LE CAUSE DI DEGRADO DEL CALCESTRUZZO E DELLE OPERE IN CALCESTRUZZO ARMATO


Luigi Massidda
Università di Cagliari - massidda@dicm.unica.it


DURABILITA' DEI MANUFATTI CEMENTIZI

Con il termine durabilità (durevolezza) si intende la capacità di un materiale di durare nel tempo, di resistere cioè ai differenti fattori che ne possono promuovere il degrado mantenendo inalterate le sue caratteristiche prestazionali.

I costi economici associati a una mancanza di durabilità di un’opera in calcestruzzo possono essere rilevanti e ricadono essenzialmente sul proprietario cui spetta l’onere degli interventi di conservazione di una struttura degradata qualora voglia mantenerla in servizio. Il Committente è quindi il principale beneficiario della corretta realizzazione di un manufatto durevole, i cui maggiori costi in fase di realizzazione sono comunque nettamente inferiori a quelli diretti di restauro e alle perdite economiche indirette connesse alla mancata utilizzazione dell’opera.

Le parti interessate alla produzione di un calcestruzzo durevole non si limitano tuttavia alla sola Committenza.

Il Progettista ha infatti la responsabilità diretta della progettazione corretta dell’opera che non si limita alle caratteristiche meccaniche conseguite dai materiali nella struttura, ma deve anche possedere requisiti di durabilità in relazione all’ambiente cui è esposta nella sua vita in servizio. Queste responsabilità richiamate in modo specifico dalla UNI 9858 e dalle successive UNI EN 206/1 e UNI 11104 impongono il rispetto dalle Linee Guida emanate dal Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici per la prescrizione di un calcestruzzo durevole. Altre parti interessate sono il Direttore dei lavori e l’Impresa cui spetta l’onere della realizzazione dell’opera secondo le specifiche del progetto per quanto attiene la scelta dei materiali, il mix design e le fasi critiche di miscelazione, posa e stagionatura del calcestruzzo in opera.

Se viene impiegato calcestruzzo preconfezionato alcune responsabiltà sono del produttore del calcestruzzo che deve garantire non solo i valori di Rck prescritti, ma anche i requisiti minimi indicati nelle Linee Guida per le varie classi di esposizione ambientale.

DEGRADO DEL CALCESTRUZZO


Le cause del degrado possono essere interne al manufatto o riconducibili ad interazioni con l’ambiente esterno.

Le cause interne dipendono essenzialmente da:

- una cattiva progettazione del manufatto;
- non corretta posa in opera;
- inadeguati processi di “curing”.

Le cause esterne possono essere di carattere meccanico, fisico o chimico.

Cause meccaniche:
- lesioni indotte da sollecitazioni meccaniche in servizio (assestamenti, sovraccarichi, carichi ciclici);
- microfessurazione indotta da variazioni termo-igrometriche (dilatazione, ritiro);
- formazione di ghiaccio nella matrice cementizia e negli inerti (gelività).

Sollecitazioni indotte da stress termici
Le reazioni di idratazione delle paste cementizie innalzano la temperatura del calcestruzzo che tenderà ad aumentare il proprio volume (specie nel nocciolo della struttura). La differenza tra la temperatura registrata all’interno delle strutture e la temperatura esterna provoca stress termici quando tale differenza supera i 20-25°C. Per superiori valori di ∆T, il calcestruzzo, contrastato nella sua tendenza a espandersi da vincoli interni (armatura), e da vincoli esterni, (come ad esempio una platea di fondazione già matura e l’elemento strutturale appena gettato con il quale va a contatto), subisce sollecitazioni meccaniche non trascurabili in grado cioè di generare lesioni visibili al momento della rimozione dei casseri o dopo pochi giorni di maturazione quando la superficie si mette in equilibrio con l’ambiente esterno.

Le sollecitazioni meccaniche sono direttamente proporzionali alla deformazione relativa ε (∆l/lo) che dipende a sua volta dal coefficiente di dilatazione α del materiale e dal valore di ∆T secondo la legge:

ε = α∆T

tenendo conto della legge di Hooke: σ = Eε, lo stress indotto dalla dilatazione termica sarà:

σ = Eα∆T

I valori di σ risultanti sono spesso tali da superare la resistenza a trazione del materiale e provocare lesioni anche macroscopiche.

