Sistemi innovativi per il monitoraggio continuo della durabilità delle infrastrutture in calcestruzzo

Le infrastrutture in calcestruzzo costituiscono uno dei punti cardine per lo sviluppo economico delle popolazioni. Tuttavia, esse richiedono interventi di ispezione e manutenzione che ne garantiscano la funzionalità nel tempo. Tali ispezioni sono tipicamente programmate con cadenze periodiche, ma possono non essere sufficienti a prevenire l’insorgere di problemi legati alla loro durabilità. Quando questi si verificano occorre infatti eseguire interventi di manutenzione straordinaria che comportano disagi per gli utenti e costituiscono una voce di costo aggiuntiva rispetto ai normali costi di gestione. 

Il monitoraggio continuo della durabilità delle infrastrutture permette un cambio di paradigma nella loro gestione, consentendo il passaggio da una manutenzione programmatica all’attuazione di strategie di manutenzione predittiva, con un conseguente incremento della sicurezza della struttura nonché una riduzione dei costi di gestione. Questo lavoro ha come obbiettivo quello di fornire una breve panoramica sui sistemi di monitoraggio della durabilità di strutture in calcestruzzo armato sviluppati dall’Università Politecnica delle Marche, con particolare focus sui metodi di misura del potenziale di libera corrosione e della spettroscopia di impedenza elettrochimica.

L’importanza della durabilitá nelle infrastrutture

Il settore delle costruzioni, fondamentale per sostenere la crescita della popolazione attraverso la realizzazione di infrastrutture e abitazioni, consuma quasi il 40% delle risorse energetiche del pianeta. Per diminuire questi elevati consumi energetici a vantaggio di un’ormai inderogabile sostenibilità, diventa fondamentale garantire la durabilità delle strutture, intesa come la capacità della struttura di conservare la propria funzionalità per la vita utile di progetto (generalmente pari a 10 anni per le strutture provvisorie, > 10 anni per i componenti sostituibili, a 50 anni per le opere ordinarie e a 100 anni per le grandi opere di importanza strategica).
Un prematuro degrado, infatti, impatta fortemente sui costi energetici della struttura durante la sua vita in servizio, a causa dei costosi lavori di restauro e ripristino (manutenzione straordinaria). In particolare le gallerie, infrastrutture di elevato impatto economico e sociale, sono esposte ad agenti aggressivi tipici dell’ambiente stradale. Basti pensare all’anidride carbonica, che carbonatando il copriferro in presenza di umidità può innescare la corrosione delle armature, agli ioni solfato, che penetrando dal terreno circostante, sempre in presenza di umidità, reagiscono con la matrice cementizia e formano prodotti espansivi (gesso, ettringite e thaumasite), per non parlare del degrado fisico per gelo e disgelo e il degrado meccanico dovuto all’abrasione delle superfici. Pertanto, almeno ogni 2 anni le gallerie necessitano di estensivi interventi di manutenzione.

Ogni attività di manutenzione generalmente costa fino al 2% del costo totale dell’intera struttura. In generale, è stato stimato che nei paesi sviluppati i costi per la manutenzione e la riparazione delle strutture in calcestruzzo è circa il 3-4% del prodotto nazionale interno lordo.

Su cosa si può agire per aumentare la durabilità di una infrastruttura?

Per aumentare la durabilità delle infrastrutture si può agire sulla durabilità dei materiali, ove per durabilità del materiale si intende la sua capacità di resistere alle azioni aggressive dell’ambiente in cui opera.

