Universit degli Studi de LAquila Facolt di Ingegneria

Università degli Studi de L’Aquila Facoltà di Ingegneria TECNOLOGIA DEI CALCESTRUZZI “Durabilita’ del calcestruzzo” Professore: Roberto Marino Studente: Matteo Martella Matr. : 203398 A. A. : 2010/2011

La durabilità di una struttura Capacità di una struttura di conservare le caratteristiche meccaniche e funzionali per il periodo di vita utile di progetto Vita Utile di Progetto: periodo di tempo durante il quale la struttura, purchè soggetta a manutenzione ordinaria, deve poter essere usata per lo scopo cui è destinata Vita utile tu = ti + tp Classe 1 - costruzioni con normali affollamenti, senza contenuti dannosi per l’ambiente e senza funzioni pubbliche o sociali essenziali(edilizia, ponti, infrastrutture di importanza normale) Classe 2 - costruzioni con affollamenti significativi, industrie contenuti dannosi per l’ambiente e con funzioni pubbliche o sociali essenziali(grandi opere: ponti, infrastrutture di importanza strategica)

Requisiti fondamentali per una struttura durevole Per creare una struttura durevole è necessario che il progettista valuti le condizioni ambientali e stabilisca le caratteristiche del calcestruzzo (lo spessore del copriferro e le modalità di stagionatura) in modo da avere: Pasta cementizia meno porosa possibile Protezione dei ferri di armatura dai processi di corrosione innescati dall’attacco degli agenti aggressivi presenti nell’ambiente

Riferimenti normativi Ø Linee Guida del Ministero dei LL. PP. sul calcestruzzo strutturale. Indicano i vincoli che devono essere soddisfatti nella formulazione delle miscele per garantire la durabilità delle strutture. Ø Nuova norma UNI EN 206 -1 cui si ispirano, per quanto riguarda la durabilità, le linee guida del ministero dei LL. PP. sul calcestruzzo strutturale: Prevede 6 classi di esposizione ambientale: XO, XC, XD, XS, XF, XA • UNI 11104 istruzioni operative per l’applicazione della UNI EN 206 -1: Documento di Applicazione Nazionale (DAN) per l’impiego dell’ Eurocodice 2, a riguardo la progettazione delle strutture in calcestruzzo.

Classi di esposizione secondo la UNI-EN 206 -1 Le norme UNI EN 206 del 2006 e la UNI 11104 del 2004 introducono 6 classi di esposizione alle quali il progettista deve attenersi per avere un determinato cls strutturale in funzione dell’ambiente dove si trova; in queste norme viene indicata il massimo rapporto a/c, il minimo contenuto di cemento, lo spessore minimo del copriferro e anche la minima classe di resistenza, il tutto per garantire la durabilità del materiale.

Cause del Degrado • L’attacco dell’anidride carbonica • L’attacco dei cloruri • L’attacco dell’acqua di mare • L’attacco chimico • I cicli di gelo e disgelo • Le variazioni termiche per effetto del calore di idratazione • Dilavamento della superficie da parte delle acque acide

Corrosione delle armature metalliche Aria umida, quindi la presenza di O 2 e H 2 O, è responsabile della formazione della ruggine Fe + O 2 + H 2 O Fe(OH)2 (Ruggine) (materiale poroso incoerente e soprattutto voluminoso) il processo corrosivo è “ATTIVATO” da due meccanismi Carbonatazione del cls la CO 2 presente nell’aria neutralizza l’idrossido di Ca, diminuendo il p. H del cls e diminuendo la protezione delle armature contro la corrosione (depassivazione dei ferri) Penetrazione del cloruro

Carbonatazione L’idratazione del cemento sviluppa Ca(OH)2 in seguito alla reazione : C 2 S C 3 S + H 2 O C-S-H + CH (Silicato di calce idrata) O 2 H 2 O (Calce di idrolisi) Ambiente fortemente basico PH >13 situzione di PASSIVITA’ PASSIVITA Film di ossido di ferro (passivato) Copriferro PH ≥ 13 Ferro d’armatura

Attacco dell’anidride carbonica La CO 2 presente nell’aria penetra nel cls annullandone la basicità Ambiente con PH ≤ 11 CO 2 + Ca(OH)2 Ca. CO 3 + H 20 situazione di DEPASSIVAZIONE Il film di ossido diventa poroso e incoerente con formazione di ruggine CO 2 H 2 O Calcestruzzo carbonato Fe(OH)2 Ferro d’armatura PH < 11 Film di ossido di ferro (passivato)

Carbonatazione Velocità di carbonatazione: x = K√ t x spessore di cls carbonatato K costante che dipende dal tipo di cemento, dall’ a/c, UR Test alla fenolftaleina

Rimedi per limitare la carbonatazione 1) Riduzione del a/c 2) Aumento dello spessore del copriferro La Norma UNI –EN 206 e UNI 11104 infatti impongono vincoli proprio su questi due parametri e non solo:

