Impermeabilizzazione intrinseca e autoriparazione: il ruolo dei cristallizzanti

Il lavoro illustra il trattamento cristallizzante applicato al calcestruzzo di una vasca di compostaggio per lo smaltimento di rifiuti organici, avente come scopo la sua protezione chimica e impermeabile. I prodotti organici in decomposizione contenuti in essa innalzano la propria temperatura e generano un attacco chimico fortemente aggressivo con distruzione del calcestruzzo armato. La manutenzione consiste nel rifacimento periodico del calcestruzzo e dell’armatura. Dopo l’ennesimo rifacimento, per allungare la vita utile dell’opera è stato applicato una boiacca cristallizzante in modalità di coating. Si tratta di una malta cristallizzante in polvere con inibitore di corrosione che, miscelata con acqua, genera una boiacca. Applicata sul calcestruzzo innesca una reazione chimica di cristallizzazione della matrice cementizia, che attraversa l’intera sezione del manufatto rendendolo totalmente impermeabile e chimicamente inattaccabile in un range di pH compreso fra pH 2 e pH 12 per contatto costante e fra pH 3 e pH 13 per contatto saltuario. La presenza dello strato di boiacca è necessaria fino al completamento della reazione chimica (circa venti giorni) periodo oltre il quale, la sua rimozione, non compromette le caratteristiche impermeabili e di protezione chimica ottenute. Sul fondo vasca l’applicazione è avvenuta a spolvero (metodo dry-shake) dopo il getto. L’autoriparazione spontanea di fessure fino a 0,4 mm. di ampiezza, detta “self-healing”, ha garantito la sigillatura di quadri fessurativi. La caratteristica “air-curing” del prodotto, elimina le operazioni postume di curing, poiché per la maturazione della boiacca è sufficiente la sola umidità presente nell’aria.

Il c.a. della vasca di accumulo viene "aggredito" dal percolato caldo acido, richiedendo una ricostruzione periodica

Montello Spa è una società convertita dal settore siderurgico a quello della Green Economy, attualmente specializzata nell’attività di recupero e riciclo dei rifiuti d’imballaggi in plastica e post consumo, nonché dei rifiuti organici provenienti dalla raccolta differenziata, con produzione finale di biogas e fertilizzanti. Il rifiuto organico FORSU viene raccolto in vasche di accumulo in calcestruzzo armato, aventi dimensioni di circa 12x12 metri e altezza di 9 metri. Il materiale organico staziona all’interno della vasca prima di essere introdotto all’interno di strutture chiuse mantenute in depressione.

Il processo di decomposizione organica genera, all’interno dell’accumulo, un aumento di temperatura (fino a 70°C) e un percolato caldo acido, fortemente aggressivo. Il calcestruzzo armato delle pareti e del fondo vasca subisce un attacco chimico così importante, da richiedere una ricostruzione periodica, approssimativamente quinquennale, causa la distruzione del copriferro e della parte più esterna dell’armatura.

Principi chimici nella tecnologia dei cristallizzanti

Le infrastrutture moderne devono garantire una vita utile molto più lunga rispetto al passato, in un contesto in cui i costi di manutenzione e le esigenze di sostenibilità rendono fondamentale ridurre gli interventi di riparazione. Tuttavia, il calcestruzzo rimane un materiale poroso e vulnerabile: l’acqua, i sali disciolti e gli agenti chimici presenti nell’ambiente rappresentano i principali fattori di degrado.

Le conseguenze di tali fenomeni sono note: corrosione delle armature in ponti e viadotti, perdita di prestazioni meccaniche negli edifici, infiltrazioni in gallerie, vasche e fondazioni.
Tradizionalmente, per contrastare queste criticità, si è fatto ricorso a membrane impermeabilizzanti o additivi idrofobizzanti.

Questi sistemi, pur efficaci, presentano limiti intrinseci: le membrane proteggono solo la superficie e possono danneggiarsi con il tempo o a causa di movimenti strutturali; gli additivi idrofobizzanti rendono il materiale repellente all’acqua, ma non ne modificano la porosità interna. In entrambi i casi, la protezione offerta non è sempre durevole nel lungo periodo.

