Meccanismi di invecchia- invecchia-mento e danneggiainvecchia-mento

4.3.1 In generale

Dire che il cemento armato è composto di calce-struzzo ed armatura è un’affermazione piuttosto ri-duttiva. La stessa significa che si ha a che fare con una struttura composita la cui durevolezza dipen-de dalle caratteristiche dipen-delle singole componenti e dalle interazioni reciproche.

Non va inoltre dimenticato, che lo stesso calce-struzzo è un materiale composito fatto di cemen-to, materiale inerte, acqua d’impasto e aggiuntivi (additivo del calcestruzzo, materiale aggiuntivo).

Nel cap. 2.3 sono illustrate le problematiche ge-nerali sull’invecchiamento ed il danneggiamento e sull’importanza della distinzione tra influssi o ca-richi esterni ed interni. Riferito al cemento ar-mato ciò significa che le diverse componenti pos-sono subire danneggiamenti od invecchiamenti a dipendenza degli influssi/carichi esterni ed inter-ni. Siccome si tratta di una struttura composita è inoltre importante che le diverse componenti, da svariati punti di vista, siano reciprocamente com-patibili. Per ulteriori informazioni riguardanti la composizione ed il comportamento delle compo-nenti del cemento armato, si rimanda alla lettera-tura specialistica (ad es. riferita al calcestruzzo [4.8].

Se in questa sede sono trattate essenzialmente le problematiche del danneggiamento dell’arma-tura dovuto a corrosione,è perchè le ricerche hanno messo in evidenza che la stessa rappre-senta una delleparti più importanti dal punto di vista dei costi. Contemporaneamente non vanno comunque dimenticate le diverse categorie di danni causati al calcestruzzo dal gelo, dal sale antigelo, dalle acque aggressive e dalle reazioni al-caline. In considerazione del fatto che qualora si dovesse approfondire questo argomento lo spa-zio disponibile in questa sede non sarebbe suffi-ciente, si rimanda, per ulteriori approfondimenti, alla letteratura specialistica (ad es. [4.7]).

La tematica relativa alla corrosione viene trattata da noi ingegneri civili con un senso di disagio; e ciò soprattutto perchè abbiamo una certa diffi-coltà nel familiarizzare con i procedimenti elettro-chimici che stanno alla base della corrosione. È comunque necessario conoscere alcune condi-zioni di base importanti. A questo proposito esi-ste una letteratura comprensibile anche per spe-cialisti che non si occupano specificamente di cor-rosioni [4.6, 4.7].

4.3.2 Meccanismi e rischi di corrosione Uno dei presupposti essenziali per l’efficienza del cemento armato consiste nella protezione dello stesso da parte del calcestruzzo esterno medesi-mo. L’eventuale insorgenza della corrosione pre-suppone tre condizioni (vedi figura 4.9):

– deve essere presente un’elettrolita

– l’efficacia dello strato passivo deve essere an-nullato e

– l’ossigeno deve essere penetrato fino all’acciaio

Formazione di elettroliti [4.7]:

Il primo presupposto citato è adempiuto quando il calcestruzzo è umido. Tenuto conto che l’umidità penetra nel calcestruzzo anche mediante conden-sazione di vapore acqueo dall’aria (condensazio-ne capillare), per l’umidificazio(condensazio-ne del calcestruzzo non deve necessariamente essere presente dell’acqua in forma liquida. Comunque l’umidità dell’aria dei vani interni è di regola insufficiente per la formazione di elettroliti. All’aperto, per con-tro, la quantità di umidità è sufficiente per gene-rare un elettrolita nel calcestruzzo. Il contenuto proprio di umidità del calcestruzzo varierà a se-conda delle condizioni atmosferiche.

Figura 4.9 Influssi che determinano la corrosione dell’armatura nel calcestruzzo [4.7].

parametro della corrosione

Perdita della passivazione, secondo [4.7]:

Lo strato passivo sulla superficie dell’acciaio può essere

– soppresso mediante la carbonatazione del cal-cestruzzo (figura 4.10) oppure

– sfaldato mediante la presenza di sostanze che favoriscono la corrosione, ad es. di cloruri (fi-gura 4.11).

sente nell’aria reagisce con l’idrato di calcio del cal-cestruzzo trasformandosi in carbonato di calcio.

