Come riconoscere e contrastare la carbonatazione nelle strutture in calcestruzzo armato

Uno dei problemi più frequenti che mi trovo ad analizzare nella mia duplice veste di accademico e di ispettore di ponti è la penetrazione dell’anidride carbonica nelle strutture in calcestruzzo armato.

Come già affrontato in un altro articolo, relativo all’attacco dei cloruri, in questo secondo contributo, vengono illustrati sia i meccanismi di attacco dell’anidride carbonica, sia le opportune procedure di intervento e di riparazione.

In fase di sopralluogo è fondamentale individuare il danno localizzato, tipicamente corrosione delle barre di armatura e fessurazione del calcestruzzo, al fine di eseguire, eventualmente, analisi numeriche globali con danno inglobato e verificare la variazione degli indicatori di rischio.

La serie di collassi strutturali, avvenuti di recente in Italia, ha sensibilizzato la comunità scientifica ad orientare la propria attenzione verso la verifica delle strutture esistenti soggette a degrado localizzato, a tal proposito, è possibile trovare uno studio dettagliato.

Pertanto, in materia di degrado delle strutture in calcestruzzo armato (concetto che si può estendere ad altri materiali e strutture), molto importante è la capacità del tecnico specializzato di riconoscere, catalogare e modellare, numericamente, il danno.

In tale fase è interessante confrontare i dati di output della struttura integra con quella in cui è presente il danno localizzato al fine di rilevare comportamenti strutturali globali ingegneristicamente rilevanti. Questo consentirà di progettare opportuni interventi di riparazione/consolidamento con tecniche e materiali debitamente scelti dal progettista.

Nelle figure seguenti vengono illustrati e commentati alcuni concetti fondamentali relativamente al danno promosso dall’azione dell’anidride carbonica. In particolare, nella Figura 1 è rappresentato uno schema metodologico dal sopralluogo al cantiere: 

FIGURA 1: Schema metodologico dal sopralluogo al cantiere.

FIGURA 3: Calcestruzzo fessurato da ritiro igrometrico e da spalling per effetto delle armature corrose in una pila da ponte.

Diffusione dell'anidride carbonica in un calcestruzzo non fessurato

L’anidride carbonica è presente sia nell’acqua che nell’aria in percentuali variabili in funzione delle condizioni ambientali e di inquinamento. Quando l’anidride carbonica viene a contatto con i manufatti in calcestruzzo armato, neutralizza i componenti alcalini presenti nel calcestruzzo e il pH passa da valori >13 a valori

La reazione di carbonatazione è la seguente:   

CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃+H₂O

Essa non produce danni direttamente al calcestruzzo ma, riducendo il pH della soluzione nei pori, comporta che questo non assicuri le condizioni di passività alle barre di armatura predisponendo le condizioni chimico-fisiche favorevoli alla corrosione delle stesse. 

Quando la carbonatazione penetra l’intero spessore del copriferro, il film protettivo (ossido ferrico) delle barre di armatura diventa poroso ed incoerente e non è più in grado di bloccare l’ingresso dell’ossigeno e dell’acqua al substrato metallico. Il ferro si trasforma in ruggine, con aumento di volume pari a circa 4 volte il volume del ferro non corroso e il copriferro si fessura.  

Per dirla con Mario Collepardi, l’anidride carbonica ha un ruolo di “complice”, ma i veri “killer”, nei confronti delle barre di armatura, sono l’ossigeno O₂ e l’acqua H₂O, indispensabili al processo di corrosione: 

Fe →Fe(OH)₂

Questa reazione non avviene nelle opere in calcestruzzo armato completamente e permanentemente immerse in acqua per la mancanza di ossigeno e, nelle opere permanentemente collocate in ambienti “asciutti”, per mancanza di acqua.

