INTRODUZIONE

L’articolo illustra un esempio di ispezione sugli edifici con struttura in calcestruzzo armato dell’ex Istituto Marchiondi di Milano, realizzato da Vittoriano Viganò negli anni ’50. Tutti gli edifici del complesso presentano un avanzato stato di degrado, dovuto alla corrosione dei ferri d’armatura e al conseguente distacco del copriferro. Sono state effettuate prove non distruttive di vario tipo e si sono prelevati campioni su cui sono state effettuate analisi di laboratorio. I risultati delle analisi vengono discussi in relazione alla caratterizzazione del calcestruzzo, alla definizione dello stato attuale di degrado e alla previsione della sua evoluzione e ai possibili interventi di conservazione.

L’ex Istituto “Marchiondi”, realizzato tra il 1953 e il 1957 nel quartiere Baggio di Milano, è un complesso di diversi edifici progettato dall’arch. Vittoriano Viganò. Nato per accogliere una scuola per ragazzi difficili, è di particolare interesse architettonico; nacque dalla collaborazione tra gli educatori e l’architetto che, ispirato al principio di libera ospitalità, elaborò una distribuzione libera, a schema aperto ed edifici trasparenti, a contatto con l’esterno [1]. Il complesso si articola in quattro nuclei edilizi principali, tra loro collegati ma indipendenti, che ospitano: un nucleo per gli uffici, un centro residenziale per i ragazzi (convitto), un centro scolastico e un centro residenziale per il corpo insegnante.

La situazione attuale del complesso presenta un degrado molto avanzato (Figura 1).

Le parti in cui il distacco del calcestruzzo ha scoperto le armature, evidenziano dei difetti costruttivi legati principalmente alla mancanza di controlli sul posizionamento delle gabbie d’armatura. È chiaro che non si sono utilizzati distanziatori o altri accorgimenti per fissare le barre durante il getto; di conseguenza molto spesso gli elementi in calcestruzzo armato presentano spessori di copriferro esigui su uno dei lati. All’interno, i segni del degrado delle strutture in calcestruzzo armato sono meno evidenti; all’ultimo piano, tuttavia, vi sono infiltrazioni d’acqua dal solaio di copertura in laterocemento.

METODOLOGIE DI INDAGINE

L’ispezione è stata divisa in tre fasi: a) osservazione visiva degli edifici e raccolta delle informazioni disponibili sulla costruzione; b) effettuazione di analisi non distruttive sulla struttura (anche nelle parti in cui i segni del degrado dovuto a fenomeni di corrosione delle armature non sono evidenti); c) prelievo di campioni, su cui sono state eseguite delle successive analisi di laboratorio. Si sono individuate varie zone per le analisi non distruttive e per il prelievo dei campioni, scelte in modo che potessero essere rappresentative delle diverse tipologie di elementi costruttivi e di condizione di esposizione.

Sugli elementi strutturali sono state effettuate le seguenti analisi non distruttive:

a) prova di percussione sul calcestruzzo (hammer test) per individuare le zone in cui il copriferro fosse distaccato;
b) misura dello spessore di copriferro con metodo magnetico;
c) misure sclerometriche;
d) mappatura del potenziale elettrochimico delle armature;
f) mappatura della resistività elettrica del calcestruzzo.

I campioni di calcestruzzo sono stati prelevati mediante carotaggio; subito dopo il prelievo si è misurato lo spessore di carbonatazione, con la prova alla fenolftaleina. Successivamente, in laboratorio sono stati portati a diverse condizioni di umidità e si sono misurate le seguenti grandezze:

a) densità;
b) assorbimento d’acqua;
c) resistività elettrica;
d) contenuto di cloruri.

La microstruttura del calcestruzzo è stata osservata al microscopio elettronico a scansione.
I risultati delle analisi vengono discussi in relazione a tre aspetti distinti:

a) la caratterizzazione dei materiali utilizzati per le strutture in calcestruzzo armato;
b) la valutazione dello stato di conservazione attuale dei materiali e delle strutture;
c) la previsione dell’evoluzione futura del degrado e lo studio di possibili interventi di recupero.

CARATTERIZZAZIONE DEL CALCESTRUZZO

Le carote estratte dalle strutture ha mostrato che il calcestruzzo presenta molte bolle d’aria intrappolata; in alcuni casi raggiungono dimensioni di 5-7 mm. La Figura 2 riporta la frequenza dei valori di densità ottenuti sulle carote prelevate dalle diverse zone del complesso. La densità del calcestruzzo ha un valore medio di 2150 kg/m³ nel materiale secco e circa 2300 kg/m³ in condizioni di saturazione. L’assorbimento d’acqua del calcestruzzo (Figura 3) ha un valore medio di circa 8% in massa, ma raggiunge anche valori superiori a 10%. La Figura 3 riporta anche l’analisi di frequenza dei valori di umidità iniziale; il valore medio è 6,7%. Le osservazioni visive e le misure di densità e di assorbimento d’acqua evidenziano quindi una significativa presenza di macropori dovuti all’aria rimasta intrappolata nel calcestruzzo fresco (probabilmente compattato a mano).

