525-DF6605

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Raffaele Pucinotti

Patologia e diagnostica del cemento armato

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INDICE

Introduzione .................................................................................................................................................. pag.

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1. LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO 1.1. Cenni storici ..................................................................................................................

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12

1.2.1. Cause di tipo chimico ........................................................................................

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1.2.1.2. Reazioni alcali-aggregati ....................................................................

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19

1.2.2. Cause di tipo fisico ............................................................................................

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21

1.2. Principali cause di degrado del calcestruzzo ................................................................ 1.2.1.1. Attacco di solfati, solfuri e cloruri .................................................... 1.2.1.3. Carbonatazione....................................................................................

1.2.2.1. Variazioni termoigrometriche: cicli di gelo-disgelo............................ 1.2.2.2. Ritiro....................................................................................................

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14 15

20

21

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1.2.2.3. Calore di idratazione ..........................................................................

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23

1.2.3. Cause di tipo meccanico....................................................................................

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24

1.2.2.4. Incendio .............................................................................................. 1.2.3.1. Effetti prodotti da abrasione, erosione, esplosioni, vibrazioni,

urti e sisma ..........................................................................................

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23

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1.2.4. Cause di tipo tecnologico ..................................................................................

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27

degli spessori dei copriferri, scarsi controlli in fase di esecuzione ....

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27

1.2.4.1. Utilizzo di calcestruzzi di qualità scadente, inadeguatezza

1.2.5. Cause di tipo progettuale ..................................................................................

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27

per le quali questi risultano inadeguati ..............................................

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1.3.1. Cause di tipo chimico ........................................................................................

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29

1.3.1.2. Correnti vaganti ..................................................................................

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30

1.2.5.1. Strutture realizzate in mancanza di calcoli strutturali oppure

1.3. Corrosione delle armature ............................................................................................ 1.3.1.1. Carbonatazione....................................................................................

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»

28

29

1.3.1.3. Cloruri ................................................................................................

»

31

1.4.1. Rottura fragile....................................................................................................

»

31

1.4. Rottura del cemento armato .......................................................................................... 1.4.2. Rottura duttile ..................................................................................................

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»

31

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2. IL PROCESSO DIAGNOSTICO

Premessa ................................................................................................................................ pag. 34 2.1. Prima fase: pre-diagnosi................................................................................................

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34

2.1.1. Il rilievo ............................................................................................................

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34

2.2.1. Prove non distruttive sul calcestruzzo ..............................................................

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35

2.2. Seconda fase: indagini in situ........................................................................................

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35

2.2.1.1. Determinazione del potenziale di corrosione......................................

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37

2.2.1.3. Indagini ultrasoniche ..........................................................................

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43

2.2.1.2. Prove sclerometriche .......................................................................... 2.2.1.4. Indagini penetrometriche .................................................................. 2.2.1.5. Prove estrattive ..................................................................................

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51

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56

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2.2.2.1. Indagini radar ......................................................................................

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2.2.2.2. Indagini pacometriche ........................................................................

48

»

2.2.1.6. I metodi combinati ............................................................................

2.2.2. Prove sulle armature metalliche ........................................................................

40

»

54

56

61

2.3. Terza fase: estrazione di campioni ................................................................................

»

61

2.3.2. Prelievo di spezzoni metallici............................................................................

»

62

»

63

2.3.1. Prelievo di campioni cilindrici ..........................................................................

2.4. Quarta fase: prove di laboratorio .................................................................................. 2.4.1. Determinazione della resistenza a compressione su campioni

di calcestruzzo cilindrici....................................................................................

» »

62 63

2.4.2. Determinazione della resistenza a trazione sugli spezzoni metallici ................

»

65

2.5.1. Individuazione delle cause perturbatrici............................................................

»

66

2.5. Quinta fase: diagnosi .................................................................................................... 2.5.2. Valutazione delle condizioni di sicurezza ........................................................

»

66

»

67

Premessa ................................................................................................................................

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70

3.1.1. Prove sclerometriche ........................................................................................

»

70

3.1.2. Indagini ultrasoniche ........................................................................................

»

74

2.5.3. Progetto degli interventi di rinforzo .................................................................. 3. INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI

3.1. Prove sul calcestruzzo .................................................................................................. 3.1.1.1. Costruzione delle curve di taratura .................................................... 3.1.2.1. Curve di correlazione ..........................................................................

