Il calcestruzzo per opere marittime: pillole di tecnologia

Il calcestruzzo per opere marittime: gli aspetti critici

In base alle Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale, le opere marittime sono classificate nella classe di esposizione XS, in conformità alla normativa europea EN 206-1.

Per opere marittime si intendono tutte quelle strutture che sono in prossimità della costa, immerse nell’acqua di mare o soggette a cicli di bagnasciuga, come per esempio quelle parti di strutture soggette all’alternarsi della marea.

L’aggressione al calcestruzzo è dovuta principalmente alla presenza dei sali dello ione solfato e dello ione cloruro.

I due agenti aggressivi, pur con differenti meccanismi, portano ad un degrado repentino del calcestruzzo. In particolare, lo ione cloruro è il principale responsabile della corrosione delle armature soprattutto per quelle tipologie di struttura esposte all’aerosol marino e al contatto discontinuo con l’acqua di mare.

Lo spessore del copriferro, soprattutto in questi casi, riveste una importanza fondamentale: dovrà assicurare un percorso di introduzione dei cloruri lentissimo in modo tale che la struttura possa durare la vita utile di esercizio prevista.

Le strutture totalmente sommerse in acqua, non essendo interessate da valori critici di concentrazioni di ossigeno in prossimità delle armature, sono meno soggette alla corrosione delle stesse mentre saranno più esposte al degrado per reazione chimica con i solfati presenti nell’acqua di mare.

I cloruri, un pericolo per il calcestruzzo armato

Nel calcestruzzo le armature di acciaio sono protette contro la corrosione per effetto dell’elevata alcalinità della soluzione nei pori (pH> 13); in tali condizioni si forma un sottile film di ossidi di ferro (strato di passivazione) che è in grado di inibire il processo di corrosione.

L’innesco della corrosione può tuttavia avere luogo se lo strato di passivazione è danneggiato. Ciò accade quando, a causa della carbonatazione, il pH nel calcestruzzo è ridotto oltre un valore limite, oppure quando la concentrazione di ioni cloruro supera un valore alla superficie delle barre di armatura.

In molti casi, quali per esempio le strutture esposte in ambienti marini (per esempio strutture sommerse o zone esposte a maree) la corrosione può essere considerata come un processo sostanzialmente indotto dagli ioni cloruro.

La stabilità del film di ossido protettivo presente sulla superficie delle armature può essere infatti compromessa se in prossimità delle barre di acciaio si realizzano concentrazioni critiche di cloruro sufficienti ad innescare il processo di corrosione.

Sul testo CONCRETUM di Luigi Coppola si afferma che "Nella pratica, nelle strutture aeree LA CONCENTRAZIONE CRITICA di CLORURI è all’incirca tra 0.05 e 0.15 % rispetto alla massa del calcestruzzo (circa 0.3-1.0 % sulla massa del cemento). Nelle strutture completamente immerse la concentrazione critica è circa 30-10 volte maggiore."

I cloruri possono aggredire anche il calcestruzzo

I cloruri, oltre ad aggredire le barre di armatura, possono aggredire anche il calcestruzzo. Il tal caso il danneggiamento può aversi per effetto principalmente di un sale utilizzato come disgelante, il Cloruro di calcio (CaCl₂), che aggredisce la pasta cementizia, che avvolge gli aggregati, e la disintegra. La reazione che sta alla base di tale meccanismo di danneggiamento è la seguente:

3CaCl + Ca (OH)₂ + 14H₂O → 3CaO ∙ CaCl₂ ∙ 15H₂O

In sostanza, il cloruro di calcio (CaCl₂), penetrando nel calcestruzzo, reagisce con la calce libera sotto forma di idrossido di calcio (Ca (OH)₂), sviluppata durante la reazione dell’acqua con il cemento, con conseguente formazione dell’ossicloruro di calcio idrato (3CaO∙CaCl₂∙15H₂O).

