Significations et usages de durabilità

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Secondo il D.M. 14.01.2008 la durabilità o durevolezza è definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali (quali il calcestruzzo) e delle strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano mantenuti durante tutta la vita dell'opera.

• La durabilità di un materiale, è la capacità di durare nel tempo resistendo alle azioni aggressive dell'ambiente in cui si trova. In linea di massima, per un calcestruzzo di buona qualità, in assenza di aggressioni, le proprietà del materiale dovrebbero migliorare, sia pure lentamente, a causa del continuo processo di reazione tra l'acqua e il cemento.

• La durabilità di una struttura in calcestruzzo, o in calcestruzzo armato normale o precompresso è la capacità di durare per l'intero periodo di vita atteso, garantendo il servizio per il quale la struttura stessa è stata progettata. In una definizione data dal comitato misto delle due associazioni internazionali FIP (Federation Internationale de la Precontrinte) e CEB (Comitè Eurointernational du Beton) la durabilità di una struttura viene espressa come attitudine di un'opera a sopportare attacchi di agenti aggressivi di diversa natura mantenendo inalterate le caratteristiche meccaniche e funzionali.

La durabilità del materiale è condizione necessaria ma non sufficiente per garantire la durabilità della struttura.

Esistono cause di degrado della struttura (errori di progettazione, errata messa in opera del calcestruzzo, ecc.) non imputabili ad una carente durabilità del materiale.

In linea di massima il 42% dei degradi rilevati è da attribuire ad un calcestruzzo non adeguatamente confezionato, il 22% per deficienza nella messa in opera del materiale, il 12% per errorri di progettazione, l'8% per sovraccarichi non adeguati all'uso, il 7% per fondazione non adeguate, il 4% per incendi, e il rimanete 5% per motivi vari.

Il vantaggio economico di realizzare un’opera con un calcestruzzo durabile è notevole, infatti l’impiego di un calcestruzzo durevole fa aumentare il costo del materiale del 10-20% , ma il costo dell’opera per non più dell’1%.

Tuttavia i costi di restauro per un'opera in calcestruzzo non durabile possono raggiungere fino a 125 volte il costo originale della stessa quando il degrado è così avanzato da rendere la stessa inservibile per le originali funzioni.

Principali cause di degrado del calcestruzzo

Anche un calcestruzzo di qualità scadente non si degrada se non esistono le condizioni aggressive dell'ambiente e d'altra parte, un ambiente aggressivo non provoca il degrado di un calcestruzzo adeguatamente durevole.

La durabilità è influenzata da numerosi fattori, interni ed esterni, che sono comunemente classificati come chimici, fisici e meccanici.

Difficilmente in un processo di degradazione esiste un solo fenomeno aggressivo: spesso più cause concorrono al deterioramento del materiale esaltandosi a vicenda.

Tuttavia esiste sempre quella che può essere definita la causa fondamentale.

Tra le cause più frequenti di degrado delle strutture in calcestruzzo ci sono:

• chimiche
  • Solfati (SO₄^-- e solfuri (S^--): il solfuro può essere presente in natura nei terreni, nelle acque di falda, di palude o di fogna. Esso può presentarsi come sale (per es. solfuro di ferro o pirite FeS₂) o come acido (idrogeno solforato o acido solfidrico H₂S). I solfati, che si trovano in natura nei terreni e nelle acque, specialmente quelle marine, è l'agente aggressivo più importante sia per la frequanza con cui si manifesta sia per le conseguenze estremamente negative del suo attacco (attacco solafatico);
  • Anidride carbonica (CO₂)
  • Cloruri (Cl^-)
  • Alcali (Na⁺ e K⁺)
• Fisiche
  • Variazioni termiche naturali (es. gelo e disgelo) e artificiali (es. incendi)
  • Ritiro da essiccamento
  • Calore di idratazione
• Meccaniche
  • Urto, scoppio, cavitazione
  • Erosione, abrasione
  • Sisma
  • Vibrazioni

Nel caso di manufatti in calcestruzzo armato immersi in acqua, ai precedenti fattori di degrado si aggiunge anche quello biologico: azione del fouling.

Tra le cause chimiche si possono distinguere quelle riguardanti gli agenti chimici naturali, quali per esempio, l'acqua di mare, e le cause concernenti gli agenti chimici artificiali prodotti dall'uomo, quali gli acidi inorganici, le sostanze organiche, ecc. derivanti quasi sempre dagli scarichi industriali.

In linea di massima è sempre possibile confezionare un calcestruzzo durevole capace di resistere all'azione aggressiva degli agenti definiti naturali, più difficile garantire la durabilità di un calcestruzzo a contato con agenti aggressivi artificiali a meno che non si ricorra ad un rivestimento protettivo.

Per quanto concerne le cause definite fisiche mentre è possibile confezionare calcestruzzi di durata praticamente illimitata in ambienti con alternanze termiche intorno a 0 °C diventa pressoché impossibile eliminare le conseguenze (ritiro e/o fessurazione) derivanti dall'evaporazione dell'acqua dal calcestruzzo in climi asciutti.

utilizzando ad esempio calcestruzzi speciali contenenti agenti espansivi si può limitare l'inconveniente.

Anche per le cause meccaniche non è sempre possibile confezionare un calcestruzzo che di per se sia capace di resistere all'azione degradante degli urti, abrasioni, cavitazione, ecc.

occorrerà in questi casi migliorare al massimo la qualità superficie del calcestruzzo ricorrendo anche a rivestimenti protettivi capaci di rinforzare ulteriormente la superficie del materiale.

Degrado del calcestruzzo dovuto a cause chimiche esterne

Le costruzioni in calcestruzzo possono essere circondate da ambienti diversi:

• atmosfera
• acqua
• terreno

Tutti questi tre ambienti possono contenere gli stessi agenti aggressivi, ma con diversa azione ed efficacia.

