Manuale dei Controlli non Distruttivi

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1 SIDERCEM Istituto di Ricerca e Sperimentazione sui Materiali da Costruzione Quaderno tecnico n 3 Vincenzo Venturi Manuale dei Controlli non Distruttivi

2 ai miei genitori, ad Elvira, Agata e Stefano Tutti i diritti sono riservati. I testi e l elaborazione dei testi, anche se curati con scrupolosa attenzione, non possono comportare specifiche responsabilità per involontari errori ed inesattezze; pertanto, l utente è tenuto a controllare l esattezza e la congruenza del materiale utilizzato. Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale, o comunque per uso diverso da quello personale, possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da: SIDERCEM s.r.l. Istituto di Ricerca e Sperimentazione c/da Calderaro Caltanissetta. Finito di stampare nel mese di aprile 2012 dalla tipografia Lussografica di Caltanissetta

3 INDICE PREMESSA CAP. I - I CONTROLLI NON DISTRUTTIVI: GENERALITÀ Le curve di correlazione La taratura della curve di correlazione di riferimento o di base I limiti e le precauzioni nell applicazione dei metodi indiretti per la valutazione della resistenza a compressione in opera CAP. II - I CONTROLLI NON DISTRUTTIVI La determinazione dell indice di rimbalzo Le caratteristiche dello strumento e il principio di funzionamento L esecuzione della prova sclerometrica: il trattamento delle superfici e lo spessore minimo dell elemento strutturale Il posizionamento dello strumento Il numero minimo delle battute e le cause di influenza dei risultati Le diverse condizioni di influenza dell indice di rimbalzo Le limitazioni La velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici Generalità La strumentazione La taratura dello strumento La modalità d esecuzione Le modalità di trasmissione dell impulso ultrasonico La misura della velocità di propagazione L impact-echo I principi del metodo La metodologia Le procedure previste dalla norma ASTM C L impiego nelle strutture in c.a.p La mappatura dei difetti La prova di estrazione (Pull-out) Generalità La taratura della attrezzatura La modalità di esecuzione per gli inserti post-inseriti La prova pull-out secondo la norma UNI I punti di prova Esecuzione della prova Il meccanismo di rottura del calcestruzzo La curva di correlazione La prova di aderenza (Pull-off) Generalità

4 L esecuzione della prova Limitazioni La profondità di penetrazione di sonde d acciaio (Sonda Windsor) Generalità Modalità di esecuzione L elaborazione delle misure La misura del potenziale di corrosione Generalità L elaborazione delle misure Misure di resistività e velocità di corrosione CATALOGO FOTOGRAFICO

5 Premessa Le NTC (D.M. 14 gennaio 2008) al cap. 11, par Controllo della resistenza in opera, prevedono per la determinazione della resistenza alla compressione in opera, finalizzata alla soluzione di non conformità emerse durante i controlli di accettazione di forniture di calcestruzzo, il ricorso al prelievo di calcestruzzo indurito, secondo UNI EN , eventualmente integrato dai controlli non distruttivi secondo le UNI EN , UNI EN , UNI EN Tali norme sono richiamate esplicitamente nelle NTC. La Circolare esplicativa n 617 del 2 febbraio 2009, nell Appendice al cap. 8, prevede per gli interventi su costruzioni esistenti l impiego, in sostituzione dei controlli distruttivi indicati dalla norma, di metodi non distruttivi. Il ricorso a tecniche non distruttive non può superare il 50 % dei minimi controlli distruttivi previsti e deve essere almeno pari al triplo dei controlli sostituiti. I due esempi: la non conformità nelle nuove costruzioni e la valutazione della sicurezza nelle costruzioni esistenti, riguardano la gran parte dei casi in cui si determina l impiego di controlli in opera, distruttivi e non distruttivi. Il Quaderno Tecnico n 3 Manuale dei controlli non distruttivi nasce per rispondere a questa esigenza e per fornire al Professionista un utile strumento di consultazione nella definizione del Piano delle indagini ma soprattutto nella scelta delle tecniche in funzione delle finalità dell indagine. Se la scelta del programma di prove rappresenta un momento di sintesi fondamentale, fra gli obiettivi dell indagine, definiti dal Professionista, e la competenza e la disponibilità, in termini di attrezzature e risorse umane, del Laboratorio, la riproducibilità dei risultati deriva dalla efficienza delle attrezzature, dalla formazione, e dalla esperienza, del personale che esegue le prove e dalla indipendenza del Laboratorio che emette i certificati. È evidente che le indagini sulle strutture richiedono, perché i risultati siano riproducibili, un approccio rigoroso nella esecuzione delle prove e nella certificazione dei risultati. Riteniamo che ciò sia coerente con lo spirito delle NTC, quando queste codificano le procedure di prova indicando esplicitamente le relative norme UNI EN, e della circolare del 2 settembre 2010 n 7617, che prevede che i risultati di tali prove siano certificati dai Laboratori ex art. 59 D.P.R. n 380/2001 come estensione della più generale autorizzazione, ovvero che i controlli non distruttivi (CND) debbano essere eseguiti, e certificati, da società che operano in regime di autorizzazione (MIT) ovvero da società il cui sistema di qualità sia tale da garantire l indipendenza, l efficienza delle attrezzature e la continua formazione del personale. Tale affermazione trova ulteriore conferma nel fatto che se l eventuale non conformità di un controllo di accettazione viene rilevata sulla scorta di risultati emessi da un Laboratorio autorizzato (ex art. 59 D.P.R. n 380/2001), e quindi con attrezzature efficienti, personale esperto, indipendente ed oggetto di verifiche periodiche da parte del Servizio Tecnico Centrale, la soluzione della non conformità, proposta dal Direttore dei Lavori, non può essere demandata ad un soggetto generico, con caratteristiche non coerenti con i requisiti di indipendenza, efficienza e qualità previsti per i laboratori autorizzati (ex art. 59 D.P.R. n 380/2001). 5

