1. INTRODUZIONE

In seguito alla idratazione del cemento, nel calcestruzzo si forma una quantità progressivamente crescente di calce, Ca(OH)₂. La presenza di calce nel calcestruzzo, e in particolare nel copriferro, provoca la cosiddetta “passivazione” dei ferri di armatura che consiste nella protezione dell’acciaio dal rischio di corrosione. Questa protezione è garantita dalla formazione, sulla superficie delle barre metalliche, di un film nanometrico di ossido ferrico stabile in ambiente fortemente basico (pH > 13) determinato proprio dalla presenza di calce; la protezione dalla corrosione è assicurata finché persiste la presenza del film di ossido ferrico impenetrabile dagli agenti responsabili della ossidazione (ossigeno ed acqua).

La carbonatazione del calcestruzzo, cioè la penetrazione della CO₂ atmosferica nel copriferro delle strutture in c.a. e c.a.p., riduce progressivamente la calce e rende le armature metalliche vulnerabili dalla corrosione provocata dall’aria umida che, nel linguaggio dei corrosionisti, prende il nome di “depassivazione” dell’acciaio.

La progressiva diminuzione della calce, fino alla sua completa scomparsa, avviene grazie alla penetrazione della CO₂2 atmosferica che trasforma il Ca(OH)₂ in calcare (CaCO₃) secondo il processo [1]:

Ca(OH)₂ + CO₂ ⇒ CaCO₃ + H₂O [1]

Con il trascorrere del tempo, la CO₂ avanza nel copriferro e neutralizza la calce in uno strato crescente di copriferro. Fin tanto che il fronte della carbonatazione è inferiore allo spessore di copriferro, le armature metalliche rimangono avvolte da un calcestruzzo fortemente basico (pH ≥ 13) capace di passivare l’acciaio impedendone la ossidazione (corrosione) da parte dell’ossigeno (O₂) e della umidità (H₂O) presenti nell’aria. Quando però il fronte della carbonatazione diventa maggiore dello spessore di copriferro, e raggiunge i ferri di armatura, inizia il rischio di corrosione dell’acciaio. Si può sintetizzare il processo in due fasi:

- carbonatazione ma assenza di corrosione;

- corrosione alimentata da ossigeno e umidità.

Per impedire la corrosione dei ferri di armatura – che è il fenomeno più diffuso tra i possibili degradi delle strutture in c.a. e c.a.p. – si possono adottare due strategie:

A) impiegare acciai speciali (zincati o ancor meglio inossidabili) molto più costosi dell’acciaio ordinario, ma insensibili alla corrosione anche quando il copriferro è completamente carbonatato;

B) impiegare acciai ordinari, adottare un copriferro sufficientemente spesso (≥ 30 mm secondo l’Eurocodice 2), ed impiegare un calcestruzzo adeguatamente impenetrabile dall’aria atmosferica per un tempo sufficientemente lungo e comunque almeno eguale al tempo di vita atteso per la struttura solitamente assunto in 50 anni per le strutture ordinarie e in almeno 100 anni per le opere straordinarie di rilevante interesse sociale o strategico.

Esistono casi particolari per i quali l’impiego di acciai inossidabili, ancorché molto più costosi di quello ordinario, diventa assolutamente obbligatorio in accordo alla strategia A) sopra definita: questi casi straordinari sono identificabili in strutture progettate per una vita di servizio molto lunga (più di un secolo) e nel contempo esposte ad ambienti molto aggressivi per la presenza di cloruri di origine marina, come si verifica per esempio nel MOSE di Venezia.

I casi straordinari sopra menzionati non rientrano, tuttavia, nella ipotesi di strutture ordinarie esposte al solo rischio di corrosione promossa da carbonatazione, alle quali si fa riferimento in questo articolo e per le quali è più conveniente da un punto di vista economico adottare la strategia B). Queste strutture vengono identificate come strutture in classe di esposizione XC4 che corrisponde ad un ambiente esterno naturale (con alternanze di pioggia e di clima con UR variabile tra 60 e 70%) che facilita la penetrazione nel calcestruzzo di anidride carbonica, ossigeno e acqua.

2. LA NORMA UNI 11104

La norma nazionale UNI 11104, emanata in applicazione della norma europea UNI EN 206, prevede che sia sufficiente impiegare un calcestruzzo con rapporto acqua/cemento (a/c) ≤ 0,50 e una R_ck ≥ 40 MPa per garantire la durabilità di una struttura in c.a. e c.a.p. in classe di esposizione XC4, cioè per rinviare la completa penetrazione della CO₂ nel copriferro (30 mm) dopo un tempo di servizio di almeno 50 anni.