Atmosfera

L'aria contiene due elementi suscettibili di attaccare o di determinare le condizioni di aggressione del calcestruzzo armato:

• ossigeno
• anidride carbonica.

A questi due in ambienti inquinati si aggiunge anche l'anidride solforosa.

Per i manufatti cementizi che vengono a contatto con i liquami, quali i condotti di fognatura in c.a., si aggiunge anche l'azione dell'idrogeno solforato, H₂S.

• L'ossigeno è innocuo nei riguardi del calcestruzzo, ma attraversando lo spessore del copriferro e venendo a contatto con l'armatura, in ambiente umido, partecipa a fenomeni elettrochimici che portano alla corrosione dei ferri, con formazione di ruggine la quale è accompagnata da fenomeni espansivi indesiderati che possono portare al distacco del copriferro.
• L'azione dell'anidride carbonica sul conglomerato cementizio è poco pericolosa, mentre risulta determinate nei confronti della corrosione delle armature metalliche.

il fenomeno chimico si verifica sulla superficie del calcestruzzo a contato con l'aria, consiste nella combinazione dell'idrossido di calcio, proveniente dalla pasta di cemento indurita, con l'anidride carbonica, formando carbonato di calcio (decalcificazione) secondo la reazione:

• Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ +H₂O.

Questa reazione, che determina la carbonatazione dell'idrossido di calcio presente nella matrice cementizia, provoca la diminuzione del pH della pasta cementizia che, per un calcestruzzo completamente carbonatato, scende da 13 a circa 8,5.

In queste condizioni il ferro d'armatura non è più passivato e in presenza di umidità e ossigeno si ossida e si corrode.

• L'anidride solforosa, SO₂,è apportata dalla combustione degli idrocarburi e del carbone, e tende a trasformarsi in anidride solforica, SO₃, secondo la seguente reazione:
• 2SO₂ + O₂→ 2SO₃

ed in presenza di umidità in acido solforico H₂S0₄ secondo la seguente reazione:

• SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Tali reazioni risultano molto lente, ma nella realtà sono accelerate dalla presenza di alcuni inquinanti presenti nell'atmosfera (ossidi metallici, particelle carboniose, ecc.) in grado di comportarsi da catalizzatori accelerando drasticamente la reazione.

In presenza di questo agente aggressivo il pH dell'acqua meteorica si aggira a 3,5 - 4 durante i primi minuti di pioggia (piogge acide).

A questi valori valori del pH la protezione del calcestruzzo, anche ad elevata impermeabilità è molto limitata.

La corrosione dovuta all'acido solforico trasforma il calcestruzzo in una massa pastosa costituita soprattutto da solfato di calcio, sabbia e ghiaia.

Oltre alla ovvia azione corrosiva dell'acido solforico, in presenza si questo agente aggressivo avviene anche la solfatazione del carbonato di calcio (che si genera a seguito della carbonatazione dell'idrossido di calcio) e che porta alla trasformazione del carbonato di calcio in gesso secondo la seguente reazione:

• H₂SO₄ + CaCO₃ → CO₂ + CaSO₄.2H₂O.

Il gesso reagendo con l'alluminato tricalcico, C3A, presente nella matrice cementizia, da origine all'ettringite, i cui poteri devastanti sono noti.

inoltre l'acido solforico non trasformato attacca direttamente sia l'idrossido di calcio che non ha ancora subito la carbonatazione (decalcificazione) secondo la seguente reazione:

• H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄.2H₂O;

che l'armatura metallica con formazione interna di solfuro di ferro.

• L'idrogeno solforato o acido solfidrico, H₂S, si genera nelle fognature a seguito dei processi metabolici di batteri anaerobici solfatoriduttori (solfobatteri riducenti come

il Desulfovibrio, Desulfobacter e Desulforomonas) presenti nei liquami.

L'idrogeno solforato non ha di per se un'azione aggressiva nei confronti del calcestruzzo.

Tuttavia a contatto con l'aria si trasforma, mediante processi ossidativi, in acido solforico che è capace invece di attaccare severamente il conglomerato.

Il meccanismo secondo il quale si produce l'idrogeno solforato e successivamente acido solforico è il seguente:

Le colonie batteriche si istallano sulla superficie dei condotti fognari, formandovi veli mucillaginosi.

Detti veli sono costituiti da due stratificazioni sovrapposte: quella superiore, a contatto diretto con il liquame, comprendete colonie aerobie, mentre quella inferiore, radicata alla superficie del tubo, è formata da famiglie anaerobie.

Queste ultime riducono i solfati e le sostanze organiche contenenti zolfo soprattutto l'albumina, contenuti nelle acque di fogna, (utilizzando l’ossigeno presente nei suddetti composti), trasformandoli in idrogeno solforato.

Una parte di questo, attraversando lo strato superiore della pellicola biologica viene ossidato a tiosolfati.

Una parte passa come tale in seno alla corrente liquida.

Una frazione viene ivi ossidata mentre la quota superstite raggiunge le zone superiori areate (ambiente compreso fra la superficie non bagnata della tubazione compresa fra il pelo libero dell'acqua e la calotta del tubo).

Poiché questa è solitamente umida, vi trova condizioni ideali per il suo insediamento un microrganismo aerobio, il Thiobacillus Concretivorous (o anche il Beggiatoa), che nei suoi processi metabolici, favorisce la reazione:

• H₂S +2O₂ → H₂S0₄

che è la causa del degrado del calcestruzzo secondo i meccanismi descritti al punto precedente.

L'attacco si manifesta solo nella parte alta più nella fognatura che non si trova a contatto con i liquami; nella parte al di sotto del livello dell'acqua l'attacco non si manifesta.

