Il degrado del calcestruzzo

Il degrado del calcestruzzo passa sempre attraverso la presenza di acqua. Se non ci fosse l'acqua il calcestruzzo non si degraderebbe. L'acqua è l'elemento fondamentale. Siccome la presenza di acqua nel calcestruzzo è fondamentale è una condizione necessaria ma non sufficiente per il degrado. Se non c'è acqua non avviene nulla. Se c'è acqua potrebbe non avvenire nulla ma se insieme all'acqua c'è il cloruro o il solfato il degrado avviene. È importante cmq la sua presenza nel calcestruzzo.

Vediamo i meccanismi di trasporto cioè come l'acqua può andare dentro il calcestruzzo. Perché c'è l'acqua nel calcestruzzo? Come fa ad arrivare all'interno della massa del calcestruzzo?

I meccanismi di trasporto sono collegati direttamente al fatto che il calcestruzzo è poroso infatti ovviamente il calcestruzzo fosse impermeabile l'acqua non potrebbe entrare e non ci sarebbe degrado e il materiale sarebbe durevole.

L'acqua dunque entra attraverso le porosità del materiale e quindi potrebbe provocare degrado ma dipende anche da che tipo di porosità è! Non tutti i tipi di porosità agiscono allo stesso modo!

Le porosità potrebbero essere: aperte, chiuse o interconnesse.

Porosità aperte sono quelle strettamente a contatto con la superficie esterna quindi sono quelle porosità che potrebbero essere penetrate dall'acqua perché a contatto con l'esterno.

Quelle chiuse non possono essere a contatto con l'acqua perché per definizione sono quelle porosità isolate all'interno delle fibre di csh di cemento idratato e quindi siccome sono chiuse ed isolate lì l'acqua non entra quindi non sono pori che ci interessano ai fini della degradabilità. Sono invece importanti ai fini della resistenza meccanica (è indifferente il tipo di poro, conta solo se ce ne sono o meno) perché un materiale poroso è sempre un materiale che resiste di meno.

Poi c'è quella interconnessa cioè quella per cui i pori sono collegati tra loro questa è determinante a livello della degradabilità perché questa porosità fa sì che una gocciolina d'acqua o cmq un agente aggressivo arrivi fino ad una bella profondità all'interno del materiale. Quindi la porosità che influisce sul degrado è la porosità interconnessa.

Queste sono tutte porosità legate al fatto che quando si idrata il cemento con l'acqua si formano delle fibre che si intrecciano anche se non vanno a riempire completamente lo spazio: rimangono questi bucherellini detti pori capillari.

Un altro tipo di porosità si può avere nell'interfaccia tra la pasta cementizia e l'aggregato. Questo perché in quella zona l'aggregato lapideo va a contatto con la pasta cementizia e non è detto che si crei una zona di perfetto contatto: la pasta cementizia va ad avvolgere il granulo di inerte ma a volte in certe zone non riesce a farlo perfettamente, così si creano zone dove la porosità è più elevata rispetto ad altre zone tanto più che spesso l'acqua di risalita capillare (si forma il famoso bleeding) fa sì che si raccolga una sacchetta d'acqua sotto l'inerte grosso: lì l'acqua risale, il materiale pesante scende e sotto l'inerte grosso si forma la sacchetta che poi evaporerà lasciando una porosità elevatissima poiché quel punto il rapporto acqua/cemento è molto più alto rispetto ad altre zone.

Un altro problema di porosità è quello legato alla fessurazione: il materiale si può fessurare per moltissimi motivi.

Le fessure sono delle vie preferenziali per l'ingresso dell'acqua e degli agenti aggressivi

La fessura è molto pericolosa poiché simile ad una porosità interconnessa ma più pericolosa poiché il poro procede a zig zag mentre la fessura arriva direttamente nel cuore del materiale, è una via diretta.

I meccanismi di trasporto che ci interessano sono 2: l'assorbimento capillare e la diffusione (ce ne sono altri).

Come funziona l'assorbimento capillare?

