Durabilità del Calcestruzzo Armato

Durabilità del Calcestruzzo Armato
Prof. Bernhard Elsener,
Dipartimento di Chimica Inorganica ed Analitica
Università degli Studi di Cagliari
Email: [email protected]
http://dipcia.unica.it/superf/
Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata
Corso di Laurea Ingegneria Civile
Bernhard Elsener
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AA 11/12
Calcestruzzo
Il Pantheon a Roma, prestigiosa opera
dei romani 125 d.C. è in condizioni di
conservazione perfetta per quasi 2000
anni.
E’ la dimostrazione che il calcestruzzo
può presentare la durabilità di una
pietra naturale almeno in assenza di
specifiche cause di degrado (ambienti
acidi o solfatici).
Il calcestruzzo non può essere messo
sotto trazione.
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Calcestruzzo armato
Materiale di costruzione ideale....
.... ma non sono eterne o quasi, come
si riteneva fino agli anni ‘70, ma
hanno una durata limitata, a causa
della corrosione delle armature.
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Calcestruzzo armato
Calcestruzzo armato è un materiale composito
Il calcestruzzo (inerti, acqua e cemento) è facile da preparare ovunque.
Armature in acciaio, diverse funzioni
(statica, evitare fissure).
> Alta resistenza a compressione.
> Alta resistenza a trazione.
Le armature nel CLS, per la sua alcalinità elevata, sono protetti contro la
corrosione (passività). Copriferro e qualità secondo le normativo: durevole.
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Calcestruzzo
Idratazione del cemento
Nella reazione chimica cemento + H2O dà luogo ad un prodotto colloidale di
silicati idrati di calcio (pasta cementizia CSH) e portlandite Ca(OH)2.
Valore stechiometrico rapporto a/c = 0.4
grani di cemento
acqua
pori
rapporto a/c = 0.2
rapporto a/c = 0.4
Matrice cementizia con pori nanometriche e cristalli di Ca(OH)2
idratazione
rapporto a/c = 0.6
acqua
> Soluzione nei pori pH > 12.5, alcalino
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Passivazione
corrente
Passivazione spontanea dell’ acciao nel calcestruzzo (pH > 12.5)
icrit
Zona passiva
Zona attiva
Me --> Mez+ + z e-
EMe
EP
icat
EO2
potenziale
O2 +2H2O + 4e- --> 4OH-
Passivazione: Si forma spontaneamente uno strato sottilissimo ma prottetivo
(film passivo). Condizione per una passivazione spontanea icrit < icat
L’acciaio nel CLS alcalino è protetto contro la corrosione.
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Calcestruzzo
Il sistema dei pori nel calcestruzzo
Bolle di aria
pori
capillari
pori nel
gel
Pori nel gel:
dimensione nm, diffusione di molecole di H2O possibile
Pori capillari: tipicamente 0.1 µm, controllano il trasporto nel CLS
Bolle di aria : ca 0.1 mm, per la resistenza all’azione di gelo/disgelo
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Calcestruzzo
Porosità capillare
Pori capillari %
I pori capillari si formano quando
l’acqua non reagita nell’ idratazione
del cemento evapora.
44
20
30
La percentuale di pori capillari
aumenta con il rapporto a/c e diminuisce con il grado di idratazione.
38
Porosità capillare per 90% di
idratazione
10
Rapporto acqua/cemento
I pori capillari sono responsabili per l’ingresso di acqua, cloruri e CO2 nel
calcestruzzo, cioè per l’interazione tra CLS e ambiente circostante.
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Calcestruzzo
Influenza della porosità
resistenza
permeabilità
All’ aumentare della porosità capillare
diminuisce la resistenza meccanica del
CLS. La permeabilità aumenta fortemente.
pori capillari %
0
pori capillari %
40
La permeabilità, cioè la qualità del CLS, dipende fortemente dalla quantità di
pori capillari. Si osserva una soglia a ca. 22 %, al di sotto il CLS è denso.
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Calcestruzzo
Un calcestruzzo durevole
•  Rapporto a/c basso (a/c < 0.5, per ambiente aggressivo < 0.45)
•  Buona stagionatura (tenere umido il CLS). Molto importante per la qualità
(bassa porosità) del copriferro
Fissurazione di ritiro sono una conseguenza
di una stagionatura insufficiente
•  copriferro secondo le norme vigenti
•  Compattazione (vibrazione) quando il CLS viene messo in opera
Solamente un calcestruzzo denso è un calcestruzzo di qualità.
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La durabilità del calcestruzzo armato
Corrosione delle armature nel CLS
•  Verlust der Passivität durch Eindringen von Chloriden oder Absinken des pH
Werts (Karbonatisierung)
corrosione da cloruri
Corrosione localizzata dovuta alla
penetrazione di ioni cloruro
corrosione da carbonatazione
Corrosione uniforme e distacco del CLS dovuto
alla carbonatazione
Quali sono le cause della corrosione ?
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La durabilità del calcestruzzo armato
Costi della corrosione
Distribuzione di età dei ponti (Svizzera)
Sunniberg, < 10 anni
La riparazione di 1 m2 di un ponte costa
tra 800 e 1200 € (CH 2001)
Reussbrücke, 40 anni
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La durabilità del calcestruzzo armato
Un esempio tipico...
