Le classi di esposizione del calcestruzzo della norma UNI 11104:2016

Classi di Esposizione del Calcestruzzo secondo la Norma UNI 11104:2016

Il calcestruzzo è un materiale fondamentale nell'ingegneria civile, la cui durabilità e resistenza sono influenzate significativamente dall'ambiente in cui è collocato.

La norma italiana UNI 11104:2016 specifica le classi di esposizione del calcestruzzo, essenziali per garantire la vita di servizio attesa delle strutture.

Queste classi sono determinate in base all'aggressività ambientale e sono cruciali per la selezione dei materiali e delle metodologie di costruzione appropriate.

 

Durabilità: Classificazione Generale

Le classi di esposizione del calcestruzzo sono categorizzate per identificare l'ambiente specifico al quale il calcestruzzo sarà esposto durante la sua vita utile.

Fino a qualche decennio fa si pensava che il calcestruzzo fosse immune dagli agenti aggressivi. A partire dagli anni ottanta, i progettisti hanno cominciato a concepire le strutture non solo sul piano delle prestazioni meccaniche, ma anche in termini di durabilità.

Infatti, l'adozione di bassi rapporti acqua/cemento a pari lavorabilità, grazie all'uso di riduttori di acqua, ha comportato un notevole passo avanti in materia di durabilità.

Spesso, lo strutturista, eseguite le verifiche agli SLE (Stati limite di esercizio) e agli SLU (Stati limite ultimi), si trova ad incrementare la classe di resistenza del calcestruzzo per rendere compatibile la struttura alla classe di esposizione richiesta.

La normativa divide l'esposizione in diverse classi principali, ognuna rappresentativa di specifiche condizioni ambientali che possono influenzare la durabilità del calcestruzzo:

• X0: Nessun rischio di corrosione o attacco chimico. Adatto per calcestruzzo non armato in ambienti interni secchi o in acqua dolce non aggressiva.
• XC (Corrosione indotta da carbonatazione): Varia da XC1 a XC4, incrementando il rischio a seconda dell'umidità e della frequenza di bagnatura.
• XD (Corrosione indotta da cloruri esclusi quelli marini): Include classi da XD1 a XD3, per calcestruzzi esposti a cloruri come quelli da sali disgelanti.
• XS (Corrosione indotta da cloruri marini): Da XS1 a XS3, specifica per strutture vicino o immerse in acqua di mare.
• XF (Danno da cicli gelo/disgelo): Ranges da XF1 a XF4, considerando la presenza di disgelanti e la saturazione del calcestruzzo.
• XA (Attacco chimico): Classi da XA1 a XA3 basate sulla concentrazione di sostanze chimiche aggressivo nell'ambiente.

 

Considerazioni specifiche sulle classi di esposizione del calcestruzzo 

Per ciascuna classe di esposizione, la norma prescrive particolari misure di precauzione e specifiche tecniche per il calcestruzzo, come il rapporto massimo acqua/cemento e il contenuto minimo di cemento per garantire le prestazioni ottimali e la durabilità della struttura.

Ad esempio, per ambienti con potenziale esposizione a cicli di gelo/disgelo, in alcuni casi è previsto un contenuto minimo di aria inglobata per prevenire danni strutturali.

Le specifiche delle classi di esposizione influenzano direttamente la selezione dei materiali, la formulazione del mix di calcestruzzo e le tecniche di protezione della superficie.

La corretta classificazione aiuta gli ingegneri e i costruttori a prevedere e mitigare i rischi legati all'ambiente operativo della struttura, aumentando significativamente la sua longevità e funzionalità.

Classe X0: nessun rischio di Corrosione o attacco Chimico

La classe X0 rappresenta una categoria di esposizione del calcestruzzo dove non vi è alcun rischio di corrosione delle armature metalliche o attacco chimico: rappresenta quindi la condizione più blanda fra tutte quelle a cui può andare incontro il calcestruzzo in opera.

La norma UNI 11104:2016 identifica la classe X0 come adatta per il calcestruzzo utilizzato in ambienti che non espongono il materiale a sostanze o condizioni aggressive.

La classe X0 è ideale per calcestruzzi utilizzati all'interno di edifici, dove il controllo dell'umidità e l'assenza di esposizione a sostanze aggressive possono significativamente estendere la vita utile del materiale.

