DEGRADO E PROTEZIONE DELLE STRUTTURE
IN CALCESTRUZZO ARMATO
PREMESSA
Le rapide modifiche cui l’ambiente è stato soggetto negli ultimi decenni, con un inquinamento
progressivo ed un’aumentata aggressività, ha generato condizioni tali da intaccare seriamente la
fama di eternità che nel tempo la natura composita del cemento armato e calcestruzzo avevano
creato. Vista l’elevata incidenza di questo fenomeno, il degrado del cemento armato costituisce un
rilevante aspetto dell’ampio problema della corrosione dei materiali.
Gli elementi corrosivi dell’atmosfera che possono generare il decadimento dei materiali delle
proprietà tecnologiche sono in prima battuta:
• ossigeno quale ossidante e sostenitore tipico delle reazioni catodiche;
• vapore d’acqua che per condensazione sulle superfici risulta solvente ideale degli elettroliti
eventualmente presenti;
• gas, quali l’anidride carbonica, l’anidride solforosa, ecc.
In presenza di questi componenti i fenomeni corrosivi rappresentano una importante causa di rapido
ed imprevedibile degrado del calcestruzzo armato che non può quindi più essere considerato un
materiale inalterabile per eccellenza di durata illimitata.
Oltre alla natura degli agenti aggressivi dell’atmosfera (CO2, SO2, Cl- , ecc.) altri fattori influenzano
il comportamento del calcestruzzo mettendo in pericolo la durabilità delle strutture in cemento
armato:
• la composizione dei differenti costituenti il calcestruzzo (cemento, sabbia, inerti, ecc.) e la sua età;
• le tecniche di posa in opera;
• le condizioni climatiche.
Le alterazioni che si possono presentare sono quindi di ordine: meccanico, fisico, chimico, e sono
sempre associate alla presenza di acqua che gioca un ruolo principale, da un debole fenomeno di
dissoluzione fino a fenomeni più complessi di assorbimento, di risalita capillare all’interno della
struttura porosa del calcestruzzo, ecc.
1. IL DEGRADO FISICO DEL CALCESTRUZZO
Con il nome di calcestruzzo si intende il conglomerato artificiale formato da cemento, sabbia, ghiaia
e acqua, mescolati ciascuno in opportune proporzioni.
Quando il calcestruzzo incorpora e avvolge un’armatura metallica, il conglomerato ottenuto è
definito cemento armato o, più propriamente, calcestruzzo armato. Tale conglomerato, ritenuto per
anni inalterabile e di durata illimitata al punto da essere definito una pietra artificiale, è in realtà
soggetto a fenomeni di degrado che ne alterano le proprietà. Per garantire quindi la durabilità delle
strutture in cemento armato è fondamentale la conoscenza dei più importanti meccanismi di
degrado e della determinazione dei fattori che influenzano la velocità degli stessi.
Il degrado del calcestruzzo è difficilmente attribuibile ad una sola causa poiché spesso più processi
possono avvenire contemporaneamente, interagendo, a volte, in modo sinergico. Essi portano ad
una diminuzione del carattere protettivo del calcestruzzo dal punto di vista fisico (aumento della
permeabilità, formazione di fessure, distacchi di materiale) favorendo così la penetrazione di
sostanze aggressive nel bulk del materiale e promuovendo la corrosione dell’eventuale ferro di
armatura.
1.1. Degrado da gelo e disgelo
Le condizioni indispensabili perché il calcestruzzo subisca il degrado sotto l’azione del gelo e del
disgelo sono l’alternarsi della temperatura ambiente attorno a 0°C, la presenza di umidità all’interno
del cemento e l’assenza di microbolle di aria inglobate nella pasta cementizia. Il procedere del
degrado dipende ovviamente dalla qualità del calcestruzzo e cioè dalla porosità, dalla distribuzione
dei pori, dalla permeabilità, dalla resistenza meccanica, nonché da fattori esterni quali il numero dei
cicli di gelo e disgelo, la velocità di raffreddamento e le temperature raggiunte. Il danno è legato
all’aumento di volume dovuto alla formazione di ghiaccio che provoca sforzi sul calcestruzzo.
In presenza di sali disgelanti, in genere distribuiti negli strati superficiali in modo non omogeneo, si
hanno le condizioni più severe, caratterizzate da congelamenti differenziali nel tempo che
provocano distacchi superficiali e fessurazioni. In genere si migliora notevolmente il
comportamento del calcestruzzo rispetto a questa azione tramite la presenza, al suo interno, di
microbolle d’aria (diametro = 0.050-0.250 mm) disposte in modo omogeneo: se queste, infatti,
vengono introdotte nell’impasto, l’acqua che viene espulsa dai pori capillari, dove si sta formando il
ghiaccio, avrà modo di espandersi nelle bolle d’aria adiacenti (che agiranno quindi come “valvole di
sfogo” per compensare l’aumento di volume relativo alla solidificazione dell’acqua) non facendo
raggiungere alla pressione idraulica valori tali da degradare la pasta di cemento. Un modo semplice
ed efficace che permette di introdurre queste bolle è quello di usare in fase di impasto un additivo
aerante.