È un fenomeno fisico: per il fatto che esistono questi pori capillari all'interno del calcestruzzo che hanno un diametro piccolo succede che l'acqua può risalire all'interno di questi capillari o addirittura, siccome generalmente il calcestruzzo è un materiale idrofilo cioè che tende ad attirare l'acqua, succede che l'acqua risalga spontaneamente fino ad una certa altezza h perché c'è una pressione che tende ad attirare l'acqua. Nella zona vicino alla parete del poro capillare all'interno del calcestruzzo il 'menisco' dell'acqua tende a risalire: questo significa proprio che c'è un'affinità tra l'acqua e il calcestruzzo.

Se metto una goccia d'acqua sopra una superficie di prova in calcestruzzo succede che la goccia d'acqua tende a schiacciarsi sul materiale perché in qualche modo è attratta e quindi "l'angolo di contatto è minore di 90 gradi"; questa attrazione è la stessa responsabile per cui l'acqua tende ad essere tirata su per pressione capillare dal forellino che si trova all'interno del calcestruzzo. Dunque come su una superficie orizzontale la goccia d'acqua tende a schiacciarsi così in un forellino ipotizzato in verticale la gocciolina tende ad essere attratta dalla parete laterale. Più piccolo è il diametro del poro più alta è l'altezza di risalita capillare. È lo stesso fenomeno che bagna al piede le murature: gli edifici in muratura ad una certa altezza sono umidi se ovviamente non è stato fatto bene un drenaggio alla base anche perché i pori capillari del mattone funzionano esattamente come i pori capillari del calcestruzzo e quindi tendono ad attirare su l'acqua.

Vediamo ora il caso in cui la superficie non è idrofila bensì idrorepellente cioè tende a respingere la goccia: in questo caso la goccia assume una forma piuttosto sferica e non si schiaccia sul materiale anzi tende ad essere respinta e l'angolo di contatto è maggiore di 90 gradi. In questo caso non solo la goccia non è attirata dal materiale ad entrare ma addirittura perché questo avvenga devo spingerla dentro cioè devo esercitare una pressione dall'esterno. Ciò succede ad esempio quando voglio far entrare del mercurio all'interno del materiale (perché generalmente il mercurio ha un angolo di contatto >90° con tutti i materiali di costruzione, caratteristica che sfrutto per effettuare misurazioni di tipo 'rudimetrico').

In tal caso uso degli additivi particolari ovvero applico dei trattamenti idrofobizzanti con silani e solossani che vengono applicati a pennello sulla superficie: sono incolore ma, passando il pennello, se va su in maniera ruvida vuol dire che ancora non è stato assorbito bene, se invece va liscio vuol dire che in quella parte è già stato applicato il trattamento. Questi prodotti non si vedono ma hanno la grande capacità di creare una enorme differenza tra un provino non trattato e uno trattato: il primo assorbe l'acqua e vedo una superficie leggermente scura dove ho messo la goccia, su secondo invece la gocciolina rimane così com'è perché non viene assorbita. Questi trattamenti vengono applicati su superfici di solito in muratura, più che per il calcestruzzo, e per sapere se è già stato fatto o meno è sufficiente spruzzarvi su dell'acqua: se è stato già applicato bene il trattamento le goccioline scivolano giù come sul vetro di plexiglas della doccia. Questi trattamenti a base di 'silani e solossani' sono importanti, perché impedendo all'acqua di entrare nel calcestruzzo lo rendono durevole. Il problema è solo che costano quindi spesso si usano soluzioni più economiche per risolvere il problema. Un altro difetto che hanno è che, essendo prodotti polimerici, con i raggi UV tendono a degradarsi e non durano più di 6 o 7 anni.

Riguardo la pressione da esercitare va ricordato solo che più piccolo il raggio del poro più l'acqua tende a risalire in alto.

Un meccanismo con cui l'acqua può arrivare all'interno di un materiale è che partendo dal terreno per risalita capillare (va su su su) portandosi dietro tutto quello che c'era nel terreno: per esempio; se il terreno conteneva dei solfati (che sono pericolosissimi) l'acqua che va su si porta dietro i solfati.

