Penetrazione dei cloruri nelle strutture in calcestruzzo armato

I cloruri attaccano le opere in c.a. esponendole al degrado

Nella veste di ispettore ponti, di Tecnologo ed esperto in degrado dei materiali, nonché di docente universitario, in questi appunti tratti dal mio taccuino del professionista affronto considerazioni sia teoriche che operative. La fase di sopralluogo ed ispezione visiva è di fondamentale importanza per concepire innanzitutto l’assetto statico della struttura, definire il tipo di degrado, la sua estensione, le possibili conseguenze sul comportamento strutturale ed ipotizzare i possibili interventi di risanamento.

IMMAGINE 1: Dalle aule universitarie al cantiere: un unico approccio ai problemi relativi alle strutture esistenti

I cloruri sono naturalmente presenti nell’acqua di mare e, pertanto, tutte le opere marittime in calcestruzzo armato risultano potenzialmente vulnerabili al loro attacco. I cloruri sono anche presenti artificialmente nei sali disgelanti e, laddove utilizzati, rendono particolarmente esposte a degrado tutte le opere in c.a. di tipo autostradale e le pavimentazioni esterne. I cloruri, oltre ad aggredire le barre di armatura, possono danneggiare in modo diretto anche il calcestruzzo.

IMMAGINE 2: esempio di degrado di una parte della “membrana” in calcestruzzo armato del ponte sul Basento a Potenza di Sergio  Musmeci: si nota il ruscellamento delle acque provenienti dalla sede stradale, molto probabilmente contaminate da cloruri provenienti, nel periodo invernale, dai sali disgelanti (dato che viene normalmente confermato attraverso opportune analisi chimiche). 

Problema: diffusione dei cloruri in un calcestruzzo non fessurato

La corrosione delle barre di armatura ad opera dell’anidride carbonica o dei cloruri è un processo elettrochimico molto complesso che si manifesta in presenza di ossigeno e di acqua. In queste condizioni, il ferro metallico si trasforma chimicamente in ossido o idrossido di ferro formando la cosiddetta ruggine.

È importante distinguere l’azione dell’anidride carbonica, che distrugge completamente il film protettivo delle barre provocando corrosione diffusa, dall’azione dei cloruri che provocano una corrosione localizzata. Il contenuto critico dello ione cloruro all’interfaccia calcestruzzo-barra – affinché si creino le condizioni per l’attacco corrosivo - è dell’ordine dello 0,5% sul peso del cemento.

Quando l’acqua ristagna nei pori, i cloruri si muovono lungo la direzione x - ortogonale alla superficie di contatto e sotto la spinta di un gradiente di concentrazione ∂c/∂x  - in accordo alla seconda legge di Fick:

dove D è il coefficiente di diffusione il cui valore dipende dal rapporto a/c, dal tempo di stagionatura e dal tipo di cemento.

Il modello riportato in letteratura ha lo scopo di studiare l’evoluzione del degrado della struttura nel tempo. Si può studiare il periodo di innesco della corrosione attraverso le leggi che regolano la diffusione delle specie aggressive attraverso il copriferro: una volta che la corrosione è iniziata, si potrà stimare la velocità con cui si sviluppa il degrado delle barre di armatura.

Secondo l’approccio previsto nel Codice Modello per la vita di servizio, il processo diffusivo monodimensionale viene studiato attraverso l’equazione modificata per considerare la presenza di uno strato Δ_x in cui la diffusione non segue la legge di Fick, nel modo seguente: 

Dove:

• C(x=a,t)  è il contenuto di cloruri al livello dell’armatura al tempo t (% in peso/cemento); 
• a è lo spessore di copriferro (mm); 
• C_S,∆x  è il contenuto di cloruri alla profondità ∆_x  dopo un tempo t; 
• C₀è il contenuto iniziale di cloruri nel calcestruzzo (% in peso/cemento); 
• D_app,c (t) è il coefficiente di diffusione apparente dei cloruri attraverso il calcestruzzo (mm2/s); 
• t è il tempo in anni. 

La funzione di errore erf(z) si può esprimere come:

Il coefficiente di diffusione apparente D_app,c (t) viene valutato come:

D_app,c (t)=k_e∙D_RCM,O∙k_t∙A(t)

La funzione A(t) è legata all’invecchiamento del calcestruzzo: 

Dove:

• a è caratterizzato da un valore medio di 0.3 per il cemento Portland; t₀= 28 gg = 0.0767 anni;
• k_e e k_t  possono essere posti pari ad 1;
• il coefficiente D_RCM,O si può porre pari a 10∙10^-12 (m²/s);
• la concentrazione critica considerata dal Codice Modello ha un valore medio di 0.6%, mentre in (Gjørv, 2009) si raccomanda di utilizzare il valore di 0.4%. Solitamente assumiamo lo 0,5%.

