Il monitoraggio del rischio corrosione delle armature mediante sensori inseriti nel calcestruzzo

Opere strutturali: il grande tema della durabilità e della sicurezza delle costruzioni

In questi ultimi mesi assistiamo ad una intensa attività pubblicistica e giornalistica con diversi documenti tecnici, di diverso rango legislativo e normativo, riguardanti la durabilità e la sicurezza delle costruzioni e le procedure per il monitoraggio dello stato di salute delle strutture esistenti. Questa apprezzabile produzione scientifica e normativa ovviamente risente del clima di ansia e preoccupazione da parte dell'opinione pubblica circa lo stato di salute della rete infrastrutturale e delle costruzioni in genere. Tra l'altro, tutti noi, ormai, siamo consapevoli, anche a seguito delle ricorrenti notizie di cronaca di crolli e dissesti, che il nostro "patrimonio" edilizio ha raggiunto nell'insieme una ragguardevole età e pertanto è affetto dai problemi tipici e pericolosi della obsolescenza e decadimento funzionale.

In tal senso, il degrado delle strutture in calcestruzzo armato (c.a.), in calcestruzzo armato precompresso (c.a.p.) e i rischi conseguenti rappresenteranno a breve uno dei problemi principali con cui dovranno confrontarsi le politiche economiche e sociali istituzionali. Un aspetto che è stato a nostro avviso trascurato o non bene rappresentato nella recente normativa di controllo e monitoraggio delle strutture (Linee guida ponti esistenti) è il rischio da degrado chimico.
Infatti, la maggior parte delle procedure di monitoraggio e controllo richiamate riguardano il rilevamento di parametri fisico-meccanici, mentre in merito all'individuazione precoce dei fenomeni di alterazione e degrado di tipo chimico si rimanda alle prove laboratoriali di routine. 

Aspetto cruciale è attuare in tempo e per tempo le procedure di controllo, di prevenzione e predizione dei processi di decadimento e danno, prima che diventino irreversibili e rovinosi.  Del resto, è risaputo che quando i fenomeni di degrado sono percepibili macroscopicamente e ad occhio nudo, già risultano molto onerosi gli interventi di riparazione e riabilitazione funzionale strutturali.

Il problema del degrado chimico delle opere in calcestruzzo

Tra gli agenti aggressivi del calcestruzzo, i cloruri e la CO₂ atmosferica sono indubbiamente tra i più importanti sia per la frequenza con cui si può manifestare l'attacco sia per le conseguenze estremamente negative che essi sono capaci di provocare attivando la corrosione dei ferri di armatura.

Il fenomeno della corrosione delle armature

In particolare, l'ossidazione delle armature metalliche avviene sotto due condizioni: quando il pH è al di sotto di un certo valore (pH , fenomeno che avviene quando il calcestruzzo si carbonata, "corrosione promossa dalla carbonatazione", e quando i cloruri superano una certa concentrazione di soglia, "corrosione promossa dai cloruri."

Il calcestruzzo tende con l'età fisiologicamente ad una diminuzione del pH, a causa dell'esposizione all'aria, mentre i cloruri possono essere presenti negli aggregati e nell'acqua d'impasto o permeare dall'esterno.

La normativa nazionale ed internazionale da diversi decenni ha introdotto severi protocolli di progettazione e di costruzione, focalizzati alla qualità dei materiali strutturali, alle tecniche costruttive e al mantenimento delle funzionalità e sicurezza della edilizia civile, industriale ed infrastrutturale. Il concetto di durabilità dei materiali, in tal senso, è entrato nella etimologia tecnica comune, come un parametro di performance non secondario alla resistenza meccanica, alla resistenza al fuoco e alla sicurezza all'uso (REGULATION (EU) 2016/425 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 9 March 2016 on personal protective equipment and repealing Council Directive 89/686/EEC: Essential Requirements / Basic Requirements. Infatti, un requisito progettuale richiesto dalle norme di progettazione nazionali ed internazionali è la vita utile di esercizio (Service life) di una opera strutturale: cioè il tempo, espresso come durata, durante il quale la struttura mantiene gli stessi requisiti di sicurezza iniziali, fatta salva la normale attività di manutenzione .