6 Per le stesse ragioni le caratteristiche dei materiali sulle costruzioni esistenti devono essere determinate da laboratori in possesso degli specifici requisiti di indipendenza, efficienza e qualità propri dei laboratori autorizzati (ex art. 59 D.P.R. n 380/2001). In attesa di osservazioni, critiche ed integrazioni, indispensabili non solo per le necessarie revisioni ma anche per la conferma dell interesse e del gradimento di questo Quaderno Tecnico n 3, auguriamo a tutti buona lettura.. Misterbianco, 20 aprile 2012 dott. ing. Vincenzo VENTURI 6

7 CAP. I I CONTROLLI NON DISTRUTTIVI: GENERALITÀ I controlli non distruttivi (CND), e localmente distruttivi, consistono in indagini strumentali che, eseguiti direttamente sulla struttura, consentono di ridurre, e di circoscrivere - alla parte superficiale - il danno eventualmente prodotto con metodi più invasivi, tra i più diffusi: indice di rimbalzo, velocità di propagazione degli ultrasuoni, forza di estrazione, misura della penetrazione della sonda, ma anche: impact-echo, emissione acustica, radar, metodi magnetometrici, etc.. L impiego di queste metodiche consente di ottenere, dal calcestruzzo in opera, informazioni prevalentemente di tipo qualitativo, anche se la letteratura tecnica fornisce le procedure per la stima della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera. La valutazione della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera non può essere affidata alla semplice applicazione delle curve di correlazione proposte dalla letteratura tecnica, che validano, sperimentalmente, la possibilità di correlare il parametro non distruttivo di prova alla resistenza a compressione ma si riferiscono, di norma, a calcestruzzi con caratteristiche di confezione, di maturazione, e di posa in opera assolutamente diverse da quelle proprie dei calcestruzzi oggetto del controllo. Il ricorso a tali prove è consigliabile, quando la precisione e la riproducibilità del metodo sono ritenute coerenti con l obiettivo dell indagine, e solo in presenza di una curva di taratura e di un campione di dati statisticamente significativo. I controlli non distruttivi presentano minore dispersione e maggiore riproducibilità per calcestruzzi di buone caratteristiche meccaniche, di classe maggiore a R ck 30 N/mm 2 ; particolare attenzione richiede invece l elaborazione dei risultati sperimentali ottenuti da calcestruzzi di classe inferiore. Quanto sopra affermato, di particolare rilievo nei casi di non conformità o di contenzioso, trova conferma nella UNI EN che prescrive l obbligo della curva di taratura, ricavata correlando il risultato delle prove di compressione, su provini cubici ovvero su campioni estratti dalle strutture (carote), con il parametro non distruttivo ottenuto in opera. Una riduzione drastica del contenzioso potrebbe essere ottenuta semplicemente imponendo al produttore, nel capitolato speciale d appalto ed all accettazione della fornitura, di produrre fra gli altri parametri anche la curva di correlazione sperimentale, specifica della miscela proposta. I metodi che non arrecano alcun danno alle strutture, quali la determinazione dell indice di rimbalzo (sclerometro) e la determinazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni, o che arrecano un danno limitato, quali la prova di estrazione (pull-out) o la prova di penetrazione (sonda Windsor), sono quelli più frequentemente impiegati e sono oggetto, ad esclusione della prova di penetrazione, che è invece riferita alla ASTM C 803/C 803M 97, di una specifica norma europea (UNI EN) che richiede la correlazione del parametro non distruttivo determinato con la resistenza alla compressione delle carote prelevate dalla struttura. Nel seguito vengono richiamati in sintesi gli aspetti peculiari di ciascun metodo: a. la determinazione dell indice di rimbalzo UNI EN presenta una notevole semplicità di esecuzione, mira a valutare l omogeneità dei getti, e stimare la resistenza alle stagionature intermedie, ed in presenza di elementi prefabbricati prodotti in serie. Limite maggiore di tale metodo è costituito dal fatto che l indice di rimbalzo è correlato alla durezza superficiale dell elemento indagato e quindi non può essere impiegato in presenza di calcestruzzi degradati, interessati da fenomeni di carbonatazione, spalling, porosità, degrado da incendio o da agenti chimici ecc.; b. la determinazione della velocità di propagazione degli ultrasuoni, UNI EN soprattutto se eseguita per trasparenza e quindi da due superfici contrapposte, è utile per l individuazione 7