Fessure da Ritiro (plastico e igrometrico)
Sono entrambe associate alla variazione dimensionale del manufatto associata alla perdita d’acqua per evaporazione (1).

Il ritiro plastico si manifesta principalmente a poche ore dal getto e, soprattutto, in strutture dove il rapporto superficie/volume è alto e dove maggiore sarà la probabilità di evaporazione dell’acqua. Il ritiro plastico è, quindi, causato da una eccessiva perdita superficiale di acqua. Per contrastare il ritiro plastico è assolutamente indispensabile tenere bagnate le strutture per almeno 3 giorni dal momento del getto.

Il ritiro igrometrico (o idraulico), si manifesta lentamente nel tempo nel manufatto indurito ed è causato da una lenta perdita di acqua nel calcestruzzo. Perché questo fenomeno si verifichi è sufficiente che l’umidità relativa dell’ambiente in cui si trova il manufatto scenda al disotto del 95%. Tutte le strutture non sommerse sono quindi potenzialmente interessate dal fenomeno.

Per contrastare il ritiro è opportuno ridurre il rapporto a/c, aumentare il rapporto aggregato/cemento e, soprattutto, bagnare costantemente l’opera soprattutto nei primi giorni di stagionatura.

La gelività (cicli di gelo e disgelo)
Il degrado per gelività, è legato al fatto che l’acqua, nel passaggio dallo stato liquido a quello solido, aumenta il proprio volume di circa il 9% e congelando esercita forti pressioni disgiungenti entro la matrice dei materiali porosi.

L’acqua può provenire dalla superficie o essere presente nella struttura del calcestruzzo soprattutto in manufatti confezionati con alto rapporto a/c. Se i cicli di gelo e disgelo si ripetono, ne risulta un marcato deterioramento, che si evidenzia in genere uno sbriociolamento del calcestruzzo in superficie.

L’approccio di Everett (2) consente di valutare la pressione di cristallizzazione ∆P che si sviluppa all’interno di matrici porose caratterizzate da una distribuzione porosimetrica monodimensionale (o assai prossima ad essa) con raggio caratteristico r. γ rappresenta la tensione superficiale.

∆P = 2γ (1/r)



DEGRADO PER GELIVITA'

Il degrado dovuto al congelamento è maggiore nei materiali aventi un diametro di pori dell’ordine di grandezza compresa nell’intervallo (1-3 µm): tale diametro viene definito diametro critico.

I pori di dimensioni molto più piccole (< 0,1 µm) sono in effetti poco accessibili all’acqua e quelli di diametro molto grande, se interconnessi, facilitano un più rapido drenaggio, riducendo la possibilità che insorgano tensioni dannose.

COME CONTRASTARE LA GELIVITA’

La presenza di una rete di macrovuoti con opportuna spaziatura (100-300 µm) “sovrapposta” ad una rete di pori di minore dimensione (0,1-10 µm) apporta notevoli benefici sulla resistenza al gelo in quanto consente che le sovrapressioni siano opportunamente accomodate dalla matrice. NeIla tecnologia del calcestruzzo il miglioramento della durabilità alla azione del gelo della microstruttura porosa attraverso l’uso di additivi aeranti che producono vuoti in misura di circa il 5% del volume del manufatto (3).

Affinchè tale approccio sia realmente efficace le bolle devono distribuirsi nel volume della matrice secondo una spaziatura ottimale: il raggio di influenza di una bolla sferica deve cioè sovrapporsi a quello delle bolle contigue.

