La cristallizzazione ed il self-healing nel calcestruzzo

Vulnerabilità del calcestruzzo all'acqua: perché?

Il calcestruzzo, seppur realizzato a regola d’arte, è un materiale caratterizzato da una struttura porosa, con pori di differenti tipologie a seconda delle dimensioni e delle reazioni chimiche che si verificano nel materiale stesso. Un’eccessiva porosità del calcestruzzo causa la perdita delle prestazioni meccaniche e lo rende vulnerabile all’azione dell’acqua, uno dei “nemici” principali della durabilità delle strutture. Quando l’acqua penetra nella matrice del calcestruzzo, infatti innesca una serie di processi chimico-fisici, che accelerano i fenomeni di degrado quali carbonatazione dei ferri d’armatura, erosione dovuta a gelo-disgelo, aggressione chimica quando l’acqua contiene cloruri o solfati, ecc. Al fine di ovviare a tali inconvenienti, è importante effettuare un controllo della struttura porosa del calcestruzzo.

Le tradizionali aggiunte minerali come ceneri volanti, fumi di silice, loppe etc., caratterizzati da una distribuzione granulometrica più fine di quella del cemento, densificano la matrice, riducendo sia il volume complessivo dei pori sia il loro diametro. Tuttavia, negli ultimi decenni si stanno affermando sul mercato con forza sempre maggiore anche specifici additivi “riduttori” di permeabilità, che si possono distinguere in additivi “idrofobi” ed additivi cristallizzanti.

I primi, a base petrolio, creano sulla superficie dei pori uno strato idrorepellente, ma non agiscono sulla struttura del calcestruzzo. Gli additivi cristallini invece sono polveri di natura fortemente “idrofila” che, reagendo con l’acqua anche sotto forma di umidità, danno luogo a composti cristallini che, densificando nelle porosità, limitano la penetrazione dell’acqua e delle sostanze aggressive da essa veicolate.

Impermeabilizzazione del calcestruzzo per cristallizzazione con PENETRON^® ADMIX

Il sistema di impermeabilizzazione del calcestruzzo per cristallizzazione è utilizzato da oltre 50 anni in tutto il mondo per la risoluzione di problematiche legate ad infiltrazioni d’acqua in strutture interrate, presentando diversi vantaggi in termini di velocità e semplicità di posa in opera. Penetron Italia S.r.l. è distributore esclusivo sul territorio nazionale di uno speciale additivo reattivo per cristallizzazione, il PENETRON^® ADMIX, una polvere costituita da cemento Portland, sabbia silicea e additivi chimici proprietari da aggiungere a secco assieme agli inerti. Esso reagisce con l’acqua presente nel calcestruzzo per formare cristalli aghiformi insolubili che occludono le porosità del calcestruzzo, rendendolo di fatto impermeabile, e tornando a riattivarsi ogniqualvolta vi sia presenza di umidità (sia in spinta positiva, che in controspinta).

Figura 1: immagine al microscopio Magnification: X100.0 della cristallizzazione in una fessura del calcestruzzo

Il test per verificare la profondità di penetrazione dell’acqua in pressione (5 bar a 72 h), effettuato dalla IMM (Istituto Meccanica dei Materiali SA) di Grancia, Svizzera, su tre provini di forma cubica (l=150 mm) in calcestruzzo C30/37 realizzati con cemento di tipologia CEM III/A, rapporto acqua/cemento 0,5 ed additivato con PENETRON^® ADMIX, in ragione dell’1% sul peso del cemento, ha dimostrato che l’acqua non è in grado di penetrare il calcestruzzo per più di 3 mm di profondità.

Su un cubetto di calcestruzzo C25/30 con cemento CEM III/A, rapporto a/c 0,58, additivato con PENETRON^® ADMIX (1%), invece, presenta una penetrazione massima di 9 mm.

