L’importanza del monitoraggio per predire e prevenire il rischio di corrosione in strutture di calcestruzzo armato: introduzione al sistema di sensori DuraMon

In questo articolo viene presentato il sistema di monitoraggio prodotto ed applicato da DuraMon AG, spin-off della prestigiosa Università politecnica di Zurigo (ETH Zürich) che propone una tecnologia volta a monitorare il rischio e l’attività della corrosione in strutture in calcestruzzo armato dovuta all’ingresso di cloruri e/o alla carbonatazione della matrice cementizia. L’innovazione di questo sistema si collega non soltanto alla possibilità di monitorare simultaneamente e nel corso del tempo grandezze elettrochimiche rappresentative del rischio ed attività di corrosione dell’armatura a varie profondità nella struttura (quali il potenziale dell’acciaio, la corrente di corrosione, la concentrazione dei cloruri, la temperatura, la resistività e il pH della soluzione dei pori del calcestruzzo), ma anche alla possibilità di ottenere suddette misurazioni fino a quattro volte al giorno e in via del tutto telematica. La tecnologia offerta da DuraMon si compone infatti di un sistema di sensori posizionati direttamente all’interno della struttura, con metodi di installazione che ne permettono l’utilizzo in strutture esistenti e di nuova costruzione, collegati ad un registratore di dati (datalogger) che trasmette automaticamente e wireless le misurazioni elettrochimiche effettuate ad un server tramite un portale (Gateway) installato nelle vicinanze dell’opera. I dati ottenuti, una volta estrapolati dal server, vengono utilizzati per analisi condotte dal team di esperti di corrosione di DuraMon, sulla base delle quali lo stato di ammaloramento e di degrado della struttura può essere monitorato e caratterizzato. In questo articolo, maggiori dettagli ed informazioni rispetto a suddetta tecnologia ed al suo principio di funzionamento vengono presentati e descritti, specificando i potenziali vantaggi legati alla sua applicazione.

Il problema dell’analisi del degrado dell’ambiente costruito a causa della corrosione

Mantenere la funzionalità e la sicurezza delle infrastrutture in calcestruzzo rappresenta una sfida significativa, in particolare nelle regioni in cui l’ambiente costruito include strutture in calcestruzzo armato in fase di deterioramento. Diversi Paesi industrializzati (come Stati Uniti, Germania, ecc.), nei quali il sistema infrastrutturale è in progressivo degrado, spendono fino al 50% dei loro bilanci destinati alle infrastrutture in misure di manutenzione e riparazione. Inoltre, il numero di strutture che necessiteranno di interventi di riparazione nel prossimo futuro (ossia nei prossimi decenni) potrebbe aumentare ulteriormente di un fattore compreso tra 2 e 5.

Alla luce della continua crescita di questa domanda, riuscire a tenere il passo con le necessità di riparazione delle strutture degradate è una sfida enorme che, nella maggior parte dei casi, non può essere soddisfatta a causa, tra l’altro, di budget limitati (soprattutto nel settore pubblico), della scarsità di manodopera qualificata e della mancanza di metodi di riparazione e manutenzione che siano rapidi, efficienti e affidabili. Stabilire delle priorità, ovvero decidere quali strutture necessitino di essere mantenute e/o riparate (se non ricostruite) per prime, sembra essere l’unica strategia applicabile per alcuni Paesi.

Tuttavia, la sola prioritizzazione potrebbe non essere sufficiente a garantire il funzionamento, la fruibilità e la sicurezza delle infrastrutture in calcestruzzo armato, dovendosi essa basare su delle analisi dello stato del degrado affidabili, esaustive e su larga scala. Sarebbero infatti necessarie enormi risorse per valutare le condizioni di ciascuna struttura e, successivamente, condurre un processo decisionale completo, il quale però, in molti casi, manca ancora di strumenti affidabili per essere svolto accuratamente.

Nel campo della durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, la corrosione delle armature metalliche è, senza dubbio, il meccanismo di degrado più severo che può compromettere le condizioni dell’ambiente costruito. Sebbene le prestazioni in opera di alcune strutture possano suggerire la soddisfazione dei requisiti progettuali, l’esposizione ad ambienti aggressivi renderà necessari, prima o poi, interventi ordinari e straordinari per garantire un livello accettabile di fruibilità e/o sicurezza della struttura.

Nel caso della corrosione, il danno (ossia la parziale perdita della sezione resistente delle armature e/o la formazione di microfessure, nel calcestruzzo, dovute alla precipitazione dei prodotti di corrosione) può manifestarsi molto prima di essere visibile direttamente sulla superficie della struttura, essendo quindi rilevabile attraverso ispezioni visive solo dopo un’estesa propagazione.

Pur essendo quello delle ispezioni visive il metodo più utilizzato per valutare preliminarmente le condizioni di una struttura, permettendo di descrivere e talvolta di quantificare il danno, è senza dubbio importante sottolineare il rischio di sottovalutare lo stato di avanzamento del degrado intrinseco a questa procedura.