FATTORI AMBIENTALI DI DEGRADO

Le strutture in calcestruzzo e calcestruzzo armato sono a contatto con diversi agenti chimici presenti nell’ambiente con cui sono a contatto, che possono risultare aggressivi nei loro confronti:

Nell’aria: CO2, SO2, NOX

Nell’acqua e nel terreno: Cl-, SO4--, NH4+ , CO2, e acidi di differente natura

Nell’acqua di mare: Cl-, SO4--, Mg++

ACCESSO DELL’ACQUA E DEGLI AGENTI AGGRESSIVI

I meccanismi attraverso cui gli agenti aggressivi veicolati dall’acqua possono penetrare all’interno dei manufatti cementizi sono diversi e possono a seconda delle condizioni essere attivi isolatamente o anche simultaneamente. Fra essi i più importanti sono la permeabilità, la diffusività e la capillarità.

Permeabilità
La profondità di penetrazione dei differenti agenti aggressivi dipende essenzialmente dalla permeabilità del conglomerato.

Questa proprietà è in stretta relazione con la microstruttura porosa del cemento indurito, a sua volta legata in modo critico al rapporto a/c utilizzato, al grado di idratazione e alle condizioni di maturazione. Un calcestruzzo confezionato con basso rapporto a/c se correttamente maturato, consente di avere valori di permeabilità piuttosto bassi dell’ordine di 10-13 m/s che tuttavia possono aumentare anche di di 4 ordini di grandezza se lasciato essiccare dopo il getto (4).

Il flusso di un liquido entro un solido poroso contenente pori di piccola dimensione come quelli esistenti in una matrice cementizia può essere in prima approssimazione considerato laminare e obbedire quindi alla legge di Darcy:

dq/dt = K (∆HA/Lµ)

dove dq/dt è la velocità di flusso nella direzione di permeazione, K il coefficiente di permeabilità (m/s), ∆H è il gradiente di pressione nella direzione del flusso, A l’area della sezione interessata, µ il coefficiente di viscosità i cui valori dipendono dalla temperatura e in pori piccoli, dalla loro dimensione.

Diffusività
Il meccanismo di trasporto di atomi, molecole, ioni entro il calcestruzzo dipendente dalla differenza di concentrazione delle varie specie nella fase liquida a contatto è governata dalle leggi di Fick.

La prima legge, che si riferisce allo stato stazionario è la seguente:

P = D (dc/dx)

dove P è il flusso nella direzione x, D la diffusività (m2/s), dc/dx è il gradiente concentrazione.

Capillarità
Una superficie di calcestruzzo indurita se non è satura d’acqua può assorbire acqua dall’ambiente a contatto anche senza che ci sia un vero e proprio battente liquido attraverso fenomeni di capillarità. Il processo dipende dalla radice quadrata del tempo e da una costante del materiale secondo la semplice legge:

x = S√t

dove S = sorptivity (m/s0,5) il cui valore è strettamente legato alla porosità del calcestruzzo e quindi alla sua qualità, t = tempo.

DILAVAMENTO (ATTACCO ACIDO)

Consiste in una azione chimico-fisica per cui la pasta cementizia può essere privata dei prodotti solubili in acqua.

La presenza di acidi di qualsiasi natura rende l’azione dilavante particolarmente pericolosa.

Anche le acque molto pure come quelle derivanti dallo scioglimento dei ghiacci, ricche di CO2 e povere di sali possono essere pericolose.

In questo caso si forma acido carbonico (H2CO3) e il pH scende sotto 6.

Inizialmente si ha carbonatazione della calce libera che viene poi solubilizzata come bicarbonato:

Ca(OH)2 + H2CO3 = CaCO3 + H2O
CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2


Il cloruro di calcio abbondentemente utilizzato come agente disgelante nelle strade e autostrade può contribuire al dilavamento secondo la reazione che produce un ossicloruro di calcio piuttosto solubile:

3Ca(OH)2 + CaCl2 +12H2O = 3CaO CaCl2 15H2O (solubile)

Tutti gli acidi inorganici forti come HCl, HNO3 e H2SO4 distruggono rapidamente i manufatti cementizi in quanto agiscono attaccando la fase idrosilicatica C-S-H.

I sali di magnesio presenti in abbondanza in acqua di mare agiscono sostituendosi allo ione calcio non solo del Ca(OH)2, ma anche degli idrosilicati formando composti incoerenti e privi di proprietà leganti.

