Capacità di auto-riparazione delle fessure in malte cementizie con additivi cristallini

Autori

Ruben P. Borg1, Maddalena Zammit (1), Daniel Giovio (1), (2), Estefanía Cuenca (2), Liberato Ferrara (2), Enrico Maria Gastaldo Brac (3)
1 University of Malta
2 Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Politecnico di Milano
3 Penetron Italia, srl.
 

1.Introduzione

Le strutture in calcestruzzo armato (CA) esposte ad attacchi marini e chimici presentano diversi problemi di durabilità dipendenti dal tempo, come l'invecchiamento e la corrosione, che richiedono interventi di riparazione precoci e spesso continui. L'analisi di un caso di studio fornito dal progetto CON-REP-NET ha dimostrato che il 50% delle strutture di calcestruzzo riparate ha mostrato necessità di una seconda riparazione, il 25% nei primi 5 anni, il 75% entro 10 anni e il 95% entro i successivi 25 anni. Questo è solo un esempio della urgente necessità di un profondo ripensamento dell’approccio concettuale alla progettazione delle strutture in CA nuove e riparate in ambienti aggressivi in considerazione delle esigenze di costo-efficacia.

Negli attuali approcci di progettazione, la durabilità della vita è definita da un valore obiettivo di riferimento che, attraverso un "concetto di classe strutturale" e in funzione della classe di esposizione, si traduce in una serie di prescrizioni ritenute adatte a garantire il livello di durabilità richiesto. Queste prescrizioni riguardano il quantitativo minimo di cemento ed il massimo rapporto acqua/cemento da impiegare per il confezionamento delle miscele, nonché lo spessore minimo di copriferro ovvero l’utilizzo di armature resistenti alla corrosione (ad esempio acciaio inossidabile, acciaio zincato o polimeri). Tutto ciò può portare ad una progettazione strutturale non ottimale, poiché le dimensioni complessive della struttura e l'efficienza strutturale del materiale sono compromesse dall'alto spessore del copriferro.
In questo contesto, la disponibilità di tecnologie di auto-riparazione del calcestruzzo potrebbe, da un lato, impedire la "diffusione dei fattori base per il deterioramento", estendendo così la vita utile della struttura e, dall'altro, anche fornire un recupero parziale di proprietà ingegneristiche rilevanti per l'applicazione in essere [1,2].
La capacità di autoriparazione dei conglomerati cementizi, così come di altri leganti idraulici come lime, è nota, per via “euristica”da circa due secoli.
La suddetta capacità, in funzione dell'età e della apertura della fessura, nonché di una presenza significativa, se non continua, di acqua, è stata considerata come una sorta di bonus, in grado di contrastare, nel caso, gli inconvenienti di fessurazioneprecoce,dovuta al ritiro del calcestruzzo, in alcuni tipi di strutture, qualiad esempio i serbatoi, che evidentemente godono di condizioni favorevoli di esposizione.

Sebbene siano stati condotti studi più sistematici per tutta la seconda metà del secolo scorso, l'argomento sta acquisendo notevole interesse in questi ultimi anni. Ciò è dovuto, da un lato, alla drammatica importanza che la durabilità delle strutture in CA esistenti sta acquistando, non solo nella comunità scientifica e tecnica, ma anche in riferimento alla consapevolezza e alla sensibilità dell'opinione pubblica. D'altra parte, l'interesse per i materiali da costruzione basati sul cemento auto-riparante è guidato dall'impegno di sostenibilità che la domanda crescente di costruzioni, strutture e infrastrutture richiede in tutto il mondo al settore dell'ingegneria civile ed all’industria delle costruzioni.

È noto che, tra tutte le condizioni ambientali, le esposizioni concentrate di cloruri come gli ambienti marini sono uno dei più gravi e aggressivi (Li, 2011; Tsinker, 1995, Maes, 2014a). Finora la grande maggioranza degli studi sulla permeabilità dei calcestruzzi autoriparanti, in stadio fessurato, si è concentrata su acqua dolce (Edvarsen et al., 1999; Yang et al., 2009; Aldea et al., 2000; Roig-Flores et al., 2016). Solo un ridotto numero distudi ha riguardato la auto-riparazione delle fessure in calcestruzzi esposti ad ambiente marino, secondo quanto qui di seguito sintetizzato.