Questa reazione è tanto più attiva quanto maggiore è lo spessore della pellicola sul fondo dei tubi e quanto minore è la quantità di ossigeno disciolto nel liquame, giacché da questo dipende la vitalità dello strato superiore aerobico della pellicola stessa, e la capacità ossidativa dei batteri presenti nella massa liquida.

La produzione di idrogenosolforato è ancora legata ovviamente, al contenuto di solfati ed di materia organica contenete zolfo nelle acque reflue.

In alcune tubazioni di fognatura, come quelle in ghisa sferoidale, si utilizza come rivestimento interno, uno strato di malta a base di cemento alluminoso che ha una resa migliore rispetto agli altri tipi di cemento.

Acqua

L'azione dell'acqua sul calcestruzzo è in genere indiretta, sia che agisca come veicolo di altre sostanze aggressive sia che, mantenendo il conglomerato cementizio saturo, favorisca fli effetti dei cicli di gelo e disgelo.

• Acque dilavanti: sono acque molto pure, cioè con un basso contenuto salino e da acque contenenti anidride carbonica aggressiva.

• • Acque pure: le acque pure, che possono essere di origine naturale o industriale, le prime sono tipiche per esempio dei bacini montani, che raccolgono le acque dei ghiacciai e che possono venire in contatto con opere di sbarramento in calcestruzzo armato.

Queste acque solubilizzano ed asportano (dilavamento) l'idrossido di calcio, che è leggermente solubile in acqua, presente nel calcestruzzo e proveniente dall'idratazione dei silicati di calcio; l'idrossido di calcio è dovuto principalmente alla presenza di silicato tricalcico dalla cui idratazione si produce la maggior quantità di calce libera.

L'effetto dilavante diventa più marcato in caso di acqua in movimento poiché l'azione dissolvente si rinnova contintinuamente ed in teoria si può arrivare a scioglire tutta la calce presente nel calceetruzzo.

L'idrossido di calcio costituisce il 20-25% in peso della pasta del cemento Portland e la sua rimozione lascia dietro di se dei vuoti che provocano un aumento della permeabilità del calcestruzzo, indebolendo così la struttura ed esponendola ad ulteriori attacchi da parte degli agenti aggressivi.

Inoltre l'asportazione della calce porta anche ad una riduzione della resistenza meccanica a compressione del calcestruzzo; tale riduzione è dell'ordine del 1-2% per ogni 1% di idrossido di calcio dilavato.

• • Acque contenenti anidride carbonica: Il fenomeno del dilavamento del calcestruzzo è amplificato se l'acqua presenta anidride carbonica aggressiva.

L'anidride carbonica è solubile in acqua ed è quindi inevitabilmente presente in tutte le acque naturali.

La CO₂ nelle acque naturali è presente come:

• anidride carbonica combinata: sotto forma di sali carbonatici ed in particolare di bicarbonato di calcio;
• anidride carbonica libera: sotto forma di acido carbonico che dissociandosi in ioni H⁺ e HCO₃^- e CO₃^-- conferisce all'acqua un pH inferiore a 7.

Quest'ultima è la sola nociva in quanto trasforma l'idrossido di calcio in bicarbonato di calcio, notevolmente solubile, secondo la reazione a due stadi:

• CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O
• CO₂ + CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

Il fenomeno del dilavamento del calcestruzzo avviene più rapiamente:

• all'aumentare della temperatura ambientale;
• all'aumentare della velocità dell'acqua;
• all'aumentare dela porosità iniziale del conglomerato;
• all'aumentare dell'estensione della superficie di contato liquido-solido.

In tutti i casi in cui vi è il pericolo di dilavamento della calce si devono usare cementi a prestazioni particolari denomiati cementi resistenti al dilavamento.

I cementi d'altoforno, pozzolanici e alcuni cementi Portland ferrici(a basso tenore di alite) che producono una minor quantità di idrato di calcio solubilizzabile e pertanto sono meno aggrediti del Portland comune fanno parte dei cementi resistenti al dilavamento.

E' importante inoltre garantire al calcestruzzo una matrice compatta e pertanto impermeabile agli agenti aggressivi esterni.

All'impermeabilità del calcestruzzo si perviene attraverso un idoneo studio del mix design nonché attraverso adeguati accorgimenti durante la posa in opera, il costipamento e la stagionatura dei getti.

• Acque solfatiche: si tratta prevalentemente di acque naturali (acque meteoriche, sotteranee, sorgive, ecc.) che attraversano suoli argillosi, con possibili inquinanti locali (terreni gessosi) contenenti ione solfato SO₄^--.

I solfati si possono trovare anche in acque industriali o in quelle reflue.

I più comuni sono i solfati di sodio, potassio, calcio, magnesio ed ammonio; i più pericolosi però per la durabilità del calcestruzzo sono gli ultimi due per la concomitante azione aggressiva dei suoi cationi.

Lo ione solfato, se proveniente da solfati diversi da quello di calcio, reagisce con l'idrossido di calcio presente nel calcestruzzo a seguito dell'idratazione del cemento.

• Ca(OH)₂ + SO₄^-- +2H₂O→ CaSO₄.2H₂O +2OH^-.

Il gesso successivamente reagisce con l'alluminato tricalcico con formazione di ettringite che deteriora gravemente il calcestruzzo (attacco solfatico).

In particolari condizioni ambientali.

• climi freddi (0-10 °C)
• umidi (UR >95%
• ricchi di anidride carbonica

il gesso, formatosi per reazione tra lo ione solfato e l'idrossido di calcio, reagisce con i silicati idrati di calcio, la calce stessa e l'anidride carbonica con formazione di thaumasite.

