Degrado e corrosione delle strutture in cemento armato esposte alla nebbia salina

Le strutture in cemento armato realizzate nel secondo dopoguerra presentano, in gran parte, gravi segni di degrado provocati dagli attacchi chimico-fisici e derivante dalla corrosione delle armature e dai cicli di gelo e disgelo (Figg. 1, 2).

Figura 1: Il ponte di Vivara a Procida (Foto del prof. Ing. Roberto Castelluccio – 2005)

Figura 2: Il ponte di Vivara a Procida (Foto del prof. Ing. Roberto Castelluccio – 2005)

La durabilità delle strutture in cemento armato

Per le strutture in cemento armato la durabilità, strettamente legata all’esposizione ambientale della struttura, è funzione della capacità del calcestruzzo di proteggere le armature metalliche dai processi di corrosione provocati dall’attacco degli agenti aggressivi presenti nell’aria, nell’acqua e nei terreni. Per garantire una durabilità di 50 anni, per le opere ordinarie, e di 100 anni, per le opere sensibili quali le scuole e gli ospedali, appare indispensabile studiare la composizione del calcestruzzo non solo in funzione della Rck ma anche in funzione della consistenza e dell’esposizione ambientale.

Le NTC 2008, al § 11.2.11, stabiliscono che per garantire la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, ordinario o precompresso, esposte all’azione dell’ambiente, si devono adottare quei provvedimenti atti a limitare gli effetti di degrado indotti dall’attacco chimico, fisico e derivante dalla corrosione delle armature e dai cicli di gelo e disgelo. La norma UNI-EN 206 e le Linee guida del Ministero dei Lavori Pubblici sul calcestruzzo strutturale definiscono sei classi di esposizione rapportandole al rischio di degrado del calcestruzzo. Per ciascuna classe di esposizione la norma fissa le caratteristiche del calcestruzzo da utilizzare: in particolare il rapporto A/C, il dosaggio di acqua A ed il tipo di cemento appropriato.

È noto che esistono in commercio gli additivi inibitori della corrosione che potrebbero migliorare la durabilità delle strutture. Purtuttavia gli inibitori della corrosione più diffusi, a base di nitrito di calcio, possono proteggere le armature soltanto se il calcestruzzo risulta privo di fessurazioni. Per tale motivo, considerato che nel calcestruzzo le microfessure sono quasi sempre presenti, appare poco opportuno l’uso di questi additivi ed è consigliabile ricorrere ad altri interventi per proteggere le armature in ambiente aggressivo.

L’immagine testimonia (FIgura 1) le condizioni di degrado dell’intradosso della soletta dell’impalcato. È evidente la mancanza di un adeguato copriferro e l’impiego di una granolumetria degli inerti non adeguata alle condizioni di esposizione ambientale.

Il ponte di Vivara è un ponte pedonale che collega l’isola di Procida con l’isolotto di Vivara. Il ponte nasce come struttura chiamata a portare una condotta in acciaio per l’alimentazione idrica dell’isola d’Ischia. L’immagine (Figura 2) testimonia le condizioni di degrado dei portali del ponte. Anche in questo caso è evidente la corrosione delle armature metalliche provocata, tra l’altro, da un copriferro mancante del tutto o insufficiente.

La corrosione delle armature metalliche indotta dai cloruri dell’acqua di mare per strutture esposte alla nebbia salina

Le strutture in cemento armato a contatto con il mare sono molto vulnerabili in quanto l’acqua è ricca di cloruri, solfati, carbonati alcalini, magnesio, ecc. Questi sali, ciascuno per la sua parte, favoriscono la corrosione delle armature del calcestruzzo. Le strutture in c.a. infatti, oltre ad essere sottoposte alle sollecitazioni meccaniche delle onde, sono interessate dal deposito in superficie dei sali marini che, durante la bassa marea, tendono a precipitare con la formazione di cristalli nel conglomerato che le ha assorbite, per l’evaporazione dell’acqua e la conseguente saturazione delle soluzioni.

La cristallizzazione avviene con aumento di volume che provoca la fessurazione superficiale del calcestruzzo con conseguente penetrazione di ioni di cloro, di solfati e di magnesio. Gli ioni cloro provocano la depassivazione delle armature metalliche mentre gli ioni solfato e gli ioni magnesio reagiscono con alcuni componenti della matrice cementizia con formazione di composti espansivi seguiti da rigonfiamenti e distacchi del calcestruzzo.

Anche i cloruri non provenienti da acqua di mare provocano il degrado delle strutture in cemento armato. In questo caso il cloro può provenire dai sali disgelanti impiegati nella stagione fredda per sciogliere il ghiaccio dal fondo stradale. L’acqua, infatti, si arricchisce di cloro e a contatto con strutture in c.a. (ponti, viadotti, ecc.) favorisce l’ossidazione delle armature metalliche con fessurazioni ed espulsione del copriferro. Lo ione Cl-, infatti, determina la depassivazione delle armature, cioè la perdita della protezione dovuta alla pellicola di ossido di ferro dello strato passivato. In particolare, i cloruri provocano il fenomeno del pitting, ovvero l’ossidazione localizzata delle armature. Le armature presenti nel calcestruzzo sono naturalmente passivate dall’ambiente basico o alcalino (ph>11). La penetrazione dei cloruri determina la degenerazione del film protettivo delle armature e favorisce l’ossidazione delle armature mediante la trasformazione:
Ferro (Fe) + Acqua (H2O) + Ossigeno (O2) = Ossido di Ferro (Fe203)

I cloruri (CaCl2 – NaCl), trasportati dall’acqua nel calcestruzzo per imbibizione o per capillarità, danno luogo, inoltre, alla delaminazione della pasta cementizia, ovvero al distacco tra gli inerti e la matrice di cemento, degradata a causa della
reazione:
3CaCl2+Ca(OH)2+14 H2O = Ossicloruro di calcio idrato

La penetrazione dell’acqua ricca di cloro è favorita dalla porosità del calcestruzzo e quindi dal rapporto acqua/cemento e dallo spessore del copriferro.

Le classi di esposizione ambientale

La norma UNI-EN 206 e le Linee Guida del Consiglio Superiore dei LL.PP. definiscono sei Classi di Esposizione agli agenti aggressivi:

• X0 Assenza di rischio
• XC Corrosione da Carbonatazione
  
• XD Corrosione da Cloruri ad esclusione di quelli di mare
  
• XS Corrosione da Cloruri di mare
  
• XF Degrado per gelo e disgelo
  
• XA Degrado chimico
  

In funzione della classe di esposizione si determinano i valori di Rck (min), del rapporto A/C (max), del dosaggio di cemento C (min), dello spessore del copriferro s (min).
La classe XS è relativa alle condizioni di rischio di corrosione indotta dai cloruri dell’acqua del mare ed è suddivisa nelle tre sottoclassi XS1, XS2 e XS3. Nella sottoclasse XS1, caratterizzata da esposizione alla salsedine marina senza diretto contatto con l’acqua di mare, rientrano le superfici di strutture in c.a. o c.a.p. ubicate sulle coste o in prossimità della costa. Nella sottoclasse XS2, caratterizzata da condizioni di immersione permanente in acqua di mare, rientrano le strutture in c.a. o c.a.p. completamente sommerse. Nella sottoclasse XS3, rientrano le strutture in c.a. o c.a.p. caratterizzate da condizioni di esposizione agli spruzzi e alle onde del mare, o alle maree.

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