Secondo la UNI 11104 il vincolo composizionale (a/c ≤ 0,50) e quello meccanico (R_ck≥ 40 MPa) debbono essere entrambi rispettati per assicurare una vita di servizio di almeno 50 anni nelle strutture in c.a. e c.a.p. in classe di esposizione XC4. Questi due vincoli non sono sempre congruenti tra loro e debbono essere entrambi rispettati assumendo come effettivo rapporto a/c il minore tra 0,50 e quello che corrisponde a una Rck di 40 MPa. La Fig. 1 mostra la resistenza meccanica media a 28 giorni (R_cm28) del calcestruzzo in funzione del rapporto a/c quando si impiegano cementi con diverse classi di resistenza: CEM 32.5 R, CEM 42.4 R e CEM 52.5 R. Se, per semplificare, si assume un controllo di tipo A per il calcolo della R_ck, la R_cm28 può essere immediatamente trasformata in R_ck mediante la ben nota equazione: R_cm28 – 3,5 = R_ck.

La Fig. 1 indica che quanto più bassa è la classe di resistenza del cemento, tanto più bassa deve essere il rapporto a/c capace di garantire la R_ck di 40 MPa (cioè R_cm28 = 43,5 MPa). Per esempio, se si impiega il CEM 32.5 R per produrre un calcestruzzo con R_ck di 40 MPa occorre abbassare il rapporto a/c a circa 0,40 e quindi ben al di sotto di 0,50; quindi, se si impiega un CEM 32.5 R, una R_ck di 40 MPa garantisce che il rapporto a/c non superi il limite di 0,50 previsto dalla UNI 11104.

Al contrario, se si impiega il CEM 52.5 R la Fig. 1 mostra che la R_ck di 40 MPa può essere raggiunta con un rapporto a/c di 0,55 e quindi ben superiore al valore di 0,50 previsto dalla UNI 11104; pertanto, una R_ck di 40 MPa non assicura che sia soddisfatto anche il limite composizionale di a/c ≤ 0,50; in questo caso se si rispetta il vincolo composizionale (a/c = 0,50) la R_cm28 del calcestruzzo dovrà essere almeno 51.5 MPa (R_ck = 48 MPa).

La Fig. 1 indica che solo se si impiega il CEM 42.5 R si verifica una situazione di “quasi congruenza” tra a/c = 0,50 e R_cm28 = 43,5 MPa e pertanto la verifica che il requisito meccanico è soddisfatto (R_ck = 40 MPa) comporta che sia soddisfatto anche il requisito composizionale (a/c = 0,50).

Val la pena di precisare che, se si adotta il controllo di tipo B per calcolare la resistenza caratteristica con la nota equazione (R_ck = R_cm28 – k • s con s = scarto quadratico medio) cambiano le correlazioni tra R_ck e rapporto a/c ma non cambia l’andamento delle curve della Fig. 1 che mostrano R_cm28 in funzione di a/c. Se si assume un valore di s = 7 MPa, il valore di R_cm28 che corrisponde ad una R_ck di 40 MPa diventa: 40 + 1,4 • s = 40 + 10 = 50 MPa. Anche in questo caso è facilmente verificabile che una R_cm28 di 50 MPa (cioè R_ck = 40 MPa) garantisce ancor meglio che a/c non superi 0,50; infatti la Fig. 2 mostra che per il calcestruzzo con CEM 32.5 R a/c è eguale a circa 0,35 mentre per quello con CEM 42.5 R a/c è eguale a circa 0,45. Per il calcestruzzo con CEM 52.5 R, invece, il rapporto a/c è di 0,50.


3. SCOPO DELLA RICERCA

Sulla base di quanto esaminato nel precedente paragrafo si deduce che, secondo la UNI 11104, calcestruzzi di pari R_ck (per esempio 40 MPa) risultano essere più o meno penetrabili dalla CO₂ (e cioè più o meno conformi ai requisiti di durabilità in classe di esposizione XC4) a seconda della classe di resistenza del cemento adottato. In particolare, il requisito di R_ck = 40 MPa non è sufficiente a soddisfare anche il vincolo composizionale (a/c ≤ 0,50) se si impiega un cemento di maggior classe come il CEM 52.5 R.

Gli autori del presente articolo ritengono invece che, a pari R_ck, la microporosità della matrice cementizia che avvolge le barre metalliche dovrebbe essere la stessa indipendentemente dal cemento impiegato. Se questa ipotesi dovesse essere confermata la prescrizione della sola R_ck – senza alcun vincolo aggiuntivo per il rapporto a/c, tra l’altro di difficile valutazione in un calcestruzzo messo in opera ed ormai indurito – sarebbe sufficiente per valutare la potenziale durabilità del calcestruzzo fornito.