L'effetto della thaumasite è molto devastante e comunque molto più deleterio che non quello provocato dall'entringite, poiché interessa i silicati idrati di calcio dai quali dipende principalmente il potere legante del cemento.

Infatti la formazione della thaumasite causando la riduzione (fino a scomparsa) dei silicati idrati di calcio, determina una riduzione (annullamento) del potere legante del cemento e di conseguenza delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo.

La formazione della thaumasite è visivamente segnalata da una sorta di spappolamento del calcestruzzo, che diviene un materiale incoerente, e questo degrado è tanto più marcato quanto maggiore è la riduzione dei silicati idrati di calcio.

In caso di attacco solfatico, è preferibile utilizzare cementi resistenti ai solfati, i quali hanno un basso contenuto di alluminato tricalcico.

Se c'è il pericolo di formazione della thaumasite, tali cementi però non sono idonei visto che in questo caso la reazione distruttiva avviene tra gesso e silicati idrati di calcio.

E' importante in questo caso ( ma anche nel caso in cui non c'è il rischio di formazione dellla thaumasite) intervenire sul mix design e sulle modalità di posa in opera, costipamento e stagionatura del getto al fine di realizzare una struttura a matrice compatta e pertanto impermeabile all'ingresso di agenti esterni, oppure utilizzare delle protezione superficiali impermeabili.

• Acque con cloruri (non marine): sono le acque che disciolgono e trasportano i sali disgelanti utilizzati sulle strade, autostrade, aeroporti, ecc., durante l'inverno per la rimozione del ghiaccio.

lo ione cloruro Cl^-, penetrando nella massa del calcestruzzo raggiunge le armature metalliche, riducendo rapidamente la passivazione dei ferri anche in situazione di calcestruzzo non carbonatato, cioè con pH 13.

In presenza di ossigeno si attiva il fenomeno di ossidazione delle armature, definito in questo caso pitting corrosion, non accompagnato dalla formazione di ruggine e quindi da distacco del copriferro, e quindi estremamente pericoloso in quanto il danno non è facilmente rilevabile ed è causa di una grave riduzione della sezione dell'armatura.

Come sali disgelanti sono normalmente utilizzati il cloruro di sodio NaCl cloruro di calcio CaCl₂ che è largamente più usato del precedente poiché la sua azione disgelante è considerata più efficace, soprattutto per la rapidità.

Sia il cloruro di sodio che il cloruro di calcio, provocano il egual misura la corrosione dei ferri di armatura, ma la loro azione sul calcestruzzo è diversa.

IL cloruro di calcio ha una notevole azione aggressiva sul calcestruzzo tanto da danneggiarlo gravemente.

Questa azione aggressiva si esplica attraverso la reazione tra il CaCl₂ che penetra dall'esterno e la calce Ca(OH)₂, già presente nel calcestruzzo, con la formazione di un ossicloruro di calcio idrato, secondo la reazione:

• 3CaCl₂ + Ca(OH)₂ + H₂O → 3CaO.CaCl₂.15H₂O.

Il prodotto di reazione produce la disintegrazione della pasta che avvolge gli aggregati con formazioni di fessurazioni e delaminazioni.

Il cloruro di sodio NaCl, invece interagisce con il calcestruzzo in maniera diversa rispetto al cloruro di calcio, poiché è in grado di innescare la cosiddetta reazione alcali aggregati in presenza di inerti costituiti da silice amorfa o scarsamente cristallina.

• Acque marine: L'acqua dimare rappresenta l'ambiente naturale più aggressivo per il calcestruzzo armato sia per la vastità del fenomeno sia per la quantità dei meccanismi degradanti.

Infatti il calcestruzzo nelle opere marine può essere aggredito attraverso diversi meccanismi che possono essere di natura meccanica, fisica e chimica e che tendono a ridurne il grado di durabilità.

A questi meccanismi si aggiunge anche il non trascurabile attacco di natura bilogica legato al metabolismo di microorganismi, molluschi, ecc.

Tra questi attacchi i principali, che influiscono sul processo di degradazione sia del calcestruzzo che del ferro di armatura, sono quelli già descritti in precedenza e cioè:

• il dilavamento della pasta di cemento da parte dell'acqua;
• l'attacco solfatico sul calcestruzzo;
• la corrosone delle armature accelerata dalla presenza degli ioni cloruro.

Oltre a questi si possono aggiungere:

• attacchi di tipo meccanico:
  • l'erosione superficiale al moto ondoso e all'azione delle maree;
• attacchi di tipo fisico;
  • il rigonfiamento legato alla cristallizzazione dei sali nei pori;
  • l'alternanza di bagnatura e asciugatura del calcestruzzo;
  • l'azione abrasiva del vento
  • insorgere della pressione osmotica;
• l'attacco chimico portato dalle sostanze disciolte nell'acqua di mare (oltre ai sali solfatici, ai cloruri e all'anidride carbonica anche ai sali magnesiaci);
• attacco di tipo bilogico;
  • biofouling.

Esaminiamo nello specifico le principali cause di degrado dipendenti dall'azione dell'acqua di mare.

L'elevato contenuto salino dell'acqua di mare (circa 36 g/l di sali con prevalenza del cloruro di sodio ma con quantità ragguardevoli di sali di calcio e magnesio)) e la elevata reattività del cemento nei suoi confronti, farebbe pensare ad una vita molto breve del calcestruzzo in questo ambiente.

L'attacco risulta invece, poco importante nelle zone di calcestruzzo immerso, grazie all'azione impermeabilizzante di una particolare forma di carbonato di calcio (aragonite) che si forma per reazione tra l'anidride carbonica disciolta nell'acqua e l'idrossido di calcio (le reazioni sono analoghe a quelle viste in precedenza che portano alla formazione della calcite) e che occlude i pori del calcestruzzo.