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»

67

70

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75

3.2.1. Correlazioni e taratura ......................................................................................

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81

3.3.1. Curva di correlazione ........................................................................................

»

83

3.2. Indagini penetrometriche ..............................................................................................

3.3. Prove estrattive ............................................................................................................

»

»

79 83

3.4. Utilizzo di metodi combinati ........................................................................................

»

84

3.5. Prove sulle carote ..........................................................................................................

»

89

3.4.1. Correlazioni e taratura ........................................................................................

3.6. Prove sulle armature metalliche ....................................................................................

»

»

87

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APPENDICE A

Premessa ................................................................................................................................ pag. 98 A.1. Concetti fondamentali di statistica ................................................................................ A.2. Regressione ai minimi quadrati ....................................................................................

»

98

» 100

A.2.1. Regressione lineare............................................................................................

» 100

A.2.3. Retta che determina i minimi quadrati ..............................................................

» 101

A.2.2. Criteri di valutazione dell’approssimazione ottima .......................................... A.2.4. Quantificazione dell’errore nella regressione lineare........................................

» 101

» 102

A.2.5. Applicazioni della regressione lineare: linearizzazione di relazioni non lineari » 104 A.2.6. Conclusioni ........................................................................................................ APPENDICE B

» 107

Premessa ................................................................................................................................

» 110

Norme ACI: American Concrete Institute ..............................................................................

» 118

Norme UNI: Ente Nazionale Italiano di unificazione............................................................ Norme BS: British Standard .................................................................................................. Rilem: Draft Recommendation ..............................................................................................

» 110

» 120

» 123

Ordinanza sismica 3274..........................................................................................................

» 123

Bibliografia ..................................................................................................................................

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Introduzione Lo studio delle indagini non distruttive ha avuto un forte sviluppo intorno agli anni ’70 ed ’80; proprio in tale periodo infatti è stata messa a punto la maggior parte delle tecniche non distruttive oggi applicabili nell’ambito delle costruzioni civili. Numerosi sono stati i lavori finalizzati alla corretta interpretazione dei risultati delle prove non distruttive condotte in situ, anche sulla spinta delle ditte produttrici di strumenti di prova, interessate a migliorare le apparecchiature da loro prodotte ed a renderne più semplice l’utilizzo (anche mediante la redazione di tabelle e curve di correlazione standard che fossero sufficientemente affidabili). Ultimamente, anche a causa di numerosi crolli avvenuti senza cause apparenti, la corretta conduzione di indagini non distruttive e la giusta interpretazione dei risultati, sta risvegliando l’interesse della comunità scientifica. Il problema dei rischi strutturali delle costruzioni esistenti deve essere affrontato con lo stesso impegno con cui si intraprende la progettazione strutturale di nuove opere. Purtroppo la storia delle opere in cemento armato è caratterizzata da una serie di insuccessi nonostante il fatto che la tecnica delle costruzioni abbia raggiunto elevati livelli di approfondimento. Frequenti sono gli episodi di cedimenti strutturali e di crolli che hanno come origine comune cause dovute ad errori di progettazione o a quelli commessi in fese di realizzazione. Con la recente ordinanza n. 3274 del 20/03/2003 recante i “Primi elementi in materia di criteri generali per la classificazione sismica del territorio nazionale e di normative tecniche per le costruzioni in zona sismica” pubblicata sulla G.U. (suppl. n. 72 al n. 105 del 8/5/2003) viene sottolineata l’importanza del controllo dello stato di “salute” degli edifici esistenti attraverso la prescrizione di indagini e rilievi in situ a cui corrispondono diversi livelli di conoscenza e, di conseguenza, differenti metodi di analisi e coefficienti di sicurezza accettabili. Il degrado degli elementi strutturali può avere cause molteplici, per esempio: I) di tipo chimico, dovute soprattutto all’attacco di agenti chimici come solfati, solfuri, cloruri ed anidride carbonica; II) di tipo fisico, dovute alle variazioni termoigrometriche; III) di tipo accidentale, dovute agli effetti prodotti da esplosioni, vibrazioni, urti e sisma; IV) di tipo tecnologico, dovute all’impiego di calcestruzzi di qualità scadente, alla inadeguatezza degli spessori del copriferro ed a scarsi controlli in fase di esecuzione; V) di tipo progettuale, riferite a quelle strutture realizzate senza l’ausilio di adeguati calcoli strutturali oppure per le quali essi risultano inadeguati. L’emissione di una corretta diagnosi, mirata all’accertamento dello stato di salute di una struttura, prevede in generale le seguenti 3 fasi: 1. Esecuzione di sopralluogo: dopo un attento esame visivo, si procede alla raccolta di dati storici esistenti, sia attraverso interviste che mediante lo studio della documentazione presente. 2. Progetto delle indagini: l’esame visivo e la raccolta dei dati storici se ben eseguiti forniscono già un numero sufficiente di informazioni per condurre il tecnico verso l’esecuzione di indagini non distruttive in situ e prove di laboratorio più mirate. Essi infatti consentono di scegliere adeguatamente sia le zone dell’edificio su cui eseguire tali indagini, che quelle da cui estrarre i campioni da analizzare in laboratorio. 3. Esecuzione delle indagini: in questa fase si procede con l’esecuzione delle indagini in situ e delle prove di laboratorio precedentemente programmate. Gli esami di laboratorio, effettuati su campioni cilindrici, estratti arrecando il minor danno possibile agli elementi strutturali indagati, hanno lo scopo di fornire indicazioni sulle caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche dei materiali. Essi consentono inoltre di correlare i risultati delle indagini non distruttive direttamente con le resistenze del materiale in opera.