Secondo la normativa, il calcestruzzo classificato come X0 può essere utilizzato nelle seguenti situazioni:

• Calcestruzzo non armato o con armatura, purché situato in ambienti interni con condizioni di umidità molto bassa, come magazzini o edifici residenziali senza esposizione a condizioni di umidità elevata.
• Strutture immerse in acqua dolce non aggressiva, come serbatoi di acqua potabile, dove l'acqua trattata non presenta agenti aggressivi.
• Componenti non esposti a cicli di bagnato/asciutto, evitando così il rischio di deterioramento dovuto a fluttuazioni termo-igrometriche.

Per il calcestruzzo classificato X0, la norma non impone requisiti stringenti relativi al rapporto acqua/cemento o al contenuto minimo di cemento, dato che non ci sono preoccupazioni significative per la corrosione o l'attacco chimico.

Tuttavia, è essenziale mantenere standard corretti nella qualità del mix e nel processo di cura per garantire la durabilità meccanica del calcestruzzo.

Anche in assenza di requisiti specifici per la resistenza agli agenti aggressivi, la selezione di materiali di alta qualità rimane cruciale per garantire la resistenza meccanica e la durabilità a lungo termine del calcestruzzo. Inoltre la corretta scelta del mix design - collegata ad altre variabili del getto, come le dimensioni, le modalità di posa, la presenza di armature più o meno fitte, le prestazioni meccaniche attese … - resta un elemento essenziale in quanto problemi dovuti a sviluppo di calore, di segregazione, di bleeding possono sussistere anche in questi prodotti.

In conclusione classe X0, sebbene rappresenti un ambiente relativamente "sicuro" per il calcestruzzo, richiede comunque un'attenta considerazione durante la progettazione e la costruzione delle strutture. Assicurare una buona pratica di confezionamento e cura del calcestruzzo può prevenire problemi futuri non legati a corrosione o attacchi chimici, ma piuttosto a questioni di resistenza e integrità strutturale nel lungo periodo.

Questa classe offre una grande opportunità per l'utilizzo di calcestruzzi in condizioni ottimali, riducendo così la necessità di interventi manutentivi e aumentando l'efficienza dei costi legati alla durata delle strutture.

 

Classe XC: corrosione indotta da Carbonatazione

La classe di esposizione XC si riferisce al rischio di corrosione delle armature del calcestruzzo indotta dalla carbonatazione, un processo chimico in cui il diossido di carbonio nell'aria reagisce con l'idrossido di calcio nel calcestruzzo per formare carbonato di calcio.

Questo processo riduce l'alcalinità del calcestruzzo, compromettendo la passivazione dell'acciaio di rinforzo e aumentando il rischio di corrosione.

La norma UNI 11104:2016 suddivide la classe XC in quattro sottoclassi che riflettono l'intensità e la frequenza dell'esposizione all'umidità.

Il meccanismo del degrado

La carbonatazione del calcestruzzo è un processo chimico fondamentale che coinvolge tre componenti essenziali: il diossido di carbonio (CO₂), l’idrossido di calcio (Ca(OH)₂) e l’acqua (H₂O).

La carbonatazione avviene quando il CO₂ presente nell’aria penetra nel calcestruzzo e raggiunge l’idrossido di calcio, reagendo.

La reazione chimica di base può essere descritta dalla seguente equazione:

CO₂ + CA(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

Questo processo trasforma l’idrossido di calcio, componente alcalino del cemento, in carbonato di calcio (CaCO₃), un composto molto meno solubile e più stabile.

 

Importanza della presenza dei tre componenti

1. Diossido di Carbonio (CO₂) (Anidride Carbonica): La CO₂ è il reagente che inizia la carbonatazione. Senza la sua presenza nell’ambiente circostante, la reazione non può avvenire. La CO₂ entra nel calcestruzzo attraverso i pori esposti all’aria e si diffonde attraverso la matrice porosa del materiale.

2. Idrossido di Calcio (Ca(OH)₂): Presente nel calcestruzzo come risultato del processo di idratazione del cemento, l’idrossido di calcio fornisce la base alcalina necessaria per reagire con il CO₂. Questa componente è abbondante nel calcestruzzo fresco e svolge un ruolo cruciale nella protezione della passivazione delle armature metalliche, grazie all’ambiente alcalino che crea.

3. Acqua (H₂O): L’acqua è un catalizzatore essenziale nella reazione di carbonatazione. Serve come mezzo di trasporto per la CO₂ attraverso i pori del calcestruzzo e facilita la reazione tra la CO₂ e l’idrossido di calcio. Senza una quantità sufficiente di umidità, la velocità di carbonatazione sarebbe notevolmente ridotta poiché la CO₂ non si diffonderebbe efficacemente all’interno del calcestruzzo.