Contemporaneamente viene liberata acqua.

Come sostanze corrosive sono da segnalare, oltre ai cloruri, anche i composti di zolfo e soprattutto i solfati. Il ruolo dei cloruri nella corrosione è tratta-to in modo più esteso in quantratta-to rappresentano la quota più rilevante dei danni da corrosione ri-scontrati sull’acciao. Per ciò che concerne l’impor-tanza dei solfati si rimanda alla bibliografia che trat-ta più diffusamente questrat-ta tematica ad es. [4.8].

Ossigeno, secondo [4.7]:

Gli effetti provocati dall’ossigeno e dall’anidride carbonica sono differenti.

Tenuto conto che durante la penetrazione nel cal-cestruzzo l’anidride carbonica viene legata, la ve-locità di penetrazione del fronte di carbonatazione dipende anche dalle quantità di CO2addotta. Non sussistono, per contro, simili presupposti per ciò che concerne l’ossigeno.

Nel primo caso la corrosione possibile può esse-re definita «corrosione da carbonatazione» men-tre nel secondo caso si tratta di «corrosione da clo-ruro», se il fattore scatenante è considerato come criterio distintivo. Nella carbonatazione il CO2 pre-Figura 4.10 Profondità della carbonatazione in funzio-ne della durata con diverse condizioni di esposizione agli agenti atmosferici; [4.6]

diretto: esposizione alla pioggia indiretto: al coperto

Osservazione: i risultati illustrati nel dia-gramma sono da intendersi come esem-pio; nella prassi possono verificarsi delle variazioni nelle due direzioni; sia relativa-mente al decorso che alla profondità del-la carbonatazione.

Figura 4.11 Profondità di penetrazione dei cloruro in funzione al tempo [4.3].

Osservazione: i risultati illustrati nel dia-gramma sono da intendersi come esempi;

nella prassi possono verificarsi delle delle variazioni nelle due direzioni, sia relativa-mente al decorso che alla profondità di car-bonatazione.

1) Questo dato è riferito alla quota % dei cloruri sulla massa di cemento.

esposizione agli agenti atmosferici artificiali 20°C / 65% RL

esposizione agli agenti atmosferici naturali (indiretta)

esposizione agli agenti atmosferici naturali (diretta)

(anni) tempo

profondità di carbonatazione( mm )

profondità di penetrazione massima

profondità di penetrazione di 0,4 M% 1)

profondità di penetrazione (cm)

tempo t (anni)

Costruzioni in calcestruzzo

La sua velocità di diffusione dipende essenzial-mente dalla compattezza e dal contenuto in umi-dità della struttura. Per questo motivo l’ossigeno può avanzare più velocemente fino a raggiungere la superficie dell’acciaio sia sotto forma di gas sia sciolto in acqua che non il fronte della carbonata-zione. Le misurazioni del contenuto di ossigeno della superficie dell’acciaio sono oltremodo diffi-cili. I provvedimenti per la diminuzione del conte-nuto di ossigeno dell’acciaio, ad es. con dei rive-stimenti, sono interessanti soltanto quando la cor-rosione non può essere fermata attraverso l’eli-minazione di altri fattori di corrosione.

Affinchè possa manifestarsi la corrosione sulla su-perficie dell’acciaio, è necessario che l’acqua, l’os-sigeno ed i cloruri, rispettivamente il fronte della carbonatazione, siano penetrati nel calcestruzzo fi-no a raggiungere le componenti in acciaio. Le con-dizioni ottimali di penetrazione dipendono da di-versi fattori. Mentre un alto contenuto d’acqua ostacola in modo crescente la penetrazione di os-sigeno ed anidride carbonica, la penetrazione di sostanze corrosive, come CI-, è incentivata. In ca-so di un minimo contenuto d’acqua, l’ossigeno può penetrare con più facilità ma contempora-neamente viene impedita la reazione della carbo-natazione, perchè la stessa necessita di condizio-ni di umidità. La maggiore carbonatazione si ha con un contenuto d’acqua nel calcestruzzo che cor-risponde ad un’umidità relativa dell’aria situata tra il 40% ed il 60%. Con un simile tasso d’umidità il contenuto d’acqua nel calcestruzzo è general-mente insufficiente per la formazione di elettroliti e la corrosione non si verifica. Questa correlazio-ne è illustrata schematicamente correlazio-nella figura 4.12.