In questo scenario si colloca lo sviluppo degli additivi cristallizzanti, una tecnologia innovativa che ha suscitato crescente interesse a livello internazionale. Questi additivi, sotto forma di polveri o sospensioni, possono essere introdotti direttamente nell’impasto di calcestruzzo fresco oppure applicati come boiacca su malte e superfici già indurite. La loro peculiarità consiste nella capacità di reagire con i prodotti di idratazione del cemento, in particolare con l’idrossido di calcio, innescando la formazione di cristalli insolubili.

Questi cristalli si sviluppano progressivamente all’interno della matrice cementizia, andando a occludere i pori capillari e le microfessure.

Il risultato non è la creazione di una barriera superficiale, bensì un processo di impermeabilizzazione intrinseco, che nasce dall’interno del materiale stesso. A differenza delle soluzioni tradizionali, i cristallizzanti mantengono nel tempo la capacità di reagire in presenza di nuova umidità: ogni volta che l’acqua penetra nel calcestruzzo, essa riattiva gli additivi ancora disponibili, alimentando la crescita cristallina.

Questo meccanismo spiega il fenomeno di auto-riparazione (self-healing), grazie al quale microfessure fino a 0,4–0,5 mm possono richiudersi spontaneamente.

L’efficacia dei cristallizzanti non si limita però alla sola impermeabilizzazione. Riducendo in maniera significativa la penetrazione di cloruri, solfati e anidride carbonica, essi contribuiscono a proteggere le armature dalla corrosione, che rappresenta una delle cause principali di degrado del calcestruzzo armato. Inoltre, la densificazione della microstruttura riduce la porosità complessiva, migliorando le prestazioni meccaniche e la resistenza chimica del materiale. Ciò si traduce in un allungamento della vita utile delle strutture, con benefici sia economici sia ambientali, poiché una maggiore durabilità implica minore consumo di risorse per riparazioni o ricostruzioni.

Per queste ragioni, gli additivi cristallizzanti trovano oggi applicazione in una gamma sempre più ampia di contesti: grandi opere infrastrutturali come dighe, gallerie e ponti, impianti idrici e serbatoi soggetti a forti pressioni idrostatiche, ma anche interventi di riqualificazione edilizia, dove occorre garantire impermeabilità e protezione a lungo termine. Il loro utilizzo risponde così alle esigenze dell’edilizia contemporanea, sempre più orientata verso soluzioni sostenibili, durevoli e capaci di autoripararsi, trasformando il calcestruzzo da materiale vulnerabile a vero e proprio protagonista di una nuova generazione di costruzioni resilienti.

La presente memoria è stata pubblicata su MASTER Magazine (la rivista dell'Associazione MASTER) di Ottobre 2025 (anno XVI).
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Proprietà degli additivi cristallizzanti

Le conoscenze attuali sugli additivi cristallizzanti (CA – Crystalline Admixtures) derivano da una crescente produzione scientifica, recentemente riassunta nella review di Ammar et al. (2024) [1], che ha raccolto e confrontato i principali risultati sperimentali e applicativi disponibili in letteratura. Gli additivi cristallizzanti possono essere definiti in modo semplice come composti chimici capaci di reagire con i prodotti di idratazione del cemento, generando strutture cristalline insolubili che si sviluppano all’interno della matrice cementizia. L’effetto diretto di questo processo è la chiusura dei pori capillari e delle microfessure, con conseguente riduzione della permeabilità e miglioramento della durabilità complessiva.

Dal punto di vista compositivo, i CA sono generalmente costituiti da una base di cemento Portland ordinario, sabbia quarzifera finemente macinata e una serie di sostanze attive proprietarie, la cui natura esatta è spesso coperta da segreto industriale. Le analisi sperimentali hanno tuttavia mostrato che tali additivi contengono proporzioni variabili di ossidi come SiO₂, CaO, Na₂O, Al₂O₃ e MgO.

