Il degrado delle infrastrutture in calcestruzzo armato: cause, conseguenze, diagnostica e metodi di protezione

Corrosione delle armature in calcestruzzo armato: cause e conseguenze 

Il degrado è definito come un deterioramento di integrità e/o efficienza. Naturalmente, tutto quanto esistente, sia in natura, sia artificiale è soggetto, per varie ragioni, a tale processo. Non fanno eccezione i manufatti e le infrastrutture costruite dall’uomo, in particolar modo quelle in calcestruzzo armato. Esse, infatti, soffrono, in relazione all’ambiente circostante di problemi di corrosione. Difatti, è proprio la corrosione a costituire la più diffusa causa di degrado delle armature metalliche nel calcestruzzo armato. Tra le principali cause della corrosione, che colpiscono le infrastrutture (quelle viarie in particolar modo) sono certamente da annoverare la corrosione per carbonatazione e la corrosione derivante da ioni cloruro, siano essi derivanti da sali disgelati o da ambienti marini.

La conoscenza del processo di corrosione diventa, pertanto, di fondamentale importanza al fine di poter progettare e/o manutenere opere in calcestruzzo armato. Il processo di corrosione, infatti, oltre a comportare un problema di carattere meramente estetico, comporta una perdita di capacità portante degli elementi strutturali fino a determinare un cambiamento del suo comportamento statico e sismico.

La corrosione delle barre in calcestruzzo consiste in un progressivo consumo dell’acciaio e, pertanto, in una riduzione di sezione resistente delle barre stesse. Gli ossidi che si producono dal processo di corrosione dell’acciaio sono molto più voluminosi dell’acciaio che li genera, pertanto, questa “espansione” dell’acciaio conduce alla fessurazione del copriferro, lasciando difatti la barra senza protezione dagli agenti aggressivi. La fessurazione del corpiferro continua fino alla sua completa rottura, lo spalling. Avvenuto il processo di spalling, viene a determinarsi una riduzione anche della sezione resistente di calcestruzzo (oltre a quella dell’acciaio). Tali riduzioni delle sezioni dei materiali resistenti determinano certamente una variazione della resistenza delle sezioni interessate dal fenomeno in quanto si verificano perdite di aderenza tra acciaio e calcestruzzo, perdita di resistenza a taglio e l’insorgere di momenti eccentrici a causa della variazione della posizione del baricentro delle sezioni. Infine, a livello globale, il degrado può indurre la struttura ad assumere un differente comportamento sismico, e, perfino un cambiamento nel meccanismo di rottura, mutando da uno duttile ad uno di tipo fragile.

Tralasciando per un attimo quelli che sono gli aspetti strettamente ingegneristici, di seguito, analizziamo le due principali cause della corrosione delle strutture in calcestruzzo armato: la carbonatazione e la corrosione da ioni cloruro.

La prima forma è dovuta essenzialmente alla presenza di anidride carbonica che riduce l’alcalinità del calcestruzzo facendone diminuire il pH da un valore lievemente maggiore di 13, fino a un valore inferiore a 9. Questo processo è comunemente detto carbonatazione. La carbonatazione determina quindi, dapprima un ammaloramento del copriferro e, come conseguenza, l’ossidazione delle armature. In caso di carbonatazione, il fenomeno della corrosione avviene in maniera generalizzata (diffusa), determinando quindi una riduzione di sezione alquanto omogenea lungo l’intera parte interessata. Spesso è possibile accorgersi del fenomeno in atto, in quanto, sulla superficie esterna del calcestruzzo appaiono macchie di ruggine oppure danneggiamenti del copriferro provocati dall’azione espansiva dei prodotti di corrosione.

La seconda forma di corrosione, quella dovuta agli ioni cloruro, crea un ambiente “ostile” all’acciaio, giacché gli ioni cloruro (molto piccoli rispetto al reticolo cristallino dell’acciaio) penetrano nello stesso, provocando una riduzione localizzata di sezione che penetra in profondità assottigliando molto e molto velocemente la sezione delle armature. Inoltre, al contrario della corrosione da carbonatazione, spesso questa corrosione non presenta sintomi esterni. Questo tipo di corrosione, pertanto, risulta più pericoloso rispetto alla corrosione da carbonatazione. L’assenza di sintomi visibili sulla superficie esterna e la concentrazione dell’attacco possono, infatti, portare a non accorgersi del fenomeno e, contemporaneamente, a un indebolimento locale dell’armatura o della staffa, talmente profondo da interromperne la continuità.

Oltre alla corrosione da carbonatazione e da ioni cloruro, nei casi di strutture che presentano acciai ad alta resistenza, quali ad esempio le strutture precompresse, in condizioni ambientali molto specifiche, è possibile che si sviluppino cricche di corrosione sotto sforzo indotte dall’idrogeno, in grado di portare a rottura fragile il materiale.

