Data Pubblicazione: 28.03.2023

Attacco solfatico ed effetti strutturali

Obiettivo del seguente documento è quello di fornire – in estrema sintesi – un quadro generale sulle possibili interazioni tra effetti chimico-fisici sul materiale ed effetti meccanici sulle strutture in calcestruzzo armato, relativamente, in questo caso, all’azione dei solfati.

Matteo Felitti

Aspetti chimico-fisici dei solfati

Nei terreni e in diverse rocce sono presenti sali solubili in concentrazioni più o meno significative. Tra questi risultano comunemente presenti i solfati, come ad esempio il solfato sodico (Na₂SO₄), sotto forma di sali idrati e il solfato di calcio sotto forma di gesso (CaSO₄∙2H₂O).

A contatto con acqua questi sali – in funzione della loro solubilità – si sciolgono. Per questo motivo, sia nelle acque che permeano i terreni, sia nei corsi d’acqua e nel mare sono presenti gli ioni solfato (SO₄--). Questi ultimi, se a contatto con il calcestruzzo, sono in grado reagire con alcuni composti presenti nella pasta cementizia provocandone una alterazione chimica a livello di materiale (espansione e fessurazione) con conseguente danneggiamento della sezione fino a coinvolgere l’intero elemento strutturale (Figg.1-4).

Degrado da attacco solfatico in una galleria del nord Italia

Degrado da probabile attacco solfatico in una trave realizzata in uno stabilimento del sud America

Nel rettangolo rosso sono evidenziate le seguenti reazioni chimiche: [10.9] Lo ione solfato reagisce con l’idrossido di calcio per formare gesso; [10.10] Trasformazione del C-S-H in silice idrata; [10.11] Formazione di ettringite secondaria (Fonte: Mario Collepardi et al. Il Nuovo Calcestruzzo, settima edizione, 2022)

Nel rettangolo rosso sono evidenziate le seguenti reazioni chimiche: [10.12] Formazione di thaumasite (Fonte: Mario Collepardi et al. Il Nuovo Calcestruzzo, settima edizione, 2022)

A sinistra della figura un elemento strutturale soggetto ad attacco solfatico, a destra è riportato un test sperimentale dove si nota il danneggiamento dei provini di calcestruzzo a contatto con i solfati ed in basso è riportato un diffrattogramma ai raggi X in cui si nota la presenza di ettringite e thaumasite nel campione esaminato (Fonte: Mario Collepardi et al. Il Nuovo Calcestruzzo, settima edizione, 2022)

Aspetti strutturali

In merito alle conseguenze strutturali dell’azione espansiva e dirompente dei solfati a contatto con il calcestruzzo, di seguito si descrive un caso studio che mette in evidenza tale problematica. L’obiettivo dello studio è stato quello di accoppiare – teoricamente - la parte chimica con quella meccanica. Inoltre, sono state eseguite prove sperimentali su elementi strutturali - in scala – con e senza reazione solfatica, allo scopo di tarare le analisi numeriche.

Si riportano, pertanto, alcune immagini commentate tratte dal seguente articolo (al quale si rimanda per ulteriori approfondimenti):

Rappresentazione schematica dell’ingresso dello ione solfato nel calcestruzzo. Zona 1: formazione di ettringite; zona 2: espansione; zona 3: fessurazione (Fonte: N. Cefis, C. Comi, Chemo-mechanical modelling of the external sulfate attack in concrete – modificata dall’autore)

Penetrazione dei solfati dopo 400 giorni di esposizione ad una soluzione NaSO4 al 10%: a sinistra la simulazione numerica, a destra il profilo sperimentale (Fonte: N. Cefis, C. Comi, Chemo-mechanical modelling of the external sulfate attack in concrete)

La valutazione della capacità residua in un rivestimento in c.a. di una galleria è stata eseguita su un prototipo sperimentale in scala 1:10 in ambiente a temperatura ed umidità controllata. Il terreno a contatto con il calcestruzzo è stato contaminato con una soluzione al 5% di solfato di sodio. La curva di capacità è stata tracciata a partire da un carico di 160 kN.

Test sperimentale su rivestimento di galleria in scala 1:10 (Fonte: N. Cefis, C. Comi, Chemo-mechanical modelling of the external sulfate attack in concrete)

Curve di capacità su struttura integra e struttura soggetta ad attacco solfatico. Il tratto in rosso indica lo spostamento della calotta degradata al carico iniziale di 160 kN, il quale risulta maggiore dello spostamento a tratto azzurro della calotta integra (Fonte: N. Cefis, C. Comi, Chemo-mechanical modelling of the external sulfate attack in concrete – modificata dall’autore)

Dalla figura 9 si nota una notevole differenza di comportamento sotto carico della struttura soggetta ad attacco solfatico (curva grigia) rispetto alla struttura integra (curva nera): al passo di carico pari a 290 kN, ad esempio, la struttura degradata presenta spostamenti di gran lunga maggiori rispetto alla struttura integra. Inoltre è evidente un drastico calo delle resistenze globali nella struttura danneggiata dai solfati (curva grigia).

I solfati causano una riduzione della capacità portante alle strutture

In questo breve articolo si è voluto mettere in evidenza una possibile correlazione tra gli aspetti più propriamente chimico-fisici, legati all’azione dei solfati sulla pasta cementizia, con gli aspetti meccanici che coinvolgono – di conseguenza - la sezione e l’elemento strutturale in c.a. Si è visto, infatti, che le strutture danneggiate dai solfati presentano una riduzione della capacità portante rispetto alle strutture integre a pari condizioni.

Visitando la pagina dedicata è possibile visualizzare un articolo di approfondimento sul tema (in lingua inglese)

Articolo integrale in PDF

L’articolo nella sua forma integrale è disponibile attraverso il LINK riportato di seguito.
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