Attacco dei cloruri Lo ione Cl- presente nei sali disgelanti o nelle acque marine provoca anche qui come nella carbonatazione l’effetto della depassivazione. La penetrazione dello ioine Cl- nel cls può avvenire attraverso i seguenti meccanismi: 1) Assorbimento per suzione capillare dell’acqua che fa da veicolo ai sali in essa disciolti; 2) Diffusione del cloruro nei pori saturi d’acqua del cls. Il movimento è ortogonale alla superficie è mosso da una differente concentrazione del cloruro tra la zona esterna e quella interna del manufatto secondo la legge di Fick

Attacco dei cloruri Velocità ioni Cl- : x = k t 1/2 = 4 (D t)1/2 D = K 2/16 D: coefficiente di diffusione che diminuisce (per cls saturi) al diminuire del a/c, all’aumentare del grado di compattazione e utilizzando un cemento pozzolanico o d’altoforno x = spessore cls penetrato dai cloruri Test alla fluoresceina K : è il coeff. angolare della retta che riporta la penetrazione del cloruro (x) a e nitrato di argento vari tempi (t), determinata mediante il saggio colorimetrico (fluoresceina e nitrato di argento, il cls diventerà di colore rosa se penetrato da Cl- altrimenti nero)

Depassivazione dovuta all’attacco dei cloruri Cl- O 2 H 2 O MATRICE CEMENTIZIA Fe. Cl 2 Ferro d’armatura Film di ossido di ferro (passivato) Meccanismo corrosivo: • Si ha un’azione incisiva e localizzata (pitting) con rimozione dello strato di ossido ferrico compatto e protettivo (passivante); • Vi è la penetrazione dell’ umidità proveniente dall’ambiente esterno che causa la corrosione dei ferri; • Infine con il ripetersi del ciclo si avrà la rimozione dello strato di ossido ferrico e quindi la corrosione.

Classe di esposizione XD secondo UNI-EN 206: corrosione delle armature promossa dai cloruri (esclusi quelli presenti in acqua di mare)

Attacco dei cloruri promossa da acqua marina • L’acqua di mare è costituita da un insieme di sali, tutti aggressivi nei riguardi del calcestruzzo • L’ammaloramento è la sommatoria di tanti degradi, ciascuno causato dalla presenza dei singoli ioni presenti nell’acqua marina • Le strutture esposte all’acqua di mare sono soggette a diversi tipi di degrado: attacco dei cloruri, attacco dei solfati, azione meccanica esercitata delle onde e conseguente azione del bagnasciuga, soprattutto per quelle strutture che sono a contatto con il mare • La zona del bagnasciuga è considerata quella più ad alto rischio, tanto che il CEB, Comitato Eurointernazionale del Calcestruzzo (1995), consiglia di adottare dei calcestruzzi a bassissimo rapporto a/c.

Classe di esposizione XS secondo UNI-EN 206: (corrosione delle armature promossa dai cloruri da acqua di marina) Rimedi per la penetrazione dei cloruri L’obiettivo è rendere il tempo di percorso del cloruro superiore alla vita attesa di servizio attraverso: 1) Un basso rapporto a/c per rendere il calcestruzzo poco poroso e quindi difficilmente penetrabile dal cloruro 2) Copriferro di spessore adeguato (40 mm per le opere in c. a. e 50 mm per le opere in c. a. p. ) per allungare il “cammino” che deve percorrere il cloruro per arrivare ai ferri

Attacco solfatico Ca(OH)2 SO 4= interagisce C-S-H C-A-H Tale fenomeno crea l’insorgere di fessure, l’aumento di volume e l’indebolimento della matrice cementizia. Le strutture più interessate sono le Opere idrauliche e soprattutto le Gallerie Attacco solfatico Esterno: se SO 4= proviene dall’ambiente esterno (ESA) Interno: se già presente nel cls (ISA)

Attacco solfatico esterno (ESA) L’acqua è il veicolo di trasporto del SO 4= dal terreno all’interno del cls attraverso pori capillari o altri vuoti. Ca(OH)2 SO 4= Ca. SO 4 • 2 H 2 O+ OHH 2 O Decalcificazione (calo di resistenza meccanica e di adesione) Gesso (più voluminoso) Consumata la calce inizia il degrado del C-S-H, cui si devono le prestazioni meccaniche C-S-H SO 4= Ca. SO 4 • 2 H 2 O+ S-H H 2 O Il gesso reagisce con gli alluminati idrati: Ca. SO 4 • 2 H 2 O C-A-H C 3 A • 3 Ca. SO 4 • 32 H 2 O H 2 O In particolari condizioni climatiche t<10 °C UR>95% in presenza Ca. CO 3 finemente disperso C-S-H Silice idrata (priva di capacità leganti) ETTRINGITE secondaria (DEF) diversa da quella primaria (EEF) Ca. SO 4 • 2 H 2 O+H 2 O Ca. CO 3 THAUMASITE (SPAPPOLAMENTO)

Attacco solfatico interno (ISA) SO 4= è presente nell’aggregato in forma di gesso o anidrite in particelle “grosse” meno facilmente solubili quindi non è immediatamente disponibile per EEF, ma solo per DEF (ettringite secondaria) accompaganta da espansione. SO 4= si forma per termodecomposizione dell’ettringite primaria nella maturazione a vapore a temperature elevate (T>90°C).