Fenomeno di Self-healing: ecco come un calcestruzzo può auto-ripararsi da solo

PENETRON^® possiede inoltre l’esclusiva capacità di self-healing, auto-cicatrizzazione delle fessure del calcestruzzo, sino ad un’ampiezza di circa 0,4 mm.  La capacita di auto‐riparazione dei compositi cementizi è nota da diverso tempo: il primo studio sistematico risale all’anno 1937. Tale fenomeno è dovuto ad un’idratazione ritardata dei componenti del cemento presenti lungo le interfacce della fessura, pronti a reagire con l’acqua che penetra nel calcestruzzo attraversando la fessura stessa. I prodotti di questa reazione vanno, dunque, a depositarsi sulle facce della fessura, riducendone l’ampiezza fino al completo ripristino. Il PENETRON^® rappresenta l’”agente stimolante” di tale reazione.

Sebbene, infatti, il calcestruzzo presenta tale proprietà in maniera autogena, essa si arresta dopo poco tempo, dal momento che i componenti cementizi preposti al self-healing si consumano gradualmente, sino al completo esaurimento.

Ad evidenziarlo è proprio una serie di ricerche condotte dal Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale del Politecnico di Milano, che ha sottoposto provini cubici in calcestruzzo con e senza l’additivo PENETRON^® ADMIX a ripetuti cicli di fessurazione, in tre differenti condizioni di esposizione: immersione permanente in acqua, aria atmosferica e cicli umido/asciutto per intervalli di tempo in un intero anno di lavoro. Nonostante la cicatrizzazione avvenga in tutte e tre le condizioni, è la presenza d’acqua il fattore che favorisce maggiormente la capacità di auto-riparazione, per cui i provini immersi permanentemente si sono completamente auto-cicatrizzati anche dopo ripetuti cicli fessurativi.

Self-healing è diverso dal self-sealing

È bene distinguere l’azione del “self-healing” dal “self-sealing”, che non è permanente e rappresenta un riempimento delle fessure con carbonato di calcio (to seal = sigillare, chiudere), che può comunque disciogliersi in presenza di spinta idraulica. Il self-healing del PENETRON^®, invece, è durabile (to heal = cucire, guarire) in quanto reazione che dà luogo a cristalli di silicato di calcio idrato insolubile, che permettono anche un ripristino delle prestazioni meccaniche all’intorno della fessura.

Tecnologia PENETRON^® partner del progetto ReSHEALience

La tecnologia PENETRON^® è stata coinvolta quale partner industriale del progetto ReSHEALience, nell'ambito del programma “Horizon 2020 per la Ricerca e l'Innovazione”, guidato dal Politecnico di Milano ed è composto da 14 partner da 8 diversi Paesi.

I principali obiettivi di ReSHEALience sono quelli di sviluppare calcestruzzi ad elevata durabilità (Ultra High Durability Concrete - UHDC) e di proporre una metodologia di progetto “DAD” (Progetto Basato sulla Verifica di Durabilità - Durability Assessment-Based Design) per strutture sia realizzate interamente sia riparate/rinforzate con UHDC, al fine di migliorarne la durabilità e prevederne le prestazioni a lungo termine in condizioni ambientali estremamente aggressive (EAE).

I nuovi concetti di progettazione proposti verranno convalidati attraverso il monitoraggio a lungo termine in sei progetti pilota in scala reale, che riguardano i settori strategici più rilevanti per la politica di sviluppo sostenibile dell'UE nelle condizioni ambientali EAE (XA e XS).

Punto di partenza dei 4 anni di attività (2018-2021) è il concetto di “Calcestruzzo ad Elevata Durabilità” (UHDC: Ultra High Durability Concrete) quale “metamateriale”. Con l’utilizzo di materie prime “a km 0” e di rinforzo fibroso discreto/organizzato (Textile Reinforced UHDC), sono stati prodotti calcestruzzi “calibrati” per rispondere ai previsti livelli di sollecitazione strutturale attraverso un comportamento incrudente in trazione (strainhardening) e la formazione di molteplici fessure: la ampiezza di ciascuna di esse viene efficacemente limitata (50 micron) incorporando componenti alla nanoscala (nano-fibre di allumina e/o cellulosa) ovvero promuovendone la capacità di riparazione autogena (self-healing) mediante l’additivo cristallizzante PENETRON^® ADMIX.

Figura 2: Paesi e partner partecipanti al progetto ReSHEALience, con indicazione del numero di partner per paese; descrizione e localizzazione dei progetti pilota.

Impermeabilizzazione auto-riparazione del calcestruzzo
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