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Propagazione dell'anidride carbonica e dei cloruri nel calcestruzzo armato

Nell'articolo vengono mostrati gli effetti della propagazione dell’anidride carbonica e dei cloruri all’interno di sezioni in calcestruzzo armato ordinario, attraverso simulazioni numeriche eseguite con il software VSQ Next (in versione beta)1 della Stacec Srl. Sono state evidenziate alcune differenze – in termini di profondità di penetrazione degli agenti aggressivi ed in termini di decadimento della risposta meccanica dei materiali – tra la sezione inizialmente priva di fessurazioni e la sezione con fessurazioni, presenti prima dell’inizio dell’attacco chimico.

La corrosione nelle strutture in calcestruzzo armato

Le strutture in calcestruzzo armato realizzate all’inizio del secolo scorso, oggi presentano evidenti stati di degrado dovuti essenzialmente alla intrinseca vulnerabilità dei materiali alle azioni ambientali. Per contenere gli effetti di una tale vulnerabilità occorrerebbe, a monte, una adeguata prescrizione del calcestruzzo in funzione dell’aggressività ambientale e, successivamente, una manutenzione programmata dei manufatti. Tuttavia, nonostante i meccanismi di invecchiamento e danneggiamento del calcestruzzo e delle barre di armatura nel tempo siano ormai noti, ancora oggi leggiamo, in alcuni capitolati, prescrizioni incongruenti tra le prestazioni del calcestruzzo armato e l’ambiente in cui l’opera deve realizzarsi.

Vediamo, nel prosieguo, alcuni concetti teorici di base ai fini della valutazione del degrado in strutture esistenti e di una consapevole progettazione per le nuove strutture. Il contributo si concluderà con applicazioni numeriche atte a simulare l’aggressione chimica in sezioni in calcestruzzo armato ordinario.

 

Il processo elettrochimico di base

La corrosione è un processo di natura elettrochimica. Nel caso del calcestruzzo armato l’elettrolita è la soluzione presente nei pori del calcestruzzo. Si tratta, sostanzialmente, di una soluzione di idrossido di calcio, sodio e potassio con un pH>13. In questo ambiente basico, il ferro si ricopre di un film protettivo dello spessore di qualche nanometro. In presenza di anidride carbonica, il pH del calcestruzzo scende a valori

Si possono individuare quattro processi:

  • Una reazione anodica di ossidazione del metallo che dà luogo alla formazione di prodotti di corrosione e rende disponibili elettroni nel reticolo cristallino del metallo;
  • Una reazione catodica che riduce una specie chimica presente nell’ambiente aggressivi e consuma gli elettroni prodotti dal processo anodico;
  • La circolazione della corrente nel metallo, generata dal flusso di elettroni nel reticolo cristallino del metallo;
  • La circolazione di corrente nell’ambiente, prodotta dalla migrazione elettrica degli ioni sciolti nella soluzione liquida a contatto con la superficie del metallo.

Spesso, gli effetti della corrosione sono direttamente legati al consumo del materiale metallico e quindi la reazione di maggiore interesse è certamente quella anodica.

Tuttavia, il meccanismo elettrochimico della corrosione richiede che contemporaneamente si svolga anche un processo catodico – che consuma gli elettroni generati da quello anodico.

In Figura1 viene illustrato il meccanismo elettrochimico che è alla base dei processi corrosivi.

 

Propagazione dell'anidride carbonica e dei cloruri nel calcestruzzo armato

IMMAGINE 1: Processo elettrochimico relativo alla corrosione di una barra in acciaio immersa nel calcestruzzo con indicazione dei potenziali e delle zone anodiche e catodiche

 

Quando un conduttore metallico, come la barra di armatura, è immerso in una soluzione acquosa o in un mezzo poroso come il calcestruzzo, permeato d’acqua contenente sali disciolti, la presenza di eterogeneità chimico-fisiche nella parte metallica, può generare differenze di potenziale tra le diverse parti del sistema. Si formano così zone anodiche e zone catodiche dalle quali si origina un processo analogo a quello delle pile di generazione della corrente elettrica.  La corrosione avviene, infatti, nelle regioni anodiche, come si evince dalla Figura 1.

Nella vita delle strutture in calcestruzzo armato si possono distinguere due fasi della corrosione:

  • Una fase di innesco, nella quale si sviluppano tutti i fenomeni che portano alla depassivazione delle armature;
  • Una fase di propagazione, in cui si avvia il degrado che dipende sostanzialmente dall’umidità e dalla temperatura a cui sono sottoposte le strutture.

Al loro procedere, si assiste ad una lenta alterazione dei materiali con fessurazione del calcestruzzo e corrosione delle barre di armatura che, in assenza di interventi di manutenzione programmata, possono portare fino al collasso strutturale.

 

Periodo di innesco e di propagazione della corrosione in strutture in calcestruzzo armato

IMMAGINE 2: Periodo di innesco e di propagazione della corrosione in strutture in calcestruzzo armato (Tuutti, 1982)

 

Fasi di deterioramento di una struttura in c.a. fino al possibile collasso

IMMAGINE 3: Fasi di deterioramento di una struttura in c.a. fino al possibile collasso (Cervenka Consulting)

 

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.

 

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

IMMAGINE 4: Evoluzione dello stato fessurativo nel calcestruzzo per effetto della corrosione della barra di armatura

 

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