8 di macrodifetti, quali vespai, cavità, lesioni, degrado e per l omogeneità e la qualità dei getti di calcestruzzo. Il limite maggiore è costituito dalla difficoltà ad operare per trasparenza e soprattutto, nella stima della resistenza a compressione, dalla riproducibilità e dalla dispersione dei risultati; c. le misure della penetrazione della sonda (ASTM C C 803M 97) e della forza di estrazione (UNI EN ) interessano il calcestruzzo per lo spessore rispettivamente della sonda, standard, e del tassello impiegato. Determinano un ridotto danneggiamento e sono influenzate in misura maggiore o minore, da condizioni locali quali: presenza di aggregati grossi, di armatura, di calcestruzzi degradati, interessati da fenomeni di carbonatazione, spalling, porosità, degrado da incendio o da agenti chimici. La tabella 1.1., estratta dalle Linee guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale sintetizza, per un calcestruzzo di buona qualità, i parametri statistici utili per valutare l affidabilità di ciascun metodo, e quindi in sequenza: il coefficiente di variazione (valore medio/scarto quadratico medio), i limiti di confidenza al 95%, il numero di prove, minimo per ciascuna area di prova. Tabella 1.1. Controlli non distruttivi e norme di riferimento Metodo di prova Norma Indice di rimbalzo ENI EN UNI EN Velocità di propagazione degli impulsi UNI EN UNI EN Resistenza alla penetrazione (sonda Windsor) ASTM C 803 Forza d estrazione (pull-out) UNI EN UNI 9536 UNI EN Impact-echo ASTM C 1383 Prova di aderenza (Pull-off) ASTM D 7234 ASTM C 1583 BSI BS Break -off ASTM C 1150 (Fonte: Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici - Linee guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo indurito mediante prove non distruttive, febbraio 2008) Tabella 1.2. I valori tipici di riferimento per la variabilità ed i limiti di confidenza nella stima della resistenza del calcestruzzo ottenibili con diversi metodi di prova distruttivi e non distruttivi Metodo di prova Coefficiente di Limiti di confidenza variazione (%) (%) Numero di prove Carotaggio Indice di rimbalzo Velocità di propagazione degli impulsi Resistenza alla penetrazione Forza d estrazione (Fonte: Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici - Linee guida per la messa in opera del calcestruzzo strutturale e per la valutazione delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo indurito mediante prove non distruttive, febbraio 2008) 8

9 1.1. Le curve di correlazione Le metodologie di prova di tipo non-distruttivo impiegate nella stima della resistenza a compressione in opera del calcestruzzo (R, R opera,c ), prevedono di poter correlare il parametro non distruttivo (X), di ciascun metodo, con la resistenza a compressione stimata. La correlazione si può definire come la relazione tra due variabili, tale che - a ciascun valore della prima variabile - corrisponda, con una certa regolarità un valore della seconda. L elaborazione dei risultati passa attraverso la costruzione di curve di regressione ottenute con metodi statistici, dei dati sperimentali di un campione di riferimento (taratura); le curve di correlazione sono classificabili come: lineari: R = a X + b non lineari: R = a X b ; R = a e b X. Il tipo di curva di regressione dipende dalla distribuzione dei dati sperimentali P i (X i, R i ),: lineare, iperbolica, curva esponenziale, tracciando la curva di regressione che meglio si adatta all andamento dei dati sperimentali (fig. 1.1 e 1.2). Fig a) diagramma della dispersione dei dati sperimentali; b) Curva di regressione (o di correlazione) lineare (Fonte: S. Lombardo V. Venturi Il Collaudo Statico Flaccovio Editore 2010). Fig a) diagramma della dispersione dei dati sperimentali; b) Curva di regressione (o di correlazione) non lineare (Fonte: S. Lombardo V. Venturi Il Collaudo Statico Flaccovio Editore 2010). 9

10 1.2 La taratura della curve di correlazione di riferimento o di base La stima della resistenza a compressione in opera del calcestruzzo per mezzo di metodi non distruttivi o indiretti, si basa sull impiego di correlazioni tra il parametro non distruttivo (indice di rimbalzo, velocità di propagazione dei microimpulsi, forza di estrazione, ecc.) proprio del metodo impiegato e la resistenza a compressione stimata del calcestruzzo in esame. L andamento della legge di correlazione può essere predefinito per ciascun metodo di indagine, a meno di costanti che possono essere determinate utilizzando un campione di carote di numerosità statisticamente significativa, sottoposte ad indagine non distruttiva prima della loro rottura. Le carote devono essere prelevate, esaminate e preparate in conformità alla norma UNI EN e sottoposte a prova di compressione in conformità alla norma UNI EN I valori numerici delle costanti che precisano l andamento delle leggi di correlazione possono essere ottenuti applicando tecniche di minimizzazione degli errori. La taratura della curva di correlazione di base o di riferimento per la valutazione della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera deve rispettare la procedura prevista dal paragrafo 8.3 della UNI EN 13791, applicabile quando si può disporre di una curva di correlazione di riferimento e di un limitato numero di carote (cd. Alternativa 2, rappresentata in fig. 1.3): 1) individuazione della regione di prova contenente almeno 9 aree di prova; 2) determinazione in ogni area di prova del parametro non distruttivo (velocità di propagazione dei microimpulsi (V o v), indice di rimbalzo (I R ), forza di estrazione (F) ecc.); 3) estrazione di carota da ogni area di prova; 4) determinazione per ciascuna area di prova della differenza (δf) tra la resistenza a compressione sulla carota (f opera, car ) prelevata da ogni area di prova e quella determinata mediante la curva di correlazione di riferimento o curva base (f opera, (I R,v, F)); 5) determinazione della media δf m(n) degli n risultati di prova e dello scarto quadratico medio s; 6) determinazione del valore di scostamento F=δf- k 1 s dalla curva di correlazione di base dove k 1 è un coefficiente funzione del numero di coppie di prove, dirette-indirette, eseguite. Tabella 1.3. Coefficiente k 1 dipendente dal numero di coppie di prove (indiretta - diretta) Numero di coppie di prove n k 1 9 1, , , , , , ,48 10