Più severo è invece l'attacco nella zona di bagnasciuga.

Infatti alla maggior parte degli attacchi chimici già descritti (lo ione solfato attacca la pasta di cemento e lo ione cloruro provoca la corrosione dei ferri di armatura; in ambo i casi l'attacco ha carattere espansivo) si aggiunge anche l'azione dello ione magnesio, di cui si parlerà in seguito, e l'attacco fisico.

L'acqua risale per capillarità nei pori del calcestruzzo posto al di sopra dell'acqua, evapora sulla superficie con conseguente cristallizzazione dei sali disciolti.

La cristallizzazione è seguita da un aumento di volume.

Tali variazioni igromeriche se cicliche nel tempo portano alla disgregazione del calcestruzzo superficiale.

Il fenomeno viene ulteriormente aggravato dall'azione meccanica delle onde con abrasione ed erosione delle parti esposte.

Infine i manufatti in calcestruzzo armato immersi in acqua di mare subiscono anche l'attacco biologico: azione del fouling.

Per l'esecuzione di opere in ambienti marini o comunque in ambienti in presenza di cloruri (classi di esposizione XS o XD) è preferibile utilizzare cementi di tipo III (cemento d'altoforno) e IV (cemento pozzolanico).

• Azione dei sali di magnesio : L'attacco chimico del solfato di magnesio, (ma anche quello del cloruro di magnesio) contenuto in discrete quantità nell'acqua di mare è notevolmente dannoso, poiché, a differenza degli altri solfati, reagisce con tutti i costituenti del cemento idrato, compresi i silicati determinando la decalcificazione del calcestruzzo:

con l'idrossido di calcio si hanno le seguenti reazioni:

• Ca(OH)₂ + MgSO₄+2H₂O → CaSO₄.2H₂O + Mg(OH)₂;
• Ca(OH)₂ + MgCl₂ → CaCl₂ + Mg(OH)₂.

Nella prima reazione si forma gesso il quale reagisce con gli alluminati idrati di calcio dando l'ettringite; in tutte e due i processi invece l'idrossido di calcio viene trasformato in un alto composto solido, Mg(OH)₂ o brucite, meno solubile del Ca(OH)₂, ma con poteri leganti inferiori a quelli della calce.

Lo ione Mg⁺⁺ può arrivare anche a sostituirsi al calcio nei silicati idrati di calcio con formazione di un silicato idrato di magnesio (M-S-H)^[1]) privo delle proprietà leganti dei silicati idrati di calcio e che inoltre può essere facilmente asportato dal movimento delle acque.

Suolo

Il terreno può contenere sostanze aggressive di vario tipo, essenzialmente solfati e cloruri.

Un agente aggressivo nel terreno diventa pericoloso per il calcestruzzo solo per la presenza di acqua nel sottosuolo, che solubilizza e trasporta il sale aggressivo all'interno del calcestruzzo interrato aggredendolo.

In generale nei terreni si determinano essenzialmente i fenomeni ed effetti già descritti per le acque, ma il degrado riguarda normalmente il calcestruzzo e non l'armatura perché l'ossigeno penetra nel sottosuolo con molte difficoltà

Nei terreni terreni argillosi ricchi di pirite il calcestruzzo interrato può subire anche l'attacco dei solfuri.

La pirite non ha di per se un'azione aggressiva nei confronti del calcestruzzo, ma in presenza di aria ed di umidità può essere ossidata e dar luogo a solfati, acido solforico e anidride carbonica che per ragioni già viste, possono attaccare il calcestruzzo:

• 2FeS₂ + 2H₂O +7O₂ →2FeSO₄ +2H₂O
• 4FeS₂ + 2H₂O +9O₂ →2H₂SO₄ +(SO₄)₃
• CaCo₃ + H₂SO₄ →CaSO₄ +CO₂ + H₂O.

Però, queste reazioni chimiche avvengono in misura più o meno grande a seconda delle particolari condizioni del terreno che favoriscono l'ingresso di umidità e dell'ossigeno.

Degrado del calcestruzzo dovuto a cause fisiche esterne

Le cause fisiche di degrado del calcestruzzo sono imputabili sostanzialmente ai due seguenti fenomeni:

• variazioni di temperature
• variazioni di umidità relativa

Variazioni termiche

le variazioni di temperatura che possono insorgere all'interno di una struttura in calcestruzzo possono essere di natura diversa:

• variazioni termiche naturali (gelo - disgelo)
• variazioni termiche artificiali (incendio)
• variazioni termiche per effetto del calore di idratazione sviluppato dalla reazione del cemento con l'acqua.
• Attacco gelo - disgelo: a temperature inferiori a 0 °C l'acqua contenuta nei pori del calcestruzzo può congelare con conseguente aumento di volume circa il 9%.

Se il grado di saturazione del calcestruzzo è superiore al 91,7% (grado di saturazione critica) l'aumento di volume dell'acqua provocato dal congelamento non è più in grado di essere contenuto all'interno nei pori non ancora saturi di acqua.

In queste condizioni si generano all'interno del conglomerato delle pressioni capaci di distruggere progressivamente il calcestruzzo, soprattutto se il fenomeno si ripete ciclicamente, per effetto di una tipica rottura a fatica.

Il fenomeno degradante si manifesta sotto forma di fessurazioni, sfaldamenti e distacchi superficiali.

• Incendio: La pasta di cemento possiede un coefficiente di dilatazione termica (9,5.10^-6 °C^-1)leggermente diverso da quello dell'aggregato (variabile da 11.10^-6 °C^-1 se silicei a 5.10^-6 °C^-1 se calcarei).