1.2. Attacco da solfati
Questo tipo di attacco si presenta nel calcestruzzo successivamente al contatto con acque selenitose
(concentrazione di solfati superiore a 200 mg/l), con terreni aventi tenori di solfato maggiori di
2g/Kg, con acqua di mare oppure con atmosfere industriali ricche di vapore d’acqua e anidridi
solforose o solforiche. Il deterioramento può essere dovuto anche alla presenza nell’inerte di
partenza di solfato di calcio anidro, che a contatto con l’acqua, per idratazione, passa a gesso con
conseguente espansione.
Quando nel cemento si riscontrano percentuali di solfati superiori allo 0,4-0,6% il degrado del
calcestruzzo può essere imputato ad attacco solfatico. Dall’analisi diffrattometrica ai raggi X di un
campione che abbia subito questo tipo di attacco si riscontra il più delle volte, oltre alla presenza di
gesso bi-idrato, anche ettringite (solfoalluminato idrato Ca3Al2O6-3CaSO4-32H2O) e thaumasite
(CaSO4-CaCO3-CaSiO3-15H2O), quest’ultima ottenuta per trasformazione dell’ettringite con
sostituzione dell’alluminio con silicio.
1.3. Acque pure ad azione dilavante
Le acque pure, con contenuti di sostanze disciolte trascurabili, sono tipiche dei bacini montani dove
si raccolgono le acque dei ghiacciai. La loro azione provoca l’asporto della calce di idrolisi
Ca(OH)2 che affiora poi in depositi esterni biancastri di idrossido e carbonato di calcio. Oltre a
questa azione, se il contenuto di anidride carbonica dell’acqua supera la soglia di equilibrio con i
carbonati, essa scioglie il carbonato e forma bicarbonati assai solubili. Se il pH dell’acqua si
abbassa per azione dell’anidride carbonica, si può verificare anche un attacco dei silicati e degli
alluminati della pasta di cemento. La superficie di una struttura sottoposta ad un simile attacco
presenta depositi di calcare con gli aggregati più o meno sporgenti.
1.4. Reazioni alcali-aggregati
Il cemento Portland è caratterizzato da un’elevata alcalinità dovuta alla presenza nella soluzione
contenuta nei pori, oltre all’idrossido di calcio, di idrossidi di sodio e manganese. In questo
ambiente l’aggregato, in genere costituito principalmente da silice amorfa e criptocristallina, forma
un gel che rigonfiandosi può determinare sollecitazioni anche notevoli nel cemento. In uno strato
che abbia appena subito una fessurazione per reazioni alcali-aggregati si può spesso osservare la
presenza di tale gel che in breve tempo si carbonata, diventando così difficilmente riconoscibile.
Le condizioni necessarie per una reazione alcali-aggregato si possono riassumere in:
• elevato contenuto di alcali nel calcestruzzo (in genere si considera come soglia critica 3 Kg di
NaO equivalente (NaO + 0,658KO) per metro cubo di calcestruzzo
• la presenza di un aggregato reattivo
• la presenza di umidità superiore all’80%.
1.5. Il degrado da DEF
Uno dei più complessi fenomeni di degrado del calcestruzzo è quello provocato da DEF (Delayed
Ettringite Formation). Questo termine viene usato per indicare un degrado del materiale basato sulla
formazione di ettringite (un solfo-alluminato di calcio idrato) in ambienti privi di solfato, mentre
normalmente il degrado del calcestruzzo associato alla formazione di ettringite è provocato
dall’esposizione del materiale ad un ambiente che contiene solfati (acqua di mare, terreni gessosi,
ecc.).
Un nuovo possibile modello per spiegare il degrado da DEF è in relazione con una catena di tre
eventi essenziali: microfessurazione, rilascio ritardato del solfato, esposizione all’acqua. Tutti e tre
questi eventi sono indispensabili per questo fenomeno: il ritardato rilascio di solfato (provocato da
un clinker ricco di zolfo proveniente dal combustibile del forno) può alimentare il deposito di
ettringite all’interno di microfessure attraverso la diffusione degli ioni reagenti (Al3+, Ca2+; SO42-)
nella fase acquosa che satura il calcestruzzo per esposizione all’acqua ambientale in modo
intermittente o continuo. E’ possibile quindi prevedere che rimuovendo almeno uno dei tre
summenzionati eventi il degrado da DEF possa essere ridotto.
2. IL DEGRADO ELETTROCHIMICO DEL CALCESTRUZZO
L’acciaio nel calcestruzzo è, in condizioni ottimali, molto ben protetto a causa dell’elevata alcalinità
dell’ambiente cementizio dovuta alla presenza di una “soluzione dei pori” che, in condizioni
normali di calcestruzzo sano, presenta valori di pH compresi tra 12,6 e 13,8.
In questo intervallo di valori di pH l’acciaio delle armature risulta essere molto ben protetto; si è
infatti valutato che per valori di pH superiori a 11,5 è necessaria una massiccia presenza di ioni
aggressivi (in special modo cloruri) affinché abbia inizio il fenomeno di corrosione e che tale
quantità aumenta al crescere del pH all’interfaccia ferro-soluzione.
Il ferro di armatura può assumere, in un ambiente così alcalino, condizioni di protezione per
passività dovute alla formazione di uno strato protettivo di ossidi che riducono la velocità di
corrosione a valori praticamente trascurabili.