Corrosione delle armature in calcestruzzo armato: la diagnostica

Le recenti normative tecniche richiedono, al fine di una corretta progettazione degli interventi di miglioramento/adeguamento sismico, l’acquisizione di livelli di conoscenza dei materiali e della geometria del manufatto sul quale si vuole intervenire. In tali casi, quindi, diventano di fondamentale importanza il rilievo geometrico delle sezioni e del copriferro ed i valori di resistenza dei materiali in opera. Mentre il rilievo delle caratteristiche geometriche delle sezioni è, nella maggior parte dei casi, di semplice realizzazione, in particolar modo quando è disponibile il progetto esecutivo dell’opera, la valutazione delle caratteristiche dei materiali in opera è certamente più complesso, specie in presenza di fenomeni di degrado. Le stesse normative consentono, in tal senso, l’utilizzo di test distruttivi o non distruttivi. I test non distruttivi (NDT) sono una tipologia di diagnostica che consente di rilevare le caratteristiche dei materiali in opera e di valutarne eventuali anomalie, difettosità e stato di degrado senza però alterarne il loro stato fisico o la loro geometria. Pertanto, le metodologie diagnostiche e di monitoraggio, in special modo per le infrastrutture varie, spesso poco accessibili, o con accessibilità a costo elevato, assumono un ruolo di importanza fondamentale per il controllo del degrado dei materiali e per la valutazione dell’integrità strutturale e, quindi, del loro grado di qualità e affidabilità nei confronti degli utilizzatori e di eventi sismici. Esiste una grande varietà di test che consente tale tipologia di diagnostica, ma resta al tecnico incaricato l’individuazione e la scelta di quelli più idonei alla specificità del caso in esame, la qualificazione delle procedure di controllo (in caso di elementi prefabbricati) mentre la numerosità è definita dalla normativa. Tuttavia le numerose metodologie d’analisi attualmente disponibili fanno sì che l’affidabilità dei controlli, sia in produzione sia in esercizio, risulti notevolmente influenzata da numerose variabili che incidono direttamente o indirettamente sui risultati dell’ispezione. In soccorso dei professionisti sono arrivati con il tempo il D.M. 14 gennaio 2008 che, al cap. 8, definisce i criteri generali per la valutazione della sicurezza e per la progettazione, l’esecuzione e il collaudo degli interventi sulle costruzioni esistenti, così come le successive Norme Tecniche delle Costruzioni 2018. 

Nella progettazione degli interventi di ripristino conservativo non è possibile, quindi, prescindere da una corretta definizione della tipologia e della numerosità delle prove al fine di acquisire adeguati livelli di conoscenza e fattori di confidenza. 

Tra le tecniche innovative per la determinazione del degrado si inseriscono prove di durabilità, necessarie a precisare i meccanismi dei processi di degradazione, per mettere a punto nuovi materiali e nuovi metodi di protezione, per seguire il comportamento dei materiali in esercizio e, infine, a corrosione avvenuta, per diagnosticarne le cause e porvi rimedio.

L’ottenimento di dati indicativi e attendibili è legato alla possibilità di controllare i fattori di corrosione in gioco e di utilizzare tecniche appropriate. In particolare, le prove di laboratorio e in situ sono prove che forniscono dati di base relativi all’influenza dei fattori di corrosione fondamentali. Questi dati consentono di determinare la natura di un certo fenomeno corrosivo, il tipo di controllo cinetico cui è soggetto, di valutare il comportamento dei materiali in certe condizioni ambientali o l’efficacia dei metodi di protezione. Una peculiarità delle prove di laboratorio è l’elevato grado di attendibilità dei risultati, reso possibile dal rigoroso controllo delle caratteristiche ambientali, del materiale metallico e dall’accuratezza con cui si possono compiere le prove stesse. in tale direzione è possibile affiancare alle usuali tecniche di indagine (carotaggi, prelievo di armature, SONREB, ecc.) prove per il rilevamento del potenziale di corrosione che danno una indicazione circa la velocità della corrosione in atto e, quindi, dello stato di degrado generale delle armature e della sezione strutturale.

La diagnostica delle infrastrutture deve certamente essere incentrata alla determinazione della diminuzione della capacità portante dell’opera (anche della sollecitazione cui lo specifico elemento strutturale deve assolvere) senza tralasciare il degrado dei materiali che determinano una minore efficienza delle sezioni di acciaio e calcestruzzo e una loro drastica diminuzione. Spesso, però, alcune parti delle infrastrutture (ad esempio campate di ponti e piloni) non sono facilmente accessibili, pertanto si stanno sviluppando anche metodologie di diagnostica con strumenti robotizzati, droni, in remoto o in continuo. Di certo non esiste una tecnica di diagnostica migliore rispetto ad un’altra, l’ideale è l’utilizzo di più tecniche volte all’individuazione dei differenti aspetti strutturali e di degrado che affliggono le strutture e le infrastrutture.

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