ATTACCO SOLFATICO

Consiste nella reazione fra lo ione solfato SO4= e gli alluminati, la calce libera e gli idrosilicati presenti nella matrice cementizia indurita.

Le reazioni sono:

Ca(OH)2 + SO4= + H2O = CaSO4 •2H2O (gesso)+ 2OH-
C-S-H + SO4= + H2O = CaSO4•2H2O (gesso)+ SH (silice idrata)

C-A-H + 3CaSO4•2H2O + H2O =C3A•3CaSO4•32H2O (ettringite)

la reazione di formazione dell’ettringite avviene con forte aumento di volume che, se avviene quando il calcestruzzo è indurito, provoca rigonfiamenti, delaminazione e disgregazione dei manufatti. Come è noto infatti, il gesso è sempre presente nel cemento in quanto è aggiunto nella fase di macinazione del clinker come regolatore della presa degli alluminati, altrimenti troppo rapida. In queste condizioni però la formazione dell’ettringite è immediata (EEF Early Ettringite Formation) e avviene nella fase in cui l’impasto è ancora plastico e quindi in grado di deformarsi liberamente.

Quando lo ione solfato proviene dall’esterno, venendo veicolato dall’acqua e dai terreni entro i pori capillari della matrice cementizia indurita, la formazione dell’ettringite è più lenta (DEF Delayed Ettringite Formation) e le tensioni provocate distruggono la superficie dei manufatti a contatto con l’agente aggressivo (5).

ATTACCO SOLFATICO IN CLIMI FREDDI

In presenza di particolari condizioni climatiche (bassa temperatura <5°C ed elevata umidità relativa >95%) ed in presenza di CaCO3 l’attacco solfatico consiste può dar luogo a formazione di thaumasite secondo la reazione:

C-S-H + CaSO4•2H2O + H2O + CaCO3 =
CaSiO3•CaSO4 •CaCO3• 15H2O (thaumasite)


Questa reazione è ancora più pericolosa di quella che dà luogo alla formazione dell’ettringite, in quanto l’attacco avviene nei confronti degli idrosilicati C-S-H da cui essenzialmente dipendono le caratteristiche meccaniche e di adesione delle paste cementizie. L’effetto che si produce è particolarmente grave e si manifesta come un vero e proprio spappolamento dei manufatti (6).

REAZIONE ALCALI-AGGREGATO

Questo tipo di attacco noto come ASR (Alcali-Silica-Reaction) riguarda gli aggregati che contengono una particolare forma di silice che reagisce con gli alcali (ioni Na+ e K+) presenti dal cemento (come componenti dalle frazioni argillose della carica) o anche provenienti dall’esterno in particolare per l’utilizzo di NaCl in funzione di agente disgelante.

Na2O e K2O si idratano formando NaOH e KOH in grado di combinarsi con la SiO2 amorfa o poco cristallina (es.opale).

La reazione produce silicati di sodio o di potassio poco cristallizzati che attraverso processi osmotici acquisiscono acqua con notevoli effetti espansivi.

L’effetto si manifesta sulla superficie dei getti a distanza di anni e si presenta con microfessurazioni da cui emergono prodotti in forma gelatinosa biancastra o i caratteristici sollevamenti di piccoli coni di calcestruzzo (pop out) (7).

In Italia questo tipo di attacco non è frequente sia per l’impiego di aggregati di buona qualità, che per il largo utilizzo di cementi di miscela di tipo pozzolanico o d’altoforno che contrastano efficacemente la ASR.

DEGRADO DEL CALCESTRUZZO ARMATO

I fenomeni di degrado finora descritti riguardono in modo esclusivo il calcestruzzo. Quando, come peraltro avviene generalmente, sono presenti barre di acciaio di rinforzo, si possono verificare altre forme di degrado dovute alla corrosione del metallo.

