Rinforzo e problemi di corrosione nel calcestruzzo: e se utilizzassimo il titanio?

Studio sperimentale sui requisiti necessari per l’utilizzo del titanio come rinforzo per il calcestruzzo 

Questo articolo indaga la possibilità di utilizzare il titanio e le sue leghe, con la loro eccellente resistenza alla corrosione, come rinforzo per il calcestruzzo, partendo dal primo requisito necessario rappresentato dall’aderenza tra i due materiali, per arrivare alla caratterizzazione del comportamento meccanico a flessione di un calcestruzzo fibrorinforzato con fibre in lega di titanio.

I risultati dei test di sfilamento di barre lisce in lega di titanio (Ti6Al4V) da matrici in calcestruzzo tradizionale e alleggerito evidenziano una tensione di aderenza maggiore nel caso del calcestruzzo alleggerito, paragonabile a quella caratterizzante la tradizionale interfaccia acciaio-calcestruzzo e superiore alle tensioni di aderenza tra calcestruzzo e barre in acciaio inox o materiali polimerici, le cui prestazioni in termini di aderenza sono indagate in letteratura come primo requisito per il rinforzo di matrici in calcestruzzo con materiabili meno suscettibili di corrosione rispetto al tradizionale acciaio.

Tale risultato getta le basi per un’ulteriore studio sperimentale relativo alla caratterizzazione del comportamento a flessione di un materiale costituito da matrice in calcestruzzo alleggerito e rinforzo diffuso sotto forma di fibre doppiamente uncinate alle estremità in lega di titanio Ti6Al4V. Per comprendere il livello prestazionale di tale materiale, qui denominato TiFRC, sono stati utilizzati come termine di paragone i valori, reperiti in letteratura, delle resistenze a flessione tipiche di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre in acciaio (SFRC), i quali generalmente hanno prestazioni meccaniche superiori ai più durevoli calcestruzzi fibrorinforzati con fibre in materiali polimerici. Quando TiFRC e SFRC sono caratterizzati da indici di rinforzo della matrice confrontabili, le resistenze meccaniche a flessione risultanti sono paragonabili ai diversi stage di fessurazione della matrice considerati, con un potenziale vantaggio del TiFRC in termini di durabilità.

Partiamo dal fenomeno della corrosione nel calcestruzzo

La corrosione delle armature nel calcestruzzo armato è stata riconosciuta come la causa predominante nel deterioramento prematuro delle strutture (Böhni, 2005). La corrosione indotta dalla carbonatazione del calcestruzzo e dall’azione dei cloruri sulle armature può essere annoverata tra i meccanismi più severi che conducono alla perdita di capacità portante delle strutture civili in calcestruzzo armato in tutto il mondo (Zhou et al., 2014).

Conseguenza diretta della corrosione è la riduzione notevole dell’area resistente delle armature, accompagnata dalla formazione di prodotti espansivi all’interfaccia rinforzo-calcestruzzo, derivanti dalla reazione di corrosione. Tali occorrenze sono, a loro volta, causa di fenomeni di fessurazione ed espulsione del calcestruzzo che circonda le armature. Le condizioni ambientali aggressive, come ad esempio quelle in ambiente marino, quelle di fatica e i cambiamenti di condizioni di carico sulle strutture in calcestruzzo armato, rappresentano fattori di promozione e accelerazione dei fenomeni di carbonatazione e penetrazione dei cloruri (Zhou et al., 2014), (Apostolopoulos, 2016) e, di conseguenza, della corrosione delle armature.

Le precedenti considerazioni si traducono di fatto nella necessità di ripristinare o sostituire quelle strutture che soffrono di corrosione delle armature. In particolare questo diventa un imperativo per gli edifici strategici, come gli ospedali, o suscettibili di affollamento, come le scuole (Apostolopoulos, 2016), nonché per tutte quelle infrastrutture come ponti ed autostrade, strutture on-shore e off-shore, che oltre all’importanza strategica che rivestono, sono esposte a severe condizioni ambientali (Zhou et al., 2014). La poca durabilità di molte infrastrutture in cemento armato non è sostenibile né in termini sociali né economici (Navarro et al., 2018). Nel recente studio “IMPACT - International measures of prevention, application, and economics of corrosion technologies study”, pubblicato da NACE international (Koch et al., 2016), si parla di costi di corrosione pari a 2.5 trilioni di dollari, che corrisponde al 3.4% del PIL degli Stati Uniti.

É dunque chiaro come nuove strategie volte alla soluzione del problema della corrosione per strutture e infrastrutture strategiche siano cruciali ed urgenti.