Fig. 2 - Distribuzione della densità del calcestruzzo.

Fig. 3 - Distribuzione dell'umidità iniziale e dell'assorbimento d'acqua.

La Figura 4 mostra l’analisi di frequenza dei valori di resistività misurati sulle carote nelle condizioni di prelievo e di saturazione d’acqua. La resistività del calcestruzzo saturo tipico di un calcestruzzo ottenuto con cemento Portland.
Le analisi effettuate mostrano che il calcestruzzo ha in genere caratteristiche omogenee nelle diverse parti delle strutture. La Figura 5 riporta l’analisi di frequenza delle misure sclerometriche.

Fig. 4 - Distribuzione della resistività elettrica (carote).

Fig. 5 - Distribuzione della resistenza sclerometrica (in situ).

VALUTAZIONE DELLO STATO DI CONSERVAZIONE

L’esteso distacco del copriferro osservato sugli edifici è dovuto alla corrosione delle armature, insorta a causa della carbonatazione del calcestruzzo. Le analisi condotte in laboratorio e l’ispezione mostrano che non ci sono altre cause di degrado diretto del materiale. L’abbandono della struttura e la mancanza di interventi manutentivi ha, peraltro, aggravato le condizioni dello stabile.

Per valutare l’effettiva condizione di conservazione delle strutture, anche delle parti in cui non si è ancora manifestato il degrado dovuto alla corrosione delle armature, è necessario prevedere l’evoluzione del fenomeno. A questo scopo si devono considerare separatamente i periodi di innesco e di propagazione della corrosione.

INNESCO DELLA CORROSIONE

Il periodo di innesco della corrosione rappresenta il tempo necessario affinché la carbonatazione interessi l’intero spessore di copriferro e quindi le armature perdano le condizioni di passività che le proteggono. Questo tempo dipende dallo spessore di copriferro e dalla velocità con cui la carbonatazione penetra nel calcestruzzo [2].

Lo spessore di copriferro mostra una forte variabilità (Figura 6). Per le staffe varia da meno di 10 mm a più di 40 mm, con un valore medio di circa 25 mm; per le armature longitudinali si osserva una distribuzione simile, con valori maggiori di 8-10 mm. La grande variabilità degli spessori di copriferro è dovuta principalmente al fatto che durante la costruzione non si è prestata attenzione al controllo del posizionamento delle gabbie di armatura (non sono stati utilizzati dei distanziatori). Infatti, molto spesso lo spessore di copriferro è particolarmente basso su una faccia dei manufatti, mentre è molto più elevato sulla faccia opposta (questo si verifica sia nelle travi, dove gli spessori più bassi si misurano all’intradosso, sia sui pilastri). In altri casi la gabbia d’armatura è ruotata in orizzontale oppure non è verticale, per cui lo spessore di copriferro non è costante nemmeno sulla stessa faccia. Anche la penetrazione della carbonatazione presenta una forte variabilità, dovuta soprattutto a differenti condizioni di esposizione (Figura 7). I pilastri interni, più asciutti, mostrano valori di profondità di carbonatazione più elevati, mentre quelli esposti direttamente alla pioggia, hanno una profondità di carbonatazione molto inferiore. Analogamente la penetrazione della carbonatazione negli elementi posti sulla facciata Nord (e quindi mediamente più umidi) è più bassa rispetto a quelli posti sulla facciata Sud.

Fig. 6 - Distribuzione dello spessore copriferro.

Fig. 7 - Distribuzione della profondità di carbonatazione.

Confrontando le Figure 6 e 7 si può osservare come la distribuzione della profondità di carbonatazione si sovrapponga a quella dello spessore di copriferro. Questo significa che in molti casi le armature sono state raggiunte dalla carbonatazione e quindi la corrosione si è già innescata.

PROPAGAZIONE DELLA CORROSIONE

Anche la velocità di corrosione e quindi la propagazione dell’attacco corrosivo dipendono dalle condizioni di umidità. In questo caso, però, le condizioni più critiche si raggiungono dove il calcestruzzo è umido e quindi la sua resistività è bassa [1]. Infatti, se il calcestruzzo è asciutto, anche se la carbonatazione ha raggiunto le armature, la velocità di corrosione resta trascurabile e le sue conseguenze possono restare trascurabili per tempi molto lunghi.

La Figura 8 mostra l’andamento della resistività del calcestruzzo e del potenziale delle armature rilevati su un pilastro esterno. Si osserva come, alle quote più basse vicino al terreno, la resistività sia inferiore rispetto alle quote più elevate a causa della maggiore umidità. Nelle zone inferiori il potenziale delle armature raggiunge valori di circa 200 mV inferiori rispetto alla parte superiore, dove si sono misurati potenziali prossimi a 0 mV vs Cu/CuSO₄ che corrispondono a velocità di corrosione trascurabili nel calcestruzzo carbonatato [2]. Si può quindi dedurre che, nonostante la carbonatazione abbia raggiunto tutte le armature, la corrosione dell’acciaio determini condizioni critiche solo nella parte inferiore, come peraltro confermato dal distacco del calcestruzzo in corrispondenza degli spigoli del pilastro.

