Come prevenire il degrado del calcestruzzo
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Contrastare il degrado nel calcestruzzo
Per prevenire il degrado del calcestruzzo bisogna intervenire sui fattori che impediscono l'ingresso dell'acqua nella matrice cementizia ed il conseguente deterioramento delle armature.
Questi fattori sono: la riduzione della permeabilità della pasta cementizia dovuta alla presenza di pori, la presenza di uno strato di copriferro adeguato, la composizione del calcestruzzo con la giusta proporzione degli elementi costituenti.
Il degrado del calcestruzzo nelle strutture dipende dall'interazione di queste con l'ambiente che le circonda.
Una delle condizioni che maggiormente determina il progressivo deterioramento del calcestruzzo è la presenza di umidità.
Calcestruzzo deteriorato da umidità di risalita - Getty images
Affinchè il materiale subisca un'aggressione esso deve avere una certa porosità, la quale consente l'ingresso dell'acqua nella matrice cementizia, e con essa una serie di agenti aggressivi (anche lo stesso ossigeno lo è per le armature).
Maggiore è la difficoltà dell'acqua a penetrare nei pori, più il calcestruzzo sarà durevole.
La durabilità del calcestruzzo
La durabilità è la capacità dei materiali di conservare le loro caratteristiche fisiche e meccaniche.
Affinchè i livelli di sicurezza di una struttura si mantengano tali per tutta la durata della vita utile dell'opera, bisogna garantire la durabilità del materiale.
Per quanto riguarda il calcestruzzo, esso deve durare nel tempo resistendo alle azioni aggressive dell'ambiente in cui si trova.
In assenza di aggressioni esterne, il calcestruzzo dovrebbe addirittura migliorare le proprie capacità per il processo continuo di reazione tra acqua e cemento.
Com'è composto il calcestruzzo
Il calcestruzzo armato, ossia quello utilizzato per la costruzione di elementi strutturali, è costituito da tre componenti principali:
- l'acciaio, componente presente nelle armature
- la pasta di cemento, costituita da rocce argillose o calcaree;
- l'aggregato o inerte, di solito ghiaia o pietrisco.
Il cemento in polvere, impastato con l'acqua, offre buona resistenza alla compressione, indurendo con il tempo per processo di idratazione. Una volta indurito esso mantiene la sua stabilità anche sotto l'acqua.
Come si presenta il calcestruzzo in fase di getto - Getty Images
La funzione dell'inerte è invece quella di essere lo scheletro resistente e di rendere la massa del calcestruzzo il più compatta possibile. Questo si ottiene scegliendo aggregati assortiti di diverse dimensioni, in modo che riescano a riempire al massimo i vuoti.
Il parametro fondamentale che determina la resistenza del calcestruzzo è il rapporto acqua/cemento. L'acqua nell'impasto svolge la funzione di idratazione del cemento, ovvero il fenomeno di presa.
La sua funzione è però anche quella di rendere l'impasto lavorabile. Bisogna perciò trovare il giusto compromesso: un rapporto a/c più basso implica un aumento della durabilità a discapito della lavorabilità. Di contro, un rapporto a/c troppo alto pregiudica la resistenza finale del calcestruzzo.
Cause ed effetti del degrado del calcestruzzo
I fattori che influenzano le caratteristiche del calcestruzzo, portando al suo progressivo degrado, sono diversi.
Essi possono essere fattori esterni o fattori interni.
Quelli esterni non dipendono direttamente dal materiale, e sono:
- Fattori ambientali, come la temperatura, l'umidità, la presenza di cloruri e solfati.
Quelli interni sono strettamente legati alla composizione stessa del materiale, e sono:
- Modalità di esecuzione, ossia la posa in opera del calcestruzzo e la sua successiva compattazione e maturazione.
- Soluzioni progettuali, come lo spessore del copriferro.
- Tecnologia del calcestruzzo, ossia la tipologia e qualità del cemento, il rapporto acqua/cemento, la qualità e la dimensione degli aggregati.
Tutti questi fattori possono generare nel calcestruzzo uno o più dei seguenti effetti:
- Corrosione delle armature metalliche, per effetto degli agenti atmosferici esterni, a causa dello scarso spessore del copriferro.
- Attacco solfatico della matrice cementizia.
- Formazione di ghiaccio tra la matrice cementizia e gli inerti.
- Dilavamento della superficie del calcestruzzo da parte di acque acide.
- Micro fessurazione indotta da variazioni igrotermiche unite alle sollecitazioni statiche in esercizio.
Esempio di scarso spessore del copriferro con conseguente corrosione - Getty Images
Ma come fanno gli agenti aggressivi ad entrare in un elemento di calcestruzzo? Attraverso l'acqua, la quale li veicola passando per i pori interconnessi presenti nella matrice cementizia.
Corrosione delle armature metalliche
La corrosione delle armature metalliche prevede la trasformazione del Ferro (Fe) contenuto nell'acciaio in ruggine, ossia ferro ossidato.
Fenomeno di corrosione delle armature - Getty Images
Questo meccanismo è attivato dal processo di carbonatazione del calcestruzzo, ossia la reazione dell'anidride carbonica contenuta nell'aria con la calce contenuta nel calcestruzzo. Tale reazione genera il carbonato e riduce drasticamente la condizione di forte basicità presente nei pori.