Risanamento totale Rofla A13 (2004/05)
TBA GR Info Nr. 59
Rimozione del copriferro e sostituzione delle
armature corrose (Traversabrücke)
Cause della corrosione ?
“...copriferro con spessore insufficiente di 2 - 3 cm degli anni 70...”
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La durabilità del calcestruzzo armato
Corrosione da carbonatazione
Penetrazione di CO2
CO2 + Ca(OH)2 ---> CaCO3
In presenza di H2O e O2
si forma la ruggine
viola = CLS alcalino
Indicatore spruzzato sulla superficie
La carbonatazione neutralizza il CLS
pH < 10: depassivazione delle
armature
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La ruggine è più voluminoso del
Ferro -> il copriferro si distacca.
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La durabilità del calcestruzzo armato
Avanzamento della carbonatazione
Profondità di carbonatazione (mm)
Clima costante 65% UR (laboratorio)
(pori capillari vuoti, leggermente umido)
Clima esterno (riparato)
(a UR alte l’umidità condensa nei pori e riempie i
pori piccoli -> penetrazione della CO2 limitato)
Clima esterno con pioggia
(la pioggia riempie i pori capillari molto velocemente, processo di evaporazione lento
-> ingresso della CO2 cessa)
Tempo di esposizione (anni)
L’andamento della carbonatazione nel tempo segue una legge del tipo:
s = K * t-1/n in CLS porosi l’esponente n vale circa 2 -> parabolico
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La durabilità del calcestruzzo armato
Fattori che influenzano la carbonatazione
mezzo anno secco
mezzo anno bagnato
1 mese secco
1 mese bagnato
1 settimana secco
1 settimana bagnato
tempo (anni)
Cicli di bagnamento
Profondità di carbonatazione (mm)
Profondità di carbonatazione (mm)
Durata dei periodi di bagnamento
nessun
bagnamento
2 volte all’anno
una volta al mese
una volta alla
settimana
tempo (anni)
Oltre all’ umidità relativa i parametri importanti sono il tempo in cui la struttura resta
bagnato, ma anche la frequenza e la durata die cicli di bagnamento - asciugamento.
Corrosione delle armature da carbonatazione per strutture esposte alla
pioggia: non sono state rispetatte le norme (copriferro e qualità del CLS)
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La durabilità del calcestruzzo armato
Influenza del rapporto a/c
Calcestruzzi di cemento Portland, mantenuti per 6 anni a 20 °C e 50% UR.
Profondità di carbonatazione (mm)
1 giorno nel cassero
1 giorno nel cassero
+ 27 giorni in acqua
Rapporto a/c
La diminuzione del rapporto a/c e una buona maturazione riduce la porosità
capillare della pasta cementizia e rallenta la penetrazione della carbonatazione.
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La durabilità del calcestruzzo armato
Fattori che influenzano la carbonatazione
Concentrazione dell’ anidride carbonica
Al crescere del contenuto della CO2 nell’ atmosfera la velocità di penetrazione
Aumenta (fino a concentrazioni di 3 - 5%) -> prove accelerate
Temperatura
L’aumento della temperatura fa crescere la velocità di penetrazione
Alcalinità del calcestruzzo
La capacità di fissare la CO2 è proporzionale all’ alcalinità presente nella pasta
cementizia, quindi dipende dalla quantità di cemento utilizzato.
Nel caso di cementi con aggiunte pozzolaniche (o anche CaCO3) l’alcalinità è
ridotta, questo potrebbe creare problemi nel futuro.
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La durabilità del calcestruzzo armato
Importanza del copriferro
Copriferro secondo le classe di esposizione
Le classe di esposizione sono dato nelle norme (ENV 206). I valori indicati
sono i valori minimi da rispettare.
Copriferro deve essere indicato nel progetto
Responsibilità dell’ ingegnere progettista -> fissare le armature
Controllare nell’ esecuzione
Responsibilità del capo cantiere
La corrosione delle armature da carbonatazione si può evitare
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La durabilità del calcestruzzo armato
Corrosione da cloruri
I cloruri penetrano dall’ ambiente esterno
(fino a 40 kg/m2 sali disgelanti all’ anno)
Forte riduzione della sezione
Quando il tenore dei cloruri nella
soluzione dei pori supera il Clcrit
le armature sono depassivate
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I prodotti di corrosione nei pit sono
solubili (pH basso, compless di
ferro con idrossidi e cloruri)
-> non si forma ruggine
-> il copriferro non si spacca
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La durabilità del calcestruzzo armato
Densità di corrente
Corrosione localizzata
zona attiva
corrosione
localizzata
passività
Me --> Mez+ + z e-
EMe
< 10 µm >
Ecorr
Epit
EP
Potential
O2 +2H2O + 4e- --> 4OHIl film di ossido prottetivo (film passivo) viene distrutto dai cloruri, le armature
sono depassivate. In presenza di H2O e O2 inizia la corrosione localizzata.