Problema: diffusione dei cloruri in un calcestruzzo fessurato

Nel caso di calcestruzzo fessurato da sollecitazioni non riconducibili alla corrosione, i parametri  w, s_m e D_cr, sono rispettivamente l’ampiezza media delle fessure [m], la distanza tra le fessure [m] e il coefficiente di diffusione all’interno delle fessure [m²/s]. Il valore del coefficiente di diffusione medio D_av  è pari a quello apparente – discusso precedentemente - più una parte relativa alla fessurazione, secondo l’equazione: 

I valori assunti dai parametri sono generalmente:

• D_cr=5∙10^-10 (m²/s) ritenuto pressoché costante;
• w, s_m devono essere inputati lato per lato della sezione

Possibile soluzione del problema: le tecniche di intervento

Come precedentemente accennato, solo quando il progettista avrà ben chiaro il problema, potrà procedere alla progettazione degli interventi di ripristino, indicando – secondo la UNI EN 1504 – le opportune strategie di intervento.

Lo scopo sarà quello di ricreare la sagoma di progetto in corrispondenza dei punti degradati per garantire la monoliticità fra il vecchio calcestruzzo ed il nuovo assicurando la resistenza agli agenti aggressivi specifici dell’ambiente di esercizio.

Per quanto concerne gli interventi corticali bisogna distinguere se il danno è all’intradosso o all’estradosso dell’elemento dell’opera d’arte al fine di determinare il corretto iter operativo. 

La risoluzione del caso preso in esame all’inizio di questo contributo può essere sintetizzato nella figura 14, mentre di seguito si affrontano nel dettaglio le fasi operative relative alla tecnica di ripristino indicata per medi spessori da 10 a 50 mm:

• A. Asportazione del calcestruzzo degradato;
• B. Pulizia dei ferri di armatura;
• C. Applicazione del passivante cementizio;
• D. Posizionamento di eventuali armature aggiuntive;
• E. Pulizia e saturazione del supporto in calcestruzzo;
• F. Ripristino della superficie con malta R4 di tipo CC;
• G. Applicazione della malta da rasatura protettiva R1.

Nel caso specifico – attacco chimico - è possibile fare utile riferimento, ad esempio, alla scheda tecnica A.04.14 di FIBRE NET. L’azienda da anni sviluppa una serie completa di soluzioni tecniche che rispondono efficacemente alle problematiche delle grandi opere; STRUTTURA, INTEGRA, ACQUA, EPOCA e MATERIA sono linee tecniche complete di prodotti aderenti ai requisiti richiesti dai principali gestori stradali e ferroviari atte per far fronte agli gli interventi di ripristino e adeguamento degli elementi strutturali in conglomerato cementizio armato, precompresso e per opere in muratura. Nel dettaglio, sinteticamente, si veda come Fibre Net risponde con prodotti specifici al caso di specie.

Maggiori approfondimenti sono disponibili nei cicli e nei dwg scaricabili sul sito di Fibre Net in cui viene esplicitato l’intervento completo attraverso l’utilizzo dei prodotti rispondenti a quanto sopra descritto. 

 

IMMAGINE 4: “Ripristino di strutture in calcestruzzo con malta tixotropica strutturale R4 espansiva in aria senza armatura di contrasto e finitura di protezione.”

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Fibre Net sviluppa e produce in Italia prodotti e sistemi certificati di ripristino e di rinforzo strutturale che trovano utilizzo nell’ambito degli interventi di risanamento, consolidamento e rafforzamento del patrimonio infrastrutturale esistente; ogni giorno traduce le esigenze progettuali ed esecutive della committenza sviluppando soluzioni tecniche e prodotti, anche customizzati, in grado di rispondere efficacemente alle differenti problematiche del cantiere.

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La divisione Infrastrutture di Fibre Net non si occupa solo di sviluppo di prodotto, ma fornisce anche servizi aggiuntivi utili a migliorare e snellire l’iter lavorativo attraverso il supporto al personale tecnico e alle maestranze sia in fase di formazione che di assistenza in cantiere coadiuvando l’impresa nelle operazioni di preparazione e di posa in opera dei materiali.