Naturalmente altri requisiti aggiuntivi dovrebbero essere garantiti per valutare la effettiva durabilità del calcestruzzo in opera attraverso la determinazione della resistenza “strutturale” (R_strutt) del calcestruzzo in opera. In accordo al DM del 14 Gennaio 2008, il valore di R_strutt mediante prove distruttive (carotaggi) e/o semi-distruttive (sclerometria, ultrasuoni, ecc.) deve essere almeno eguale all’85% della resistenza media “potenziale” (R_cm28) e cioè:

R_strutt ≥ 0,85 • R_cm28 [2]

Il limite del valore di R_strutt che appare nella [2] può essere soddisfatto se la compattazione del calcestruzzo fresco e la stagionatura del calcestruzzo disarmato sono molto prossime a quelle adottate per la misura della resistenza media potenziale (R_cm28) sui provini (“cubetti”) confezionati con calcestruzzo compattato a rifiuto e stagionato a 20°C in ambiente umido (UR ≥ 5%).

Lo scopo del presente lavoro prescinde da questo aspetto esecutivo da parte dell’impresa (sulla base della R_strutt) e si limita a valutare il comportamento del calcestruzzo nei confronti della carbonatazione, e quindi del rischio di corrosione, sulla base della sola R_ck. Tuttavia, i risultati di questa ricerca potranno essere estesi al calcestruzzo in opera a condizione che la resistenza “strutturale” sia almeno eguale all’85% di quella “potenziale”.


4. PARTE SPERIMENTALE

Nella Tabella 1 sono mostrate le composizioni e le proprietà (slump e resistenza a compressione media a 28 giorni (R_cm28) di 24 calcestruzzi. Sono stati utilizzati 6 cementi:

- cemento Portland (CEM I 52.5 R)

- cemento al calcare tipo A (CEM II A/L 42.5 R)

- cemento al calcare tipo B (CEM II B/L 32.5 R)

- cemento pozzolanico tipo B (CEM IV B 42.5 R)

- cemento alla loppa tipo A (CEM II A/S 52.5 N)

- cemento d’altoforno tipo A (CEM III A 32.5 R)

Per ogni cemento sono stati confezionati 4 calcestruzzi con dosaggi di cemento eguali a 400-350-300-250 kg/m³ con un contenuto di acqua compreso nell’intervallo di 170 kg/m³ ± 10 kg/m³, in modo che il rapporto a/c dei quattro calcestruzzi fossero rispettivamente eguali a 0.40-0.50-0.60-0.70. Per mantenere lo slump dei calcestruzzi freschi entro l’intervallo di 215 ± 15 mm è stato impiegato, laddove era necessario, un additivo superfluidificante in dosaggio tale che il contenuto di acqua e lo slump fossero compresi entro gli intervalli sopra menzionati.

I calcestruzzi sono caratterizzati dal rapporto a/c e dalla resistenza meccanica a compressione (R_cm28) determinata a 28 giorni dopo una stagionatura a 20°C. I valori di R_cm28 sono riportati nell’ultima colonna della Tabella 1: essi confermano che la resistenza del calcestruzzo aumenta con la diminuzione del rapporto a/c e con l’aumento della classe di resistenza del cemento. Per esempio, il massimo valore di R_cm28 (64 MPa) si raggiunge quando si impiega il CEM 52.5 R e si adotta il rapporto a/c di 0,40, mentre il valore minimo (21 MPa) si registra con il cemento CEM 32.5 R e con il rapporto a/c di 0,70.

Per ciascuno dei 24 calcestruzzi è stata misurata la penetrazione della CO₂ mediante il test colorimetrico alla fenolftaleina su un totale di 48 provini ciascuno dei quali è stato spaccato a metà. La penetrazione della CO₂ è stata eseguita dopo conservazione a 20°C e UR di 60% a partire da 28 giorni fino a un anno. Ciascuna misura di penetrazione risulta dalla media di due provini.

5. RISULTATI

Nelle Fig. 3-8 sono riportati i risultati sullo spessore (x) di calcestruzzo penetrato dalla CO₂ in funzione della radice quadrata del tempo (√t). Poiché la carbonatazione avviene secondo l’equazione [3], se si riporta x in funzione di √t si registra un andamento lineare:

x = k • √ t [3]

Il valore di k (noto come coefficiene di carbona-tazione) coincide con lo spessore di carbonatazione (x) quando √t è eguale a 1, cioè dopo un anno di esposizione all’aria. I valori di k, calcolati in mm/anno½ , sono riportati all’interno di ogni Figura (da Fig. 3 a Fig. 6) per ciascuno dei sei cementi.