In condizioni ideali lo strato a contatto con il metallo dovrebbe essere costituito dallo spinello
Fe3O4-γFe2O3. In realtà, l’esistenza di imperfezioni cristallografiche, fa sì che lo strato di ossido sia
più complesso ed in tal caso si rileverebbe la presenza dello spinello nella parte interna, mentre
nella parte più esterna si potrebbe ipotizzare una struttura più complessa di spinello e ghoetite
(αFeOOH).
Benché questa sia stata per anni una teoria ampiamente accettata, recenti ricerche hanno paventato
una nuova ipotesi che suggerisce che l’acciaio nel calcestruzzo potrebbe non essere protetto da un
film passivante di ossidi bensì da una “scaglia minerale”. Secondo questa teoria, anziché la
formazione di un film di ossido passivo, sarebbe presente sull’acciaio uno strato cementizio che
aderisce ad esso e lo protegge. Quanto esposto ha avuto origine dall’ osservazione del fatto che le
caldaie e le condutture idriche sono ben protette dalla corrosione a causa della formazione di
depositi ricchi di calcio; questi depositi, formati principalmente da carbonato di calcio, si formano a
causa della presenza di minerali di calcio e magnesio nelle acque cosiddette dure e, per gli scopi di
trasmissione di calore, sono poco desiderabili e devono perciò essere ridotti al minimo con
l’addolcimento delle acque trattate. Quando l’acqua viene addolcita, il calcio ed il magnesio sono
rimpiazzati da sodio e potassio che non danno origine ad alcun deposito protettivo.
L'attivazione del processo di corrosione del ferro, nella maggior parte dei casi, è conseguente ad un
precedente processo di carbonatazione oppure alla penetrazione dei cloruri che, in genere,
destabilizzano lo strato di ossidi protettivi generati durante la fase di presa. La formazione di scaglie
di ossido poroso di tipico colore rossastro con volume specifico notevolmente superiore a quello del
ferro e il relativo "spalling" del copriferro sono le conseguenze ultime e più evidenti del processo di
corrosione.
2.1 La carbonatazione
L’anidride carbonica presente nell’atmosfera (concentrazioni dell'ordine di 600-1000 mg/l) quando
viene a contatto con il calcestruzzo neutralizza, a partire dagli strati più esterni, i suoi componenti
alcalini. Il pH della soluzione contenuta nei pori si riduce dai valori usuali (attorno a 13-14) a valori
inferiori a 9, cioè ben al di sotto del pH 11.5 che, come già osservato, è il valore necessario per
assicurare, in assenza di cloruri, le condizioni di passività dell’armatura (figura 1).
Il fenomeno della carbonatazione è dunque legato in maniera evidente al trasporto dell'anidride
carbonica dell’atmosfera attraverso i pori del cemento, schematizzato in figura 2. Il processo si può
rappresentare con la seguente reazione globale semplificata:
Ca(OH)2+ CO2 → CaCO3 + H2O
Una volta che l’armatura risulta priva degli strati di ossidi di ferro protettivi (depassivazione) e sono
presenti sulla sua superficie acqua e ossigeno, si produce una corrosione di tipo generalizzato.
La carbonatazione del calcestruzzo e la conseguente depassivazione delle armature non provocano,
invece, corrosione se l’acqua e l’ossigeno non sono presenti sulla superficie delle armature o lo
sono in tenori molto bassi. Ad esempio, in un calcestruzzo carbonatato, la corrosione risulta
trascurabile sia quando si trova a contatto con una atmosfera di umidità relativa <70% (per
mancanza d’acqua) sia quando è immerso in acqua (per scarso apporto di ossigeno alla superficie
delle armature).
Pertanto le condizioni di umidità ambientale più critiche per il prodursi della corrosione (una volta
che la carbonatazione è avvenuta) sono quelle con umidità relativa compresa tra 80 e 98% oppure
quelle caratterizzate da condizioni di alternanza asciutto - bagnato (che di fatto mantengono a lungo
sulla superficie delle armature tenori di acqua e di ossigeno analoghi a quelli presenti nel
calcestruzzo in equilibrio con umidità comprese nell’intervallo critico 80÷98%).
La carbonatazione inizia alla superficie esterna e penetra verso le regioni più interne con velocità
decrescente. La legge che definisce la profondità di penetrazione nel tempo è una legge di potenza
del tipo:
s = K t1/n
(1)
dove s è lo spessore dello strato carbonato e t il tempo.
In calcestruzzi non particolarmente impervi e in quelli porosi l’andamento è spesso parabolico per
cui il valore di n è 2. In calcestruzzi compatti la velocità di penetrazione tende, però, a ridursi più
velocemente (n>2); in quelli molto impervi tende praticamente ad annullarsi (figura 3). In ogni caso
la costante K, e quindi la velocità con cui il processo di carbonatazione avanza all’interno del
calcestruzzo, dipende da fattori relativi al calcestruzzo stesso e da fattori ambientali:
• tra i fattori relativi al calcestruzzo: la sua permeabilità (e quindi i fattori che la determinano quali
il rapporto acqua/cemento, la compattazione e maturazione del getto), la sua riserva di alcalinità (e
quindi il tipo e la quantità di cemento impiegato);
• tra i fattori ambientali: l’umidità atmosferica (K è massimo nell’intervallo compreso tra il 50 e il
70%) e la presenza di bagnamenti intermittenti, come quelli provocati dalla pioggia, che riducono
K.