In condizioni di basicità inferiori (già con pH < 11) il ferro perde il suo film protettivo di idrossido di ferro e subisce così la corrosione, dovuta al contatto con l'ossigeno.
Per diminuire il fenomeno della corrosione delle armature occurre ridurre la porosità del calcestruzzo. Si può agire sul rapporto acqua/cemento al momento della sua costituzione, oppure aumentare il grado di compattazione al momento del getto.
Un altro modo per contrastare il fenomeno è quello di agire direttamente sul ferro, attraverso processi di zincatura o protezione catodica. Si può anche agire direttamente sui ferri scoperti con la stesura di un'apposita malta bicomponente che funge da strato protettivo per la corrosione (un esempio è la Mapefer della Mapei).
Sono comunque sempre indispensabili una corretta maturazione ed il giusto dimensionamento del copriferro; quest'ultimo può essere ripristinato a seguito di un danneggiamento tramite nuovi getti di malta apposita (un esempio è la malta tixotropica della Weber).
Attacco solfatico
L'attacco solfatico consiste nella reazione tra lo ione solfato SO4²‾, tipicamente presente nelle acque salmastre e in alcuni terreni, e i prodotti presenti nella matrice cementizia.
L'attacco da parte dello ione solfato può essere esterno, se proviene dai terreni o dalle acque a contatto con le strutture, o interno, quando già presente all'interno del calcestruzzo.
Per il trasporto dello ione attraverso le porosità è indispensabile un mezzo come l'acqua.
Esso, una volta a contatto con la calce, reagisce formando il gesso (solfato di calcio biidrato). Il gesso a sua volta reagisce con gli alluminati idrati e forma ettringite, la quale provoca aumento di volume e di conseguenza a fenomeni di rigonfiamento e laminazione.
L'attacco solfatico può essere responsabile di un calo di resistenza meccanica a causa della decalcificazione.
Formazione di ghiaccio
Cicli di gelo e disgelo all'interno della matrice cementizia comportano una variazione dello stato tensionale con conseguente fessurazione e disgregazione del materiale.
È importante pertanto porre attenzione sul grado di saturazione del calcestruzzo: se esso è inferiore alla saturazione critica, il materiale non subirà danni.
Per tenere a bada la saturazione bisogna porre limite al rapporto acqua/cemento, in modo da ridurre la microporosità capillare del calcestruzzo. Si può inoltre favorire la presenza di pori di grandi dimensioni in forma di bolle d'aria, magari introducendo un agente areante (un esempio è il Mapeair della Mapei).
Nel caso si rilevi la presenza di una porosità eccessiva, si può intervenire con trattamenti idrorepellenti o ostruzioni con silico-floruri.
Dilavamento della superficie del calcestruzzo
Consiste nell'esportazione di materiale della matrice cementizia da parte di acqua corrente. Il fenomento è aggravato se l'acqua ha carattere acido.
Prevenire il degrado del calcestruzzo in sede di progetto
Per garantire la durabilità del calcestruzzo nelle strutture è necessario studiare attentamente il mix design del calcestruzzo (ovvero la sua composizione) in sede di progetto; in particolare il rapporto acqua/cemento influisce notevolmente sulla resistenza, sulla lavorabilità e sulla presenza di porosità.
Quasi tutti i fenomeni visti finora hanno come conseguenza l'apertura di fessure nel calcestruzzo, la quale altera in maniera importante la durabilità del materiale, esponendo le armature all'aria.
Fessure nel calcestruzzo - Getty Images
Per prevenire il degrado in fase di progetto si può tenere in considerazione l'aggiunta di additivi da inserire nella miscela, i quali fluidificano l'impasto senza bisogno di aggiungere acqua fuori calcolo in fase di getto.
Calcestruzzo fluido in fase di getto - Getty Images
È necessario inoltre studiare le condizioni ambientali alle quali la struttura lavorerà, in modo da prescrivere un acciaio più o meno sensibile alla corrosione.
Altra questione importantissima in sede di progetto è il dimensionamento del copriferro, come strato protettivo del calcestruzzo per le armature.
In fase esecutiva va attentamente verificato che il calcestruzzo utilizzato corrisponda effettivamente a quello di progetto; bisogna inoltre garantire la giusta compattazione in fase di getto (attraverso la vibrazione del calcestruzzo ancora fresco).
Vibrazione del calcestruzzo - Getty Images
Anche la successiva maturazione va seguita, controllandone la velocità di evaporazione dell'acqua.
La normativa impone delle specifiche verifiche agli SLE (Stati Limite di Esercizio) per tenere conto di tutti gli aspetti relativi alla progettazione.
L'armatura resistente deve essere protetta da un adeguato ricoprimento di calcestruzzo. Gli elementi strutturali devono essere verificati allo stato limite di fessurazione secondo il § 4.1.2.2.4. Al fine della protezione delle armature dalla corrosione, lo strato di ricoprimento di calcestruzzo (copriferro) deve essere dimensionato in funzione dell'aggressività dell'ambiente e della sensibilità delle armature alla corrosione, tenendo anche conto delle tolleranze di posa delle armature; a tale scopo si può fare utile riferimento alla UNI EN 1992-1-1. Capitolo 4.1.6.1.3. NTC 2018
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