Anche le strutture interne sono in calcestruzzo faccia a vista. Queste, pur presentando una profondità di carbonatazione elevata, non mostrano il distacco del calcestruzzo, in quanto il calcestruzzo è molto asciutto e la velocità di corrosione delle armature rimane trascurabile. La bassa umidità del calcestruzzo è evidenziata dai valori elevati di resistività misurata direttamente in situ. Al contrario, i pilastri all’esterno senza alcun riparo dalla pioggia e quindi molto umidi, presentano parecchi distacchi di calcestruzzo, nonostante la profondità di carbonatazione non sia elevata. Le armature con lo spessore di copriferro più basso, infatti, sono state comunque già raggiunte dalla carbonatazione e l’elevata umidità del calcestruzzo ha determinato una velocità di corrosione molto alta che ha portato alla fessurazione e al distacco del copriferro.

Fig. 8 - Resistività del calcestruzzo e potenziale delle armature in un pilastro esterno.

PREVISIONE

Considerando i risultati ottenuti con le diverse tecniche di analisi, si può concludere che lo stato di degrado che si osserva oggi sugli edifici, e che si è già manifestato da almeno 10-15 anni, è dovuto principalmente alla non regolare disposizione delle armature. La presenza di spessori di copriferro particolarmente bassi ha portato già da molto tempo all’innesco della corrosione, nonostante la profondità di carbonatazione a distanza di 50 anni dalla costruzione sia mediamente modesta e confrontabile con lo spessore medio di copriferro. Infatti, la penetrazione della carbonatazione è di 20-25 mm per gli elementi esterni (se si escludono alcune zone in cui il calcestruzzo ha mostrato un resistenza minore rispetto alla media) e di circa 40 mm per quelli interni.

Visto che la costruzione ha circa 50 anni, considerando la relazione parabolica con cui in genere si rappresenta l’andamento nel tempo della carbonatazione [1,9]: S = k(t)^1/2, si ottiene un coefficiente di carbonatazione (k) pari a circa 3.5 mm/(anno)^1/2 per le parti esterne e 6 mm/(anno)^1/2 per quelle interne. Per i pilastri esposti direttamente alla pioggia, influenzati da un più alto valore di umidità, considerando la penetrazione massima di 22 mm, si ottiene un coefficiente di 3 mm/(anno)^1/2. Questi valori sono relativamente bassi grazie alla buona qualità del calcestruzzo, probabilmente confezionato con un rapporto acqua cemento basso (minore di 0.5) per garantire una elevata resistenza meccanica (come osservato con le misure sclerometriche).

Nonostante il distacco del calcestruzzo sia evidente solo nelle zone con basso spessore di copriferro, la profondità di carbonatazione ha ormai raggiunto valori tali da innescare la corrosione anche nelle zone in cui lo spessore di copriferro rispetta i valori medi. Pertanto si deve assumere che per la maggior parte degli elementi in calcestruzzo armato sia terminato il periodo di innesco. In funzione dell’umidità del calcestruzzo, si raggiungeranno in tempi più o meno brevi le condizioni di fessurazione e distacco del calcestruzzo. Quindi, per evitare che si raggiungano in futuro condizioni ben più gravi, che possano comprometterne anche la stabilità, e comunque per garantire la conservazione della struttura è necessario un intervento di recupero che rimedi ai danni che la struttura ha già subito e che arresti il fenomeno corrosivo in atto, in modo da prevenire ulteriori distacchi del calcestruzzo.

Per la scelta del metodo di recupero e per il successivo progetto dell’intervento si deve assumere come riferimento uno scenario in cui la carbonatazione ha ormai superato la profondità a cui si trovano le armature e la propagazione della corrosione ha portato a un diffuso danneggiamento del copriferro. Si potrebbe ricorrere alla tecnica tradizionale che prevede la rimozione del calcestruzzo carbonatato e la sua sostituzione con una malta alcalina che porti le armature di nuovo in condizioni di passività. Per garantire un’accettabile vita di servizio dell’intervento di recupero, sarà però necessario rimuovere ingenti quantità di calcestruzzo carbonatato, anche in zone in cui la sua resistenza meccanica non è ancora stata compromessa. Peraltro, in questo contesto, il ricorso a metodi alternativi al ripristino tradizionale (ad esempio la rialcalinizzazione elettrochimica o la protezione catodica [3]) non sembra conveniente, poiché è comunque necessario un massiccio intervento di sostituzione del calcestruzzo nelle zone in cui il copriferro è danneggiato o distaccato.

BIBLIOGRAFIA

1.R.Pedio, “Il nuovo Istituto Marchiondi a Milano”, L’architettura - Cronache e storia, n. 40, 1959.

2.P.Pedeferri, L.Bertolini, La durabilità del calcestruzzo armato, McGraw-Hill, Milano, 2000.
§
3.L.Bertolini, B.Elsener, P.Pedeferri, R.B.Polder, Corrosion and protection of steel in concrete, Wiley, WCH 2004.