruzzo.

Fig. 4 - Risultati della prova di penetrazione accelerata dei cloruri.

4.3 Misure della capacità di crack-bridging residua

Le travi appartenenti alla serie III., esposte ai tre diversi ambienti, sono state sottoposte, a varie scadenze, ad una prova di flessione a tre punti. La presenza di un’armatura metallica al lembo superiore della trave ha favorito la formazione in mezzeria di una cerniera plastica all’estradosso e di una fessura nella parte intradossale della trave. Mediante un comparatore millesimale inserito nella parte inferiore della trave, si è provveduto a misurare l’ampiezza della fessura nell’istante in cui il rivestimento subiva un cambiamento di colore (snervamento) prima di arrivare alla lacerazione in corrispondenza della fessura formatasi nel calcestruzzo. Tale valore dell’ampiezza della fessura è stato assunto come capacità di crack-bridging residua della membrana a quella scadenza e in quel ambiente di esposizione.
I risultati delle prove di crack-bridging sono riportati in Fig. 5.

Fig. 5 - Risultati delle prove di crack-bridging.

Come si può notare, le membrane hanno conservato una sufficiente capacità di crack-bridging anche dopo 10 anni di esposizione all’ambiente peggiore, rappresentato dalla costante immersione in acqua. Questo tipo di ambiente, infatti può portare alla riduzione di elasticità di alcuni rivestimenti di questo tipo, per idrolisi del polimero utilizzato per confezionare la malta bi-componente. La riduzione della capacità di crack-bridging dal valore iniziale (1,6 mm) è risultata quasi impercettibile nelle travi esposte all’ambiente interno (laboratorio) e inferiore a quella ottenuta sott’acqua per le travi esposte all’ambiente esterno, caratterizzato dall’alternanza di situazioni di asciutto e bagnato.
La membrana testata, pertanto, possiede spiccate doti di mantenimento nel tempo della capacità iniziale di crack-bridging pur negli ambienti più aggressivi.

4.4 Misure della tensione di aderenza residua

Successivamente alla prova di crack-bridging, sul rivestimento applicato alle travi della serie III., sono state eseguite misure della tensione di aderenza mediante dinamometro a trazione (Fig. 6). La prova consiste nell’eseguire un intaglio nel rivestimento mediante carotatrice a disco diamantato, nell’incollare un disco metallico nella zona carotata mediante mastice epossidico e nel tirare questo disco mediante apposito dinamometro a trazione fino ad ottenere la rottura o il debonding del rivestimento. La forza di strappo, divisa per l’area del disco metallico, rappresenta la tensione di aderenza del rivestimento stesso.
I risultati delle prove di strappo sono riportati in Fig. 7. come si può notare, la tensione di strappo è rimasta pressoché invariata nelle travi mantenute permanentemente sott’acqua mentre è andata leggermente crescendo nel tempo nelle travi esposte all’ambiente esterno e, in misura maggiore, in quelle mantenute in laboratorio. I valori ottenuti di aderenza ottenuti sono, in ogni caso, accettabili per un rivestimento protettivo del calcestruzzo.

Fig. 6 - Prova di strappo per la determinazione della tensione di aderenza residua.

Fig. 7 - Risultati delle prove di aderenza.

5. CONCLUSIONI

Le membrane elastiche bi-componenti in polimero-cemento sono in grado di aumentare la durabilità delle strutture in cemento armato nei confronti della corrosione promossa dalla carbonatazione e dai cloruri.
Il livello di durabilità raggiunto è pressoché indipendente dalla porosità del calcestruzzo della struttura e dalla presenza o meno di fessure.
Le prove a lungo termine (10 anni) hanno evidenziato che le membrane cementizie elastiche conservano una sufficiente capacità di crack bridging anche negli ambienti più aggressivi
L’adesione delle membrane al calcestruzzo è ottima e tende ad aumentare o a rimanere pressoché costante nel tempo nei vari ambienti di esposizione.