Quando poi la temperatura sale oltre i 100 - 150 °C la pasta di cemento, dopo la dilatazione iniziale subisce una significativa contrazione per effetto della decomposizione termica dei suoi composti idratati.

Ciò si tramuta in uno stato tensionale tra la superficie della pasta di cemento che si contrae e quella dell'aggregato che seguita a dilatarsi.

La conseguenza di questa situazione è l'insorgere di microfessure all'interfaccia pasta - aggregato.

Se poi, sotto l'azione prolungata del fuoco, la temperatura del calcestruzzo raggiunge 753 °C e l'aggregato è siliceo si verifica un ulteriore e brusco scollamento tra la matrice legante e gli inerti per effetto della trasformazione da una forma di quarzo (α) in un'altra (β).

A questa transizione di fase, che avviene con un forte aumento di volume, si accompagna spesso un effetto dirompente che provoca il distacco del copriferro e la diretta esposizione dei ferri di armatura.

Parallelamente si verifica una brusca caduta della resistenza meccanica del conglomerato.

Gli aggregati calcarei invece non subiscono apprezzabili diminuzioni di resistenza meccanica se non oltre i 750 °C quando ha inizio la decomposizione termica del calcare in calce e anidride carbonica.

In caso di incendio riveste un ruolo fondamentale il copriferro quale protezione termica delle armature.

È necessario infatti assicurare un adeguato spessore del copriferro al fine di proteggere per un tempo sufficientemente lungo le armature dal raggiungimento di una temperatura oltre i 500 °C.

Con un calcestruzzo compatto e omogeneo e con un copriferro di 5 cm i ferri di armatura durante l'incendio raggiungono la temperatura di 500 °C in 180-240 minuti.

Negli elementi strutturali sovente l'acciaio è protetto da un copriferro di spessore variabile o costituito da calcestruzzo mal compattato e scarsamente omogeneo.

Questi punti deboli diventano canali preferenziali per il flusso termico, capace di provocare un innalzamento localizzato della temperatura che può arrivare a superare i 500 °C in un tempo brevissimo.

A causa dell'alta conducibilità termica dell'acciaio il flusso termico è rapidamente trasferito lungo l'armatura che, riscaldandosi, tende a dilatarsi, in questo impedita dal calcestruzzo più freddo per la minore conducibilità termica.

Quando l'aderenza ferro - calcestruzzo ^[2])non è più sufficiente a contenere le tensioni generate dalla diversa dilatazione termica dei due materiali, si verifica lo sfilamento dei ferri e il distacco di altre parti di copriferro.

• Calore di idratazione: le reazioni di idratazione dei costituenti del clinker sono tutte reazioni esotermiche.

Le quantità di calore emesse nel corso dell'idratazione dei principali costituenti del clinker sono:

• alite 125 kcal/kg
• belite 63 kcal/kg
• celite 215 kcal/kg
• fase ferrica 95 kcal/kg.

Per effetto del calore di idratazione il calcestruzzo subisce un riscaldamento rispetto alla temperatura iniziale del getto che coincide con quella dell'ambiente.

Questo fenomeno non ha alcuna importanza per getti di piccola mole, anzi può divenire addirittura un vantaggio quando la temperatura esterna è bassa, poiché contribuisce a mantenere più calda la gettata e favorisce in tal modo le reazioni di idratazione.

Nei getti di grosse dimensioni (caso tipico è quello delle dighe) questo fenomeno può essere causa di inconvenienti.

Il calcestruzzo è infatti un pessimo conduttore termico, così la maggior parte del calore sviluppato nel nucleo centrale, non si riesce a disperdere velocemente e per tanto va ad aumentare la temperatura del getto.

Quando questo accade il calcestruzzo è dotato ancora di una certa plasticità poiché l'idratazione è ancora in corso e non provoca in pratica alcun danno.

Una volta terminate le reazioni di idratazione la temperatura comincia però lentamente a diminuire, ne consegue l'insorgere di una contrazione differenziata tra le varie parti del conglomerato che avendo luogo su un materiale ormai irrigidito, porta all'insorgere di tensioni interne che se superano la resistenza meccanica a trazione del materiale determinano l'insorgere di fessure che possono compromettere la durabilità del manufatto.

Variazioni igrometriche

Le variazioni di umidità relativa nell'ambiente possono generare uno stato tensionale nel calcestruzzo attraverso l'insorgere di variazioni dimensionali.
Quando l'umidità relativa dell'ambiente scende sotto il 95% il calcestruzzo tende ad essiccarsi (ritiro).
L'essiccamento è più intenso nella parte più superficiale, che di conseguenza subisce un ritiro più marcato della parte più interna.
Questa situazione fa insorgere delle tensioni che sollecitano a trazione la parte corticale.
Se tali tensioni superano la resistenza a trazione del calcestruzzo insorgono le fessure.
Dalle fessure si può innescare un processo di degrado delle strutture poiché attraverso queste trovano facile accesso sia l'aria (ossigeno, anidride carbonica) che l'umidità.
Come già visto in precedenza questi agenti sono capaci di innescare sia una rapida carbonatazione del copriferro che la successiva ossidazione dei ferri.

Degrado del calcestruzzo dovuto a cause interne

La penetrazione di sostanze aggressive nell'interno del calcestruzzo e il conseguente degrado è possibile a causa della sua porosità.

Porosità non è sinonimo di permeabilità poiché un sistema di pori chiusi non consente il passaggio di fluidi, ma certamente un calcestruzzo permeabile è sempre poroso.

i fattori che agiscono sulla permeabilità del calcestruzzo sono:

• il dosaggio di cemento
• il rapporto a/c
• il grado di idratazione raggiunto al momento dell'esposizione all'ambiente aggressivo
• la essiccazione del manufatto
• l'omogeneità del calcestruzzo.

