30 Gen 2011 Il degrado del cemento armato: la carbonatazione

Posted at 12:50h in CEMENTO ARMATO, DISSESTI E VULNERABILITA' by
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ovvero: “un tempo si costruiva per l’eternità, adesso ci si accontenta di 50 anni.”

Piccolissima premessa
Per lunghi decenni, da Le Corbusier in poi si è pensato che il cemento armato, lo splendido materiale frutto del genio umano, fosse praticamente eterno. Con il passare degli anni ci si è accorti del limite temporale di questo materiale e sono venuti a galla i suoi limiti e si è capito che anche lui ha bisogno di manutenzione.
 
Solo da pochi anni nelle norme ci si preoccupa della sua durabilità.
 
carbonatazione
Gli effetti della carbonatazione sul vecchio ponte dell’autostrada a Ripafratta (PI)
Ricordo una frase emblematica del Professor N.Gucci: “Il cemento armato non è altro che una bomba ad orologeria”.
La carbonatazione

Sarà capitato a tutti passando davanti ad un cantiere di notare come i ferri di armatura siano già arrugginiti prima ancora di essere posizionati e gettati. E sicuramente i più hanno pensato “non va bene!”. Ammetto di esserci caduto anche io le prime volte ma in realtà la patina sottile che ricopre le armatura è una pellicola che le protegge. Dopo il getto, grazie al PH del cemento nelle prime fasi di vita (all’incirca di 12,5-12), si ha un fenomeno rilucente del ferro che ne migliora le caratteristiche e in pratica lo rende passivato. Con il passare degli anni l’anidride carbonica reagisce con l’idrossido di calcio presente nella malta generando carbonato di calcio ed acqua:

CO2+Ca(OH)2 → CaCO3+H20
 
Effetti della carbonatazione sul cemento:
  • Abbassamento del PH (8,5), quindi esposizione delle armature alla corrosione;
  • Contrazione della pasta, quindi fessurazione;
  • Aumento della resistenza e della durezza del cemento.
Quindi la carbonatazione non ha un effetto direttamente negativo sul cemento (ne aumenta le prestazioni) ma favorisce la corrosione dell’acciaio.

La corrosione dell’acciaio

Quando l’acciaio si ossida aumenta di 5 volte il proprio volume. Questo aumento di volume crea fortissime pressioni laterali che tendono a lesionare il cemento e, con un processo degenerativo, ad espellere il copriferro esponendo sempre di più le armature agli attacchi ambientali che arrugginiranno rapidamente andando a diminuire la loro sezione resistente.
carbonatazione 3
Con il tempo si arriva alla completa espulsione del copriferro
carbonatazione 2
Lo scorticamento di una trave del ponte di Ripafratta espone le armature alla corrosione
Questo è il grosso inconveniente dell’acciaio. Nelle opere di consolidamento, specie per beni di valore storico, si utilizza acciaio inox (che ha un costo superiore di 4 volte circa dell’acciaio ordinario.  Anche l’acciaio inox arrugginisce, però ha un aumento di volume molto ridotto. 
 
Determinare lo spessore dello strato carbonatato
È possibile determinare la profondità di carbonatazione con esame visivo dell’elemento, con test colorimetrico con soluzione all’1% di fenolftaleina in alcool etilico. Le carote devono essere spaccate secondo piani normali alla superficie di esposizione e, dopo essere state pulite dalle polveri, vanno spruzzate con una soluzione di fenolftaleina all’1% in alcool etilico. La fenolftaleina vira al rosso al contatto con materiale a pH > 9,2 (calcestruzzo sano) e rimane incolore per valori di pH inferiori.
test carbonatazione
Le zone carbonatate non cambiano colore

 

Valutare la vita utile di una struttura in cemento armato

La carbonatazione penetra nel calcestruzzo seguendo questa legge:

Dove:

  • t= tempo espresso in anni
  • s= spessore carbonatato in millimetri
  • K= coefficiente di velocità di penetrazione [mm/anno(1/n)]
  • n= coefficiente in funzione della porosità (per calcestruzzi mediamente porosi n=2)

Da questa formula è possible ricavare la vita utile di una struttura in cemento armato in questo modo:

  • Si misura la profondità del fronte carbonato s al tempo t;
  • Si ricava il coefficiente di velocità di penetrazione;
  • Si costruisce la curva s=s(t) da cui individuiamo la vita residua.

profondita di carbonatazione

La durabilità del cemento armato

La durabilità dipende dalla permeabilità all’acqua che è legata al tipo di inerti, alla classe del cemento ed al rapporto acqua-cemento del conglomerato. Per capire l’importanza del rapporto acqua cemento è interessante osservare la tabella sottostante che mostra per i vari rapporti acqua/cemento (ordinate) e copriferro (ascisse espesso in mm) il tempo, espresso in anni, che impiega la carbonatazione per raggiungere i ferri di armature.

A/C – c
5
10
15
20
25
30
0,45
19
75
+100
+100
+100
+100
0,50
6
25
56
99
+100
+100
0,55
3
12
27
49
76
+100
0,60
1,8
7
16
29
45
65
0,65
1,5
6
13
23
36
52
0,70
1,2
3
11
19
30
43


Poiché la porosità del calcestruzzo è direttamente proporzionale all’acqua di impasto, basse prestazioni meccaniche sono generalmente sinonimo di scarsa durabilità.
In fase di progetto è quindi fondamentale scegliere il copriferro e la classe di calcestruzzo adeguati all’aggressività dell’ambiente dove verrà costruita l’opera.

 Un metodo di recupero di elementi in cemento armato carbonatati è analizzato in questo articolo.

Riferimenti:

– Appunti del corso di Diagnostica e Consolidamento – Prof. Ing. Anna De Falco

– Concrete Repairs, vol.I.A, Concrete pubblication 1986 (tabella profondità di carbonatazione)