Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica Materiali e

Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta” Convegno AICAP, “La Durabilità delle strutture in calcestruzzo” Ancona, 27 febbraio 2007 La progettazione della durabilità Luca Bertolini Politecnico di Milano

La durabilità Una struttura deve essere progettata in modo tale che il degrado che si dovesse verificare durante la sua vita utile di progetto non riduca le prestazioni della struttura al disotto del livello previsto, tenendo conto in modo adeguato del suo ambiente e del livello di manutenzione anticipata. (UNI EN 1990) La Durabilità, definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali e delle strutture, è una proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano garantiti durante tutta la vita utile di progetto dell'opera. La durabilità è funzione dell'ambiente in cui la struttura vive e del numero di cicli di carico cui la struttura potrà essere sottoposta. (Norme tecniche sulle costruzioni)

La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

Corrosione delle armature e vita utile Penetrazione della corrosione Innesco della corrosione Fessurazione del calcestruzzo Tempo

Corrosione delle armature e vita utile Penetrazione della corrosione Distacco del calcestruzzo Innesco della corrosione Fessurazione del calcestruzzo Tempo

Corrosione delle armature e vita utile Collasso della struttura Penetrazione della corrosione Distacco del calcestruzzo Innesco della corrosione Fessurazione del calcestruzzo Tempo

Corrosione delle armature e vita utile Penetrazione della corrosione Vita di servizio tu = ti + tp ti tp Tempo

Tempo (t) Corrosione da carbonatazione Profondità di carbonatazione H 2 O CO 2 c

Tempo (t) Corrosione da carbonatazione Profondità di carbonatazione H 2 O CO 2 c

Tempo (t) Corrosione da carbonatazione Profondità di carbonatazione H 2 O CO 2 c

Tempo di innesco: 2 æc ö t i = çè K ÷ø Tempo (t) Corrosione da carbonatazione ti c H 2 O CO 2 c Profondità di carbonatazione

Tempo di innesco: 2 æc ö t i = çè K ÷ø Tempo (t) Corrosione da carbonatazione ti c H 2 O CO 2 c Profondità di carbonatazione

Tempo (t) Corrosione da carbonatazione Tempo di innesco: 2 æc ö t i = çè K ÷ø ti Tempo di propagazione (tp): c - velocità di corrosione (Vcorr) - penetrazione limite (Plim) Plim tp = Vcorr H 2 O CO 2 c Profondità di carbonatazione

Corrosione da carbonatazione K c Plim Vcorr

Corrosione da carbonatazione K c Plim Vcorr Ambiente/microclima

Corrosione da carbonatazione K Ambiente/microclima Calcestruzzo Carbonatazione accelerata c Plim Vcorr Ambiente interno

Corrosione da carbonatazione K Ambiente/microclima Calcestruzzo c Plim Vcorr

Corrosione da carbonatazione K Ambiente/microclima Calcestruzzo c Plim Vcorr Calcestruzzo Geometria c d

Corrosione da carbonatazione K Ambiente/microclima c Plim Vcorr Calcestruzzo Geometria Ambiente/microclima Velocità di corrosione (mm/anno) Calcestruzzo 10 1 0% Cl 0. 4% Cl 1% Cl 0. 1 40 50 60 70 80 90 Umidità relativa (%)

Cloruri Corrosione da cloruri Tenore critico Clcr Profondità H 2 O Cl- c

Cloruri Corrosione da cloruri Tenore critico Clcr Profondità H 2 O Cl- c

Cloruri Corrosione da cloruri Tenore critico Clcr Profondità H 2 O Cl- c

Vita di servizio tu ti Cloruri Corrosione da cloruri Tenore critico Clcr Profondità H 2 O Cl- c

Cloruri Corrosione da cloruri t = ti t = 28 anni Tenore critico Clcr c II legge di Fick: Profondità

Dapp Cs Clcr c Ambiente/microclima Cloruri Corrosione da cloruri t = ti Calcestruzzo Tenore critico Clcr c Profondità