A proposito del trattamento idrofobizzante: ci sono diversi tipi di trattamenti che si possono fare su una superficie di calcestruzzo: si potrebbe applicare un prodotto che crei un film continuo come ad esempio una vernice impermeabile, così l'acqua dall'esterno non entra. Però bisogna considerare che anche all'interno del materiale si potrebbe formare del vapore acqueo magari per presenza di acqua già all'intero del calcestruzzo che non riesce ad uscire e resta intrappolato dentro. Quindi in questo modo blocco l'acqua esterna che non potrà entrare ma impedisco all'acqua interna uscire: questo è un problema che ho con i cosiddetti 'prodotti filmanti'. Se uso prodotti che vanno ad ostruire i pori dunque non risolvo il problema dell'acqua interna che deve uscire in qualche modo.

Quando metto invece lo strato idrorepellente (quello di prima con silani e silossani) accade un cosa particolare: questi materiali sono caratterizzati da una molecola talmente piccola che non si limita a costituire un film unico ma riveste anche le pareti stesse dei pori del calcestruzzo. Così l'acqua che è all'interno viene espulsa dai pori stessi, si crea una pressione che spinge fuori l'acqua. L'acqua così non riesce ad entrare e viene spinta ad uscire: è il sistema in assoluto più efficace.

Adesso vediamo il meccanismo della diffusione

lo ione cloruro è pericoloso perché si attacca le barre d'armature e innesca la corrosione: consideriamo d'avere il campione di calcestruzzo e che in una zona di esso ci sia una certa concentrazione di Cl- ed in una altra zona sia zero (Se ho ad esempio una casa vista mare e su una parete arriva l'aerosol marino carico di NaCl mentre sull'altra no). Dunque notiamo dal gradiente di concentrazione, cioè che la concentrazione di Cl- è diversa tra le due zone.

Il concetto della diffusione dice che c'è un flusso di ioni cloruro che va da un punto a maggiore concentrazione ad un punto a minore concentrazione che è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione; in sostanza più grande è la differenza di concentrazione tra i due punti più il flusso di ioni cloruro è grande.

La natura cerca di portare in equilibrio le due parti: la tendenza è quella di fare in modo che la concentrazione sia uguale in tutte le parti. T è la costante di diffusione e dipende dalla temperatura: più alta è la temperatura più il passaggio di ioni è veloce. È la legge di Fick. Dunque, in virtù del fatto che c'è un gradiente di concentrazione in una certa direzione X, si crea una tendenza a far passare un flusso di ioni cloruro da un punto più concentrato ad uno meno che è direttamente proporzionale al gradiente (cioè più grossa è la differenza di concentrazione più vanno veloci, più passano) e la costante di proporzionalità, detta 'costante di diffusione', dipende dalla temperatura. Quindi a favorire questo passaggio ci sono una temperatura alta ed una grossa differenza di concentrazione. Questo è un meccanismo di trasporto, cioè i cloruri potrebbero muoversi all'interno del calcestruzzo sia per pressione di risalita capillare (meccanismo fisico), sia per diffusione (meccanismo chimico).

Dimensione dei pori

Vediamo ora come possono essere le dimensioni dei pori; misure importanti se teniamo conto del fatto che la risalita capillare dipende dalla dimensione dei pori [I più piccolini sono i pori del gel del CSH, non ci interessano perché sono troppo piccoli]. I pori che ci interessano sono i vuoti capillari, cioè sono quelli attraverso i quali sale l'acqua (e con l'acqua tutti i vari cloruri etc.) e sono dell'ordine di 0,1 micron (da 0,01 a 1 micron). Poi ci sono delle bolle di aria intrappolata, introdotte con gli additivi areanti, dell'ordine di 0,1-0,3 mm e sono detti 'macropori'. Sono quelli che servono per sfogare le sovrappressioni create dall'acqua che diventa ghiaccio (che necessità di sfogo). Poi ci sono i vuoti d'aria che si creano per una cattiva lavorabilità dell'impasto: si creano se l'impasto non viene ben vibrato e danno enormi problemi alla resistenza meccanica. (è inutile che uso rapporti acqua/cemento bassi se poi non riesco a mettere in opera; con un rapporto acqua/cemento basso riduco i pori capillari ma se non vibro mi danneggia con i vuoti d'aria).