FIGURA 5: Evoluzione dello stato fessurativo nel calcestruzzo per effetto della corrosione della barra di armatura

FIGURA 6: A sinistra il processo di carbonatazione con abbattimento del pH e a destra la conseguente distruzione del “film” protettivo che apre le porte alla corrosione (M. Collepardi, modificata)

FIGURA 7: Tipico danno promosso dalla carbonatazione: a sinistra il dettaglio della base di un pilastro di una struttura in c.a. in cui si notano le armature corrose in modo uniforme a differenza dei cloruri che promuovono una corrosione generalmente localizzata.

La reazione di carbonatazione inizia sulla superficie esterna e la sua velocità di penetrazione diminuisce nel tempo a mano a mano che avanza in profondità.

La profondità di carbonatazione può essere ragionevolmente descritta da una legge proporzionale alla radice quadrata del tempo ad andamento parabolico: 

s=K√t

dove 

• s è lo spessore (in mm) di calcestruzzo carbonatato;
• t è il tempo (in anni);
• K è il coefficiente di carbonatazione (in mm/anni^0.5).

FIGURA 8: Evoluzione nel tempo della profondità di carbonatazione di una struttura in calcestruzzo armato. Le zone in rosa indicano il calcestruzzo carbonatato, quelle in grigio il calcestruzzo alcalino.

Il coefficiente di carbonatazione - che esprime la velocità di penetrazione della carbonatazione - dipende da fattori ambientali e dalle proprietà del calcestruzzo.

La conoscenza del coefficiente di carbonatazione, unitamente allo spessore di copriferro, consente di valutare il tempo di innesco della corrosione. 

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Diffusione dell’anidride carbonica in un calcestruzzo fessurato

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Tecniche di intervento per il ripristino/riparazione del calcestruzzo carbonatato

Dopo aver affrontato i meccanismi di attacco dell’anidride carbonica su calcestruzzo fessurato e non, parliamo ora delle tecniche di intervento relative al ripristino o alla riparazione dello stesso. Posto che lo scopo dell’intervento è quello di ricreare la sagoma di progetto in corrispondenza dei punti degradati per garantire la monoliticità fra il vecchio ed il nuovo calcestruzzo assicurando la resistenza agli agenti aggressivi specifici dell’ambiente di esercizio, di seguito si propone un esempio di fasi operative relative alla tecnica di ripristino indicata per medi spessori da 10 a 50 mm. Trattandosi di suggerimenti del tutto generali, situazioni particolari potrebbero incidere sulla scelta dei materiali e sulle tecniche di intervento: come sempre rimane onere del progettista acclarare e verificare il tipo di problematica gravante sulla struttura e procedere, quindi, alla progettazione degli interventi di ripristino, indicando – secondo la UNI EN 1504 – le opportune strategie di intervento. [...]

FIGURA 18 Raffronto fotografico “prima e dopo” il ripristino di travi di impalcato con passivante cementizio, malta tixotropica strutturale R4 espansiva in aria, solfato resistente e finitura protettiva elastica

Nel caso specifico sin qui trattato, afferente agli attacchi della CO₂ su elementi in calcestruzzo, è possibile fare utile riferimento, ad esempio, alla scheda A.04.13.a sviluppata da Fibre Net SpA.

L’azienda da anni propone una serie completa di soluzioni tecniche che rispondono efficacemente alle problematiche delle grandi opere attraverso linee tecniche complete di prodotti aderenti ai requisiti richiesti dai principali gestori stradali e ferroviari atte per far fronte agli gli interventi di ripristino e adeguamento degli elementi strutturali.

Maggiori approfondimenti sono disponibili nei cicli e nei dwg scaricabili al link in cui viene esplicitato l’intervento completo attraverso l’utilizzo dei prodotti rispondenti a quanto sopra descritto.

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Fibre Net sviluppa e produce in Italia prodotti e sistemi certificati di ripristino e di rinforzo strutturale che trovano utilizzo nell’ambito degli interventi di risanamento, consolidamento e rafforzamento del patrimonio infrastrutturale esistente; ogni giorno traduce le esigenze progettuali ed esecutive della committenza sviluppando soluzioni tecniche e prodotti, anche customizzati, in grado di rispondere efficacemente alle differenti problematiche del cantiere.

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