La durabilità del calcestruzzo, materiale poroso, dipende fondamentalmente dal volume e dalla dimensione dei pori accessibili, variabili con il grado di idratazione e il rapporto a/c che, oltre a influenzare le prestazioni meccaniche del materiale, permettono anche la penetrazione dell’acqua e degli ioni aggressivi in essa disciolti.
La norma UNI-EN 206 definisce diverse classi di esposizione ambientale delle strutture in calcestruzzo e in rapporto alle differenti condizioni di aggressività impone, oltre allo spessore minimo di copriferro, il rispetto di parametri composizionali (massimo rapporto a/c, minimo dosaggio di cemento e minimo volume di aria nel caso di esposizione a cicli di gelo e disgelo) e prestazionali (resistenza caratteristica minima). É comunque necessario precisare che fenomeni di ritiro autogeno, plastico, igrometrico e di creep, così come carichi dinamici e ciclici, urti indotti da movimentazione di elementi prefabbricati, gradienti termici, o la stessa formazione di prodotti di degrado espansivi, causano fessurazioni. La fessurazione apre vie preferenziali alla penetrazione degli agenti aggressivi nella matrice cementizia anche in un calcestruzzo di per sé adeguatamente impermeabile. 

La durabilità del calcestruzzo, pertanto, costituisce una condizione necessaria ma non sufficiente a garantire la durabilità della struttura.

Come suggerito dalle Norme Tecniche delle Costruzioni, Cap. 2 Sicurezza, prestazioni attese, azioni sulle costruzioni, una volta identificate le condizioni ambientali e i relativi effetti in fase di progetto, il requisito di durabilità delle varie tipologie strutturali può essere soddisfatto non solo attraverso la scelta opportuna di materiali durevoli, ma anche attraverso il dimensionamento opportuno delle strutture, la scelta appropriata dei dettagli costruttivi, l’applicazione di protezioni aggiuntive in ambienti particolarmente aggressivi (calcestruzzo idrofobizzato, armature in acciaio inox o zincate, prevenzione/protezione catodica, cercando sempre di trovare il giusto compromesso tra costi e benefici) e soprattutto l’adozione di sistemi di controllo, passivi o attivi, adatti alle azioni e ai fenomeni ai quali l’opera può essere sottoposta. 

Il monitoraggio della durabilitá 

Secondo la Legge di de Sitter, è noto che il costo per ripristinare le strutture in calcestruzzo armato degradate aumenta esponenzialmente con lo stato di degrado al momento dell’intervento (Figura 1a). Pertanto, è evidente che sia necessario mettere in atto dei sistemi di ispezione capaci di rilevare quanto prima l’instaurarsi di condizioni favorevoli al degrado di una struttura.

Controllare la fessurazione e/o la penetrazione di agenti aggressivi nelle infrastrutture diventa importante per velocizzare gli interventi, così da ridurre i costi di manutenzione e aumentare la loro sicurezza, considerando anche gli eventi catastrofici che le hanno recentemente coinvolte (es: Collasso del Ponte Morandi, 14 Agosto 2018, Figura 1b). 

Figura 1: La Legge del 5 nel Diagramma di Tuutti (a) e il Collasso del Ponte Morandi (b).

La verifica della durabilità delle strutture avviene attualmente attraverso un percorso metodologico basato inizialmente sull'analisi visiva, per rilevare eventuali fenomeni visibili di degrado, e sull'acquisizione di dati storico-geografici.
Queste informazioni sono complementari a quelle ottenute dai successivi controlli periodici (ispezioni) in situ (non distruttivi) e di laboratorio (distruttivi).
I principali controlli distruttivi eseguiti su campioni estratti dalla struttura includono le analisi chimiche (diffrazione raggi X, cromatografia, analisi termiche, spettroscopia FT-IR), fisiche (porosimetria a intrusione di mercurio, microscopia ottica ed elettronica) e le prove di caratterizzazione meccanica dei materiali. I controlli non distruttivi in loco, focalizzati principalmente sulle caratteristiche elasto-meccaniche del calcestruzzo, sono invece le prove endoscopiche, sclerometriche, termografiche, di pull out, soniche e ultrasoniche. Si aggiungono le prove colorimetriche per rilevare la profondità di penetrazione di CO₂ e Cloruri e la mappatura del potenziale e le misurazioni della resistività elettrica per monitorare la corrosione delle armature nonché l’ingresso di vari agenti contaminanti.