11 Fig Procedimento di calibrazione della curva di correlazione relativa al calcestruzzo oggetto di indagine secondo la UNI EN (Fonte: S. Lombardo V. Venturi Il Collaudo Statico Flaccovio Editore 2010) I limiti e le precauzioni nell applicazione dei metodi indiretti per la valutazione della resistenza a compressione in opera Le curve di correlazione fornite a corredo delle apparecchiature di prova si riferiscono a specifiche miscele di calcestruzzo, sottoposte a prove in condizioni convenzionali di laboratorio, costituiscono la validazione del metodo e, quindi, la possibilità di impiego, previa una opportuna calibrazione, sullo specifico calcestruzzo oggetto di indagine. Per tale ragione non possono essere impiegate, nella generalità dei casi, senza supportare i risultati di prove non distruttive eseguite su carote dello specifico calcestruzzo o in prossimità dei punti di prelievo, con i risultati delle prove di compressione eseguite sulle medesime carote. I metodi esclusivamente non distruttivi, come l indice di rimbalzo e la misura della velocità di propagazione degli ultrasuoni, determinano stime di resistenza a compressione affette da errori stimabili, nel migliore dei casi, nell ordine del ± 20 %. Viceversa, le prove di estrazione e di penetrazione consentono una stima della resistenza a compressione in opera con un errore in genere inferiore al ±10 %. Poter incrociare e combinare i risultati di più tecniche permette di migliorare l affidabilità della stima. La tabella 1.4 riporta sinteticamente le peculiarità, positive e negative, dei più comuni metodi d indagine. 11

12 Tabella I vantaggi e gli svantaggi dei più comuni metodi d indagine strutturale Metodo di prova Costo Velocità di esecuzione Danno apportato alla struttura Rappresentatività dei dati ottenuti Qualità della correlazione fra la grandezza misurata e la resistenza Carotaggio Elevato Lento Moderato Moderata Ottima Indice di rimbalzo Molto basso Veloce Nessuno Velocità di propagazione di ultrasuoni Interessa solo la superficie (1) Debole Buona Basso Veloce Nessuno Riguarda tutto Moderata (2) lo spessore Estrazione di inserti Moderato Veloce Limitato Resistenza alla penetrazione Moderato Veloce Limitato Interessa solo la superficie Interessa solo la superficie Buona Moderata (1) Inoltre, la singola determinazione è influenzata dallo stato della superficie dell area di prova (umidità, carbonatazione,...). (2) La misura si correla bene con il modulo elastico del materiale, la bontà della correlazione, tra modulo elastico e resistenza meccanica, può dipendere dalle caratteristiche del calcestruzzo. 12

13 CAP. II I CONTROLLI NON DISTRUTTIVI 2.1 La determinazione dell indice di rimbalzo Il metodo consiste nel provocare l impatto di una massa convenzionale contro la superficie del materiale sottoposto a prova e nel misurare l altezza del rimbalzo; la misura è espressa in termini di percentuale dell altezza di rimbalzo rispetto alla distanza percorsa dalla massa in movimento tra l istante in cui è rilasciata e quando colpisce la superficie del calcestruzzo. Questa percentuale è detta indice di rimbalzo I R. Considerando che l energia cinetica della massa battente è standard, l altezza di rimbalzo dipende dall energia dissipata durante l impatto che a sua volta, dipende dalla resistenza meccanica della superficie del calcestruzzo. Le procedure operative di prova sono descritte nella UNI EN , che non fornisce però alcuna indicazione sull interpretazione dei risultati finalizzati alla stima della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera. L impiego dell indice di rimbalzo comporta molte indeterminazioni e la probabile accuratezza nella stima della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera che è di circa ± 25% ne suggeriscono l impiego limitato alla valutazione della uniformità del calcestruzzo in opera 1. È possibile migliorare la qualità dei rilievi combinando i risultati con quelli ottenuti da altri metodi (velocità di propagazione degli impulsi, pull-out, carotaggi,.). La correlazione tra l indice di rimbalzo I R e la resistenza a compressione in opera R opera,c è del tipo: R opera,c = a I R b in cui i coefficienti a e b sono opportunamente calibrati mediante prove distruttive su carote. La norma UNI EN 13791, con riferimento alla fig. 3.8, propone invece le seguenti curve di correlazione di tipo lineare: R opera,c = 1,25 I R -23 per calcestruzzi con 20 I R 24 R opera,c = 1,25 I R -34,5 per calcestruzzi con 24 I R 50 Ovviamente tali singoli valori di prova dovranno essere opportunamente elaborati statisticamente. Tabella Valutazione della qualità calcestruzzo con l indice di rimbalzo (Kolek) I R,m (media su 10 misure) Qualità del calcestruzzo >40 Buono Medio Discreto < 20 Scarso 1 Malhotra V.M., I controlli non distruttivi. Rassegna dei principali metodi, in L industria italiana del cemento, n. 5/