La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

Fattori di progetto della durabilità Penetrazione della corrosione Vita di servizio tu = ti + tp ti tp Tempo

Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

Fattori di progetto della durabilità a/c Profondità di carbonatazione copriferro stagionatura - Rapporto a/c - Stagionatura Proprietà-del Tipo di cemento / aggiunte ti, 1 ti, 2 calcestruzzo - Contenuto di cemento - Additivi Lavorabilità Posa in opera Resistenza a compressione Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, . . . ) ti, 3 Tempo

Fattori di progetto della durabilità Proprietà del calcestruzzo 60 - Rapporto a/c - Stagionatura - Tipo di cemento / aggiunte - D (m 2/s) 50 40 Calcare Fly ash 30 20 Contenuto di cemento 10 Additivi 0 0 Lavorabilità Posa in opera Resistenza a compressione Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, . . . ) 15 30 45 % sostituzione

Fattori di progetto della durabilità Proprietà del calcestruzzo - Rapporto a/c - Stagionatura - Tipo di cemento / aggiunte - Contenuto di cemento Additivi Lavorabilità Posa in opera Resistenza a compressione Calcestruzzi speciali (SCC, HPC, . . . ) Proprietà effettive del calcestruzzo in opera controlli

Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

Fattori di progetto della durabilità Uno spessore molto alto può avere un comportamento peggiore rispetto a quello atteso (es. maggiore apertura delle fessure). Spessore effettivo in opera Spessore di copriferro

Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

Fattori di progetto della durabilità Drenaggio Progetto della struttura

Fattori di progetto della durabilità Progetto della struttura

Fattori di progetto della durabilità Progetto della struttura Elementi sostituibili o protetti

Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

Fattori di progetto della durabilità Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

Approccio standard Azioni meccaniche Proprietà del calcestruzzo Spessore di copriferro Azioni ambientali Vita di servizio tu = ti + tp Progetto della struttura Protezioni aggiuntive Ispezione e manutenzione programmate

UNI EN 206 -1 - Classi d’esposizione 1 - Nessun rischio di corrosione o di attacco 2 - Corrosione causata da carbonatazione 3 - Corrosione causata da cloruri 4 - Corrosione causata da cloruri provenienti dall’acqua di mare 5 - Attacco da gelo-disgelo 6 - Attacco chimico

UNI EN 206 -1 Classe di esposizione Nessun rischio X 0 Corrosione da carbonatazione XC 1 (secco/saturo) XC 2 (sempre umido) XC 3 (mod. umido) XC 4 (cicli bagn. ) Corrosione da cloruri da acqua di mare XS 1 XS 2 XS 3 (sulla costa) (sommerso) (spruzzi) Corrosione da cloruri XD 1 da altre fonti XD 2 XD 3 (mod. umido) (cicli bagn. )

1) nel presupposto di una vita utile di 50 anni 2) per CEM I (32, 5) UNI EN 206 -1 - Valori limite raccomandati Classe di esposizione Nessun rischio X 0 Max. a/c Min. resist. Min. cem. (kg/m 3) - C 12/15 - Corrosione da carbonatazione XC 1 (secco/saturo) XC 2 (sempre umido) XC 3 (mod. umido) XC 4 (cicli bagn. ) 0, 65 0, 60 0, 55 0, 50 C 20/25 C 25/30 C 30/37 260 280 300 Corrosione da cloruri da acqua di mare XS 1 XS 2 XS 3 (sulla costa) (sommerso) (spruzzi) 0, 50 0, 45 C 30/37 C 35/45 300 320 340 Corrosione da cloruri XD 1 da altre fonti XD 2 XD 3 (mod. umido) (cicli bagn. ) 0, 55 0, 45 C 30/37 C 35/45 300 320

UNI 11104 Classe di esposizione Nessun rischio X 0 Corrosione da carbonatazione XC 1 (secco/saturo) XC 2 (sempre umido) XC 3 (mod. umido) XC 4 (cicli bagn. ) Corrosione da cloruri da acqua di mare XS 1 XS 2 XS 3 (sulla costa) (sommerso) (spruzzi) Corrosione da cloruri XD 1 da altre fonti XD 2 XD 3 (mod. umido) (cicli bagn. )