In particolare, il contenuto relativamente più alto di Na₂O rispetto al cemento comune contribuisce ad aumentare l’alcalinità della soluzione interstiziale, accelerando i processi di cristallizzazione alcali-silicatica e favorendo la carbonatazione espansiva di alcuni prodotti di idratazione. Questo comportamento si traduce in una maggiore capacità di ostruire i percorsi capillari e di limitare la migrazione di specie aggressive come cloruri e solfati, fenomeno di grande rilevanza nelle strutture esposte ad ambienti marini o a sali disgelanti.

Il meccanismo di funzionamento si attiva quando gli additivi vengono a contatto con l’umidità: le sostanze attive migrano all’interno della matrice cementizia per gradiente di concentrazione e incontrano zone ricche di portlandite (Ca(OH)₂), un sottoprodotto solubile e relativamente debole dell’idratazione del clinker.

Qui reagiscono con gli ioni Ca²⁺, formando inizialmente complessi solubili e instabili che, in presenza di specie più stabili come SiO₃²⁻, AlO₂⁻ o CO₃²⁻, precipitano sotto forma di composti cristallini insolubili e duraturi, tra cui C–S–H (silicato di calcio idrato) secondario, C–A–S–H (silicato alluminato di calcio idrato), carbonati e, in alcuni casi, ettringite compatta. La formazione progressiva di cristalli aghiformi e lamellari riempie i vuoti capillari e le microfessure, contribuendo a una vera e propria impermeabilizzazione intrinseca.

Una proprietà fondamentale dei CA è la loro capacità di riattivarsi nel tempo: gli additivi non ancora reagiti rimangono “dormienti” all’interno della matrice e si riattivano quando nuova acqua penetra nel calcestruzzo. Questo garantisce un comportamento di autoriparazione (self-healing), grazie al quale fessure di ampiezza fino a 0,3–0,4 mm possono essere sigillate anche a distanza di anni, mentre il calcestruzzo ordinario riesce a richiudere in autonomia solo fessure di pochi decimi di millimetro (30–100 µm). Studi come quello di Antón et al. (2024) hanno evidenziato come la crescita continua dei cristalli migliori non solo l’impermeabilità, ma anche la resistenza a compressione, con incrementi dell’ordine del 6% rispetto ai campioni di controllo.

Le proprietà dei CA non si esauriscono alla riduzione della permeabilità. Wang et al. (2018) hanno osservato che la precipitazione di carbonato di calcio (calcite o aragonite) nelle fessure contribuisce a un sigillo più stabile, mentre Escoffres et al. (2018) hanno dimostrato che in calcestruzzi fibrorinforzati gli additivi cristallizzanti favoriscono la formazione di aragonite, che si sviluppa più lentamente ma offre un riempimento duraturo, specialmente in combinazione con fibre che distribuiscono fessure più sottili e diffuse.

Pazderka & Hájková (2016) hanno invece studiato la permeabilità al vapore, rilevando una sua reale riduzione, senza compromessi significativi sulla resistenza meccanica a lungo termine, seppur con un lieve ritardo nei tempi di presa iniziali.

Un ulteriore contributo arriva dagli studi di Hermawan et al. (2024), i quali hanno sottolineato come la densificazione della matrice e la continua crescita di cristalli di C–S–H e CaCO₃ siano i veri fattori alla base della capacità di guarigione autogena e della protezione durevole delle armature.

L’azione sinergica di questi meccanismi riduce la diffusione degli agenti aggressivi, mantiene elevato il pH interno e ostacola la corrosione delle barre di acciaio, allungando così la vita utile delle strutture.

In sintesi, le proprietà degli additivi cristallizzanti si fondano su alcuni principi distintivi: reattività mirata, capacità di migrazione, formazione progressiva e duratura di cristalli insolubili, riattivabilità in presenza d’acqua e compatibilità intrinseca con la matrice cementizia. Questi aspetti li rendono strumenti estremamente efficaci per incrementare impermeabilità, resistenza meccanica e durabilità a lungo termine del calcestruzzo, confermandone il ruolo centrale nelle strategie moderne per la protezione e la resilienza delle infrastrutture.

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