Jacobsen (1996) ha osservato che il tasso di migrazione di cloruro nei calcestruzzi auto-riprati immersi nell'acqua per 3 mesi è stato ridotto del 28-35% e il tempo di penetrazione dei cloruri è aumentato rispetto ai calcestruzzi appena fessurati. Sahmaran (2007) ha osservato una significativa auto-guarigione per fessure con ampiezze minori di 50μm, in provini di malta dopo 30 giorni di esposizione ad una soluzione di NaCl. La formazione di prodotti di guarigione all'interno delle fessure di calcestruzzo ha rallentato il processo di trasporto dei cloruri, diminuendone il tasso di penetrazione e riducendo il valore del coefficiente di diffusione. Ismail (2008) ha anch’egli dimostrato che il fenomeno di autoriparazione delle fessure può impedire la diffusione di cloruro attraverso le stesse. Per ampiezze di fessura superiori a 60μm l'età della prefessurazione non influisce sulla capacità di auto-riparazione per prevenire la diffusione di cloruro. Al contrario, per fessure con ampiezze inferiori a 60μm, l'età della prefessurazione ha un effetto significativo. Li (2011) ha osservato che le microfessure in compositi cementizi (ECC) ingegnerizzati, immersi in una soluzione a 3% di NaCl per 30 giorni o più, risultano completamente sigillati a seguito della autoriparazione. Questi risultati hanno confermato che anche i campioni ECC microfessurati rimangono resistenti nonostante le esposizioni in ambiente marino. Maes (2014b) ha rilevato che ampiezze di fessura di 100μm e 300μm sono state guarite autonomamente, ove esposte in ambienti ricchi di cloruri, rispettivamente nel 67% e nel 33% dei casi. Palin (2016) ha scoperto che i trattamenti a base di batteri possono avere un grande potenziale per lo sviluppo della auto-guarigione del calcestruzzo in ambienti marini a bassa temperatura. Savija (2016) ha riscontrato che fessure inferiori a 60μm hanno completamente recuperato la loro resistenza alla penetrazione dei cloruri (completa guarigione della fessura), mentre le fessure più ampie hanno solo ripristinato la loro capacità di resistere all'ingresso di cloruro. Maes (2016) ha mostrato che le fessure in malte cementizie esposte a ambienti marini sono in grado di guarire e stabilizzare la penetrazione di cloruro per aperture fino a 100μm. 
Dong (2017) ha calcolato il coefficiente di diffusione ai cloruri è diminuito da 8,15 a 6,53 (x 10-12 m2 s-1) a seguito di un processo di autoriparazione delle fessure protratto per 28 giorni. Ling (2017) ha mostrato che trattamenti microbici per la autoriparazione delle fessure possono avere efficacia anche nell’impedire l'ingresso di cloruri. Van Belleghem (2017) ha dimostrato che l'uso di calcestruzzo auto-riparante può ridurre la concentrazione di cloruro in una zona fessurata di almeno il 75%. 
Per una sintesi delle metodologie di prova relative alla valutazione della capacità di autoriparazione dei calcestruzzi in ambienti ricchi di cloruro si vedano Cuenca e Ferrara (2017), Muhammad (2016) e Yao (2017).
Gli attuali codici di progettazione (Eurocodice 2, ACI 224R, 2001) prescrivono limiti di apertura piuttosto severi in condizioni ambientali aggressive, quali l’esposizione ad ambienti marini. L'auto-riparazione, come già sottolineato, può estendere la vita utile delle strutture in calcestruzzo creando una barriera protettiva contro l'ingresso di cloruri (Maes, 2016; Van de Heede; 2016a; Van de Heede, 2016b; Van Belleghem, 2017). Diversi studi hanno altresì dimostrato che se una parte del cemento viene sostituita da ceneri di combustibile, ovvero con loppe granulate di altoforno, il calcestruzzo ottenuto presenta una maggiore resistenza alla penetrazione del cloruro (Chalee, 2009; Boga, 2012; Darquennes, 2016; Maers, 2016; Van den Heede, 2017). Inoltre, i test di permeabilità dell'acqua hanno mostrato una maggiore capacità di guarigione per le miscele con scorie di altoforno, a causa dell'idratazione continua all'interno delle fessure (Darquennes, 2016).

Van den Heede et al. (2016a) ha valutato la durabilità del calcestruzzo utilizzando i modelli di previsione per la depassivazione indotta da cloruro delle barre di acciaio inserite in calcestruzzo. L'input per il modello di vita utile è stato ottenuto da risultati sperimentali sui profili di penetrazione degli ioni cloruro. Ciò ha permesso una buona previsione del periodo di depassivazione dell'acciaio indotto dal cloruro per il calcestruzzo con il 15% di ceneri di combustibile: nello stato non fessurato e nello stato fessurato. Nel caso di calcestruzzo auto-riparante, contenente resine poliuretaniche incapsulate, è stata ottenuta un'efficienza del 48-76%, estendendo il periodo di inizio della corrosione a 36-68 anni. Una struttura in calcestruzzo con poliuretano incapsulato richiederebbe meno riparazioni e quindi l'impatto ambientale risulterebbe di circal’80% inferiore rispetto al calcestruzzo tradizionale (fessurato). Van Belleghem et al. (2017) ha osservato che una piastra di calcestruzzo auto-riparante,con armatura convenzionale ed esposta a un ambiente marino, potrebbe avere una vita utile di servizio di 60-94 anni rispetto ai 7 anni di calcestruzzo tradizionale fessurato incorporando un precursore in poliuretano incapsulato come agente di autoriparazione nel calcestruzzo.

In questo articolo vengono presentati i primi risultati di uno studio svolto in collaborazione dal gruppo di ricerca degli autori per valutare la capacità di sigillatura delle miscele di diversi tipi di malte, quando sono esposte a ambienti con cloruri. Oltre ad una malta di riferimento, sono state considerate altre tre categorie di miscele, al fine di promuovere la sigillatura della fessura mediante sostituti del cemento (ceneri di combustibile polverizzate e fumi di silice) o mediante additivi cristallini, la cui efficacia come promotori di auto-guarigione, è già stata documentata con riferimento a miscele di calcestruzzo armato e fibrorinforzato (Ferrara et al., 2014, 2016a).

Per ogni aggiunta, sono stati presi in considerazione diversi contenuti onde selezionare la miscela con migliori prestazioni, anche con riferimento considerazioni economiche, da utilizzarsiper il presente studio.

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