Per ridurre il fenomeno della risalita capillare e della diffusione si può tentare di abbassare il più possibile il rapporto acqua/cemento in modo tale da rendere più chiusa la pasta cementizia così da avere pori talmente piccoli che l'ingresso di acqua o agenti inquinanti non è più pericoloso. Addirittura si parla di una 'soglia di impermeabilità del calcestruzzo' (ovviamente teorica) entro la quale l'acqua che entra è talmente lenta da non essere pericolosa.

Un cemento impermeabile è quello che dopo 28 giorni ha un rapporto acqua/cemento < o = a 0,55. Se il rapporto è più basso si raggiunge prima. Quando questo rapporto supera 0,70 vuol dire che questo calcestruzzo non raggiungerà mai l'impermeabilità ed è vulnerabile agli agenti di degrado.

Prova di impermeabilità: si sottopone un provino di calcestruzzo ad un battente d'acqua ad una certa pressione (quasi 5 bar) per un certo tempo e si vede dopo questo tempo quanta penetrazione d'acqua c'è stata. Se dopo tre giorni l'acqua è entrata per uno spessore minore di 20 mm vuol dire che il calcestruzzo è impermeabile (ovviamente è una convenzione).

Quali sono le cause di degrado?

A parte le cause meccaniche e strutturali, tutte le altre dipendono tutte dall'acqua. Quando si parla di calcestruzzo armato, oltre al degrado del calcestruzzo c'è da stare attenti alla corrosione delle armature. Le cause del degrado del calcestruzzo sono tante: meccaniche (abrasione, erosione, urto, esplosione) e strutturali (sovraccarichi, assestamenti del terreno, carichi ciclici (daglie oggi e daglie domani)). [es a Foggia l'edificio è andato giù perché: eliminato 1 pilastro - rapporto acqua/cemento = 1]. Altre cause di degrado sono le cause fisiche: ritiro (contrazione del volume del calcestruzzo per effetto della evaporazione dell'acqua), disgelo e gelo e temperatura.

Possiamo avere fessure per ritiro igrometrico, fessure per contrazione termica, fessure di trazione per flessione, fessure da ritiro plastico (che possono esserci poche ore dopo il getto quando ancora non ha fatto presa), fessure da assestamento plastico (assestamento del terreno), fessurazione da alcali-aggregato. Le fessure da ritiro igrometrico sono le più diffuse: di per sé il ritiro non è un problema (un millimetro di ritiro del calcestruzzo non mi fa la differenza) se non fosse che per il fatto che se il cls è vincolato rischio una fessura. Se non è vincolato e si ritira non mi importa nulla. [Per la fessurazione delle dighe è necessario abbassare il dosaggio di cemento e usare cementi ricchi in pozzolana perché reagendo più tardi sviluppa calore in momenti successivi e ne accumula di meno (non usare cementi ricchi di 'C₃A' che produce calore). L'azione del gelo e disgelo provoca la disgregazione del materiale e espulsione della parte corticale portando l'armatura a vista, non è devastane ma rovina gli strati superficiali e venendo a mancare il copriferro ne consegue che si possano corrodere le armature.

cause biologiche e chimiche:

Le biologiche sono deturpanti da un punto di vista estetico. Alghe, funghi etc non possono rovinare il materiale da un punto di vista meccanico (forse qualche radice un po' forte sì). Sono solo deturpanti e sono favorite dalla presenza di acqua. Ad un cls umido è un cls dove possono attecchire questi microorganismi. Per eliminare questi microrganismi basterebbe l'esposizione al sole.

Le cause chimiche sono: attacco di tipo acido con conseguente dilavamento, attacco di tipo solfatico, la reazione alcali-aggregato e quindi la corrosione dell'armatura.