Esse si manifestano essenzialmente per il fatto che i prodotti della corrosione del ferro, ossidi e idrossidi di differente formula chimica genericamente definiti ruggine, occupano un volume più grande del metallo non corroso. Si generano così pesanti azioni espansive in grado fessurare il calcestruzzo (copriferro) a contatto con il metallo e consentire in questo modo un più agevole accesso dell’acqua e dei diversi agenti aggressivi. L’acciaio non più protetto si corroderà con maggiore velocità riducendo la sezione delle barre che in taluni casi può pregiudicare la stabilità statica dell’intera struttura.

PASSIVAZIONE DEL FERRO NEL CALCESTRUZZO

I processi corrosivi dei metalli sono di carattere essenzialmente elettrochimico: si formano cioè delle vere e proprie pile in cui una parte del metallo funge da anodo e quindi manda ioni in soluzione corrodendosi, un’altra funge da catodo ed è protetta. Come in tutte le pile perchè il sistema funzioni è tuttavia necessaria la presenza simultanea di tutti i componenti: anodo, catodo, conduttore metallico e conduttore di seconda specie. Quest’ultimo componente è costituito nel calcestruzzo armato dalla presenza di una soluzione acquosa più o meno ricca di ioni. La termodinamica del processo è inoltre dipendendente in modo critico dal pH dell’ambiente. In ambiente fortemente basico infatti, si creano le condizioni perchè il processa conduca alla formazione di un ossido di piccolo spessore e fortemente aderente al metallo che esercita nei suoi confronti un ruolo protettivo (passivazione del ferro).

I valori di pH di una pasta di cemento indurita possono variare da circa 12,5 (soluzione satura di calce) a13,5 (se nel cemento sono presenti sostanze alcaline), per cui in condizioni normali sussistono le condizioni perchè si formi il film di ossido passivante.



Questa condizione può essere tuttavia alterata da due tipi di attacco in grado di distruggere l’ossido protettivo e innescare la corrosione: carbonatazione e attacco da cloruri.

ATTACCO DELLA CO2 (CARBONATAZIONE)

La CO2 è presente in atmosfera in tenori compresi fra 0,04% e 0,2% in relazione al suo grado di inquinamento.

A contatto con il calcestruzzo reagisce (neutralizzandoli) con i componenti alcalini solubili presenti in soluzione entro i pori e con l’idrossido di calcio cristallino della matrice indurita:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3

Il pH della soluzione acquosa si riduce fortemente scendendo da oltre 13 fin quasi alla neutralità (pH = 7). Si raggiungono così valori ben al disotto della soglia minima di 11,5 che assicura le condizioni di passività dei ferri di rinforzo in assenza di cloruri.

VELOCITA’ DELLA CARBONATAZIONE

La carbonatazione inizia dalla superficie esterna, penetrando progressivamente all’interno del manufatto secondo la legge:

s = K • t1/n

dove s è lo spessore dello strato carbonatato e t è il tempo.

La carbonatazione diminuisce quindi nel tempo più o meno velocemente a seconda dei valori di n e K, dove n dipende dalla porosità (compattezza della matrice), in calcestruzzi porosi vale circa 2, in quelli compatti i valori salgono fino a che la velocità del processo è praticamente annullata e K dipende dalle condizioni ambientali, in particolare dall’umidità relativa.

EFFETTO DELL’UMIDITA’ SULLA CARBONATAZIONE

Il trasporto della CO2 avviene facilmente entro i pori riempiti d’aria, mentre la diffusione entro quelli saturi d’acqua procede con una velocità 104 volte inferiore.

La reazione di carbonatazione può però avvenire solo in presenza d’acqua per cui si ha un preciso intervallo di pericolosità che è compreso fra 50 e 80% (8).



ATTACCO DA CLORURI

Origine dei cloruri

La presenza di ioni cloruro nel calcestruzzo può avere differente origine.

Durante il confezionamento del calcestruzzo:

- acqua di impasto;
- aggregati non lavati;
- additivi.

In esercizio dall’ambiente esterno:
- acque di mare o salmastre;
- aerosol marino;
- sali disgelanti.

MECCANISMO DI ATTACCO DA CLORURI

I cloruri agiscono perforandolo il film di ossido protettivo: la zona sottostante scoperta funge da anodo rispetto alle zone circostanti catodiche e si corrode.