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Dopo le tre fasi precedentemente esposte, si può procedere con le seguenti operazioni: a) la valutazione delle condizioni di sicurezza, con la verifica degli elementi strutturali utilizzando le caratteristiche dei materiali che vengono fuori dalle prove effettuate; b) l’eventuale progetto degli interventi di rinforzo. È proprio durante queste fasi che le indagini non distruttive (o semi-distruttive), malgrado le loro velate insidie, svolgono un ruolo fondamentale, coadiuvando il tecnico nella determinazione del grado di dissesto strutturale del complesso edilizio indagato. È importante sottolineare che all’epoca della realizzazione della maggior parte dei fabbricati, per i quali risulta necessario un controllo sulle strutture la normativa relativa alle costruzioni in c.a. era rappresentata dal R.D. 16/11/1939 n. 2229 che ha regolato le modalità di progettazione ed esecuzioni delle strutture in c.a. fino all’entrata in vigore della legge 5/11/1971 n. 1086 e dei relativi decreti di attuazione, il primo il D.M. del 30/5/1972 fino all’ultimo ancora vigente D.M. 9/1/1996. Per quanto riguarda le costruzioni in zona sismica, invece, il R.D. 22/11/37 n. 2105 ha regolato le progettazioni fino all’entrata in vigore del D.M. 3/3/1975 e del successivo D.M. 16/1/96 e della relativa circolare (10/4/1997 n. 65). La recente ordinanza n. 3274 del 20/03/2003 ha profondamente modificato la filosofia progettuale in zona sismica, pertanto diventa importante fare riferimento alle suddette norme, se non altro per redigere un quadro generale attendibile a cui fare riferimento per l’effettuazione dei controlli necessari. Tale modus operandi diventa di importanza determinante soprattutto per gli edifici progettati prima dell’entrata in vigore della Legge n. 1086 del 1971 che obbliga il deposito degli esecutivi e delle relazioni di calcolo presso gli uffici del Genio Civile. Infatti, mediante l’uso di nuove tecnologie non invasive, per esempio indagini radar o ad ultrasuoni, diventa tecnicamente possibile intervenire ove la documentazione è assente o insufficiente. Coadiuvare l’uso di queste tecniche con i riferimenti normativi specifici rende l’indagine il più efficiente possibile. Non disponendo ad oggi in Italia di alcuna normativa mirata che regoli le procedure di indagine non distruttiva, sono state prese in considerazione le norme ACI (American Concrete Institute) e quelle BS EN (British Standard) con i riferimenti specifici. La sempre più crescente richiesta di tali interventi, e la necessaria competitività odierna dell’Italia, prima a livello europeo, poi a livello mondiale, ha spinto il Consiglio superiore dei Lavori Pubblici a redigere delle linee guida che comunque, ad oggi, non sono ancora fruibili. A conclusione vorrei ringraziare qualche persona, iniziando con l’editore Dario Flaccovio per avermi proposto, qualche tempo fa, la pubblicazione di un libro che affrontasse tali problematiche. Mi occupo di patologia e diagnostica strutturale da più di dieci anni, ma fino a quel momento non avevo mai pensato alla pubblicazione di un libro. Inizialmente accettai con entusiasmo la proposta; successivamente, gli impegni profusi nello svolgimento di alcuni studi e ricerche già intraprese, mi hanno spinto ad abbandonare l’idea. Circa un anno più tardi, sulle ali dell’entusiasmo manifestatomi da uno studente, Simone Spinella, che ha condiviso con me l’approfondimento di alcuni casi di studio, riconsiderai la proposta prendendo in mano i lavori svolti e rielaborandoli nella stesura finale del testo; per questo lo voglio ringraziare. Ringrazio il prof. A. Santini, Responsabile Tecnico del Laboratorio di Prove sui Materiali e sulle Strutture del Dipartimento di Meccanica e Materiali dell’Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria, per avermi consentito di accedere ai risultati delle prove di laboratorio. Ringrazio vivamente i Vigili del Fuoco di Foggia ed in particolare l’ing. Angelo Farina per le utili indicazioni che mi ha dato sui crolli verificatisi a Foggia (in via delle Frasche ed in viale Giotto). Infine un sentito ringraziamento al fotoreporter Franco Cautilli ed al prof. Enzo D’Amore per avermi fornito rispettivamente le immagini su Foggia (crollo di viale Giotto del 11/11/1999 e crollo di via delle Frasche del 20/11/2004) e su Kobe (terremoto del 17/01/1995). Ancora, ringrazio il fotoreporter Gianluca Innocente. In ultimo, il ringraziamento più grande a mia moglie Rita per la pazienza con cui mi sopporta e mi consente di dedicare anche gran parte dei fine settimana ai miei studi.