Nello specifico la permeabilità:

• diminuisce all'aumentare del contenuto di cemento, anche se oltre certi valori le variazioni di permeabilità diventano trascurabili
• aumenta con l'aumentare del rapporto a/c, dapprima lentamente, ma poi, superati certi limiti, con velocità rapidamente crescente. In pratica per avere un calcestruzzo poco permeabile occorre che il rapporto a/c sia minore di 0,5. Se con bassi rapporti viene penalizzata la lavorabilità si possono impiegare additivi superfluidificanti.
• aumenta con il progredire del grado di idratazione poiché aumenta la quantità di gel che gradualmente riempie parte dello spazio occupato d'acqua. La permeabilità pertanto diminuisce col progredire della stagionatura
• aumenta con l'essiccamento della pasta cementizia poiché aumenta il ritiro con formazioni di fessure. È necessaria pertanto una prolungata maturazione umida
• diminuisce con la omogeneità del calcestruzzo. La presenza di vuoti, nidi di ghiaia, o da segregazioni dei materiali costituenti.

La durabilità nella normativa italiana

La durabilità è un concetto relativamente recente infatti nei primi Decreti Ministeriali associati alla Legge n.1086/1971 (ad esempio il D.M. n. 9161 del 30 maggio 1971, il D.M. 30 maggio 1972 e il D.M. 16 giugno 1976) non se ne faceva alcuna menzione.

Con i successivi D.M., finalmente viene introdotto il concetto di durabilità del calcestruzzo, ma come si evincerà in seguito, la garanzia della durabilità del calcestruzzo è demandata alla discrezionalità del progettista:

• D.M. 26 marzo 1980 - p.to 2.1.8 al fine di garantire la durabilità del conglomerato in ambiente aggressivo è necessario prescrivere, in funzione della granulometria o del rapporto acqua - cemento, un dosaggio minimo di cemento;
• D.M. 27 luglio 1985 - p.to 2.18 al fine di garantire la durabilità del conglomerato particolarmente in ambiente aggressivo, così come in presenza di cicli di gelo e disgelo, è necessario studiarne adeguatamente la composizione.
• D.M. del 14 febbraio 1992- p.to 2.1.8: si ribadiva quando già riportato dal D.M. del 1985 al fine di garantire la durabilità del conglomerato particolarmente in ambiente aggressivo, così come in presenza di cicli di gelo e disgelo, è necessario studiarne adeguatamente la composizione.

Solo con l’entrata in vigore del D.M del 9 gennaio 1996, si dava al progettista un riferimento normativo, infatti al testo del precedente D.M. veniva aggiunto il seguente capoverso Si potrà anche far riferimento alla norma UNI 9858 (maggio 1991).

Il riferimento a norme è stato ripreso dal vigente D.M. 14 gennaio 2008 che ,all’ultimo capoverso del p.to 11.2.11. recita Al fine di ottenere la prestazione richiesta in funzione delle condizioni ambientali, nonché per la definizione della relativa classe, si potrà fare utili riferimento alle indicazioni contenute nelle Linee Guida sul calcestruzzo strutturale edite dal Servizio centrale del Consiglio Superiore dei LL.PP. ovvero alle norma UNI EN 206 – 2006 ed UNI 11104:2004.

Queste ultime norme UNI hanno sostituito le UNI 9858.

La normativa di riferimento sulla durabilità

È importante, nel valutare la durabilità di una struttura, considerare l’ambiente in cui l’opera è destinata a sorgere.A tal proposito le norme di riferimento sulla durabilità hanno esaminato le varie cause del degado chimico, fisico-meccanico delle opere in calcestruzzo armato.

In particolare, sono stati esaminati i fenomeni di degrado connessi con l’ossidazione dei ferri d’armatura, con l’attacco solfatico, con le reazioni alcali aggregato, oltre che con le fessurazioni indotte dal ritiro plastico, dai gradienti termici a dai cicli di gelo-disgelo.

Relativamente alle causa di degrado la norma UNI 9858, per la prima volta ha stabilito sia i criteri per valutare i rischi di questi degradi attraverso la definizione di classi di esposizione ambientale, sia le misure preventive per evitarli attraverso vincoli compositivi nel calcestruzzo (massimo rapporto acqua/cemento, minimo dosaggio di cemento, ecc.).

Come già accennato la UNI 9858 è stata recepita dal DM 9 gennaio 1996 ed è pertanto divenne cogente dal punto di vista legale.

Nella UNI 9858 gli ambienti erano classificabili in cinque classi di esposizione (sono riportati solo i valori per il calcestruzzo armato. Per il calcestruzzo normale e per quello precompresso si veda la norma):

• 1 - ambiente secco:
• 2 - ambiente umido
  • 2a - ambiente umido senza gelo: a/c_max = 0,60; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 280
  • 2b - ambiente umido con gelo: a/c_max = 0,55; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 280
• 3 - ambiente con gelo ed uso di sali: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300
• 4 - ambiente marino
  • 4a - ambiente marino senza gelo: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300
  • 4b - ambiente marino con gelo: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300
• 5 - ambiente chimicamente aggressivo
  • 5a - attacco debole. a/c_max = 0,55; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 280
  • 5b - attacco moderato: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300
  • 5c - attacco forte: a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300

(la classe 5 si può presentare da sola o assieme alle precedenti - es.: classe 5b+2b - attacco modearto con gelo.