Oltre ad esso, sono disponibili diverse tecniche per valutare più nel dettaglio la gravità e le conseguenze del deterioramento, come le tecniche non distruttive (NDT) (es. mappatura del potenziale e della resistività) e le analisi quantitative su carote di calcestruzzo estratte (es. profilo di contenuto di cloruri, misurazioni della profondità di carbonatazione, ecc.).

Tuttavia, questi metodi risultano generalmente piuttosto dispendiosi in termini di tempo, manodopera e risorse. Vale la pena menzionare inoltre che tali analisi sono generalmente rappresentative del momento specifico in cui la valutazione viene eseguita. Pur potendo ottenere un’indicazione generale delle condizioni della struttura, vengono necessariamente trascurati aspetti fondamentali, come l’evoluzione della durabilità nel tempo e/o l’influenza delle condizioni meteorologiche al contorno sulle misurazioni ottenute.

L’importanza dello sviluppo di sistemi di supporto per la gestione delle infrastrutture

Sulla base delle analisi condotte, possono essere adottate diverse strategie di riparazione e/o manutenzione a seconda di molteplici fattori, come il budget disponibile, l’urgenza dell’intervento, la localizzazione della struttura, il tipo e la gravità del danno, ecc.

In questo contesto, è fondamentale sviluppare strumenti che possano supportare la valutazione e la manutenzione delle strutture in modo preciso, tempestivo ed efficiente. La modellazione della vita utile di servizio, ad esempio, può rappresentare uno strumento importante per valutare le condizioni di una struttura specifica nel tempo. Tuttavia, l’accuratezza di tali strumenti è ancora oggetto di dibattito, poiché i meccanismi coinvolti nel degrado delle strutture sono complessi e interconnessi, e dipendono da numerose caratteristiche a scala micro e macroscopica (es. mix design, condizioni ambientali, geometria della struttura, carichi, ecc.).

Oltre a fornire indicazioni utili per prevedere l’insorgere della corrosione, il grado di degrado e ogni cambiamento nelle prestazioni strutturali nel tempo, questi modelli necessitano di essere combinati con strumenti più quantitativi che misurino direttamente in loco alcuni parametri rappresentativi dello stato di salute della struttura.

A tal proposito, sono disponibili e comunemente utilizzati in pratica diversi sistemi, come le sonde di resistenza alla polarizzazione lineare (LPR) e i sensori di potenziale per valutare l’attività corrosiva delle armature, i sensori a fibra ottica (FOS) e gli estensimetri per monitorare le deformazioni strutturali e l’insorgere di fessure, nonché i sensori ambientali che misurano le variazioni di temperatura e umidità relativa (ossia il contenuto di umidità) nel tempo.

Tuttavia, i meccanismi a scala micro e macroscopica alla base della corrosione delle strutture in calcestruzzo armato richiedono la misurazione continua di tutti i parametri correlati alla corrosione per essere affrontati nel dettaglio, cosa che però viene effettuata in pratica solo in rari casi.

Per migliorare l’accuratezza delle tecniche di riparazione e manutenzione strutturale attualmente disponibili, è necessario esplorare nuovi approcci (e/o ibridi). Tra questi, i sistemi di monitoraggio che possono supportare strategie di manutenzione predittiva rappresentano opzioni di grande valore, in grado di superare molte (se non la maggior parte delle) limitazioni che attualmente influenzano il modo di valutare la durabilità delle infrastrutture. I vantaggi legati agli strumenti di manutenzione predittiva sono connessi alla possibilità di valutare lo sviluppo del danno prima della sua manifestazione visibile sulla superficie della struttura, permettendo così di definire la strategia di manutenzione più adatta e implementarla nelle fasi iniziali del degrado.

È quindi fondamentale disporre di misurazioni affidabili e continue delle condizioni in loco della struttura prima che l’innesco della corrosione accada, ergo durante la fase di iniziazione del degrado secondo il diagramma di Tuutti, come schematicamente riportato in Figura 1.

Tra le diverse possibilità, riportiamo qui la tecnologia di sensori sviluppata da DuraMon AG, che consente un monitoraggio della salute strutturale in modo completo e continuo tramite soluzioni minimamente invasive, appositamente progettate per le esigenze specifiche della struttura. Le soluzioni sensoristiche di DuraMon consentono il monitoraggio in-situ e a diverse profondità (ossia da 10 a 60 mm) all’interno della matrice del calcestruzzo di tutti i parametri rilevanti per la corrosione: il pH della soluzione dei pori, la concentrazione di cloruri liberi, il potenziale elettrico dell’acciaio, l’impedenza elettrica del calcestruzzo, la corrente di corrosione dell’acciaio e la temperatura all’interno della struttura.

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