All’interno delle stesse Figure sono riportati anche i valori di a/c adottati e la resistenza meccanica R_cm28. Si può osservare che per un dato cemento il valore di k diminuisce al diminuire del rapporto a/c e all’aumentare della R_cm28. D’alta parte, per un dato rapporto a/c, il valore di k dipende dalla classe di resistenza del cemento impiegato e k è tanto minore (cioè la carbonatazione è tanto minore) quanto maggiore è la classe di resistenza del cemento impiegato.

La massa di dati disponibili è considerevole ma purtroppo di complessa valutazione per i numerosi parametri presi in esame. Pertanto, al fine di verificare l’ipotesi avanzata nel paragrafo 3 (Scopo della ricerca), sono stati selezionati tutti quei calcestruzzi che presentavano la stessa resistenza meccanica a 28 giorni, indipendentemente dal dosaggio di cemento, dal rapporto a/c e dal tipo di cemento. Nella Tabella 2 sono mostrati, a titolo di esempio, i calcestruzzi confezionati con ciascuno dei 6 cementi che presentavano valori di R_cm28 compresi tra 40 e 45 MPa. Per ciascuno di questi calcestruzzi la Tabella 2 mostra il tipo di cemento, il dosaggio di cemento, il rapporto a/c, la R_cm28, e gli spessori di calcestruzzo carbonatato da un minimo di un mese a un massimo di 1 anno. Si può osservare che per un dato tempo di esposizione all’aria, lo spessore di calcestruzzo carbonatato non varia molto al variare del cemento impiegato, del rapporto a/c e del dosaggio di cemento. Per esempio, i valori di spessore carbonatato dopo 1 mese sono compresi nell’intervallo di 0-0,5 mm; dopo tre mesi di esposizione lo spessore carbonatato varia da un minimo di 3,5 e un massimo di 4,5 mm. In particolare, lo spessore (x) carbonatato a 1 anno (√t = 1), che corrisponde al valore di k in mm/anno^1/2 , è mediamente eguale a 5,5 ± 1,4 mm / anno^1/2 e non mostra significative variazioni poiché è compreso tra un minimo di 4,7 e un massimo di 6,9: la dispersione di questi valori è in linea con quella registrata per le singole rette delle Fig. 3-8 a causa degli inevitabili errori sperimentali insiti in questa determinazione.

Una ulteriore conferma che la resistenza meccanica è l’unico parametro che condiziona la carbonatazione (indipendentemente dal tipo e dalla classe del cemento, dal rapporto a/c, e dal dosaggio di cemento) è mostrato dall’andamento dello spessore di carbonatazione in funzione di √t, dove i valori medi di spessore di calcestruzzo carbonatato soddisfano adeguatamente un unica retta di correlazione tra x e √t soprattutto se si trascura il valore di x al tempo di 1 mese (Fig. 9). In particolare, la penetrazione della CO₂ dopo 1 mese dal getto è circa 0.3 mm, e risulta percentualmente molto più basso di quello deducibile per estrapolazione a 1 giorno della retta di correlazione tra x e √t (circa 1,5 mm) nella Fig. 7. Questa discordanza, tra il valore di x misurato sperimentalmente e quello deducibile per estrapolazione della retta a 1 mese, è da mettere in relazione con la maggiore umidità dei provini di calcestruzzo presente alla stagionatura di 1 mese; questa umidità satura i pori capillari e pertanto la velocità di carbonatazione (determinabile dalla pendenza della retta di correlazione della Fig. 9) è molto minore durante il primo mese rispetto a quella che si riscontra alle stagionature più lunghe.

4. CONCLUSIONI

La ricerca oggetto del presente articolo mostra l’influenza del tipo e della classe di resistenza del cemento sulla penetrazione dell’anidride carbonica (con conseguente rischio di corrosione dei ferri di armatura) in calcestruzzi confezionati con diversi rapporti acqua/cemento. I risultati ottenuti in questo lavoro indicano che, a parità di rapporto acqua/cemento, la velocità di carbonatazione aumenta al diminuire della classe di resistenza del cemento. D’altra parte, quando il confronto è fatto a parità di resistenza meccanica del calcestruzzo, non esiste una significativa differenza nella velocità di carbonatazione, e quindi nel rischio di corrosione promossa dalla carbonatazione, nei calcestruzzi confezionati con cementi diversi e adottando differenti valori di a/c.

Si può quindi concludere che se diversi calcestruzzi presentano la stessa resistenza meccanica anche la penetrazione dell’anidride carbonica avverrà con la stessa velocità. Questa caratteristica può essere valutata attraverso il coefficiente di carbonatazione (k) che correla linearmente lo spessore (x) di calcestruzzo carbonatato e la radice quadrata del tempo di esposizione all’aria (√t) secondo l’equazione x = k • √t.