14 2.1.1 Le caratteristiche dello strumento e il principio di funzionamento Le caratteristiche costruttive dello sclerometro sono riportate in dettaglio nella fig ed è costituito sostanzialmente da un corpo cilindrico, da una molla, da una massa battente e da una asta che fuoriesce parzialmente da un estremità. Premendo l asta dello sclerometro contro la superficie di calcestruzzo da esaminare si carica una molla. Quando l asta rientra, per intero, all interno dello sclerometro si sgancia automaticamente una massa che colpisce l asta stessa nell estremità interna e, attraverso questa, la superficie del calcestruzzo. Per reazione l asta ritrasmette alla massa il contraccolpo, o rimbalzo, che è tanto maggiore quanto maggiore è la durezza superficiale o la compattezza del calcestruzzo: in seguito all urto si ha una ridistribuzione dell energia cinetica iniziale: un aliquota è assorbita dal calcestruzzo sotto forma di energia di deformazione plastica (o permanente), un altra è restituita alla massa mobile che rimbalza per un tratto proporzionale all energia rimasta disponibile. Nella corsa di rimbalzo la massa trascina un indice che rimane bloccato nel punto massimo di ritorno indicando contemporaneamente - un valore di riferimento sull apposita scala. Questo numero, come si deduce dal diagramma fornito con lo strumento è correlato con la resistenza a compressione del calcestruzzo anche in funzione dell angolo di inclinazione dello strumento sulla superficie di prova. Fig Sezione longitudinale dello sclerometro Schmidt e relativa posizione al momento della percussione. (Fonte: S. Lombardo V. Venturi Il Collaudo Statico Flaccovio Editore 2010) L esecuzione della prova sclerometrica: il trattamento delle superfici e lo spessore minimo dell elemento strutturale Le superfici di calcestruzzo da esaminare devono essere liberate da eventuali rivestimenti come intonaci o vernici protettive, in modo da mettere a nudo la necessaria superficie di calcestruzzo della struttura. Il trattamento di pulizia deve avvenire con spazzole dure o mole smerigliate ed è necessario per eliminare le eventuali rugosità lasciate dai casseri in legno o dalla polvere di cemento indurita depositatasi durante la vibrazione del calcestruzzo. In generale, si raccomanda di asportare uno spessore superficiale di qualche millimetro (fig. 2.2a). L elemento strutturale da esaminare deve avere lo spessore minimo di 15 cm. La prove devono essere eseguite su una griglia regolare di linee distanti da 25 mm a 50 mm l una dall altra, i punti di battuta sono costituiti dai punti di intersezione delle linee della griglia (fig. 2.2.b). In fig sono rappresentate condizioni di elementi strutturali in c.a. normale o precompresso per i quali è sconsigliato l uso della prova sclerometrica. 14

15 a) preparazione della superficie b) esecuzione delle prove sui punti della griglia Fig Preparazione della superficie ed esecuzione della prova su punti di una griglia regolare di linee (fonte: Sidercem s.r.l. Istituto di Ricerca e Sperimentazione) (Fonte: Sidercem s.r.l. Istituto di Ricerca e Sperimentazione) 15

16 Fig Il metodo sclerometrico e altre indagini di tipo corticale sono sconsigliate quando le strutture in c.a. presentano le evidenti condizioni di degrado rappresentate in figura (fonte: Technical Report n. 54, Diagnosis of deterioration in concrete structures, 2000, rielaborazione.) Il posizionamento dello strumento Durante la prova l asse dello sclerometro deve essere sempre perpendicolare alla superficie della struttura in quanto, una eventuale inclinazione, ne influenzerebbe i risultati, falsandoli poiché il rimbalzo della massa battente può essere più o meno disturbato dalla forza di gravità. In genere, le inclinazioni previste dai diagrammi allegati allo strumento sono relativi ai seguenti angoli (fig. 2.4): α = 0 (pilastri, travi ecc.); α = + 90 (solette orizzontali, intradosso di travi ed impalcati); α = - 90 (plinti di fondazione, solette stradali ecc.). È necessario quindi, secondo il tipo di struttura da saggiare, prestare molta attenzione al corretto uso dello strumento in modo da ottenere risultati soddisfacenti. 16

