La cristallizzazione e il self-healing per la durabilità dei ponti in calcestruzzo

Il crollo del ponte di Albiano Magra sul fiume Magra ad Aullo in Toscana l’8 aprile scorso è solo il più recente di una lunga serie di casi di mancata o errata manutenzione delle infrastrutture stradali in Italia. La maggior parte di queste opere, infatti, risale al secondo dopoguerra e versa in condizioni di degrado, spesso anche molto ben visibili.

Appare chiaro come il tema della durabilità sia al centro delle fasi di progettazione e manutenzione delle opere pubbliche. Per i ponti la sfida è particolarmente importante da vincere, in quanto per loro natura esposti agli agenti aggressivi contenuti in atmosfera e nelle acque di fiumi e mari.

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Un’indagine condotta nel 2007 nell’ambito del progetto CON-REP-NET [Matthews S. (2007) CONREPNET: Performance-based approach to the remediation of reinforced concrete structures: Achieving durable repaired concrete structures. Journal of Building Appraisal 3(1): 6-20] ha mostrato che il 50% delle strutture in calcestruzzo riparate è destinato a danneggiarsi ancora, il 25% delle quali nei primi 5 anni, il 75% entro 10 anni e il 95% entro 25 anni. Questo è solo un esempio dell'urgente bisogno di un profondo ripensamento dei concetti e dei processi di progettazione per strutture nuove e riparate in ambienti aggressivi in relazione al rapporto costi-efficacia.

Il vantaggio di realizzare un’opera progettando un calcestruzzo durabile, come facilmente intuibile, è notevole. Dal punto di vista economico, infatti, l’impego di un calcestruzzo con prestazioni di durabilità determina un aumento del costo del materiale del 10-20%, ma nel complesso l’incremento del costo dell’opera si aggira attorno all’1%. Al contrario, i costi per la manutenzione e il recupero di un’opera realizzata con un calcestruzzo non durevole possono raggiungere fino a 125 volte il costo originale della stessa, quando il degrado abbia raggiunto uno stato di avanzamento tale da rendere inservibile l’opera per le destinazioni d’uso previste.

Durabilità e degrado: definizioni ed indicazioni da normativa

Secondo il D.M. 17.01.2018, la durabilità è definita come conservazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali (quale il calcestruzzo) e delle strutture, proprietà essenziale affinché i livelli di sicurezza vengano mantenuti durante la vita utile dell’opera.

La durabilità è influenzata da diversi fattori, comunemente classificati come chimici, fisici e meccanici. Nella maggior parte dei casi i differenti fattori concorrono contestualmente al deterioramento del materiale, esaltandosi a vicenda.

Tuttavia, le più comuni cause di degrado dipendono dalla porosità e dalla permeabilità del conglomerato, poiché permettono la penetrazione all’interno del calcestruzzo degli agenti aggressivi.

Il riferimento normativo per la progettazione di strutture che abbiano caratteristiche di durabilità è contenuto all’interno del D.M. 17 gennaio 2018, rimandando alle indicazioni contenute nelle Linee Guida sul calcestruzzo strutturale edite dal Servizio Centrale del Consiglio Superiore dei LL.PP. ovvero alle norme UNI EN 206 – 2006 ed UNI 11104:2004. Queste ultime definiscono solamente 6 classi di esposizione per il calcestruzzo strutturale, mettendo in relazione i requisiti di durabilità con l’ambiente cui la struttura è esposta.

PENETRON®, un alleato per la durabilità

Il Sistema PENETRON® è utilizzato da oltre 40 anni in tutto il mondo come la soluzione più avanzata per la realizzazione di strutture durabili. Applicato alle superfici esistenti in fase positiva ed in fase negativa (controspinta), oppure inserito nel “mix design” di progetto in fase di confezionamento del calcestruzzo nelle strutture di nuova realizzazione, assicura una protezione interna alla matrice in calcestruzzo anche in presenza di acqua di falda e di spinta idraulica, con elevata resistenza alle concentrazioni chimiche ed ai contaminanti presenti in atmosfera, nel sottosuolo o in ambiente marino.

Il Sistema Penetron® è una tecnologia “integrale”, interessa infatti l’intero spessore del manufatto, “attiva nel tempo”, ogni qual volta vi siano condizioni di umidità, economica e flessibile, che velocizza le operazioni di posa e assicura la durabilità dell’opera nella vita di esercizio. Quando i prodotti del Sistema Penetron® vengono applicati ad un calcestruzzo umido o bagnato a rifiuto, ad un calcestruzzo fresco di getto o in fase di confezionamento nel “mix design” di progetto, gli ingredienti attivi reagiscono con i composti solubili del calcestruzzo (idrossido di calcio-calce libera) formando un nuovo complesso cristallino, filiforme, insolubile (C-S-H, Silicato di Calcio Idrato), che sigilla i pori, i capillari e auto-ripara fessurazioni anche fino a 400 micron (self-healing). 

