Le ceneri volanti e la durabilità del calcestruzzo

Degrado delle strutture in calcestruzzo armato e classi di esposizione

Il degrado delle strutture in calcestruzzo armato deriva da una serie di fenomeni naturali che possono determinare la corrosione delle armature metalliche e/o l’aggressione alla matrice cementizia.

Come è noto, l’attuale normativa cogente, il D.M. 17 gennaio 2018, sulla scorta di quanto previsto dalla UNI EN 206, definisce una serie di classi di esposizione, ovvero di “ambienti” potenzialmente aggressivi, nelle quali le strutture possono trovarsi ad operare durante il loro esercizio:

• Classi di Esposizione XC: Possibile corrosione delle armature dovuta alla carbonatazione;
• Classi di Esposizione XS: Possibile corrosione delle armature dovuta all’ingresso di cloruri marini;
• Classi di Esposizione XD: Possibile corrosione delle armature dovuta all’ingresso di sali disgelanti;
• Classi di Esposizione XA: Degrado della matrice cementizia per attacchi chimici;
• Classi di Esposizione XF: Degrado della matrice cementizia per cicli di gelo/disgelo.

Oggi la fenomenologia delle forme aggressive sopra richiamate è nota nel dettaglio, pertanto, nell’ottica della durabilità strutturale, sono ben chiare sia le “precauzioni” da prendere nel caso di nuove strutture che le metodologie di intervento per “sanare” le strutture esistenti.

Limitandoci in questo articolo alle nuove realizzazioni, la progettazione della durabilità strutturale si fonda su due concetti piuttosto intuitivi:

1. L’ingresso delle sostanze aggressive è tanto più lento e difficile quanto più è ridotta la porosità della matrice cementizia;
2. Le armature metalliche sono tanto più protette dalla corrosione quanto maggiore è lo spessore di calcestruzzo che le riveste (copriferro).

In relazione al livello di aggressione ambientale si potranno quindi impiegare calcestruzzi più o meno porosi (la porosità è direttamente correlata al rapporto acqua/cemento) e prescrivere spessori di copriferro più o meno importanti.

I vantaggi della cenere volante nella matrice cementizia

In questo contesto, la capacità pozzolanica della cenere volante Micro-Pozz PFA agisce sulla riduzione della porosità della matrice cementizia. Come si è avuto modo di approfondire nell’articolo “Aspetti generali sui vantaggi dell’uso delle ceneri volanti”, questa speciale aggiunta minerale è in grado di combinarsi con il Ca(OH)₂, presente nella matrice cementizia come sottoprodotto della reazione di idratazione del cemento, dando luogo ad ulteriori fibre “resistenti” di silicato idrato di calcio. Queste ultime, del tutto simili a quelle derivanti dall’idratazione del cemento, contribuiscono a “densificare” la matrice cementizia ed a ridurne la porosità. La prima evidenza di questo si ha nella riduzione della permeabilità all’acqua (Figura 1).

In Figura 1, il confronto di permeabilità all’acqua in pressione (UNI EN 12390-8) tra un calcestruzzo di “riferimento” confezionato con 320 kg/m³ di cemento ed un calcestruzzo confezionato con 270 kg/m³ dello stesso cemento e 80 kg/m³ di cenere volante Micro-Pozz PFA.

La prima miscela, caratterizzata da una resistenza a compressione (a 28 giorni) di 44,02 MPa, ha fornito una profondità di penetrazione massima della acqua di circa 18 mm. La miscela confezionata con cenere volante, ha esibito una resistenza a compressione (a 28 giorni) di 47,38 MPa ed un valore di penetrazione massima dell’acqua di circa 8 mm (pari al 44% del valore di riferimento, ovvero meno della metà).

In termini di durabilità il risultato è notevole, se si considera che l’acqua è uno dei principali “veicoli” che gli agenti aggressivi (si pensi ai cloruri ed ai solfati) sfruttano per penetrare all’interno della struttura cementizia. Ma il risultato è interessante anche in termini di preservazione delle armature metalliche, perché una riduzione della permeabilità all’acqua (del copriferro) si traduce in una maggiore difficoltà da parte della stessa (effettiva responsabile della corrosione assieme all’ossigeno) nel raggiungere le barre.

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Carbonatazione (Classi di esposizione XC)

Un comune fenomeno che favorisce il degrado delle strutture in c.a. per corrosione delle barre di armatura è quello della carbonatazione (Figura 2).

L’anidride carbonica presente nell’aria penetra, più o meno lentamente, attraverso lo spessore di copriferro e durante il percorso neutralizza parte del Ca(OH)₂ che incontra, trasformandolo in CaCO₃. Di per sé tale reazione è del tutto innocua. Anzi, il CaCO₃ che si forma è stabile e non dilavabile come l’originario Ca(OH)₂. L’aspetto negativo del fenomeno è invece legato al fatto che il ruolo del Ca(OH)₂ è quello di mantenere un elevato valore del pH nella matrice (pH>13), perché con tale valore le armature si “auto-rivestono” di un film protettivo che le protegge dalla corrosione. In termini tecnici si parla di “stato di passivazione delle armature”. Ebbene, il consumo di Ca(OH)₂ da parte della CO₂ determina una riduzione del pH e, quando questo scende a valori inferiori a 9, le armature si depassivano, ovvero perdono il film protettivo, rimanendo così potenzialmente esposte alla corrosione.

Cosa succede se viene utilizzata cenere volante Micro-Pozz PFA nel confezionamento del calcestruzzo?

Ci si potrebbe chiedere se la presenza di questa componente, che comporta a sua volta un consumo di Ca(OH)₂ durante la reazione pozzolanica, possa in qualche modo contribuire alla riduzione del pH e quindi velocizzare il fenomeno della carbonatazione. Ebbene, è stato messo in evidenza (vedi “Concretum” di Luigi Coppola, ed. McGraw-Hill) che per parziali sostituzioni del cemento fino al 10-15%, i valori di pH risultano dell’ordine di 13, pertanto non si teme nessun “effetto collaterale”. Addirittura, per dosaggi di cenere superiori, il valore del PH della matrice cementizia torna a aumentare (Figura 3), probabilmente grazie agli alcali apportati dalla cenere stessa.

Inoltre, cosa forse più importante, il processo della carbonatazione è governato fondamentalmente dalla porosità del materiale.

Pertanto, siccome la presenza di cenere volante migliora la struttura della matrice cementizia, riducendone la porosità, i calcestruzzi confezionati con tale aggiunta non mostrano in generale alcuna penalizzazione in termini di carbonatazione. Anzi, se l’impiego della cenere determina incrementi prestazionali (come generalmente avviene), anche la velocità di carbonatazione sarà inferiore. [...]

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Per ogni classe di esposizione, l'articolo fornisce una panoramica sui vantaggi che derivano dall'uso della cenere volante Micro-Pozz PFA nel confezionamento del calcestruzzo.