Additivo impermeabilizzante innovativo per calcestruzzi auto-riparanti a tenuta idraulica

L’articolo tratta dello studio delle prestazioni di un additivo impermeabilizzante per calcestruzzi a base di acidi carbossilici in grado di promuovere l’auto-sigillatura delle lesioni di piccola ampiezza presenti nel conglomerato cementizio.

Le prove sono state condotte su calcestruzzi caratterizzati da due diversi rapporti a/c (0.50 e 0.60) e da tre diverse tipologie di maturazione.

I risultati sperimentali mostrano un marcato miglioramento della tenuta idraulica dei calcestruzzi realizzati con l’additivo impermeabilizzante, senza tuttavia modificare le proprietà reologiche e meccaniche dei conglomerati.

L’aggiunta dell’1% di additivo rispetto alla massa del cemento, infatti, determina una riduzione nella penetrazione di acqua in pressione in calcestruzzi maturati ad umido per 7 giorni del 50% rispetto a conglomerati realizzati senza l’aggiunta di additivi.

Infine, è stata confermata l’abilità da parte del conglomerato di autosigillare le fessure originatesi in fase plastica (ampiezza inferiore a 400 μm) mediante prove di assorbimento d’acqua attraverso il test con i tubi di Karsten ed osservazioni al microscopio ottico ed elettronico a scansione.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE. 

Ecco le informazioni per partecipare agli Italian Concrete Days 2020 di aicap e CTE a Napoli

Study of an innovative waterproofing admixture for self-repairing concrete with hydraulic seal

Studio di un additivo impermeabilizzante innovativo per calcestruzzi auto-riparanti a tenuta

L. Coppola1,2, A. Buoso3, D. Coffetti1,2, E. Crotti1,2, I. Torresan4

• 1 Department of Engineering and Applied Sciences, University of Bergamo, Italia
• 2 Consorzio INSTM, UdR “Materials and Corrosion”, Firenze, Italia
• 3 Dottore di ricerca in materiali innovativi, ingegnere civile ind. strutture
• 4 BASF Construction Chemicals Italia Spa, Treviso, Italia

1 Introduzione 

Per molti decenni, il calcestruzzo è stato considerato un materiale eterno, non affetto da alterazioni e forme di degrado.

Tuttavia, le strutture in calcestruzzo armato hanno mostrato la loro vulnerabilità alle azioni aggressive dell’ambiente esaltate anche dagli errori progettuali e di realizzazione.

La diffusione del degrado delle strutture in c.a. è testimoniata anche dalla continua crescita degli investimenti nell’ambito della manutenzione e del restauro che negli ultimi anni, in molti paesi, hanno superato quelli adibiti per la realizzazione di nuovi edifici (Coppola, 2015).

Tuttavia, la manutenzione di strutture in c.a. è spesso complessa, laboriosa ed onerosa.

Per questo motivo, lo sviluppo di prodotti e tecniche che consentono una riduzione delle operazioni di manutenzione durante l’intera vita degli edifici è essenziale per la realizzazione di eventuali strutture in calcestruzzo.

Tra questi sistemi innovativi, le tecniche di auto-guarigione (self-healing) hanno un’attrattiva significativa per la comunità scientifica.

2 CONCRETE SELF-HEALING

Il fenomeno di self-healing nei sistemi cementizi è stato studiato per la prima volta nelle strutture idrauliche dall’ accademia francese nel 1836 e, successivamente, è stato analizzato verso la fine del diciannovesimo secolo da Hyde e Smith (Hearn 1998).

Glanville, condusse numerose analisi sistematiche nel 1926 studiando le fessure dei ponti (Glanville, 1931) delineando i concetti di self-healing e self-sealing.

Il primo indica la capacità di recuperare to-talmente le caratteristiche meccaniche originarie mentre il secondo si riferisce all’abilità di sigillare le fessure senza il recupero delle originarie prestazioni meccaniche.

Successivamente, Jacobsen e Sellevold (Jacobsen, 1996) hanno osservato il fenomeno di self-sealing in campioni di calcestruzzo esposti a cicli di gelo-disgelo mentre Clear (Clear, 1985), Hearn (Hearn, 1997) e Edvardsen (Edvardsen, 1999) hanno osservato questi meccanismi nell’ambito delle strutture idrauliche. Wu et al. (Wu, 2012) ritengono che l’autoriparazione delle fessurazioni nei materiali cementizi sia dovuta a una complessa combinazione di processi chimico-fisici, che possono essere riassunti sche-maticamente in (Mihashi, 2012):

a. Formazione di carbonato di calcio o idrossido di calcio;

b. Blocco delle fessure causate da impurità nell’acqua oppure da particelle generate dalla comparsa della soluzione di continuità;

c. Ulteriore idratazione del cemento anidro;

d. Espansione della matrice cementizia idratata nei cigli fessurativi.