A differenza di altri prodotti presenti sul mercato, questa crescita cristallina occuperà profondamente la porosità capillare della struttura in calcestruzzo e potrà eventualmente penetrarla completamente in presenza d’acqua. Il Penetron® può rimanere inerte quando l’umidità si sia esaurita, ma la sua azione si riattiva immediatamente se l’umidità ricompare, rinnovando nella struttura il processo di una sempre più estesa cristallizzazione, per garantire impermeabilità e durabilità dell’opera nel tempo. Questa tecnologia avanzata offre una proprietà unica di autorigenerazione per una “protezione totale” della matrice strutturale. I benefici apportati sono molteplici, specie contro i cicli di gelo-disgelo, la corrosione da agenti atmosferici, l’umidità del sottosuolo, le acque contenenti cloruri, solfati, nitrati, l’aggressività dell’ambiente marino e delle realizzazioni industriali.

Il Penetron® è stato sottoposto a numerosi test da parte di laboratori ed enti di ricerca accademici e privati. I più recenti hanno permesso di mettere in evidenza il suo eccezionale contributo di fronte a carbonatazione e attacco provocato da cloruri, tra i più tipici ed al contempo ostici fenomeni di degrado del calcestruzzo.

Resistenza alla carbonatazione del calcestruzzo con il Sistema Penetron®

Per carbonatazione del calcestruzzo s’intende la formazione di carbonato di calcio all’interno della sua matrice, a causa delle reazioni chimiche che avvengono tra anidride carbonica, ossigeno ed acqua presenti nell’aria ed il calcestruzzo stesso. La conseguenza è l’abbassamento del pH del calcestruzzo, condizione favorevole alla corrosione dei ferri d’armatura.

Per valutare il contributo di PENETRON® ADMIX all'estensione della vita utile del cemento armato esposto alla carbonatazione o, in alternativa, per valutare il suo contributo all'aumento dell'affidabilità del calcestruzzo strutturale, è necessario confrontare le prestazioni di una miscela di calcestruzzo contenente PENETRON® ADMIX con un calcestruzzo di riferimento senza additivo per la classe XC3 / XC4, come indicato dalla normativa BS 8500-1 (BS EN 206:2013). Nell’agosto 2019 sono state prodotte, campionate e testate due miscele di calcestruzzo (A, B) nel laboratorio accreditato ISO/CEI 17025 IMM (Istituto Meccanica dei Materiali) di Grancia, Svizzera, con i dosaggi riportati in tabella.

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I risultati, mostrati nel grafico, evidenziano che additivando con PENETRON® ADMIX all’1% un calcestruzzo povero di cemento e con un più elevato rapporto a/c, si ottiene un incremento della resistenza alla carbonatazione (espressa mediante il coefficiente K) di quasi il 50%.

Resistenza del calcestruzzo all’attacco dei cloruri

Nel caso di strutture marine o opere stradali su cui si spargono sali disgelanti, gli ioni cloruro possono penetrare nel calcestruzzo fino a raggiungere le armature. Se sulla superficie delle armature si supera un certo tenore critico di cloruri (indicativamente dell’ordine di 0,4-1% del contenuto in peso di cemento), il ferro si depassiva, attivando la corrosione delle armature stesse.

Il laboratorio IMM ha sottoposto a prova due mix design differenti, al fine di calcolare il coefficiente di resistenza alla penetrazione dei cloruri (alfa): uno adatto ad esposizione in ambiente marino (alta concentrazione di cloruri) con le caratteristiche riportate nella normativa BS 8500 (BS EN 206-1:2013), ed un altro più economico, con più basso tenore di cemento, più alto rapporto acqua/cemento ed additivo PENETRON® ADMIX dosato all’1%.

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È stata dunque misurata la resistenza ai cloruri a 28, 56, 90 e 120 giorni, per poter calcolare a sua volta il rispettivo coefficiente alfa.

Il coefficiente alfa del mix B con PENETRON® ADMIX è pari a 0,75, sensibilmente più elevato di quello calcolato per il mix A.

Dai risultati delle due prove effettuate si può dedurre che l’additivazione con PENETRON® ADMIX permette di:

  • Ridurre i rischi derivanti dalla corrosione dei ferri d’armatura dovuta alla carbonatazione e alla penetrazione di cloruri;
  • Utilizzare una minore quantità di cemento, riducendo i costi della miscela ad aumentandone la lavorabilità, ma ottenendo prestazioni più elevate in termini di durabilità.

Il fenomeno del Self-healing

Com’è noto, il calcestruzzo possiede di per sé moderate capacità di auto-sigillatura delle fessure, grazie al fatto che parte dei costituenti del calcestruzzo restano allo stato anidro. Questi componenti, in caso di formazione di fessura, entrando in contatto con acqua o umidità formano composti che contribuiscono alla riparazione delle fessure (self-healing autogeno). Quando al calcestruzzo vengono aggiunti additivi o, in generale, componenti che promuovono il self-healing, si parla invece di self-healing stimolato o ingegnerizzato.

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Il PENETRON® ADMIX funge, appunto, da promotore del processo di self-healing, come già dimostrato da numerosissimi test effettuati da laboratori accreditati. Vale la pena, però commentare i risultati ottenuti da un test effettuato nel 2018 dal Politecnico di Milano, che ha come obiettivo l’analisi del self-healing autogeno e stimolato di calcestruzzi rinforzati con fibre d’acciaio, confrontando due miscele con e senza l’aggiunta del PENETRON® ADMIX, sottoponendo i provini a ripetuti cicli di fessurazione/cicatrizzazione.

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