Mitigazione dell'attacco dei solfati nel calcestruzzo mediante l’utilizzo di agenti a base batterica o cristallina per la promozione del “Self-Healing”

Attacco dei solfati nel calcestruzzo: quale self-healing resiste meglio

Il degrado del calcestruzzo in ambienti aggressivi rappresenta una delle principali cause di perdita di durabilità delle infrastrutture. Tra i diversi meccanismi di deterioramento, l’attacco solfatico esterno è particolarmente rilevante nelle strutture esposte a terreni o acque contenenti elevate concentrazioni di solfati.

Questo fenomeno si manifesta principalmente attraverso la formazione di prodotti espansivi, quali ettringite secondaria e gesso, generati dalla reazione tra gli ioni solfato penetrati nella matrice cementizia e le fasi idrate del cemento. La formazione di tali composti provoca espansioni volumetriche, microfessurazione progressiva e, nel lungo periodo, perdita di integrità meccanica.

Parallelamente, negli ultimi anni si è sviluppata un’intensa attività di ricerca sul calcestruzzo autoriparante (self-healing concrete), con l’obiettivo di migliorare la durabilità delle strutture attraverso la chiusura autogena delle fessure e il ripristino parziale o totale delle proprietà di impermeabilità. Diverse strategie di self-healing sono state proposte, tra cui l’utilizzo di batteri in grado di indurre la precipitazione di carbonato di calcio e l’impiego di additivi cristallini idrofili capaci di generare prodotti insolubili all’interno della porosità residua.

Nonostante l’efficacia dimostrata nel favorire la chiusura delle fessure e nel ridurre la permeabilità del materiale, rimane ancora limitata la conoscenza riguardo al comportamento a lungo termine di questi sistemi in ambienti aggressivi ricchi di solfati. In particolare, la presenza di elevate quantità di calce libera associata ad alcuni sistemi di self-healing potrebbe favorire la formazione di prodotti espansivi, influenzando negativamente la durabilità del materiale.

Alla luce di queste considerazioni, lo studio analizza il comportamento di calcestruzzi contenenti due diversi sistemi di autoriparazione:

• un agente batterico (BAS) basato sulla precipitazione biologica di carbonato di calcio;
• un additivo cristallino (CA) capace di generare strutture cristalline insolubili all’interno della matrice.

Le prestazioni di questi sistemi sono state confrontate con quelle di un calcestruzzo di riferimento (REF) privo di agenti di guarigione. L’obiettivo principale è valutare come la presenza di tali additivi influenzi la resistenza all’attacco solfatico esterno, considerando sia campioni fessurati sia campioni integri e distinguendo tra campioni precedentemente sottoposti a processo di guarigione e campioni direttamente esposti all’ambiente aggressivo.

Lo studio sulla durabilità del calcestruzzo

Materiali e metodologia sperimentale

Lo studio è stato condotto utilizzando tre differenti miscele di calcestruzzo:

• REF: miscela di riferimento senza agenti di self-healing;
• BAS: miscela contenente un agente di autoriparazione basato su batteri;
• CA: miscela contenente un additivo cristallino commerciale di riferimento nel mercato.

Le miscele sono state progettate con lo stesso rapporto acqua/cemento, in modo da garantire condizioni iniziali comparabili in termini di porosità e permeabilità. Tale scelta sperimentale ha permesso di isolare l’effetto degli agenti di guarigione evitando interferenze legate alla composizione della matrice cementizia.

Preparazione dei campioni

I campioni sono stati preparati sotto forma di cubetti e travetti, successivamente sottoposti a fessurazione controllata.

Sono state considerate due larghezze di fessura target:

• circa 100 μm
• circa 300 μm

con valori medi misurati pari rispettivamente a circa 94 μm e 266 μm.

Regimi di pre-condizionamento

Per valutare l’effetto del processo di self-healing, i campioni sono stati suddivisi in due gruppi:

1. Campioni guariti (healed)
   sottoposti per tre mesi a cicli settimanali di bagnatura e asciugatura, volti a favorire l’attivazione dei meccanismi di autoriparazione;
2. Campioni non guariti (unhealed)
   esposti direttamente all’ambiente aggressivo senza trattamento preliminare

Simulazione dell’attacco solfatico

Successivamente, tutti i campioni sono stati immersi in una soluzione di solfato di sodio (Na₂SO₄) con concentrazione pari a 50 g/L per un periodo massimo di 18 mesi. Questa condizione è stata scelta per simulare un attacco solfatico esterno in condizioni accelerate.

Durante l’esposizione sono state effettuate diverse misure per valutare la degradazione del materiale:

• variazioni dimensionali ed espansione;
• variazioni di massa;
• resistenza a compressione;
• analisi visiva del degrado;
• analisi microstrutturale

Tecniche di caratterizzazione

Per investigare i meccanismi di degrado sono state impiegate diverse tecniche microstrutturali, tra cui:

• osservazioni mediante sezioni sottili con microscopia fluorescente;
• microscopia elettronica a scansione (SEM) con analisi EDX;
• analisi termogravimetrica (TGA)

Queste metodologie hanno consentito di identificare i prodotti di reazione formati durante l’attacco solfatico e di valutare la propagazione del danno all’interno della matrice cementizia.

Risultati sperimentali sul calcestruzzo

Evoluzione della resistenza a compressione

In condizioni di immersione in acqua non aggressiva, tutti i sistemi hanno mostrato un progressivo aumento della resistenza a compressione nel tempo. Tale comportamento è attribuibile al proseguimento dell’idratazione del cemento e alla densificazione progressiva della microstruttura.