In pratica una previsione sufficientemente esatta di K e quindi dello spessore carbonatato è
complessa. Comunque indicativamente si può ritenere che K di un calcestruzzo impervio sia pari a
1 (e quindi con penetrazioni della carbonatazione pari a 0.8 cm in 50 anni) mentre K di calcestruzzi
porosi possono avere valori anche di 10 (e quindi con penetrazioni anche maggiori di 4 cm in 15
anni).
E’ opportuno notare come nelle condizioni in cui la velocità di penetrazione della carbonatazione è
massima (50-70% di umidità relativa) la velocità di corrosione è trascurabile (almeno in climi
temperati). Per questo motivo in calcestruzzi poco umidi (ad esempio all’interno di un edificio)
anche se la carbonatazione raggiunge le armature in tempi relativamente brevi, non si producono
apprezzabili attacchi corrosivi. In calcestruzzi più umidi, o soggetti all’azione della pioggia,
succede esattamente il contrario: la penetrazione della carbonatazione avviene più lentamente, ma
una volta raggiunte le armature provoca un attacco che si produce con velocità elevata.
La determinazione sperimentale dello strato carbonatato si può effettuare in modo molto semplice
spruzzando sulla superficie del calcestruzzo una soluzione alcoolica di fenoftaleina. Le zone a pH
superiore a 9 assumono la colorazione rosa tipica della fenoftaleina in ambiente basico, quelle a pH
inferiore a 9 (zone carbonatate) saranno incolori.
Anche se la fenoftaleina non visualizza il calcestruzzo parzialmente carbonatato, ad esempio con
pH compreso tra 9 e 11.5, l’errore che si compie nell’individuazione del fronte di carbonatazione
risulta in genere modesto perché il passaggio da pH superiori a 12 a pH inferiori a 9 avviene di
solito nello spazio di alcuni millimetri.
2.2 L'attacco da cloruri
Il mantenimento della passività richiede una continua presenza di alti livelli di alcalinità nella
soluzione a contatto con l'acciaio e l'assenza di ioni aggressivi. Una riduzione dell'alcalinità o la
presenza di ioni aggressivi come i cloruri possono portare alla distruzione del film di passività che
ricopre il metallo nelle condizioni originarie, e alla propagazione della corrosione. Per effetto delle
reazioni chimiche tra lo strato di ossido e i cloruri si forma, nello strato di idrossido di calcio della
fascia più esterna, CaCl2 a vari gradi di idratazione. Lo strato inferiore degli ossidi di ferro, più
protettivo, subisce un fenomeno di distacco all'interfaccia con il metallo e viene trasformato in un
composto di composizione prossima a Fe(OH)2Cl.
L'attacco dei cloruri si manifesta con estrema frequenza soprattutto nelle zone costiere marine o sui
viadotti montani a causa del massiccio uso di sali da disgelo. La minima quantità di cloruri richiesta
per ridurre l’intervallo di passività è funzione del rapporto tra ioni cloruro e ioni ossidrile; ciò si può
spiegare intuitivamente ricordando che la passivazione del ferro è collegata all'alcalinità, mentre
l’attività alla presenza di cloruri. E' difficile individuare un valore comune per i vari cementi e per
le differenti condizioni di messa in opera, tuttavia precedenti ricerche hanno individuato un
probabile valore della soglia critica per la distruzione della passività nel sistema ferro - pasta di
cemento pari ad un rapporto delle concentrazioni molari degli ioni Cl- e OH- in soluzioni di 0.6;
secondo altri autori tale valore dipende dalle condizioni di adesione.
La raccomandazione RILEM TC 124 riassume l’influenza delle condizioni ambientali sul tenore di
cloruri che deve essere superato perché l’attacco corrosivo abbia luogo (figura 4). La presenza di
cloruri può anche essere dovuta alla loro esistenza nell'impasto, ad esempio nell'aggregato o
nell'acqua, oppure all'uso di acceleranti per la presa contenenti questi ioni.
Il cemento, prima dell’idratazione, è in grado di reagire con una certa quantità di cloruri formando
composti incongruenti con gli alluminati e con la fase ferrica del cemento. Questo aspetto è stato
oggetto di indagini piuttosto accurate e si è individuata una relazione tra la massima quantità di
cloruri che il cemento è in grado di legare e la temperatura. Secondo studi condotti in laboratorio il
cloroalluminato di calcio formato per reazione tra lo ione cloruro e l’alluminato tricalcico sarebbe
stabile fino a 40°C, mentre a temperature superiori sarebbe soggetto ad una progressiva
decomposizione.
Si può osservare che la massima concentrazione di cloruri che può essere presente nel cemento
senza provocare "pitting corrosion" tende a diminuire progressivamente con il crescere della
temperatura ambientale (figura 5). Si può quindi ipotizzare come questo effetto possa contribuire
alla maggiore durabilità delle costruzioni nelle zone nordiche dove vengono frequentemente
impiegati acceleratori di presa a base di cloruri. D’altra parte con il procedere della presa si riduce
la possibilità di formare questi composti e così nel caso vengano introdotti dei cloruri dall’esterno,
questi sono liberi di diffondere attraverso i pori e di raggiungere la superficie del ferro di rinforzo.