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La durabilità del calcestruzzo • Il degrado del calcestruzzo: cause e meccanismi • La corrosione delle armature metalliche • Meccanismi resistenti, fragili e duttili

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PATOLOGIA E DIAGNOSTICA DEL CEMENTO ARMATO

1.1. Cenni storici

LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO IL PROCESSO DIAGNOSTICO INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI

Gli antichi Romani hanno lasciato testimonianze di altissimo pregio riguardanti la durabilità di elementi in calcestruzzo. Esse assumono un ruolo fondamentale quando si trattano temi attuali quali la durabilità e la sostenibilità delle strutture in calcestruzzo nell’architettura e nell’ingegneria civile; problematiche affrontate e presenti già all’epoca dei Romani. La calce, (calce idrata Ca(OH )2), veniva utilizzata in forma di grassello (calce idrata Ca(OH )2) già dagli Egiziani ma fu con i Greci e soprattutto con i Romani che ebbe la sua massima diffusione. Prima sottoforma di malta aerea (cioè capace di indurire solo all’aria), e successivamente (sostituendo la sabbia normale con sabbia pozzolanica) diventò idraulica, cioè capace di indurire anche in presenza di acqua raggiungendo maggiori resistenze meccaniche. La diffusione dell’impiego di calcestruzzi ottenuti con miscele di calce, sabbia pozzolanica, acqua e rottami di mattoni, oppure con pietre, avvenne subito dopo la scoperta del comportamento idraulico delle miscele di calce e pozzolana; di ciò si trovano citazioni nelle opere di Plinio il Vecchio (Storia Naturale) e di Vitruvio (De Architectura) da cui risulta che l’impiego del calcestruzzo era diffuso nell’antichità. Secondo Goria1, il termine originario caementum si trasformò in seguito, passando dal latino classico a quello volgare, in cementum conservando comunque inizialmente il suo significato originario (rottame di pietra). Solo successivamente assunse il significato che è proprio quello del calcestruzzo attuale: miscela di legante, acqua, sabbia e pietrisco. Si vuole ricordare che, fino al Medioevo, con il termine cemento veniva indicato il calcestruzzo moderno, e solo alla fine del XVIII secolo finalmente cominciarono ad indicarsi con cemento e calcestruzzo rispettivamente il legante ed il conglomerato. Anche il vocabolo inglese concrete viene dal latino concretum. Cicerone scriveva infatti “concretum corpus ex elementis” che significa “corpo composto di elementi diversi” che include appunto il significato di conglomerato, talvolta usato in italiano in luogo del vocabolo calcestruzzo. I Romani utilizzarono il calcestruzzo insieme a rottami di mattoni e pietre come riempimento di pareti murarie realizzate in mattoni o pietrame i quali avevano la funzione di casseformi permanenti. La conoscenza delle proprietà del calcestruzzo pozzolanico, della sua capacità di indurire anche sott’acqua e dell’importanza dei suoi componenti è evidente dalla lettura del secondo dei dieci libri di Vitruvio. Questi infatti, con riferimento alle proprietà del calcestruzzo pozzolanico, scrive: “Queste costruzioni nell’acqua così sembrano doversi fare: si prenda l’arena da quelle regioni che da Cuma si estendono fino al promontorio di Minerva e si adoperi in modo che nella miscela due parti di arena corrispondono ad una di calce. Indi nel luogo, che sarà stato stabilito, si calino dentro l’acqua cassoni senza fondo formati con travicelli e legami in legno rovere, e fortemente si fissino con ritegni: di poi con rastrelli si eguagli e si spurghi quella parte di fondo di mare che rimane dentro i medesimi, indi vi si gettino cementi mescolati con la miscela formata come di sopra si è scritto, fintantoché venga riempito di costruzione il vuoto interno dei calcestruzzi”. Per quanto riguarda la sabbia Vitruvio2 scrive: “Nelle costruzioni fatte con cementi devesi in primo luogo aver cura di trovar l’arena che sia atta al mescolamento della materia e che non sia commista alla terra […]. Fra tutte sarà ottima quella, che sfregata colle mani, cigola; quella ch’è terrosa manca d’asperità; però se sparsa sopra una bianca veste, poi scossa e scrollata non lascerà macchia né terra attaccata sarà pure idonea […]. La sabbia marina poi ha questo di più, che i muri quando sarà tirato sopra di quelli l’intonaco, trasudando e salsedine, si dissolvono” Vitruvio consigliava di lavare con acqua fluviale la sabbia marina. A proposito della calce scrive Vitruvio: “Avendo spiegato i diversi generi dell’arena, si deve porre 1