In sostanza, l'anidride carbonica prepara le condizioni affinché si possa propagare la corrosione delle barre di armatura in presenza simultanea di acqua e ossigeno.

Il noto diagramma di Tuutti, nel piano tempo-degrado, sintetizza il fenomeno dell' innesco e propagazione della corrosione in funzione delle condizioni al contorno: concentrazione di CO2, spessore copriferro, resistenza a compressione del calcestruzzo ecc...

 

Carbonatazione: effetto positivo e negativo 

La carbonatazione, seppur riduca l'alcalinità del calcestruzzo, può incrementare la durezza e migliorare la resistenza alla penetrazione di acqua nel calcestruzzo senza armature. Questo accade perché il processo di carbonatazione trasforma l'idrossido di calcio, relativamente solubile, in carbonato di calcio, che è molto meno solubile e può contribuire a sigillare i pori del calcestruzzo, aumentando così la sua densità e durabilità.

Inoltre è un processo che ASSORBE CO2 quindi positivo dal punto di vista della sostenibilità.

Questa reazione riduce però l’alcalinità del calcestruzzo, che è un fattore critico per la passivazione delle armature in acciaio. In condizioni normali, l’ambiente alcalino del calcestruzzo protegge l’acciaio dalla corrosione. Tuttavia, quando l’alcalinità diminuisce a seguito della carbonatazione, l’acciaio perde questa protezione naturale e inizia a corrodersi quando esposto all’umidità.

In ambienti caratterizzati da cicli di bagnato e secco come quelli classificati sotto XC4, il calcestruzzo è periodicamente saturato e poi lasciato asciugare. Questi cicli facilitano una più rapida diffusione della CO₂ all’interno del calcestruzzo poiché l’umidità in movimento trasporta la CO₂ più in profondità nel materiale durante la fase bagnata e l’esposizione all’aria accelera la carbonatazione durante la fase secca. Ecco perchè vi sono esigenze di prestazioni più elevate per la sottoclasse XC4 rispetto ad altre sottoclassi XC.

Vediamo ora un dettaglio delle diverse sottoclassi della XC.

 

XC1: Permanentemente Secco

Ambienti interni dove l'umidità relativa dell'aria è costantemente bassa.

Esempi applicativi: Calcestruzzo utilizzato in ambienti interni come magazzini o archivi dove non ci sono significative variazioni di umidità.

 

XC2: prevalentemente bagnato

Calcestruzzo che rimane prevalentemente bagnato come strutture esposte a condensa o immersione continua in acqua.

Esempi applicativi: Fondazioni che sono frequentemente sotto il livello dell'acqua o strutture in zone ad alta umidità.Prescrizioni:

é fondamentale l'uso di calcestruzzo con una bassa permeabilità per limitare l'ingresso di CO2 e la conseguente carbonatazione.

 

XC3: Moderata o Alta umidità dell'Aria

Strutture esposte a condizioni di umidità ambientale da moderata ad alta, ma protette dalla pioggia diretta.

Esempi applicativi: Parti di strutture in ambienti coperti ma non completamente chiusi come parcheggi coperti o stadi.

Prescrizioni: È necessario un calcestruzzo con un rapporto acqua/cemento basso e, possibilmente, un trattamento superficiale che limiti l'ingresso di CO2 per proteggere l'acciaio dall'ossidazione.

 

XC4: ciclicamente bagnato e Secco

Condizioni ambientali in cui il calcestruzzo è soggetto a cicli di bagnato e asciutto.

Esempi applicativi: Strutture esposte a spruzzi d'acqua o in zone con variazioni significative di umidità, come le parti esterne dei ponti o i balconi.

Prescrizioni: Simili a XC3, con l'aggiunta della necessità di un'attenzione particolare alla qualità dell'esecuzione e alla manutenzione, per prevenire danni dovuti alla carbonatazione accelerata a causa dei cicli di bagnato e asciutto.

Per tutte le sottoclassi XC, è cruciale una buona pratica costruttiva, oltre ad una opportura maturazione dei getti, per assicurare la durabilità del calcestruzzo. Il copriferro (come specificato dall'EC2) deve essere di spessore adeguato peruna corretta protezione delle armature. Occorre utilizzare miscele di calcestruzzo con rapporti acqua/cemento bassi, additivi riduttori di acqua ed eventuali aggiunte minerali che migliorano la microstruttura, ottimizzano l'impatto ambientale ed incrementano la resistenza alla penetrazione del CO2.