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Condizione per la corrosione localizzata
400
-80
long time
passivation
-120
-160
-200
-240
Breit
Hausmann
this work
Andrade
Pitting potential [mV SCE]
Open circuit potential [mV SCE]
La corrosione localizzata inizia quando Epit < Ecorr
stainless
steel
300
200
100
0
lower pH
-100
-200
12
12.5
13
13.5
pH of solution
14
14.5
Il potenziale di corrosion Ecorr aumentaal diminuire del pH
-> rischio molto più alto in CLS
carbonatato
0.01
0.1
1
Cl concentration [Mol/l]
10
Il potenziale di pitting Epit diminuisce
All’ aumentare del tenore dei cloruri
-> rischio aumenta
Comportamente tipico di un sistema: non esiste un unico contenuto critico di
cloruri. Dipende dalle caratteristiche del CLS e dall’ esposizione ambientale.
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Meccanismo: macrocoppia
armature intatte
passivi, E ca. -0.1 V
corrosione localizzata
E ca. - 0.7 V
zone catodiche
(O2, di)
zona anodica
(tenore di Cl- alto,
pH basso)
La circolazione di corrente dalle zone anodiche a quelle catodiche determina un
movimento die cloruri in senso opposto (in quanto di carica negativa). L’ambiente
nella zona anodica diventa più aggressivo.
Il meccanismo di macrocoppia risulta in velocità di dissoluzione locale molto alte,
può arrivare anche a 1 mm/anno.
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La durabilità del calcestruzzo armato
Grado
di corrosion
Zerstörungsgrad
Vita utile delle strutture in CA
limit state
Ende der
Nutzungsdauer
armature in CLS alcalino
sono passivate
Penetrazione di CO2 / Cl-
Prevenzione MassVorbeugende
possibileleicht
facilmente
nahmen
möglich
Risse, Korrosion
Fissure, corrosione
und Abplatzungen
sono visibile
sichtbar
armature sono depassivate
(fine del periodo di innesco)
In presenza di umidità e di O2
Zeit
Individuazione con
Schäden mit NDT
Tecniche non-distruttive
lokalisierbar
Initiierung
Innesco
periodo di propagazione
della corrosione
Fortschritt
Propagazione
Più presto si idividua un (possibile) danno, più semplice (e più economico) è la
sua riparazione (“The rule of five”).
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Tecniche non-distruttive per individuare zone con corrosione
Mappatura del potenziale
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La durabilità del calcestruzzo armato
Mappatura del potenziale
Consente di individuare, prima che il danno diventi evidente, le zone in cui
le armature si corrodono.
L’individuazione della corrosione
è più facile con ...
-  un copriferro piccolo
-  un CLS umido
-  differenze tra umido / secco
-  griglia di misura fine
L’individuazione delle zone con corrosione si base sulle differenze di potenziale
Superfici molto grandi si possono misurare con multi-elettrodi con ruote.
-> più informazioni si trovano sul sito
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La durabilità del calcestruzzo armato
Come si può evitare la corrosione delle armature ?
Armature in acciaio inossidabile
Primo di tutto: CLS di alta qualità, copriferro secondo le norme
a/c ≤ 0.45, copriferro > 55 mm
Armature in accioio inossidabile
Mole in Yucatan, Messico, 1937 - 41
Lunghezza 1.75 km lang, 200 to 18/8
CrNi Stahl
Tenore di cloruri in profondità 75 mm
1.2% per peso cemento, clima tropicale, acqua di mare
> Non ci sono fenomeni di corrosione
La struttura in acciaio normale è
completamente distrutta.
ARMINOX, www.stainless-rebar.org
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La durabilità del calcestruzzo armato
Calcoli dei costi totali (life cycle costing)
Costi totale (con riparazione ) ...
Costi iniziali ...
8
60
Total cost (Mio lb Sterling)
7
% total cost increase
1.4571 SS
6
5
Structures with
low total cost
4
3
2
40
30
SS 316
20
SS 304
10
Restoration
Bridges with high total cost
1
?
Black Steel
50
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
% of stainless steels
Informazioni da F. Hunkeler, VSS Report
543 (2000) (ponti in Svizzera)
0
20
40
60
80
100
Life (years)
Calcoli per ponte Oeland, Svezia
(da www.stainless-rebar.org)
Pochi percentuali di costi in più permettono vita di servizio > 120 anni
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Korrosion von Stahl in Beton
Armature resistenti alla corrosione
Ponte sul rheno, CH (1995)
Uso intelligente delle armature
in acciaio inossidabile costose:
Solamente nei punti critici (più
esterni ed esposti ai cloruri)
Questo riduce i costi totali a
livelli ragionevoli (max. + 10%)
1.4462 - armature esterne dei piloni
1.4301 - armature longitudinali esterni
costo +0.5 %, life cycle cost - 15%
-> più informazioni nel corso “Corrosione e Protezione dei Metalli”
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Per chi ne vuole sapere di più....
L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri, R. Polder
“Corrosion of Steel in Concrete”
Wiley VCH (2004)
P. Pedeferri, L. Bertolini
La durabilità del calcestruzzo armato
McGraw-Hill (2000)
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