La stessa dimostra che in condizioni costanti di stratificazione le condizioni ottimali per una cor-rosione sono presenti solo in un ambito molto li-mitato. Al di fuori della stessa la corrosione non si verifica del tutto o soltanto molto lentamente. Co-sì, ad es., nei vani interni secchi non c’è pericolo di corrosione nonostante un tasso di carbonata-zione relativamente elevato.

Per la valutazione del rischio di corrosione ol-tre ai fattori menzionati nel cap. 4.2 comelo spes-sore e la compattezza dello strato di coper-tura del calcestruzzo ed i parametri di corro-sione illustrati in precedenza, sono necessari ulte-riori informazioni sui fattori di rischio che causa-no o sviluppacausa-no la corrosione. Indicazioni a que-sto proposito sono contenute nella figura 4.12 e nelle osservazioni seguenti [4.9]:

– Cloruri: nel calcestruzzo completamente alca-lino esiste il rischio di corrosione dell’armatura,

quando la concentrazione di cloruro rispetto al-la massa di cemento, è di > 0,4% CI-. Con l’au-silio di carote è possibile rilevare un profilo del-la profondità di penetrazione del cloruro, con una prospezione sulle zone ritenute soggette a pericolo imminente oppure solo minacciate op-pure ancora i settori sicuri dell’armatura.

– Inumidificazione: mediante controlli visivi o misurazioni della resistenza elettrica del calce-struzzo, è possibile individuare le zone con dei tassi di umidità troppo elevati. Particolare at-tenzione deve essere rivolta all’esposizione dell’elemento costruttivo,perchè soprattut-to la variabilità inumidificazione/essicazione del calcestruzzo aumenta fortemente il rischio di corrosione (in particolare se si è in presenza di cloruri).

– Carbonatazione:nel caso in cui le componen-ti in acciaio sono a contatto con calcestruzzo car-bonatizzato, cioè non sufficientemente alcalino, il rischio di una corrosione è importante. Ciò si verifica comunque soltanto nel caso in cui sia-no presenti ulteriori fattori di corrosione. La du-rata della penetrazione (e quindi il momento in cui si manifesta un pericolo acuto di corrosio-ne) non può assolutamente essere prevista soltanto con l’ausilio dei parametri del calce-struzzo (ad es. il fattore W/Z) o secondo una re-gola generale. Le condizioni di esposizione dell’elemento costruttivo (esposizione agli agenti atmosferici, protetto dalla pioggia, ecc.), sono altrettanto importanti.

Figura 4.12 L’interazione dei parametri di corrosione [4.7].

carbonatazione

umidità relativa del calcestruzzo

rata relativa di diffusione umidità relativa dell’aria permeabilità relativa probabile corrosione sull’acciaio

In base al rilevamento sperimentale dello stato di corrosione dell’armatura, delle conoscenze sui fat-tori di rischio e loro interazione come pure le con-dizioni d’uso attuali e future previste dell’opera, è possibile valutare il rischio di corrosione. Nella ta-bella 4.3 sono illustrati, in base ad una suddivisio-ne molto gesuddivisio-nerica, alcuni casi tipici. Nel calce-struzzo contenente cloruro e non carbonatizzato l’aggressione corrosiva si sviluppa quasi sempre nella forma di una corrosione profonda.

Una copertura dell’armatura secondo la norma ed un calcestruzzo compatto ostacolano fortemente la penetrazione di sostanze nocive e quindi l’in-sorgere della corrosione medesima [4.2 e 4.10].

Tabella 4.13 Prevedibile rischio di corrosione (rispetti-vamente possibile insorgere sul tondino per cemento armato nel calcestruzzo in funzione di diversi gradi di influenza [4.9]:

- minimo

+ da rilevante a grande ++ molto grande +++ corrosione continua

1) Queste indicazioni sono riferite alla quota % dei cloruri rispetto alla massa di cemento.

4.4 Riparazione del