APPENDICE

2

Goria C., (1976). Evoluzione storica dei leganti e dei conglomerati: dall’empirismo alla loro conoscenza razionale. Cemento: Storia, Tecnologia, Applicazioni. Galliani B., (1832). Dell’Architettura, Libri Dieci di M. Vitruvio Pollione.

Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati 1. LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO

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in opera tutta la diligenza intorno alla calce affinché sia cotta di pietra bianca o di selce; e quella che sarà di pietra più compatta e più dura sarà utile nella fabbricazione (del calcestruzzo) quella di pietra porosa nell’intonacato […]. Quando poi sarà fatta la macerazione e diligentemente preparata per l’opera, si prenda un’ascia, e come si fende il legname, così si faccia alla calce macerata nella vasca: se coll’ascia si incontreranno sassolini non sarà ben macinata; se si estrarrà fuori il ferro asciutto e netto indicherà essere la calce magra e secca; se poi rimarrà attaccata intorno al ferro a guisa di glutine, indicherà essere grassa e ben macerata, e sarà ciò prova più che sufficiente per crederla ben preparata […]. Quando la calce sarà estinta, allora si mescoli alla materia in guisa che, se l’arena fosse fossile, si confondono tre parti di questa ed una calce. Se sarà fluviale o marina una di questa con due di arena e così vi sarà giusta proporzione del miscuglio. E se nella fluviale o marina si aggiungerà una terza parte di mattone pesto e vagliato, ciò formerà la composizione della materia ancora migliore per l’uso”. Con la caduta dell’Impero Romano iniziò un graduale ma continuo declino delle costruzioni in calcestruzzo che si protrasse per tutto il Medioevo. Ciò fu causato senza ombra di dubbio dall’aver disatteso, da parte dei costruttori, le raccomandazioni di Vitruvio. Infatti da allora in poi le fornaci per la produzione della calce non furono più realizzate con i dettagli fino ad allora attuati e la qualità della calce cominciò a scadere; furono inoltre utilizzate sabbie sporche ed inquinate da argilla; si abbandonò l’uso della pozzolana vulcanica ed infine si trascurò la tecnica di costipare adeguatamente malte e calcestruzzi confezionati con poca acqua. Di esempi di opere romane realizzate in calcestruzzo ne esistono numerose. Di seguito vengono riportati due esempi per tutti: il Pantheon a Roma e l’acquedotto di Nimes in Francia. In essi i concetti di durabilità e sostenibilità risultano estremamente evidenti. Il Pantheon (Figura 1) rappresenta la costruzione dell’antica Roma meglio conservata fino ai giorni nostri. Come tale rappresenta sicuramente, il migliore esempio di durabilità di struttura in calcestruzzo. Fu costruito sotto l’impero di Adriano. L’opera consiste nella realizzazione di una cupola semisferica del diametro di 43,4 m su una precedente costruzione eseguita circa un secolo prima da Marco Agrippa e costituita da una struttura circolare in mattoni dello spessore di 6 m. La cupola venne costruita gettando all’interno di casseforme in legno un calcestruzzo sempre più leggero composto da sabbia ordinaria ed inerti leggeri (pomici) legati con calce e pozzolana. Il calcestruzzo utilizzato non aveva però sempre lo stesso rapporto pomice/sabbia ma questo aumentava man mano che si procedeva con la realizzazione della cupola; ciò consentiva di avere un calcestruzzo con massa volumetrica decrescente dal basso verso l’alto. Per rendere ancora più leggero il calcestruzzo nella parte più alta della cupola, furono impiegati, unitamente alle pomici, anche anfore vuote. Lo spessore della cupola passa da 6 m dell’imposta a 1,2 m nella sommità in corrispondenza dell’apertura circolare che ha un diametro pari a 8,7 m. Il Pont du Gard a Nimes, in Francia, rappresenta un altro esempio di capolavoro ingegneristico ed architettonico costruito per durare a lungo. Faceva parte di un acquedotto che portava l’acqua dalla sorgente di Uzès fino alla città di Nimes per oltre 50 km. L’aspetto importante e caratterizzante di questa opera dell’ingegneria idraulica realizzata all’epoca dell’imperatore Augusto, è rappresentato soprattutto dalla incredibile precisione nella sua realizzazione. Infatti la pendenza dell’acquedotto poteva contare su di un dislivello totale di appena 17 m su uno sviluppo in lunghezza di 50 km. Gli ingegneri romani furono pertanto costretti a costruire un acquedotto a gravità con Figura 1. Cupola del Pantheon pendenza costante pari ad appena lo 0,34‰.

LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO IL PROCESSO DIAGNOSTICO INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI APPENDICE

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PATOLOGIA E DIAGNOSTICA DEL CEMENTO ARMATO

L’opera di estrema bellezza artistica (Figura 2) ha un’altezza di 49 m ed una lunghezza complessiva di 273 m, attraversa il fiume con 4 arcate al piano inferiore, 6 arcate al piano intermedio e 35 arcate nel piano superiore sopra le quali è situato l’acquedotto vero e proprio. Il ponte, grazie all’impiego di malta pozzolanica che rivestiva la superficie interna dell’acquedotto, non subì nel tempo alcun degrado. Tuttavia nel Medioevo fu utilizzato impropriamente come ponte stradale. Si verificarono allora preoccupanti fessurazioni alla base del secondo piano di archi. Tali dissesti furono successivamente riparati nel XVIII secolo attraverso un’attenta opera di restauro che riportò il monumento alla sua architettura originale.

Figura 2. Le tre arcate di Pont du Gard per sostenere l’acquedotto

1.2. Principali cause di degrado del calcestruzzo Il calcestruzzo è per sua natura un materiale non omogeneo, il fatto stesso che venga considerato tale in fase progettuale determina l’impossibilità di stabilire come e quando inizierà a perdere le sue caratteristiche e le proprietà previste in fase di progettazione. Le disomogeneità del calcestruzzo sono importanti per la durabilità perché possono avviare ed accelerare i processi di degrado, fisico e chimico. Le macro disomogeneità sono ovviamente dipendenti dalla natura intrinseca del calcestruzzo e dipendono chiaramente dai fenomeni che si verificano durante l’impasto: cambi del contenuto d’acqua degli aggregati, sedimentazione e segregazione del calcestruzzo, effetti parete e dalle migrazioni d’acqua dentro e fuori il conglomerato. In presenza di armature metalliche il processo di degrado è accelerato anche dal fenomeno di corrosione delle stesse. Il processo di degrado del calcestruzzo ed i fenomeni di corrosione delle armature metalliche sono strettamente correlati tra loro; infatti, il primo causa la riduzione o l’annullamento della protezione delle armature metalliche i secondi a causa dell’aumento di volume (causato dall’ossidazione delle barre) determinano soprattutto la riduzione dell’aderenza tra acciaio e calcestruzzo. Di seguito vengono brevemente descritte le principali cause di degrado degli elementi strutturali in cemento armato già richiamate in precedenza. 1.2.1. Cause di tipo chimico Tabella 1. Fattori che influenzano l’attacco chimico del calcestruzzo FATTORI CHE ACCELERANO O AGGRAVANO L’ATTACCO CHIMICO