Terreni chimicamente aggressivi (XA) La Norma UNI–EN 206 definisce le condizioni aggressive e le misure preventive da adottare Secondo la norma UNI-EN 206 Rilevare l’acidità Scelta del cls secondo UNI-EN 206 Misurare la permeabilità Determinare contenuto di solfato

Attacco da acque chimicamente aggressive (XA) Le acque sono aggressive per la presenza di uno o più dei seguenti composti concentrazione superiore alla soglia critica SO 4= Acidi CO 2 NH 4+ Mg++ Conseguenze Decalcificazione del C-S-H con formazione di silice amorfa accompagnato quindi da un aumento della porosità, ma soprattutto perdita di resistenza meccanica Espansione differenziale e fessurazione

Classe di esposizone XA: attacco chimico da parte di acque aggressive Secondo la norma UNI -EN 206 Secondo le Linee Guida del Ministero dei LL. PP.

Reazione alcali-silice (ASR) La silice mal cristallizzata o amorfa, presente nell’aggregato, reagisce con il potassio e il sodio, provenienti sulla superficie di opere soggette a salatura nei periodi invernali, per produrre una reazione espansiva a carattere distruttivo. S* + K+ Na+ H 2 O N-S-H + K-S-H Reazione espansiva distruttiva (molto lenta) Tempo ritardato per l’espasione Il danno dipende da Carattere puntuale e disuniforme del fenomeno espansivo che accompagna l’ASR Microfessurazione a ragnatela La manifestazione del danno avviene sotto forma di Pop-out (sollevamento di un piccolo cono di cls al di sopra dell’ agregato reattivo) Macrofessurazione a carattere irregolare

Reazione alcali-silice (ASR) Ø Non impiegare alcali-reattivi Ø Non impiegare cementi ricchi di alcali Misure preventive Ø Mantenere asciutta la struttura in cls Ø Impiegare cementi pozzolanici, d’altoforno, compositi In questo modo si distribuiscono, in modo omogeneo, nel calcestruzzo una miriade di particelle contenenti silice amorfa e il fenomeno dell’ASR perde il carattere distruttivo che ha quando è localizzato in pochi granuli di aggregato reattivo.

Formazione di ghiaccio Il ghiaccio si forma solo se presente all’interno della matrice cementizia o in quelli dell’aggregato, l’acqua, passando dallo stato liquido a quello solido, esercita una forte azione meccanica sulla pasta cementizia causata dall’aumento del proprio volume di circa il 9%. Ø Ridurre la porosità capillare Ridurre a/c Accorgimenti da Ø Favorire la presenza di pori di 200 -300 μm con uno spacing max di 300 μm per favorire il “drenaggio” prendere per un generato dal ghiaccio, che spinge contro l’acqua cls resistente al ancora liquida verso porosità adiacenti alleviando le tensioni gelo Ø Impiegare aggregato lapideo non gelivo volume bolle d’aria ≥ 4% BOLLA D’ARIA Acqua Ghiaccio 100 -300 200 -300 Utilizzare additivi AREANTI

Classe di esposizone XF: gelo-disgelo e sali disgelanti Secondo la norma UNI EN 206 -1

Dilavamento della superficie Il Dilavamento consiste nell’asportazione meccanica di materiale da parte di acqua corrente. Può essere aggravato da acque a carattere acido come si verifica nelle acque reflue delle fognature. Decalcificazione ed erosione causata da acqua corrente

Microfessurazioni da variazioni igro-termiche o carichi in servizio Ø Tensioni per ritiro igrometrico, si manifestano a poche ore dal getto nella zona corticale che è la più esposta all’essicamento, la zona esterna tende a contrarsi rispetto a quella interna che è ancora umida; Ø Tensioni dovute ad escursioni termiche, si hanno in zone con forte escursioni termiche, la zona superficiale in clima rigido subisce un raffreddamento > rispetto a quella del substrato; Ø Calore di idratazione, l’idratazione della pasta cementizia alza la temperatura del cls e la differenza di temperatura tra interno e esterno crea una sollecitazione termica quando si ha una differenza di circa 20 -25 °C); Ø Tensioni di trazione superiori alla resistenza del calcestruzzo dovute a carichi dinamici o carichi statici permanenti. “E’ bene evitare la formazione di fessure perché sono la via preferenziale per l’attacco alle armature”.