Dal punto di vista morfologico l’attacco dei cloruri si presenta talvolta come generalizzato oppure
più frequentemente come localizzato (pitting corrosion).
Corrosione generalizzata. La corrosione generalizzata dell’acciaio nel calcestruzzo deriva
dall’incapacità di quest’ultimo a mantenere la passività sulla maggior parte della superficie delle
armature: ciò, normalmente, è una conseguenza della carbonatazione del copriferro, che porta
all’abbassamento del pH fino a valori pari a 9; in queste condizioni il film passivante non è più
termodinamicamente stabile.
Alternativamente, l’introduzione di cloruri nel cemento in quantità sufficiente a ridurre
drasticamente o eliminare del tutto il campo dei potenziali in cui il metallo è passivo può creare le
condizioni per un attacco generalizzato. In ogni caso l’ossigeno, necessario per sostenere le reazioni
catodiche, deve essere presente con una distribuzione molto uniforme, diversamente dal caso del
"pitting” in cui può avere gradienti di concentrazione anche molto marcati.
Pitting corrosion. Per “pitting” o vaiolatura si intende una forma di corrosione localizzata, con
effetto penetrante, che può determinare in brevissimo tempo, pur con una bassa perdita in peso, il
deterioramento della struttura metallica. Il fenomeno è caratterizzato dalla formazione di aree
anodiche localizzate (zone dcioè in cui avviene l’ossidazione del ferro) di sviluppo superficiale di
gran lunga inferiore a quello delle aree catodiche circostanti. Ciò crea condizioni di flusso di
correnti anodiche localizzate di densità notevole e quindi a rapido effetto perforante.
Il pitting tende a svilupparsi in zone dove lo strato di passività risulta più debole, come può
accadere nel bordo dei grani cristallini, o a causa di inclusioni. Questa morfologia di attacco
avviene, in genere, quando ci sono sufficienti quantità di cloruri e di ossigeno: i primi necessari per
permettere una dissoluzione localizzata del metallo, il secondo indispensabile per mantenere il film
di ossido sulla maggior parte della superficie metallica che diventa quindi sede delle reazioni
catodiche.
Il processo di pitting, per poter avanzare, richiede che i siti interessati siano depassivati con
continuità; perciò è necessaria una presenza di cloruri superiore alla concentrazione critica
precedentemente definita. La reazione procede, come rappresentato in figura 6, secondo un
meccanismo autostimolante che porta a un rapido sviluppo dell’attacco.
La reazione catodica in corso su una vasta area bilancia la reazione anodica localizzata di
dissoluzione del metallo e produce ioni OH- che, elevando il pH, concorrono al mantenimento delle
condizioni catodiche e quindi prevengono la formazione di altri “pits”. Al sito anodico, per la
presenza di cloruri e acidità dovuta all’idrolisi, si ha una forte dissoluzione del metallo con un
abbassamento della solubilità dell’ossigeno.
3. TECNICHE PER LA PREVENZIONE ED IL CONTROLLO DEI FENOMENI DI
DEGRADO
La soluzione più ovvia al problema di come preservare e proteggere le strutture in cemento armato
nel tempo è quella di bloccare la strada che conduce gli agenti aggressivi presenti nell’atmosfera
verso l’interno della struttura; l’applicazione di un rivestimento sulla superficie esterna del cemento
è uno dei mezzi possibili e sicuramente l’unico applicabile in caso di strutture già esistenti e per cui
non sia stato adottato, in fase di costruzione, alcun provvedimento per la protezione delle armature.
Le altre tecnologie disponibili al giorno d’oggi per la prevenzione dei fenomeni di degrado del
cemento armato devono, infatti, essere previste in fase di progetto.
Analizziamo, comunque, i parametri che si possono controllare e le tecniche che si possono adottare
in fase di progettazione e costruzione per il controllo della durabilità delle strutture in c.a. (tabella
1).
3.1 La qualità del cemento e del calcestruzzo
Il primo passo verso l’ ottenimento di un calcestruzzo di buona durabilità va fatto già nella fase di
mixing adottando un opportuno valore del rapporto acqua cemento (a/c); minore è tale rapporto più
è densa, e quindi meno porosa, la microstruttura del calcestruzzo.
Oltre al rapporto acqua/cemento anche il tempo di maturazione influisce sulla porosità; con il
procedere dell’idratazione infatti, si ha la progressiva chiusura della porosità da parte dei prodotti di
idratazione.
3.2 Aggiunta di modificatori e additivi
Si definiscono modificatori i prodotti che vengono aggiunti al calcestruzzo, in fase di miscelazione,
fino al 20% circa sul peso del cemento, modificando la microstruttura stessa del calcestruzzo e
conferendo al conglomerato indurito requisiti particolari.
Si definiscono additivi per impasti cementizi quei prodotti che vengono aggiunti generalmente in
quantità molto piccole, generalmente non maggiori del 2% rispetto alla massa del legante, ai
normali costituenti di tali impasti allo scopo di modificarne alcune qualità e, in particolare, ad
aumentarne la durabilità.