1. Alta porosità dovuta a:

LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO IL PROCESSO DIAGNOSTICO INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI APPENDICE

FATTORI CHE MITIGANO O RALLENTANO L’ATTACCO CHIMICO

1. Compattezza raggiunta attraverso:

i. alto assorbimento di acqua

i. corretta proporzione della miscela

ii. permeabilità

ii. ridotto rapporto acqua/cemento

iii. presenza di vuoti

iii. incremento del contenuto di cemento

2. Fessurazioni e rotture dovute a:

iv. adeguata miscelazione 2. Riduzione degli sforzi di trazione attraverso:

i. concentrazioni di tensioni

i. utilizzo di armatura metallica di adeguata sezione e ben distribuita

ii. shock termici

ii. aggiunta di pozzolana iii. adeguata preparazione dei giunti

3. Penetrazione di liquidi dovuti a: i. scorrimenti di liquidi ii. pressioni idrauliche

3. Progetto strutturale: i. prevedere membrane e barriere protettive per ridurre la penetrazione

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Tra le varie cause di degrado, quelle che si innescano in maniera del tutto naturale sono quelle di tipo chimico. La struttura del calcestruzzo, infatti, tende ad essere instabile nel tempo favorendo l’innesco spontaneo di processi chimici come la carbonatazione rendendola facile preda per l’attacco da parte dei solfati, solfuri e dei cloruri. Inoltre possono verificarsi reazioni alcalino-aggregati. La norma americana ACI 201 fornisce le indicazioni per l’individuazione dei fattori che maggiormente influenzano l’attacco chimico del calcestruzzo (Tabella 1). 1.2.1.1. Attacco di solfati, solfuri e cloruri Capita spesso che il calcestruzzo venga a contatto con acque e terreni contenenti solfati, acque marine e ambienti industriali che emettono nell’atmosfera vapori o gas ricchi di SO2 e/o SO3; in questi casi si possono verificare delle reazioni chimiche che causano il rigonfiamento del calcestruzzo. Tale rigonfiamento non avviene in modo uguale su tutta la massa di calcestruzzo interessata, ma si verifica con maggiore intensità nelle zone corticali dove avviene il diretto contatto con l’agente aggressivo. Ciò crea l’insorgere di microfessure che portano successivamente al distacco del materiale. Le reazioni chimiche che in presenza di solfati conducono alla formazione di prodotti espansivi sono sostanzialmente di due tipi: 1) quelle con l’idrossido di calcio che porta alla formazione di gesso biidrato;

Ca(OH )2 + SO4 −2 + 2 H 2O → CaSO4 ⋅ 2 H 2O + 2OH −

(1)

2) quelle che con gli alluminati idrati di calcio provocano la formazione di ettringite;

3CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 6 H 2O + 3(CaSO4 ⋅ 2 H 2O ) + 26 H 2O → 3CaO ⋅ Al2O3 ⋅ 3CaSO4 ⋅ 32 H 2O (2) Mentre la formazione di ettringite causa l’aumento di volume solido del calcestruzzo, la formazione di gesso, in genere, produce la riduzione della sua resistenza meccanica. In ambienti con presenza di solfati ed in ambienti marini è consigliabile utilizzare calcestruzzi che ritardino la penetrazione di acqua e confezionati con cementi che abbiano la necessaria resistenza ai solfati. Ciò può essere raggiunto mantenendo basso il rapporto acqua/cemento (A/C) della miscela e contestualmente curando bene le fasi di compattazione cura e messa in opera. È conveniente utilizzare cementi che abbiano un basso contenuto di alluminato tricalcico (3CaO ⋅ Al2O3 – indicato più brevemente con il simbolo C3A) e di ferro-alluminato tetracalcico ( 4 CaO ⋅ Al2O3 ⋅ Fe2O3 – indicato con C4AF). Esperienze condotte hanno dimostrato che la produzione maggiore di ettringite si verifica prevalentemente in presenza di C3A. A tal proposito le norme prescrivono che i cementi resistenti ai solfati devono possedere un contenuto di C3A inferiore al 4-5%. I fenomeni di aggressione da parte dei solfati possono essere estremamente rallentati se si utilizzano calcestruzzi poco porosi. A tal fine è importante utilizzare cementi di miscela e rapporti acqua cemento A/C < 0,5. Il grafico di figura 3 mostra qualitativamente l’aumento di volume del calcestruzzo al variare del contenuto di alluminato tricalcico nella pasta di cemento. In particolare, la curva tratteggiata mostra l’andamento dell’espansione del calcestruzzo al variare del contenuto percentuale di alluminato tricalcico nella pasta di cemento per un calcestruzzo a ventotto giorni dal confezionamento, mentre la curva continua mostra la stessa variazione per un calcestruzzo che ha raggiunto un anno di maturazione. La resistenza all’attacco dei solfati nei cementi Portland in genere decresce all’aumentare del contenuto di C3A. Raccomandazioni sul massimo rapporto A/C e sul tipo di cemento da utilizzare per i calcestruzzi esposti all’attacco dei solfati presenti nel suolo e nell’acqua sono riportati in tabella 2. In essa sono riportate le raccomandazioni da seguire per differenti gradi di esposizione (Norme ACI 201). I campi di esposizione del calcestruzzo all’attacco dei solfuri sono molto variabili, infatti dipendono dalla concentrazione dei solfati nel terreno o nell’acqua, dai movimenti dell’acqua sotterranea, dalla temperatura e dall’umidità, dal tipo di solfati presenti e dalla loro combinazione. Per esempio soluzioni contenenti solfato di calcio sono meno aggressive di quelle contenenti solfato di sodio che a loro

LA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO IL PROCESSO DIAGNOSTICO INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI APPENDICE

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PATOLOGIA E DIAGNOSTICA DEL CEMENTO ARMATO

volta risultano meno aggressive del solfato di magnesio. In tabella 3 sono riportate invece le raccomandazioni FIP-CEB che devono essere rispettate dai calcestruzzi al fine di resistere all’attacco dei solfati. Come si può vedere, i valori dei massimi rapporti A/C possibili per i differenti gradi di attacco sono maggiori di quelli previsti dalle norme ACI 318. Tabella 2: Requisiti previsti per i calcestruzzi ai fini della resistenza all’attacco dei solfati TIPO DI CEMENTO GRADO DI ESPOSIZIONE

SOLFATI

(SO42)

PRESENTI

NEL TERRENO

(SO42) PRESENTI NELL’ACQUA (PPM)

SOLFATI

(%)

MASSIMO RAPPORTO

A/C

SECONDO

ASTM C150 (CONTENUTO DI C3A)

Trascurabile

0.00-0.10

0-150

Nessun requisito richiesto

Nessun requisito richiesto

Moderato

0.10-0.20

150-1500

0.50

Tipo II o equivalente (10000

0.40

Tipo V più pozzolana o loppa (5000

600-3000

0.55

Forte

-

>3000

0.50

A/C

In Italia, la norma UNI 8981-2 presenta i fenomeni causati dall’azione dei solfati sul calcestruzzo, fornisce un criterio per valutare il grado di aggressività dell’ambiente ed infine indica i provvedimenti da adottare per prevenirne l’attacco. In particolare la norma afferma che: “…I solfati possono trovarsi nelle acque naturali, nelle acque industriali e nelle acque nere. I più comuni sono solfati di sodio, potassio, calcio, magnesio ed ammonio. I solfati possono trovarsi anche nei terreni: questi rappresentano un potenziale pericolo per le opere di calcestruzzo poiché possono essere solubilizzati dalle acque meteoriche, sotterranee, sorgive, ecc., che vengono successivamente a contatto con le opere stesse. Gli ioni solfato che vengono a contatto e penetrano nel calcestruzzo possono produrre un fenome- Figura 3. Influenza del contenuto nel cemento di C3A no espansivo a carattere distruttivo, reagendo con sull’espansione del calcestruzzo a causa dell’attacco solfatico gli alluminati presenti nella pasta di cemento. Tale reazione porta alla formazione di trisolfoalluminato idrato di calcio (ettringite) ed, eventualmente, di silicato-carbonato-solfato idrato di calcio (thaumasite). Se i solfati sono diversi da quello di calcio, si ha anche formazione di gesso a seguito della reazione con la calce di idrolisi. … Indipendentemente dalla presenza dello ione solfato, gli ioni di magnesio e ammonio possono essere nocivi in quanto capaci di reagire con la calce di idrolisi e con i silicati presenti nella pasta di cemento…”.