Il dilavamento è un'asportazione di materiale, di cls, data dall'azione dell'acqua che un po' erode per cause meccaniche (quindi scava), e un po' tende a sciogliere alcune sostanze idrosolubili (tipo gli atomi di calcio che tendono ad andare in soluzione) il che avviene soprattutto se l'acqua è particolarmente acida cioè con un pH<6. Cosa accade se dunque l'acqua è molto acida (come in alta montagna dove è povera di sali o nelle acque di scarico industriale)? Più è alta la concentrazione di alcuni acidi maggiore è l'attacco.

Esiste una normativa, uniEN206, che stabilisce a seconda della concentrazione degli inquinanti e quali precauzioni dobbiamo prendere.

Cosa accade invece per gli attacchi di tipo solfatico? Se i solfati vanno a contatto con il calcestruzzo, innanzitutto possono reagire con la calce che si forma durante l'idratazione del cemento (si forma CSH più calce) posso andare ad agire con la calce e formare gesso. Questo è un primo problema perché il gesso è espansivo e occupa un volume maggiore dei prodotti iniziali e dunque questa espansione legata alla produzione di gesso potrebbe provocare una fessurazione all'interno del materiale. Secondo problema: questo gesso a sua volta potrebbe andare a reagire con gli CSH (cioè le fibre del cemento idratato) e con l'acqua e formare Taumasite oppure potrebbe andare a reagire con CAH (cioè con le fibre derivate dalla reazione dei prodotti del clinker contenenti alluminati, cioè alluminati idrati di calcio) e formare Ettringite. Tra Taumasite e Ettringite è più facile che si formi Ettringite. L'Ettringite si forma se il gesso viene a contatto con gli alluminati di clinker (gli alluminati ci sono sempre). Se c'è gesso più gli alluminati più l'acqua (l'acqua sempre perché se non c'è acqua non c'è mai niente) si forma Ettringite che è ancora più espansiva rispetto al gesso infatti assorbe ben 32 molecole d'acqua, rigonfiandosi molto, per cui tende a spaccare il materiale. Un altro modo in cui avviene l'attacco solfatico è quello della produzione di Taumasite che si forma per reazione del gesso con carbonato di calcio, che stà all'interno del cls, e CSH (cioè proprio le fibre di reazione del cemento). Questa siccome va a consumare il CSH (le cui fibre intrecciate danno consistenza al cls) è pericolosissima perché crea lo spappolamento del materiale. Quindi l'Ettringite è dannosa per le fessurazioni. La Taumasite crea proprio lo spappolamento. Quest'ultima reazione avviene più raramente perché necessita di una temperatura <5°C. [l'Ettringite non avviene mai nel mattone].

Dunque tutto nasce dalla presenza di solfati e acqua perché comincia a formarsi gesso e di conseguenza Ettrigite e Taumasite. [A piazza del Papa in Ancona vi era un edificio completamente degradato da Esttringite e Taumasite, che dopo 20 anni di interventi è ancora in piedi].

Il caso più eclatante dove si notano di più le reazioni alcali-aggregato è il caso della pavimentazione: è una reazione che si ha quando l'aggregato reattivo, ricco di silice reattiva (gli aggregati carbonatici non danno questo problema), reagisce con gli alcali contenuti nel cemento ovviamente in presenza di acqua. Se ci sono: cemento ricco di alcali, aggregato con silice reattiva e acqua allora avviene questo tipo di degrado. Il problema è che il prodotto finale di questa reazione è fortemente espansivo, quindi crea sempre le solite fessurazioni, perché il cls non resiste a trazione quindi ogni espansione che avviene al suo interno porta la disgregazione del materiale. Perché il problema si ha soprattutto con le pavimentazioni? Primo perché spesso sono esposte all'acqua piovana; secondo perché spesso per irrobustire la pavimentazione si tende a fare lo spolvero cementizio, cioè arricchire di cemento lo strato superficiale. Succede che lì il tenore degli alcali cresce enormemente, quindi se ho un contenuto di cemento più alto, avrò un contenuto di alcali più alto. Come si presenta una pavimentazione danneggiata da una reazione alcalo-aggregato? Si presenta fessurata con delle porzioni in cui proprio si vede l'espulsione di un pezzetto di cls (fenomeno del PopOut) e sotto compare proprio la superficie dell'aggregato.