Per quanto riguarda il controllo e la manutenzione le strutture devono essere regolarmente ispezionate e manutenute per identificare e mitigare precocemente eventuali segni di cedimento strutturale o degrado da carbonatazione.

La gestione attenta di questi fattori è essenziale per preservare l'integrità strutturale del calcestruzzo e prevenire la corrosione delle armature nel lungo termine nelle diverse condizioni ambientali rappresentate dalle sottoclassi XC.

  

Le prestazioni in sintesi della UNI 11104:2016

XC1: Permanentemente Secco

• Rapporto massimo acqua/cemento: 0,60
• Classe minima di resistenza alla compressione: C25/30
• Contenuto minimo di cemento: 300 kg/m³
  

XC2: Prevalentemente Bagnato

• Rapporto massimo acqua/cemento: 0,60
• Classe minima di resistenza alla compressione: C25/30
• Contenuto minimo di cemento: 300 kg/m³

XC3: Moderata o Alta Umidità dell’Aria

• Rapporto massimo acqua/cemento: 0,55
• Classe minima di resistenza alla compressione: C30/37
• Contenuto minimo di cemento: 320 kg/m³

XC4: Ciclicamente Bagnato e Secco

• Rapporto massimo acqua/cemento: 0,50
• Classe minima di resistenza alla compressione: C32/40
• Contenuto minimo di cemento: 340 kg/m³

Correlazione cemento - carbonatazione

La correlazione tra le diverse tipologie di cemento e il processo di carbonatazione è un aspetto importante per comprendere la durabilità del calcestruzzo.

Il tipo di cemento utilizzato nella miscela del calcestruzzo può significativamente influenzare la velocità e l’estensione della carbonatazione, influenzando di conseguenza la longevità e la sicurezza delle strutture in cemento armato.

Il cemento Portland è relativamente permeabile al CO₂ a causa della sua alta alcalinità e del pH elevato, che può accelerare il processo di carbonatazione quando esposto a CO₂ e umidità. Tuttavia, offre una resistenza iniziale elevata, che può essere un vantaggio in termini di resistenza meccanica.

I cementi Compositi (Blended Cements), che sono Mixture di cemento Portland con materiali come ceneri volanti, scorie di altoforno, o silica fume, possono mostrare una minore velocità di carbonatazione rispetto al cemento Portland puro, grazie alla loro minore alcalinità e ai materiali aggiuntivi che possono riempire i pori nel calcestruzzo, riducendo la permeabilità al CO₂. Le ceneri volanti, in particolare, possono ridurre la porosità migliorando la distribuzione dei pori.

Inoltre l’utilizzo di silice fume e ceneri volanti (fly ash) nel calcestruzzo influisce significativamente sulla chimica del cemento, incluso l’impatto sulla quantità di idrossido di calcio disponibile, che è un fattore chiave nella carbonatazione.

I cementi con Scorie di Altoforno, in cui vi è una sostituzione parziale del clinker con scorie granulate di altoforno, possono comportarsi meglio. Le scorie di altoforno possono aumentare la densità del calcestruzzo e migliorare la resistenza agli ambienti aggressivi, ma possono essere soggette a una carbonatazione più rapida in presenza di elevata umidità e CO₂ a causa della riduzione dell’alcalinità del materiale.

I cementi con Silice Fume possono anch’essi avere una maggiore resistenza alla carbonatazione: il silice fume può significativamente ridurre la porosità del calcestruzzo, incrementando la resistenza alla penetrazione di CO₂ e rallentando il processo di carbonatazione. Questo materiale migliora anche la resistenza del calcestruzzo a molti tipi di aggressioni chimiche.

La scelta del tipo di cemento per un particolare progetto di costruzione dovrebbe considerare l’ambiente esposto e le specifiche esigenze di durabilità del calcestruzzo. Mentre alcuni tipi di cemento possono offrire vantaggi in termini di resistenza iniziale o lavorabilità, altri possono essere più vantaggiosi per ridurre il rischio di carbonatazione e prolungare la vita utile delle strutture in calcestruzzo.

Conclusioni

Si auspica che i progettisti (relazione sui materiali), direttori dei lavori (controlli di accettazione) ed imprese (messa in opera del calcestruzzo e maturazione dei getti) prendano atto di tali indicazioni normative al fine di migliorare le prestazioni delle strutture in termini di durabilità e sostenibilità.