Le norme UNI EN 206 – 2006 e UNi 11104:2004, attualmente in vigore, introducono 6 classi di esposizione per il calcestruzzo strutturale (dove oltre al massimo rapporto a/c e al minimo contenuto di cemento viene indicata anche la minima classe di resistenza). Tali classi sono state riportate anche nelle Linee Giuda sul Calcestruzzo strutturale edite dal Servizio Tecnico Centrale della Presidenza del Consiglio Superiore dei LL.PP.:

• Assenza di rischio di corrosione dell'armatura - X0
• Corrosione delle armature indotta da carbonatazione:
  • XC1 - asciutto o permanentemente bagnato: a/c_max = 0,60; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300; minima classe di resistenza: C25/30
  • XC2 - bagnato, raramente asciutto: a/c_max = 0,60; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 300; minima classe di resistenza: C25/30
  • XC3 - umidità moderata: a/c_max = 0,55; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XC4 - ciclicamente asciutto e bagnato: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
• Corrosione delle armature indotta da cloruri esclusi quelli provenienti dall'acqua di mare:
  • XD1 - umidità moderata: a/c_max = 0,55; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XD2 - bagnato, raramente asciutto: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XD3 - ciclicamente bagnato e asciutto: a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
• Corrosione delle armature indotta da cloruri presenti nell'acqua di mare:
  • XS1 - esposto alla salsedine marina ma non direttamente in contatto con l'acqua di mare: a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XS2 - permanentemente sommerso: a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
  • XS3 - zone esposte agli spruzzi o alla marea: a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 360; minima classe di resistenza: C35/45
• Attacco dei cicli di gelo/disgelo con o senza disgelanti:
  • XF1 - moderata saturazione d'acqua, in assenza di agente disgelante: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 320; minima classe di resistenza: C32/40
  • XF2 - moderata saturazione d'acqua, in presenza di agente disgelante: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C25/30
  • XF3 - elevata saturazione d'acqua, in assenza di agente disgelante: a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C25/30
  • XF4 - elavata saturazione d'acqua, con presenza di agente antigelo oppure acqua di mare
• Attacco chimico (da parte di acque del terreno e acque fluenti):
  • XA1 - ambiente chimicamente debolmente aggressivo (UNI EN 206-1: a/c_max = 0,55; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 320; minima classe di resistenza: C28/35
  • XA2 - ambiente chimicamente moderatamente aggressivo (UNI EN 206-1): a/c_max = 0,50; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 340; minima classe di resistenza: C32/40
  • XA2 - ambiente chimicamente fortemente aggressivo (UNI EN 206-1): a/c_max = 0,45; dosaggio minimo di cemento (kg/m³) = 360; minima classe di resistenza: C35/45.

Le classi di resistenza minime (N/mm²) sono espresse con due valori, riferiti il primo a provini cilindrici di diametro 150 mm ed altezza 300 mm (f_ck)e il secondo a provini cubici di spigolo pari a 150 mm (R_ck).

La resistenza caratteristica imposta dal vincolo della durabilità, che AA.VV. indicano con il simbolo R_ckd per distinguerlo da quello usuale (R_ck) riservato alla resistenza caratteristica prescelta dal progettista solo sulla base dei calcoli statici, deve soddisfare la seguente diseguaglianza:

• R_ck ≥ R_ckd

in questo modo l'R_ck calcolata dal progettista sulla base dei soli calcoli statici soddisfa anche le condizioni di durabilità.

In caso contrario, anche se esuberante dal punto di vista statico, è necessario prescrivere una resistenza caratteristica pari a R_ckd, al fine di soddisfare sia in requisiti statici che quelli di durabilità.

In letteratura, la classe di esposizione ambientale viene indicata con D_ck, in analogia alla classe di resistenza che viene comunemente indicata con R_ck.

Importanza del copriferro

Ai fini della durabilità è fondamentale anche la qualità e lo spessore del copriferro per garantire alle opere in c.a. e c.a.p. un’adeguata protezione in relazione alle condizioni aggressive dell’ambiente in cui è destinato ad essere costruita l’opera.La UNI EN 1992-1-1, che rappresenta la versione italiana dell’Eurocodice 2, stabilisce per ogni classe strutturale S, il relativo copriferro minimo dovuto alle condizioni ambientali, indicato con c_min,dur (mm)

L'Eurocodice prevede 6 classi strutturali, la S4 è quella di riferimento e corrisponde ad una vita utile di progetto della struttura di 50 anni.

Nel caso di calcestruzzi con armatura lenta o ordinaria i valori di c_min,dur in funzione delle più comuni classi di esposizione e classi strutturali sono le seguenti:

Nel caso di calcestruzzi con armatura precompressa i valori di c_min,dur in funzione delle più comuni classi di esposizione e classi strutturale sono le seguenti:

Note

1. ^ il simbolo M-S-H non è una formula chimica ma piuttosto le iniziali in inglese di Magnesium Silicate Hydrated
2. ^ la perdita di aderenza tra acciaio e calcestruzzo viene indicata con il termine anglosassone bond slip

Voci correlate

• Calcestruzzo
• Cemento armato
• Clinker
• Fouling
• copriferro
• Decalcificazione del calcestruzzo
• Carbonatazione
• Pitting
• ciclo dello zolfo
• membrana cementizia elastica
• acque aggressive per in calcestruzzo armato

Bibliografia

• Mario Collepardi - Durabilità del calcestruzzo: teoria, pratica e prescrizioni di capitolato - Parte I: cause di degrado di tipo chimico: Industria Italiana del cemento n. 671 del 1992
• Luigi Coppola - Durabilità del calcestruzzo: teoria, pratica e prescrizioni di capitolato - Parte I: cause di degrado di tipo fisico e meccanico: Industria Italiana del cemento n. 675 del 1993
• Vito Alunno Rossetti - Enzo Siviero - La durabilità del calcestruzzo secondo le UNI 9858
• Mario Collepardi: L'azione dell'acqua del mare sul calcestruzzo armato: Giorante A.I.C.A.P. 1981
• D come durabilità - Enco Journal