EN 206: Classi di esposizione

Tenendo conto di tutte queste cause di degrado ci sono varie classi di esposizione ambientale. Ciò serve perché quando progetto il cls, prevedendo quella che è la condizione dell'esercizio, cioè dell'ambiente in cui andrò a lavorare, posso prendere delle precauzioni per renderlo durevole. Per fare questo la norma prevede una serie di ambienti (caratteristiche degli ambienti) cosicché io possa vedere a quale classe di esposizione appartiene. La classe Xo è quella più semplice dove non c'è presenza di acqua, è un ambiente interno (per esempio il salotto di casa), non ci sono prescrizioni particolari (perché non ci sono cloruri, non c'è gelo e disgelo perché è un ambiente interno, non c'è acqua perché è un ambiente asciuto); poi c'è la classe Xc per cui si ha la corrosione delle armature promossa dalla carbonatazione: è un fenomeno per cui la CO₂ dell'aria va a reagire con la calce contenuta all'interno del cls producendo carbonato di calcio. Sarebbe una reazione innocua se non fosse che, nel momento in cui la CO₂ reagisce con la calce, il pH all'interno del cls tende a cambiare. La calce infatti assicura un pH basico intorno al 12. Questo ph basico fa sì che le armature siano protette all'interno del cls. Se la CO₂ va a reagire con la calce, consuma la calce e il pH scende e questo effetto protettivo viene meno e dunque si potrebbe avere una corrosione nel cls per carbonatazione. Se l'ambiente è ricco di CO₂ mi devo mettere in un'alta classe di esposizione. Questa classe si divide in quattro sottoclassi (C1 C2 C3 C4); sono le classi di carbonatazione che rappresentano situazioni sempre più gravi man mano che aumenta il numero dall'1 al 4, perché maggiore è la presenza di acqua. Se non c'è acqua non c'è corrosione infatti la carbonatazione in ambienti asciutti non mi da problemi.

Se progetto un edificio cerco l'ambiente in condizioni peggiori e applico le precauzioni all'intero edificio. Nello schema c'è la parte che indica gli ambienti ricchi di cloruri. Il problema dei cloruri viene affrontato con due distinte classi di esposizione: una con i cloruri esclusi quelli presenti nell'acqua di mare, l'altra con i cloruri presenti nell'acqua di mare. I cloruri del mare possono arrivare attraverso l'aerosol, oppure ci sono strutture come la rotonda di Senigallia che sono già in mare. Come ci può essere corrosione dai cloruri in assenza di acqua di mare? Avviene quando usate i disgelanti nei viadotti i alta montagna, ad es., poiché l'impiego di quantità massicce di essi causa gli stessi problemi dell'acqua di mare anzi di più perché non si tratta di cloruro di sodio ma di cloruro di calcio che causa anche attacchi acidi per cui provoca anche il fenomeno del dilavamento. Poi un'altra classe di degrado del cls è quella per tipi di gelo e disgelo per cui viene prevista aggiunta di additivo aerante.

La norma dice che di fronte ad una struttura (noi sappiamo dove andiamo a costruirla) vediamo quale sarà la condizione più gravosa (es in alta montagna avremo le classe XD e XF) e la norma ci prescrive un contenuto minimo di cemento, un rapporto acqua/cemento massimo e una classe di resistenza del calcestruzzo. Tra due situazioni (XD e XF) scelgo sempre la peggiore.

[Per quanto riguarda la presenza di cloruro di mare, classe XS, la situazione peggiore è quella (più cresce il numero più è gravosa la situazione) XS3 di un ambiente ciclicamente bagnato e asciutto, perché se la struttura fosse sempre bagnata non ci arriverebbe facilmente l'ossigeno]. Con la norma EN206 di fronte ad una certa condizione devo capire la struttura in quale di queste classi la faccio ricadere e, scelta la classe, all'interno ci sono le precauzioni per condizioni più o meno gravose per l'umidità. La norma mi dice qual è il rapporto/acqua cemento massimo, qual è il dosaggio di cemento minimo, qual è la classe di resistenza del cls minima e anche il copri ferro minimo.