Sistemi innovativi per il monitoraggio continuo della durabilitá: le esperienze CoSMoNet ed EnDurCrete

Il monitoraggio continuo di determinati parametri risulta essere un valido complemento, se non addirittura un’alternativa, alle ispezioni periodiche descritte in precedenza, data la maggiore possibilità di associare eventuali variazioni anomale dei parametri osservati a danneggiamenti e/o fenomeni di degrado incipienti. É evidente, pertanto, l’opportunità data da questi sistemi nel ridurre i costi di manutenzione e nel migliorare la sicurezza delle strutture attraverso interventi sempre più tempestivi.

L’impiego di strategie di monitoraggio continuo per la valutazione dello stato del calcestruzzo richiede altresì lo sviluppo di sensoristica dedicata da immergere nel materiale stesso. Recentemente sono stati ad esempio realizzate sonde di resistenza elettrica (ERP), sonde a macro coppia, pseudo-elettrodi di riferimento per misure del potenziale di libera corrosione (Ti attivato Mixed Metal Oxide (MMO), Zn) e sensori multi-parametrici.

Il potenziale di libera corrosione delle armature, ad esempio, è un parametro relativamente facile da misurare (Figura 2a) ma molto efficace per monitorare la durabilità di una struttura in calcestruzzo armato, perché il suo valore è influenzato non solo dallo stato corrosivo dell’armatura (il potenziale di libera corrosione si sposta verso valori più negativi all’aumentare della probabilità di corrosione delle armature), ma anche dalla presenza di umidità nel calcestruzzo che circonda l’armatura e, in particolare, dal grado di saturazione del calcestruzzo compreso tra il tratto di armatura monitorata e l’elettrodo di riferimento (Figura 2b). Un aumento di umidità del calcestruzzo può avvenire in relazione a un aumento di permeabilità della struttura causata dal danneggiamento di un trattamento superficiale protettivo o dalla comparsa di fessure. L'acqua è determinante per inficiare la durabilità delle strutture, anche perché trasporta i principali agenti aggressivi ed è il mezzo in cui avvengono le reazioni di degrado. 

Figura 2: Misura del potenziale di libera corrosione di un’armatura (a); effetto dell’umidità del calcestruzzo sul potenziale di libera corrosione (b). (P. Pedeferri, L. Bertolini, La durabilità del calcestruzzo armato, Ed. Mc Graw Hill).

Co.S.Mo.Net (Figura 3), acronimo di Concrete Structures Monitoring Network, con brevetto dell’Università Politecnica delle Marche, rappresenta un efficace ed economico sistema di misura del potenziale di libera corrosione finalizzato al monitoraggio continuo della durabilità di strutture in calcestruzzo armato come gallerie e ponti, dove è già stato, tra l’altro, applicato con successo. 

Figura 3: Il sistema di monitoraggio Co.S.Mo.Net.

Il sistema monitora i segnali provenienti da sonde di misura (Figura 4) inglobate nel calcestruzzo. Nel caso di strutture di nuova costruzione, le sonde vengono localizzate dove la probabilità di fessurazione dell’elemento strutturale è più elevata, ad esempio nelle zone di concentrazione degli sforzi strutturali o laddove vi è una maggiore deformabilità o condizioni di esposizione degli elementi particolarmente critiche per via di eventuali fenomeni di ritiro termico, igrometrico o di fatica. Nel caso di strutture già esistenti, le sonde vengono inserite preferibilmente in quelle zone che sono risultate le più danneggiate da indagini effettuate prima dell’intervento di manutenzione e che quindi saranno probabilmente le più vulnerabili anche durante la futura esposizione in ambiente aggressivo.

Figura 4: Sonda di misura installata durante il getto del calcestruzzo.

I segnali provenienti dalle sonde vengono inviati ad un dispositivo periferico di telelettura, dove vengono opportunamente elaborati ed infine inviati ad un applicativo software centrale che, attraverso un’interfaccia dedicata, ne consente la visualizzazione e la gestione. Allarmi speciali vengono predisposti quando la variazione dei valori misurati supera una soglia di accettabilità precedentemente stabilita. Lo stesso applicativo consente di gestire più strutture, indipendentemente dalla loro localizzazione. 

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