17 Fig Inclinazioni dello sclerometro in riferimento alle relative curve uniche di taratura dello strumento: esempio di indice di rimbalzo e lettura della corrispondente resistenza a compressione del calcestruzzo in opera Il numero minimo delle battute e le cause di influenza dei risultati La zona di indagine deve avere una dimensione minima di 20 x 20 cm, tale da consentire l esecuzione di almeno 12 battute in punti opportunamente distribuiti e distanziati tra loro di circa 2 5 cm, al fine di evitare l interazione reciproca tra le varie battute. Le zone di indagine devono riguardare strutture con uno spessore minimo di almeno 15 cm; non devono essere in prossimità di spigoli ma ad una distanza minima di almeno 10 cm, o gli inerti impiegati per il confezionamento del calcestruzzo non devono superare le dimensioni massime di circa 40 mm e la classe di resistenza deve essere superiore a 15 N/mm 2. Durante le prove devono essere esclusi i valori dell indice di rimbalzo I Rm che non soddisfano la seguente disuguaglianza: 17

18 dove I rm è il valore medio dell indice di rimbalzo: 0,8 I Rm < I Ri < 1,2 I Rm Le diverse condizioni di influenza dell indice di rimbalzo Nella ubicazione delle prove devono essere escluse le zone in prossimità di: - grossi inerti affioranti; - armature; - spazi vuoti; - vespai; - degrado superficiale. I fattori che influenzano l indice di rimbalzo possono essere molteplici e in generale variabili per ogni tipo di calcestruzzo: - tipo e contenuto di cemento. Il dosaggio ed il tipo di cemento hanno effetto sulle deformazioni elastiche del calcestruzzo e quindi sul valore dell indice di rimbalzo. Per i diversi tipi di cemento Portland le differenze nella valutazione della resistenza a compressione del calcestruzzo sono stimate intorno al 10%; - inerti usati e loro assortimento. Le dimensioni degli inerti influenzano l omogeneità del calcestruzzo e quindi la resistenza a compressione. L indice di rimbalzo può essere condizionato in corrispondenza di elementi di aggregati o in zone di malta cementizia; - maturazione del calcestruzzo. Si hanno rilevanti differenze dell indice di rimbalzo per i calcestruzzi maturati in acqua e quelli in aria secca; - età del calcestruzzo. L influenza dell età del calcestruzzo sulla resistenza a compressione non è di facile valutazione e pertanto per calcestruzzi giovani è consigliabile adottare opportuni coefficienti che consentano di riferire l esito alla stagionatura convenzionale di 28 giorni. Per calcestruzzi più vecchi - salvo specifiche esigenze che richiedono però una complessa calibrazione dei coefficienti di riduzione - in generale si può trascurare tale influenza; - condizioni dello strato superficiale di prova. Le superfici delle parti delle strutture sottoposte a prova non devono presentare parti sconnesse, decoese, degradate, polverose, con difetti esecutivi visibili, perché possono influenzare l indice di rimbalzo e quindi la stima della resistenza del calcestruzzo;- umidità della superficie di calcestruzzo. L umidità della superficie di calcestruzzo da indagare comporta una sottostima di circa il 20%, rispetto alla superficie asciutta, della resistenza a compressione del calcestruzzo; - eventuale fenomeno di carbonatazione della superficie. La presenza di fenomeni di carbonatazione può determinare una sovrastima della resistenza a compressione dell ordine di circa il 50%. Se la carbonatazione interessa il calcestruzzo per spessori di circa mm, se ne può prevedere durante la preparazione della superficie - l asportazione mentre per spessori maggiori è opportuno non eseguire la prova; - inclinazione dello sclerometro. In particolare, nei punti di battuta devono essere evitati i giunti, i vespai e le zone porose. Si dovrà prestare attenzione alle pareti con spessore minore di 10 cm e pilastri con lato minore di 12 cm che, a causa della loro snellezza, potrebbero falsare le misurazioni. Nel caso di getti di calcestruzzo confezionati con prodotti scadenti si potranno rilevare valori decrescenti dal basso verso l alto. A tal fine, sarà necessario ripetere diverse volte la prova e in diversi punti in modo da avere un valore medio attendibile. Alcuni produttori degli strumenti evidenziano che i valori dell indice di rimbalzo possono subire influenze nei seguenti casi: - calcestruzzi molto vecchi e, quindi, induriti superficialmente; occorrerà molare la superficie per 18