A seconda del prodotto che si impiega si ha un miglioramento di una determinata proprietà che
interessa; un esempio che riveste particolare importanza è costituito dai modificatori polimerici, la
maggior parte dei quali riempie e sigilla le porosità del conglomerato cementizio riducendone la
permeabilità all’acqua e ai gas e, allo stesso tempo in virtù della migliore adesione del polimero agli
inerti, lo rinforza meccanicamente.
3.3 Lo spessore del copriferro
Lo spessore del copriferro deve essere considerato uno dei parametri strutturali più importanti in
relazione al fenomeno della corrosione delle armature. In dipendenza dalle condizioni ambientali un
valore minimo di copriferro tra 2.5 e 4 cm deve essere considerato come il più basso limite per
assicurare una durevole passivazione dell’acciaio nel calcestruzzo. Naturalmente la potenziale
efficacia di un adeguato spessore di copriferro può essere raggiunta in pratica se si garantiscono al
calcestruzzo le adeguate caratteristiche sopra accennate del rapporto acqua/cemento e di tempo di
maturazione. E’ però doveroso aggiungere che negli ultimi decenni una grande mole di studi teorici
e sperimentali si è concentrata sul problema di produrre un calcestruzzo in grado di resistere a lungo
alle aggressioni ambientali e di proteggere i ferri di armatura. Con questi studi si è potuto
dimostrare che il calcestruzzo durevole è tecnicamente possibile, ma bisogna aggiungere che i
collaudi sperimentali della teoria si sono raggiunti solo in laboratorio. Se si passa dal laboratorio al
cantiere sorgono difficoltà quasi insormontabili a causa delle numerose variabili importanti che
influiscono sulla qualità finale del calcestruzzo.
E’ perciò praticamente impossibile organizzare nei cantieri, che oltretutto hanno una durata limitata,
un sufficiente controllo di qualità.
Un altro fattore che ha ulteriormente indebolito la fiducia nella possibilità di produrre un
calcestruzzo durevole deriva da lunghe ricerche eseguite su provini da laboratorio che hanno
dimostrato che in vicinanza delle superfici esterne del provino la porosità del calcestruzzo è sempre
maggiore che nella massa e il rapporto aggregato/cemento diminuisce fortemente. Ciò vuol dire che
proprio in vicinanza delle superfici esterne che dovrebbero fare barriera all’ingresso degli agenti
aggressivi, si ha una drastica diminuzione della qualità del conglomerato. Tutto questo, lo
ripetiamo, in provini di laboratorio eseguiti con grande accuratezza e senza presenza di armature
metalliche. Si può immaginare cosa succeda se
• in vicinanza della superficie esterna c’è una più o meno fitta rete di armature metalliche
• il calcestruzzo viene versato nelle casseforme dall’alto, con grossi rischi di segregazione del mix.
Tenuto conto dei gravi problemi che si frappongono alla produzione pratica di calcestruzzo
veramente resistente alle aggressioni ambientali è necessario proteggerlo con altri mezzi.
3.4 La protezione delle barre
Una tecnica che garantisce protezioni aggiuntive contro i fenomeni di degrado delle strutture in
cemento armato è quella dei rivestimenti delle armature; allo stato attuale dell’arte due sono le
alternative tra cui poter scegliere:
• rivestimenti organici
• rivestimenti zincati
3.4.1 Rivestimenti organici
La protezione mediante rivestimenti organici si basa sul principio di isolare l’armatura dagli agenti
aggressivi che penetrano nel calcestruzzo.
Il rivestimento deve:
• essere di facile ed economica applicazione;
• ricoprire l’armatura in modo uniforme;
• essere tenace ed aderire bene;
• essere abbastanza flessibile da consentire una facile piegatura e posa in opera delle armature;
• essere stabile ed in grado di sopportare le sollecitazioni trasmesse dal calcestruzzo e dalle
armature;
• resistere agli agenti corrosivi per l’intera vita di progetto;
Di tutti i tipi di rivestimento organico solo quelli realizzati con resine epossidiche sono in grado di
soddisfare queste condizioni.
Pur non essendo del tutto impervi a ossigeno, acqua e cloruri, tali rivestimenti sono in grado di
garantire una buona protezione.
Le proprietà del rivestimento dipendono:
• dallo spessore; per cui esiste un limite superiore fissato dalla necessità di avere comunque
un’adeguata aderenza al calcestruzzo;
• dall’integrità dello strato applicato
3.4.2 Rivestimenti zincati
Il rivestimento dell’acciaio con zinco può essere ottenuto mediante diversi procedimenti
(elettrodeposizione, spruzzatura a caldo, immersione a caldo, ricoprimento con pitture ad
elevatissimo contenuto di polvere metallica), ma per le armature del calcestruzzo è realizzato
esclusivamente mediante immersione a caldo; di solito si opera immergendo l’acciaio in un bagno
di zinco fino ad una temperatura di circa 450 °C.
Tale processo produce uno strato metallico con un’adesione metallurgica all’acciaio sottostante,
costituita da vari strati di leghe ferro - zinco.