1) nessuna indicazione della vita utile 2) per tutti i cementi della UNI EN 197 -1 UNI 11104 - Valori limite Classe di esposizione Nessun rischio X 0 Max. a/c Min. resist. Min. cem. (kg/m 3) - C 12/15 - Corrosione da carbonatazione XC 1 (secco/saturo) XC 2 (sempre umido) XC 3 (mod. umido) XC 4 (cicli bagn. ) 0, 60 0, 55 0, 50 C 25/30 C 28/35 C 32/40 300 320 340 Corrosione da cloruri da acqua di mare XS 1 XS 2 XS 3 (sulla costa) (sommerso) (spruzzi) 0, 50 0, 45 C 32/40 C 35/45 340 360 Corrosione da cloruri XD 1 da altre fonti XD 2 XD 3 (mod. umido) (cicli bagn. ) 0, 55 0, 50 0, 45 C 28/35 C 32/40 C 35/45 320 340 360

Prescrizioni sul calcestruzzo (minimo per 50 anni) - classe di resistenza C 25/30 - classe di esposizione XC 2 - classe di consistenza S 3 - dimensione massima dell’aggregato 30 mm

UNI ENV 13670 -1 - Durata della stagionatura Classi X 0 e XC 1: - almeno 12 ore Altre classi: - finché non si raggiunge il 50% della resistenza richiesta a 28 giorni Tempo di stagionatura (giorni) Sviluppo della resistenza del calcestruzzo: r = Rcm 2/Rcm 28 Temperatura della superficie del calcestruzzo (T): Rapido r 0. 50 Medio r = 0. 30 Lento r = 0. 15 Molto lento r 0. 15 T 25 1. 0 1. 5 2. 0 3. 0 25 > T 15 1. 0 2. 0 3. 0 5 15 > T 10 2. 0 4. 0 7 10 10 > T 5 3. 0 6 10 15

UNI EN 1992 -1 (Eurocodice 2) - Spessore di copriferro Classe di esposizione Minimo spessore di copriferro (mm) (*) c. a. p. Nessun rischio X 0 10 10 Corrosione da carbonatazion e XC 1 15 25 XC 2, XC 3 25 35 XC 4 30 40 XS 1, XD 1 35 45 XS 2, XD 2 40 50 XS 3, XD 3 45 55 Corrosione da cloruri (*) In funzione della “classe strutturale”

La prevenzione della corrosione 1. Corrosione e vita utile 2. Fattori di progetto 3. Approccio standard 4. Approccio prestazionale

Approccio prestazionale • richiesta di una vita di servizio elevata, • elevata aggressività ambientale (es. parti critiche della struttura, zona degli spruzzi, . . . ) • inaccessibilità della struttura per controlli, • elevati costi diretti o indiretti di manutenzione. Metodi deterministici Metodi probabilistici

Approccio prestazionale Funzione dello stato limite: g =R(t) - S(t) Cloruri Esempio: Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri Tenore critico copriferro Profondità

Approccio prestazionale - Dura. Crete Probabilistic Performance Based Durability Design of Concrete Structures g =R(t) - S(t) Valutazione del tempo di innesco della corrosione da cloruri Valore di progetto del tenore critico di cloruri Valore di progetto della concentrazione superficiale di cloruri Valore di progetto dello spessore di copriferro Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri

Approccio prestazionale - Dura. Crete Tenore critico di cloruri Concentrazione superficiale di cloruri Valore di progetto dello spessore di copriferro Valore di progetto della resistenza alla penetrazione dei cloruri + no Cl- Resistenza alla penetrazione determinata al tempo t 0 con una prova di conformità cls Cl- -

Approccio prestazionale - Limiti - Definizione dei parametri di calcolo del modello - Individuazione delle procedure per le prove di conformità - Attendibilità dei fattori correttivi - Verifica dei risultati a lungo termine