Quando i campioni sono stati esposti alla soluzione contenente solfati, è stato osservato un comportamento differente. Dopo un iniziale incremento della resistenza, si è verificata una progressiva diminuzione delle proprietà meccaniche, correlata alla formazione di prodotti espansivi e alla conseguente degradazione della matrice.
Tra i sistemi analizzati, il calcestruzzo contenente additivo cristallino (CA) ha mostrato la migliore resistenza all’attacco solfatico, mantenendo valori di resistenza più elevati anche dopo lunghi periodi di esposizione.

Al contrario, il sistema BAS ha evidenziato una significativa perdita di prestazioni nel lungo periodo. In alcuni casi, i campioni guariti contenenti BAS sono risultati non più testabili dopo 18 mesi a causa della completa disintegrazione.

Espansione e variazioni dimensionali

Le misure di espansione hanno evidenziato differenze significative tra i tre sistemi.
Il sistema BAS ha mostrato le espansioni più elevate, attribuite alla formazione di ettringite e gesso. Questo comportamento è legato alla maggiore disponibilità di calcio introdotta dall’agente di guarigione batterico, che favorisce le reazioni con gli ioni solfato.

Nel caso del sistema CA, le espansioni sono risultate molto più contenute, indicando una maggiore resistenza al degrado chimico.

La presenza di fessure ha inoltre influenzato significativamente il comportamento dei campioni. Nei campioni fessurati, gli ioni solfato possono penetrare più facilmente nella matrice cementizia, accelerando i processi di deterioramento.
Variazioni di massa

Le misure di variazione di massa hanno fornito ulteriori indicazioni sui fenomeni di degradazione.
I campioni esposti alla soluzione di solfato hanno mostrato un incremento di massa significativamente maggiore rispetto ai campioni immersi in acqua. Questo fenomeno è attribuibile all’accumulo di prodotti di reazione all’interno della matrice.

Tra le diverse miscele, il sistema CA ha mostrato la variazione di massa più contenuta e stabile nel tempo, mentre il sistema BAS ha evidenziato gli incrementi più elevati e una maggiore variabilità dei risultati.
In alcuni campioni BAS è stata osservata una successiva riduzione della massa, causata dal distacco di materiale superficiale in seguito alla perdita di coesione della matrice.

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FAQ Tecniche: Self-healing contro attacco solfatico nel calcestruzzo | Ingenio

Che cosa si intende per attacco solfatico nel calcestruzzo?

È un meccanismo di degrado chimico dovuto alla penetrazione di ioni solfato nella matrice cementizia. La reazione con le fasi idrate del cemento porta alla formazione di composti espansivi, come ettringite secondaria e gesso. Il risultato è un progressivo danneggiamento della microstruttura con perdita di integrità e di prestazioni meccaniche.  

Che cosa significa self-healing applicato al calcestruzzo?

Nel contesto dell’articolo, il self-healing è la capacità del materiale di richiudere fessure e recuperare impermeabilità grazie a meccanismi indotti. Le due tecnologie esaminate sono un agente batterico, che favorisce la precipitazione di carbonato di calcio, e un additivo cristallino, che genera prodotti insolubili nella porosità residua.  

In quali contesti d’uso questo tema è particolarmente rilevante?

Il tema è rilevante per infrastrutture e opere in calcestruzzo esposte a terreni, falde o acque con presenza significativa di solfati. Rientrano in questo ambito fondazioni, opere idrauliche, ambienti interrati e strutture con elevata esigenza di durabilità. A livello prescrittivo, la progettazione della durabilità del calcestruzzo in Italia si collega alla UNI EN 206 e alla UNI 11104.  

Quale dei sistemi studiati ha dato i risultati migliori?

Dallo studio emerge che il calcestruzzo con additivo cristallino ha mostrato la migliore resistenza all’attacco solfatico accelerato. Ha mantenuto valori di resistenza a compressione più elevati, espansioni più contenute e variazioni di massa più stabili rispetto sia alla miscela batterica sia al riferimento.  

Perché il sistema batterico ha mostrato maggiori criticità?

Secondo i risultati riportati, il sistema batterico ha favorito espansioni più elevate, legate alla maggiore disponibilità di calcio e quindi alla formazione di ettringite e gesso in presenza di solfati. In alcuni campioni, dopo 18 mesi, si è arrivati alla disintegrazione del materiale, segnale di una marcata vulnerabilità nel lungo periodo.  

Quali aspetti di posa o di formulazione vanno considerati con più attenzione?

Il dato più importante è che la chiusura della fessura non basta da sola a garantire durabilità. Occorre controllare permeabilità, rapporto acqua/cemento, esposizione ambientale, ampiezza delle fessure e compatibilità dell’additivo con il quadro prestazionale richiesto. In opere soggette a ambienti aggressivi, la scelta della miscela deve essere guidata prima di tutto dalla classe di esposizione e dagli obiettivi di vita utile.  

Quali errori progettuali o interpretativi conviene evitare?

L’errore principale è considerare tutti i sistemi di self-healing equivalenti sul piano della durabilità chimica. Un secondo errore è leggere la sola capacità di chiusura delle fessure come indice sufficiente di prestazione. In presenza di solfati, conta la risposta complessiva del sistema: penetrazione degli aggressivi, espansione, perdita di massa e resistenza residua