Lo spessore di tali strati e quello complessivo di zincatura dipendono dalla composizione
dell’acciaio, dalla temperatura e composizione del bagno, dal tempo di immersione e dalla velocità
di estrazione dal bagno (lo spessore del rivestimento risulta in genere compreso tra 0.060 e 0.120
mm).
Le proprietà protettive sono dovute essenzialmente allo strato esterno di zinco puro, poichè è solo in
sua presenza che si può formare il film passivante di idrossizincato di calcio.
Bisogna comunque mettere in risalto che la zincatura per la protezione delle armature peggiora
l’aderenza tre armature e calcestruzzo e può determinare l’insorgenza di fenomeni di infragilimento
d’idrogeno sugli acciai ad elevato limite di snervamento.
3.5 La protezione catodica
Già da molti anni utilizzata per proteggere strutture metalliche operanti in ambienti come il terreno
o l'acqua di mare, da circa 20 anni è stata applicata anche a strutture in cemento armato esposte
all'atmosfera. Il suo scopo è quello di agire direttamente sui meccanismi che consentono lo
svolgimento del fenomeno corrosivo per contrastarlo.
Questo metodo elettrochimico è basato sul passaggio di una corrente continua dal calcestruzzo
verso le armature. Alla struttura vengono applicati uno o più anodi collegati al polo positivo di un
generatore di corrente continua a bassa tensione, mentre il polo negativo è collegato all'armatura
che diventa quindi il catodo di una cella elettrochimica. La soluzione nei pori del calcestruzzo funge
da elettrolita per consentire che la corrente fluisca tra l'anodo e il catodo (figura 7).
Questa circolazione di corrente comporta diversi effetti, sia sulle armature sia sul calcestruzzo, che
possono essere ricondotti a:
• abbassamento del potenziale delle armature; se il metallo si sta corrodendo ad esempio perché in
condizioni di attività, un sufficiente abbassamento del potenziale può dare luogo all'annullamento
della velocità di corrosione perché porta il metallo in condizioni di immunità (effetto
termodinamico) oppure può ridurla ai valori trascurabili tipici delle condizioni di passività (effetto
cinetico). Se la corrente imposta è interrotta, il potenziale torna dopo un breve transitorio alle
condizioni iniziali e il processo corrosivo riprende;
• svolgimento di reazioni elettrochimiche alla superficie dell'anodo e delle armature; all'anodo si ha
sviluppo di ossigeno o, in presenza di cloruri e ad elevate densità di corrente, di cloro: per entrambi
i tipi di reazione si ha produzione di acidità nella zona circostante l'anodo. Al catodo ha luogo la
reazione di riduzione dell'ossigeno o, in corrispondenza di elevate densità di corrente imposta, di
sviluppo di idrogeno; per entrambi i tipi di reazione si ha liberazione di ioni OH- che vengono
liberati nella zona circostante il catodo. Questa modifica nella composizione della soluzione
contenuta nei pori permane anche dopo l'interruzione della corrente;
• elettromigrazione di ioni nella soluzione contenuta nei pori del calcestruzzo: tutti gli ioni presenti
tendono, per effetto del campo elettrico imposto, a muoversi nella direzione della corrente se sono
caricati positivamente o nella direzione opposta se sono caricati negativamente. In generale si avrà
il movimento degli ioni Na+, K+ e Ca++ dall'anodo verso le armature e il movimento degli ioni OHin direzione opposta; se il calcestruzzo è contaminato da cloruri si produce anche un flusso di questi
ioni dalle armature verso l'anodo.
Lo scopo principale di questa tecnica, comunque, è quello di abbassare il potenziale delle armature
e di portarle in condizioni di protezione caratterizzate da velocità di corrosione trascurabile. Questo
effetto si ottiene in generale con densità di corrente dell’ordine di 2-20 mA/m2 che devono essere
però mantenute per tutta la restante vita di servizio della struttura. E’ quindi richiesto un sistema
anodico fisso immerso nel calcestruzzo e un sistema di monitoraggio per la costante verifica del
permanere delle condizioni di protezione.
3.6 La protezione con rivestimenti superficiali
Come già accennato l’azione degli agenti aggressivi potrebbe teoricamente essere limitata se si
impedisse totalmente al materiale di entrare in contatto con essi, pur non essendo questo un
traguardo pienamente raggiungibile. Si può, tuttavia, ridurre l’influenza delle sostanze aggressive,
limitandone la penetrazione attraverso i pori e i capillari del calcestruzzo. La necessaria protezione
può essere quindi realizzata con rivestimenti protettivi. Questi, se applicati su costruzioni nuove,
appena l’indurimento è completato, hanno la funzione principale di preservare l’ambiente alcalino
iniziale caratteristico del calcestruzzo ove il ferro risulta perfettamente protetto e dove quindi non
può avvenire corrosione. Applicati su strutture già esistenti, invece, costituiscono in generale una
barriera che può considerarsi come l’equivalente di uno spesso copriferro di calcestruzzo di ottima
qualità, fondamentale per proteggere le armature di rinforzo.
3.6.1 Caratteristiche dei rivestimenti
Le qualità richieste a tali rivestimenti per svolgere efficacemente l’una o l’altra delle funzioni
suddette si possono identificare in:
• impermeabilità all’acqua (e quindi inibizione della penetrazione di ioni cloruro e di altre sostanze
aggressive solubili in acqua)
• bassa permeabilità alla CO2
• permeabilità al vapore d’acqua
• adeguata adesione
• crack-bridging ability.