Meno pericoloso per il calcestruzzo è il Cloruro di sodio (NaCl). In questo caso la sua azione è dannosa perchè può innescare la cosiddetta “reazione alcali-aggregato” tra sodio e potassio, presenti nel cemento, e la silice amorfa, Se è presente negli aggregati.

Il calcestruzzo e l'acqua di mare: obiettivo durabilità

L’obiettivo principale che ha il progettista è quello di prescrivere correttamente il calcestruzzo per le opere marine.

In tale situazione ambientale, più che in ogni altra, la differenza tra la resistenza caratteristica scaturita dal calcolo statico delle strutture e quella “suggerita” per la durabilità dei manufatti, è molto evidente. E’ indubbio che la resistenza scelta per garantire la durabilità sarà quella che guiderà il processo di prescrizione dei conglomerati cementizi data l’aggressività del particolare attacco chimico.

Vi sono, quindi, due condizioni da rispettare: un basso rapporto a/c atto a rendere il calcestruzzo poco poroso e quindi più impermeabile alla diffusione dei cloruri, e un adeguato copriferro (40 mm per le strutture in c.a. e 50 mm per le strutture in c.a.p.) per rendere più lungo il cammino che i cloruri dovranno percorrere prima di giungere alle armature.

Caratteristiche particolari dei materiali componenti

La corretta prescrizione dei materiali componenti il calcestruzzo destinato alle opere marittime, parte dalla scelta del tipo di cemento idoneo. In tal senso occorre fare riferimento alla norma UNI 9156.

L’acqua di mare, nonostante tutto, è considerata apportare alla struttura un’aggressione moderata, tant’è che viene considerata un attacco debole nelle Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale. Pertanto, nella scelta della tipologia dei cementi, non si dovranno superare le percentuale di concentrazione di C3A e SO3 indicate dalla norma.

Gli aggregati dovranno essere tali da non subire degrado da parte dello ione solfato presente nell’acqua di mare unitamente allo ione cloruro che non dovrà presentare concentrazioni superiori allo 0,2% in peso sul cemento (così come previsto dalla EN 206-1).

Il diametro massimo dell’aggregato deve essere scelto in funzione del copriferro previsto.

Rapporto A/C, classe di resistenza, consistenza del calcestruzzo

La tabella seguente illustra i valori limite delle caratteristiche che deve possedere il calcestruzzo destinato ad opere marine.

Come si può osservare, le Linee Guida distinguono la classe di esposizione ambientale che identifica l’ambiente marino XS in tre sottoclassi XS1, XS2 e XS3, alle quali corrispondono un rapporto a/c massimo, un contenuto minimo di cemento e, infine, una Resistenza Caratteristica minima.

Pur ispirandosi alla EN 206-1, le Linee Guida suggeriscono, in particolare, per le opere vicino al bagnasciuga o soggette a spruzzi di acqua di mare, un contenuto minimo di cemento di 370 kg per metro cubo di calcestruzzo e un rapporto a/cemento di 0,4. E’ presumibile, dai valori suggeriti, che la resistenza caratteristica del conglomerato debba in questo caso essere di circa 50 N/mm2.

Considerate le resistenze caratteristiche riportate è assolutamente necessario prescrivere classi di consistenza dei calcestruzzi S5.

Prove minime e qualifica dei calcestruzzi

A seguito delle prescrizioni per le caratteristiche del conglomerato cementizio idoneo per la costruzione delle opere marine, è necessario eseguire prove di qualifiche appropriate a testimonianza dei livelli prescrittivi.

Le prove di qualifica devono evidenziare il non superamento del rapporto a/c imposto evidenziando in particolare la Resistenza caratteristica minima per ciascuna classe di esposizione prescritta.

Sarebbe opportuno effettuare prove aggiuntive a quelle relative alla resistenza a compressione per determinare la effettiva impermeabilità del calcestruzzo ma allo stato attuale è in corso di studio una norma che descriva una prova attendibile di impermeabilità.