Tra tutti i meccanismi elencati, quello principale è basato sulla cristallizzazione del carbonato di calcio a causa della reazione chimica tra l’idrossido di calcio, derivante dall’idratazione del cemento, e l’anidride carbonica.

Anche l’ulteriore idratazione del cemento non reagito è degna di nota; tuttavia, si manifesta solo nei primi anni di vita delle strutture e, pertanto, non può essere considerato un meccanismo stabile nel tempo.

Oltre ai meccanismi autogeni di riparazione, nel corso degli ultimi due decenni sono state proposte diverse tecniche per migliorare la capacità di auto-rigenerazione o auto-sigillatura dei materiali cementizi.

2.1 Fibre cave

La tecnica consiste nell’aggiunta durante la miscelazione del calcestruzzo di fibre fragili cave contenenti agenti riparatori quali resina epossidica, metil-metacrilato e etil-cianoacrilato.

La fessurazione determina una rottura delle fibre cave con il conseguente rilascio dell’ agente riparatore, responsabile della sigillatura delle fessure (Pang, 2005).

Il principio, con somiglianze anatomiche, è paragonabile al sanguinamento arterioso: il capillare, dopo l’infortunio, rilascia l’agente indurente – le piastrine – che effettua la guarigione della ferita.

Diverse ricerche, basate su fibre di vetro cave o fibre di polipropilene poroso, hanno dimostrato la fattibilità e l’efficacia di questa tecnica.

2.2 Micro-incapsulamento

Il micro-incapsulamento è un processo in cui piccole particelle solide o liquide sono circondate da un film continuo di polimeri di dimensioni micrometriche.

Il guscio inerte protegge l’agente riparante, durante la miscelazione e la succesiva posa in opera del calcestruzzo, mentre il film si danneggia quando si trova sulla direttrice di cracking della matrice cementizia.

La capacità di “guarigione” di tali materiali è stata dimostrata da diversi autori (Yang, 201; Boh, 2008). Al contrario, però le ricerche di Nishiwaki (Nishiwaki, 2014) hanno evidenziato la sussitenza di molti problemi negli interventi di autoriparazione, legati a diversi fattori tra cui le piccole dimensioni delle microcapsule e le forze leganti tra l’agente riparante e l’involucro inerte.

2.3 Agenti espansivi e additivi minerali

Ahn et al. (Ahn, 2010), basandosi sulla capacità di au-to-ripararsi del cemento, hanno studiato l’effetto di vari additivi, inclusi gli agenti espansivi, geo-materiali, additivi chimici e la loro combinazione, concludendo che l’aggiunta di NaHCO3, Na2CO3 e Li2CO3 al calcestruzzo contribuisce ad un aumento della ricristallizzazione cementizia e al numero di particelle che precipitano nella fessura.

In particolare, l’utilizzo di un dosaggio adatto di carbonati e agenti espansivi, migliora la capacità di auto-guarigione (Ferrara, 2014).

2.4 Batteri

Alcuni ricercatori hanno proposto una tecnica di riparazione biologica mediante l’introduzione di batteri nel calcestruzzo (Thijssen, 2010).

Questo approccio risale alla metà degli anni ’90 quando Gollapudi et al. (Gollapudi, 1995) suggerirono un metodo per ripara-re le fessure con processi ecologici.

Nella ricerca viene mostrato come i batteri ureolitici promuovono la precipitazione di quantità variabili di carbonato di calcio in funzione della concentrazione di carbonio, del pH, della concentrazione di ioni calcio e della disponibilità di siti di nucleazione adatti.

I primi tre fattori sono dipendenti dal metabolismo dei batteri, mentre le pareti cellulari agiscono come sito di nucleazione.

Con questo metodo, i batteri inducono precipitazioni localizzate di carbonato di calcio, in grado di riempire le lesioni nella matrice di cemento.

3 SPERIMENTAZIONE SUI CALCESTRUZZI CONPAVIPER: MATERIALI E METODI

3.1 Materiali

Diverse miscele di calcestruzzo sono state realizzate utilizzando l’innovativo additivo a base di acido fu-marico per migliorare la tenuta idraulica del materia-le. Il dosaggio di additivo impermeabilizzante è stato pari a 1 e 2 % in massa rispetto al cemento.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO

KEYWORDS: Concrete; Self-healing; Waterproofing admixtures/ Calcestruzzo; Self-healing; Additivo impermeabilizzante

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Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE.

Per saperne di più collegarsi al sito degli ITALIAN CONCRETE DAYS 2020