19 una profondità di almeno 10 mm e per un area sufficiente ad effettuare almeno 12 battute sclerometriche; - calcestruzzi confezionati con aggregati poco resistenti, leggeri e fratturabili (pomice, argille espanse, gneiss ecc.). In questo caso la resistenza effettiva del calcestruzzo risulterà più bassa di quella della curva di taratura). È consigliabile determinare sperimentalmente la curva di correlazione fra il valore dell indice di rimbalzo e la resistenza a compressione del calcestruzzo in opera; - calcestruzzi poveri di sabbia con bassi rapporti acqua/cemento, non sufficientemente compattati, con conseguente formazione di vespai invisibili esteriormente, fanno rilevare valori dell indice di rimbalzo più basso rispetto a situazioni normali; - calcestruzzi confezionati con aggregati, a superficie liscia e levigata, non idonei per i calcestruzzi ad alta resistenza. In tali casi il valore di rimbalzo riguarda la sola malta rendendo difficile la stima della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera. Le stesse difficoltà comportano le indagini su calcestruzzi confezionati con inerti sporchi e argillosi; - calcestruzzi appena sformati: la prova deve essere eseguita dopo che si sono asciugate le superfici sulle quali devono essere effettuati i saggi. In generale, è consigliabile eseguire le indagini nelle zone meno armate e non molto sollecitate Le limitazioni La determinazione della resistenza a compressione del calcestruzzo in opera con il solo metodo sclerometrico non è sufficiente ed il suo impiego non può sostituire gli altri metodi di indagine normalmente utilizzati soprattutto in sede di contenzioso come, per esempio, il carotaggio. Ogni volta, prima di una serie di prove, deve essere eseguita la verifica della taratura mediante l incudine di taratura e, dopo 500 prove, deve essere prevista la manutenzione dello strumento. Il ricorso al metodo sclerometrico, descritto nella UNI EN , per garantire le parti - direzione dei lavori, collaudatore statico e impresa - dovrebbe essere contenuto, per la parte relativa alla elaborazione e all interpretazione dei risultati, nel capitolato speciale d appalto (CSA). Potrebbe essere sufficiente prevedere una curva di taratura ricavata da un numero di cubetti compreso fra 30 e 60 (confezionati con almeno cinque diversi rapporti acqua/cemento), tali comunque da comprendere tutte le classi di resistenza impiegate per gli elementi strutturali in calcestruzzo armato. La stima della resistenza a compressione in opera mediante prove sclerometriche deve essere conforme alle procedure descritte dalla UNI EN 13791, pertanto l impiego di una curva di correlazione di riferimento è subordinato alla calibrazione con prove su cubi o su carote prelevate dalla struttura oggetto di indagine. Foto 2.5 Calibrazione dello sclerometro (Fonte Sidercem S.r.l. Istituto di Ricerca e Sperimentazione) 19

20 2.2. La velocità di propagazione degli impulsi ultrasonici Generalità I principi teorici del metodo sono quelli della propagazione delle onde elastiche longitudinali in un mezzo omogeneo ed isotropo, nello specifico il metodo si propone la misura della velocità di propagazione degli ultrasuoni nel calcestruzzo. Considerando che la velocità di propagazione, in un mezzo omogeneo, è funzione della densità del materiale, del modulo elastico e del coefficiente di Poisson e che, in prima approssimazione, la velocità di propagazione è direttamente proporzionale alla radice quadrata del modulo elastico ed inversamente alla radice quadrata della densità, con le dovute cautele ed entro i limiti in cui queste leggi possono essere applicate ad un materiale eterogeneo quale è il calcestruzzo, è possibile correlare la velocità di propagazione alle richiamate costanti elastiche del calcestruzzo. In sintesi, la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche, ovvero l attenuazione del segnale per effetto dell assorbimento d energia, è influenzata dalle caratteristiche del calcestruzzo, in particolare: - dalle dimensioni e dal tipo dell aggregato; - dal tipo di cemento; - dal rapporto acqua/cemento; - dall età del calcestruzzo. Altri fattori che influenzano la velocità di propagazione dei microimpulsi sono: - lunghezza del percorso di misura della velocità di propagazione degli impulsi; - pressione di contatto delle sonde sulla superficie dell elemento strutturale; - temperatura del calcestruzzo; - grado di compattazione in opera; - presenza di vuoti; - presenza di fratture; - condizioni di umidità del calcestruzzo; - presenza di armature. Per ridurre il rischio che il fascio di ultrasuoni percorra le armature metalliche, fornendo velocità di propagazione generalmente più alte, è opportuno - preliminarmente all esecuzione della prova - localizzare le armature stesse mediante dispositivi per la ricerca di materiali ferromagnetici. La presenza di vuoti o di fessure nella struttura in esame determina invece velocità decisamente più basse. Tabella 2.2. Frequenza delle sonde (Rilem Recomandation NDT1, Paris, dicembre 1972) Frequenza minima delle onde (khz) Max dimensione aggregato ( mm) Intervallo lunghezza percorso (mm) > La strumentazione La strumentazione per l esecuzione di prova ultrasonica è costituita da un trasmettitore sonico, che genera l impulso, e da un ricevitore. Dal segnale opportunamente amplificato viene misurato l intervallo di tempo (transit time) intercorso tra l istante di emissione e quello di ricezione dell impulso. Gli emettitori di vibrazioni possono essere elettrodinamici o meccanici La taratura dello strumento La taratura dello strumento consiste nella misura del tempo di transito T t (in ms) impiegato dalle onde elastiche per percorrere, lungo l altezza, il cilindro o il prisma metallico di taratura fornito a corredo dello strumento. Il tempo di percorrenza T 0, predeterminato dal fabbricante, costituisce il riferimento di taratura (figg. 2.5 e 2.6). 20

21 Se il valore di T t differisce per più di 2 o 3 unità (ms) dal valore di T 0 lo strumento deve essere ricalibrato seguendo le istruzioni del fabbricante. La verifica dell efficienza dello strumento può essere ripetuta più volte nel corso della giornata di misurazioni: e comunque sempre all inizio e al termine della giornata ed ogni qualvolta dovessero variare le condizioni ambientali (per temperatura, esposizione al sole, umidità ecc.) e/o la configurazione dello strumento (cambio di cavi di connessione e/o di trasduttori ecc.). La norma UNI EN prescrive - in fase di controllo con la barra di calibrazione - una deviazione limite di ± 0,1 ms e un accuratezza del 2%. Fig Esempio di taratura di strumento per ultrasuoni Fig Esempio di prova su una carota di calcestruzzo estratta da una struttura oggetto di indagine (Fonte: Sidercem S.r.l.- Istituto di Ricerca e Sperimentazione) 21