Metodo non distruttivo per monitorare i parametri chimici del calcestruzzo al fine di garantire la durabilità delle opere 

Il metodo qui proposto si propone di misurare in modo non distruttivo alcuni parametri chimici del calcestruzzo strutturale al fine di valutare le condizioni di degrado e di monitorare nel tempo il processo di invecchiamento ed ammaloramento.

IN CHE COSA CONSITE IL METODO
In particolare, il rilevamento della concentrazione degli ioni cloruro e del pH si basa sulla misura del potenziale di semicella di un elettrodo di diametro millimetrico inserito all'interno del calcestruzzo in fase di getto o post-getto, riferito ad un elettrodo di riferimento a giunzione liquida posto sulla superficie esterna dello stesso.
Nel caso dei cloruri l'elettrodo di misura è costituito da un filo di argento ricoperto da una pellicola di AgCl applicata mediante elettrodeposizione.
Nel caso del pH l'elettrodo di misura è costituito da un filo di iridio rivestito da una pellicola di ossido di iridio ottenuta mediante un processo di ossidazione ad alta temperatura. Come elettrodo di riferimento si utilizza una semicella, formata da una barretta di rame immersa in una soluzione satura di solfato di rame. 

Le misure di potenziale vengono tradotte in valori di concentrazione tramite curve di calibrazione, specifiche per ogni sensore, ricavate da misure in laboratorio con standard di riferimento. Le correlazioni di calibrazione dei sensori sono del tutto in linea con l'equazione di Nernst.

I dati, acquisibili con una frequenza temporale regolabile, vengono trasmessi mediante GSM ad un portale che registra le informazioni e gestisce gli alert, consentendo a distanza di avere un monitoraggio in continuo. Il sistema di monitoraggio risulta totalmente non invasivo ed economico. Inoltre, consente di misurare i parametri chimico-fisici in punti della struttura difficilmente accessibili, come viadotti e piloni.

L’introduzione della componente tempo, nella valutazione della conformità delle opere da costruzione, impone in fase di progettazione la definizione dei fattori di rischio 2 (nota 2) e cioè:

• condizione di esposizione: ambiente dove sorge l’opera, e quindi la pericolosità, dipendente dai fattori esterni;
• vulnerabilità propria della struttura, dipendente dai fattori interni: materiali, progettazione e realizzazione etc.

La corrosione è un processo di natura elettrochimica originato dall’ossigeno e dall’umidità dell’ambiente. I fattori che predispongono l’attacco corrosivo sono essenzialmente la carbonatazione del copriferro, dovuta alla penetrazione dell’anidride carbonica presente nell’aria, e la presenza di alte concentrazioni di cloruri, apportati dai vari componenti dell’impasto o introdotti dall’ambiente. Entrambi i fattori alterano le condizioni di stabilità del sottile film di ossido che protegge i ferri di armatura. 

La UNI EN 206:2016, nel classificare le condizioni di esposizione e i relativi rischi di corrosione, distingue le seguenti classi di esposizione:

• 2. Corrosione indotta da carbonatazione (XC1,XC2,XC3 e XC4)
• 3. Corrosione indotta da cloruri esclusi quelli provenienti da acqua di mare (XD1,XD2,XD3)
• 4. Corrosione indotta da cloruri presenti nell’acqua di mare (XS1,XS2,XS3 e XS4)
• 6. Attacco chimico (XA1,XA2,XA3)

L’azione dell’anidride carbonica consiste fondamentalmente nella neutralizzazione della calce di idrolisi del cemento con conseguente diminuzione dell’alcalinità “fisiologica” del calcestruzzo (pH circa 12.5). 

Il calcestruzzo carbonatato, infatti, ha un pH di circa 9.5, ben al di sotto del pH critico per il mantenimento del film passivo dei ferri di armatura.

L’attacco degli ioni Cl- si manifesta attraverso la distruzione del film protettivo passivante. Il meccanismo di corrosione in questo caso si esplica in maniera incisiva e localizzata (pitting), con notevole restringimento della sezione resistente 3. (nota 3) 

Figura 1. Approccio olistico del rischio corrosione

Per la determinazione del pH, della concentrazione dei cloruri e di altri parametri chimici si ricorre normalmente a dei controlli diretti sulle strutture: carotaggi, prelievo di polveri; e quindi esclusivamente a prove di laboratorio, secondo precise norme di riferimento. 