Il passaggio della corrente di corrosione fa aumentare l’aggressività nella zona anodica, poiché la velocità di corrosione cresce con l’aumentare del rapporto Cl-/OH- e l’idrolisi dei cloruri complessi instabili che si formano in conseguenza dell’attacco può abbassare il pH a valori < 5.

La morfologia è quella (assai pericolosa) tipica delle corrosioni localizzate (pitting corrosion) (9).

I tenori limite di cloruri dipendono dal tipo di cemento e dalle caratteristiche dell’ambiente. Secondo la UNI 9858 per il cemento armato normale non si dovrebbe superare il limite di 0,4% rispetto al peso del cemento impiegato, mentre per il precompresso il limite è naturalmente più severo e si riduce a 0,1%. Tali valori limite possono tuttavia essere superati se il calcestruzzo opera in ambiente asciutto, o anche se l’opera è costantemente sommersa. Nel primo caso infatti la cella di corrosione non può funzionare per l’assenza del conduttore di seconda specie (la soluzione acquosa più o meno ricca di sali), nel secondo caso è difficile la penetrazione dell’ossigeno la cui presenza a contatto del ferro è indispensabile perché avvvengano le reazioni di riduzione catodica.

CRITERI PER LA PREVENZIONE DEL DEGRADO

L’insieme dei criteri che dovrebbero guidare gli “addetti ai lavori” nella realizzazione di un’opera in calcestruzzo durevole sono gli stessi che devono essere rispettati perché il materiale possa essere definito un “buon calcestruzzo”. Naturalmente poiché come si è visto la pericolosità dell’attacco dipende dall’aggressività dell’ambiente, l’attenzione e il rispetto dei criteri generali di qualità del manufatto devono crescere con l’aumento della severità della classe di esposizione.





Le già citate Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale e la UNI 11104 individuano quattro parametri essenziali da cui dipende la durabilità:

- valore minimo della resistenza caratteristica Rck;
- rapporto a/c minimo;
- contenuto di cemento minimo;
- minimo spessore del copriferro (35 o 45 mm).

Ad essi si devono aggiungere, in caso di ambiente gelivo, le precauzioni da adottare in tal caso e cioè: particolare attenzione nella scelta degli aggregati che non devono naturalmente essere gelivi e l’impiego di particolari addittivi aeranti.

Il requisiti minimi relativi ai suddetti parametri diventano naturalmente più severi per le classi di esposizione più pericolose, ma il loro rispetto può consentire una vita utile in servizio delle strutture non inferiore ai 50 anni.

BIBLIOGRAFIA

(1) Mehta P.K., Monteiro P.J.M., “Concrete: Structure, Properties and Materials”, II ed., Prentice Hall, USA, 1993.

(2) Everett D.H.”The thermodynamics of frost damage to porous solids”, Trans. Far. Soc., 57, (1961), 1541-51.

(3) Neville A.M., “Properties of Concrete”, Longman scientific and Technical, III ed., England, 1986

(4) Collepardi M., Coppola L., “Permeabilità del calcestruzzo: Teoria, Pratica e Prescrizioni di capitolato”, Ind. Ital. del Cemento, (1992) 665-671.

(5) Taylor H.F., “Delayed Ettringite Formation”, Proc. of the Conf. Adv. In Cement and Concrete, ASCE, N.Y., (1994) 122-131.

(6) Collepardi M. “A State-of-the-Art Review on Delayed Ettringite Formation”, Cem. and Concr. Comp.,25 ,(2003), 401-407.

(7) Diamond S., “A review of alkali-silica reaction and expansion mechanisms, 2. Reactive aggregates, Cem. and Concr. Res., 6, (1976), 549-60.

(8) Tuutti K.,”Corrosion of steel in concrete”, Swedish Foundation for Concrete Research, Stokholm, 1982.

(9) Pedeferri P., Bertolini L., “La corrosione nel calcestruzzo e negli ambienti naturali”, McGraw-Hill, Italia, 1996.