• resistenza agli alcali
Se risulta piuttosto semplice individuare tali proprietà come fondamentali per un rivestimento per
calcestruzzo armato, non è altrettanto immediato indicare i metodi di prova standardizzati per
verificarle. Quest’area di studio, infatti, è in continua evoluzione, ed è alla ricerca di metodiche che
forniscano risultati in accordo con ciò che si verifica in campo. La tabella 2 mostra le proprietà da
valutare e alcuni dei metodi utilizzati.
A proposito delle prove indicate in Tabella 2, è necessario fare alcune osservazioni. Tra le varie
cause che procurano il degrado del cemento armato l’acqua costituisce:
• il principale veicolo per la penetrazione di ioni aggressivi, derivanti dall’esposizione ad atmosfere
marine e/o industriali o dall’uso di sali antigelo. Essi sono le principali cause della distruzione del
film di passività che ricopre il metallo nelle condizioni originarie anche quando l’alcalinità generale
del calcestruzzo rimane elevata e della propagazione della corrosione nelle armature di rinforzo:
• un veicolo per la penetrazione di gas solubili in acqua, come la CO2 e la SO2, responsabili della
riduzione dell’alcalinità del calcestruzzo attorno all’acciaio;
• il principale responsabile per lo sviluppo di reazioni alcali-aggregati e di fenomeni quali il
degrado da gelo e disgelo.
Appare perciò come assolutamente irrinunciabile, tra le qualità richieste ad un rivestimento
protettivo, l’impermeabilità all’acqua liquida.
Risulta più significativa una valutazione di tale proprietà dei rivestimenti piuttosto che della loro
capacità di inibire la penetrazione dei cloruri, visto che dall'analisi di alcuni lavori si è ricavato che
l'assorbimento di cloruri è proporzionale a quello dell'acqua. L'assorbimento capillare, cioè il
movimento dei cloruri con l'acqua, è infatti il più importante meccanismo di trasporto. Si è inoltre
rilevato che un rivestimento avente alta resistenza alla penetrazione dell'acqua riduce la quantità di
cloruri assorbiti nel calcestruzzo e quindi allunga significativamente il tempo necessario perché la
concentrazione critica di cloruri raggiunga le barre di rinforzo.
Sfortunatamente, in generale, l'impermeabilità all'acqua è associata a una modesta permeabilità al
vapore. La traspiranza, però, è indispensabile: l'umidità, infatti, è sempre presente nelle strutture
cementizie o a causa di microfratture e imperfezioni del rivestimento esterno, o perché derivante sia
dalle fondamenta della costruzione sia dall'interno (in generale a temperatura più elevata rispetto
all'esterno e quindi anche a umidità relativa dell'aria maggiore). L’acqua, quindi, se non è in grado
di essere eliminata sotto forma di vapore è causa di danni alla struttura stessa e ai rivestimenti; per
la prima si possono realizzare, con il possibile sviluppo di elevatissime pressioni nelle porosità del
calcestruzzo, sfaldamenti dovuti alla bassa resistenza a trazione tipica del calcestruzzo; per i
secondi, efflorescenze, blistering e distacco.
In relazione a quest'ultimo problema è da considerare anche il parametro adesione del rivestimento
al substrato. Dall'indagine bibliografica si ricava che non sono univocamente determinati i valori
ottimali caratteristici per rivestimenti per calcestruzzo. Autori giapponesi dichiarano "buoni",
indipendentemente dal tipo di rottura realizzatasi, i valori di adesione compresi tra 1 e 3 MPa
ottenuti con il pull-off test. Altri autori inglesi propongono, come valore indicativo, un'adesione al
calcestruzzo fresco inferiore a 1.5 MPa. Ci sembra molto più interessante, comunque, un tipo di
valutazione di questa proprietà associata anche alle coesione ed elongazione del rivestimento stesso:
questo perché è indispensabile che i rivestimenti protettivi possiedano anche una "crack-bridging
ability" sufficiente ad assicurare la resistenza agli stati di tensione generati nella loro struttura in
seguito alla formazione di fessure (di ritiro e assestamento statico) all'interno e sulla superficie del
calcestruzzo su cui sono applicati. Non esistono, però, allo stato attuale dell’arte, norme specifiche
standardizzate che diano indicazioni sulla valutazione di queste caratteristiche. Anche i test citati
per la valutazione della crack-bridging ability, in effetti non si riferiscono esattamente al caso dei
rivestimenti per calcestruzzo armato.
Allora qualsiasi tipo di rivestimento si voglia utilizzare per la protezione delle superfici in
calcestruzzo deve essere sottoposto ad una serie di prove che ne caratterizzino il comportamento nei
confronti dell’impermeabilità all’acqua e alla diffusione al vapore; a questo proposito la normativa
tedesca già da diversi anni ha considerato come fondamentale tale binomio: nella DIN 4108 sono
infatti prescritti dei limiti per quanto riguarda i valori di assorbimento di acqua, di diffusione del
vapore e del loro prodotto numerico.
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