Strategie per il problema della corrosione delle armature nelle strutture in calcestruzzo armato

Dal punto di vista della ricerca molti studi hanno affrontato il problema della corrosione delle armature nelle strutture in calcestruzzo armato. Le principali strategie possono essere raggruppate in tre categorie:

1. aggiunta di inibitori chimici nella matrice di calcestruzzo;
2. rivestimento (coating) delle barre di armatura con film organici o metallici;
3. sostituzione delle barre di armatura in acciaio con barre di rinforzo non suscettibili di corrosione, come le barre in acciaio inox e quelle non metalliche (FRP - fibre reinforced polymers).

L'uso del titanio come nuova soluzione per particolari progetti

Un materiale che non è quasi mai stato preso in considerazione come potenziale rinforzo per il calcestruzzo è il titanio, a causa degli elevati costi. Tuttavia, il titanio e le sue leghe hanno proprietà eccellenti in termini di resistenza alla corrosione e rapporto resistenza/peso specifico. Si potrebbe dunque ipotizzare che per particolari progetti, in cui le richieste di durabilità sono cruciali al punto da giustificare gli alti costi del materiale, il titanio potrebbe diventare un’opzione realistica.

A testimonianza di ciò, un’applicazione del titanio come materiale di rinforzo per il calcestruzzo è stata recentemente proposta da Higgins et al. (Higgins et al., 2017).

Lo studio di una strategia di rinforzo di travi in c.a. mediante l’applicazione di barre in lega di titanio con tecnica near surface mounting (NSM), nonché l’applicazione della stessa ad un caso reale (Higgins et al., 2017), hanno dimostrato un certo vantaggio in termini tecnico-economici dell’applicazione di un materiale si costoso ma in grado di fornire notevoli vantaggi a lungo termine.

E dunque, può il titanio sostituire l’acciaio come rinforzo per il calcestruzzo? 

Per rispondere a questa domanda è innanzitutto necessario comprendere il comportamento dell’interfaccia titanio-calcestruzzo. Non a caso, infatti, quando un materiale alternativo (es: FRP, acciaio inox, ecc.) viene preso in considerazione per rinforzare elementi in c.a. uno dei primi studi che vengono eseguiti è quello volto alla determinazione del cosiddetto bond behaviour, ovvero del comportamento di interfaccia tra rinforzo e matrice in termini di aderenza (CEB-FIP Report, 2000).

Tale comportamento può essere studiato tramite dei test di sfilamento (pull-out) (Yeih et al., 1997), che permettono di misurare la tensione di aderenza tra rinforzo e matrice.

In questo lavoro sono stati condotti alcuni test di pull-out di barre lisce in lega di titanio da provini in calcestruzzo. In particolare si è studiata l’aderenza tra una delle leghe di titanio maggiormente utilizzate (Ti6Al4V o titanio grado 5, di cui alla norma (ASTM B348-13, 2015)) e due differenti matrici in calcestruzzo, una più tradizionale e una realizzata in calcestruzzo alleggerito. Infatti, la leggerezza del titanio rispetto all’acciaio (4.5 kg/m³ vs. 7.8 kg/m³) ha suggerito l’idea di verificare il comportamento di aderenza nel caso di matrice alleggerita che, complessivamente, risulterebbe in un materiale composito più leggero. Inoltre, uno dei maggiori problemi evidenziati per ciò che riguarda i calcestruzzi leggeri è la maggiore porosità rispetto al calcestruzzo “normale”, cosa che a sua volta risulta in maggiore permeabilità agli agenti atmosferici e vulnerabilità nei confronti degli agenti ambientali (Haque and Kayali, 2004), (ACI Committee 213, 2003). Tutto ciò tende a tradursi in maggiore attaccabilità delle armature interne che, di fatto, risultano meno protette. Nel caso di un rinforzo che esibisce una resistenza alla corrosione eccellente come il titanio, la combinazione con un calcestruzzo più permeabile non avrebbe un impatto negativo sulla durabilità del materiale, e contemporaneamente permetterebbe di ridurre i pesi propri della struttura, con evidenti benefici sia in campo statico che in condizioni sismiche.

Tale osservazione ha guidato il passo successivo del lavoro, in cui è stato ipotizzato di sfruttare le suddette proprietà della lega di titanio Ti6Al4V per realizzare non delle tradizionali armature sotto forma di barre, ma per creare un rinforzo diffuso nella matrice di calcestruzzo strutturale alleggerito sotto forma di fibre. Tale materiale, qui denominato TiFRC (titanium fibre reinforced concrete), è stato testato con prove di flessione su tre punti al fine di verificarne le prestazioni meccaniche e confrontarle con quelle dei calcestruzzi fibrorinforzati con fibre di materiali più comunemente adottati.

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