Il sistema di rilevamento e monitoraggio TEM, come per altro tutti i metodi diagnostici non distruttivi (CnD), è da intendersi aggiuntivo e complementare alle procedure analitiche laboratoriali. Infatti, data la complessità delle reazioni chimiche, fisiche e meccaniche che si stabiliscono tra materiali, struttura ed ambiente, le procedure diagnostiche sono sempre concepite con un approccio filosofico di tipo olistico (figura 1) e pertanto è sempre raccomandato dalla buona pratica sperimentale ricorrere, quanto più possibile, a metodi combinati.

Inoltre, grazie alla possibilità di eseguire delle misure cicliche, opportunamente cadenzate, si può realizzare un monitoraggio continuo, utile per segnalare per tempo l'innesco di processi corrosivi, con l'indubbio vantaggio di predisporre degli interventi manutentivi a costi inferiori rispetto a quando si interviene a degrado avanzato. In tal senso, il metodo proposto risulta molto più efficace in quanto predittivo delle dinamiche di degrado e consente di orientare e meglio pianificare i controlli tradizionali dei quali esso vuole essere complementare e non sostitutivo.

Il monitoraggio TEM mediante sensori inseriti nel calcestruzzo: i principi del metodo

Il principio teorico della misura del potenziale elettrodico si basa sulla Equazione di Nernst.

nella quale:

• E_red = potenziale di riduzione;
• E° = potenziale standard di riduzione;
• R = costante dei gas che vale 8.314 J ⋅ mol -1 ⋅ K -1
• T = temperatura assoluta
• z = numero di elettroni scambiati
• F = costante di Faraday che vale 96485 Coulomb
• a_Red = concentrazione della specie ridotta
• a_Ox = concentrazione della specie ossidata

Durante la fase di installazione e di manutenzione delle stazioni, si procederà a dei test di controllo, mediante analisi sulle polveri, per meglio determinare l'incertezza di misura e verificare l'affidabilità dei dati.

Aspetto peculiare del rilevamento mediante sensori è che la misura viene effettuata sugli ioni liberi presenti nei pori capillari del calcestruzzo, mentre quelle analitiche di laboratorio vengono condotte sulle polveri estratte dal calcestruzzo in opera. Se consideriamo che nel mix design di un metro cubo di calcestruzzo gli aggregati costituiscono circa il 70-80 % in peso, si comprende che la polvere di calcestruzzo prelevata presenterà una elevata variabilità nella concentrazione di cloruri, a seconda che nel campione sia prevalente la pasta cementizia piuttosto che gli aggregati, il cui contenuto in cloruri, per norma dovrebbe essere irrilevante. Inoltre, a nostro avviso, al fine di valutare il grado del rischio di corrosione e della stima del danneggiamento delle strutture (Estimated service life), sono più funzionali il gradiente e la velocità di variazione dei parametri misurati, piuttosto che la loro precisione analitica.

In accordo a quanto dimostrato teoricamente e sperimentalmente da Angust et al. (2009), le misure effettuate con elettrodo di riferimento esterno possono introdurre potenziali di diffusione dinamica di cui bisogna tener conto nella valutazione dei risultati di misura.

Nel caso specifico dell'elettrodo rame/solfato di rame, sono possibili valori di potenziale più bassi di 10 mV, fintantoché l'ambiente nel calcestruzzo si mantiene alcalino; ma in presenza di carbonatazione la caduta di potenziale potrebbe essere anche superiore a 30 mV.

Nella stazione TEM l'errore di misura è reso minimo attraverso una tecnica di installazione dell'elettrodo di riferimento che consente di oltrepassare la zona superficiale del calcestruzzo maggiormente soggetta alla carbonatazione e a variazioni di umidità.

Ogni stazione TEM è equipaggiata da una serie di almeno tre sensori per il rilevamento della concentrazione dei cloruri e tre per la misura del pH, posti all’interno del copriferro a profondità diverse (es. 1cm, 2 cm, 3 cm), in modo da stimare oltre ai parametri chimici locali anche la velocità di penetrazione sia dei cloruri sia della CO2. 

In fase di sperimentazione e validazione è l’introduzione di un elettrodo di riferimento, in carbone attivo, inserito direttamente nel calcestruzzo, di cui in avanti saranno meglio descritte le caratteristiche.

Di seguito riportiamo uno schema della Stazione TEM:

Figura 2. Schema Stazione TEM

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