22 La modalità d esecuzione L esecuzione delle prove per indagini ultrasoniche prevedono le seguenti modalità: a) individuazione di una zona di misura idonea. Le zone interessate all esecuzione della prova ultrasonica devono essere localizzate ad opportuna distanza dalle armature, preventivamente individuate, per esempio, mediante pacometro, tracciate sulla superficie della trave o del pilastro per meglio localizzare le zone oggetto di esame; b) pulizia della superficie ed eventuale levigatura. Le superfici dell elemento strutturale da controllare - prima dell applicazione delle sonde - devono essere pulite, levigate e rese piane. Le misurazioni sulle facce delle sonde e/o sulle superfici interessate devono essere precedute dall applicazione di un sottile strato di pasta di contatto; successivamente le sonde possono essere appoggiate sulle superfici stesse: c) posizionamento dei punti di misura; d) rilievo della distanza tra i punti estremi di ciascun percorso di misura, utilizzando un calibro (trasmissione diretta) o una dima (trasmissione indiretta) e rilevando la posizione delle sonde rispetto ad un sistema di riferimento. Nel caso della trasmissione diretta, come previsto dalla norma UNI EN , la distanza deve essere riportata con la precisione di ±1 %. Nel caso della trasmissione semidiretta si deve misurare la distanza tra i centri delle superfici di contatto dei trasduttori, in questo caso l accuratezza della misura del percorso dipende dalla superficie della sonda in rapporto alla distanza tra le facce delle sonde. Nel caso della trasmissione indiretta devono essere eseguite una serie di misurazioni successive spostando progressivamente la sonda ricevente. Alla luce delle suddette considerazioni è più esatto considerare la velocità rilevata come velocità apparente perché la distanza relativa tra le due sonde non sempre corrisponde all effettivo percorso di propagazione, specialmente in presenza di difetti nell elemento strutturale come meglio si vedrà in seguito; e) esecuzione delle misure nella zona individuata con le seguenti modalità: - possono essere utilizzate in alternativa sonde puntiformi o sonde a superficie piana; in entrambi i casi la bontà delle misure è legata alla realizzazione del corretto accoppiamento tra la sonda e la superficie del calcestruzzo. Nel caso delle sonde puntiformi ciò si ottiene esercitando una pressione adeguatamente elevata contro il calcestruzzo. Nel caso, invece delle sonde piane è necessario interporre tra la sonda e la superficie del calcestruzzo un appropriato materiale d accoppiamento (per es. grasso di vaselina). Particolare cura deve essere posta in ogni caso nel controllare che, nelle aree di contatto, non ci siano granuli sciolti di aggregato fine interposti tra la sonda e la superficie del calcestruzzo. - in ogni zona di misura si devono effettuare almeno 10 misure su percorsi diversi; nel caso delle misure indirette le 10 misure di cui alla figura 2.8 sono determinate lungo i seguenti percorsi: 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, 3-4, 3-5, 3-6, 4-5, 5-6; - nel caso di misure effettuate con trasduttori piani, dato che è necessario interporre tra i trasduttori e la superficie del calcestruzzo uno strato di grasso di accoppiamento, i trasduttori devono essere premuti in modo tale da far rifluire il grasso in eccesso; - il tempo di transito T t si legge sulla centralina, a soglia fissa o con amplificatore di guadagno ed oscilloscopio, con la risoluzione di 1 µs. È necessario applicare sempre la stessa pressione sulle sonde, infatti questa può influire sul valore del tempo visualizzato e variare in funzione della pressione applicata; in particolare se la pressione è eccessiva il tempo visualizzato diminuisce; f) al termine delle misure su ogni zona è necessario eseguire un controllo delle misure verificando i valori medi della velocità di propagazione delle onde elastiche. Il controllo dovrà essere effettuato come segue: - verificare l omogeneità dei valori di velocità (la differenza tra il valore massimo e minimo deve essere contenuta entro i m/s); 22

23 - verificare il valore medio della velocità: misure che comportano velocità di trasmissione nel calcestruzzo superiori a 4800 m/s o inferiori a 2500 m/s devono essere sempre verificate considerando che i valori orientativi della velocità apparente V degli ultrasuoni nel calcestruzzo sono quelli richiamati nel seguito: - per calcestruzzi di cattiva qualità V < 3000 m/s, - per calcestruzzi di media qualità 3000 m/s V 4000 m/s, - per calcestruzzi di buona qualità V > 4000 m/s). Fig Schema di posizionamento dei punti nel caso di misure indirette in strutture armate in due direzioni ortogonali Le modalità di trasmissione dell impulso ultrasonico La modalità di trasmissione dell impulso ultrasonico, secondo il relativo posizionamento relativo delle sonde sulle facce dell elemento strutturale, può essere: 1) diretta (o di propagazione per trasparenza) (fig. 2.9) quando le sonde, trasmittente e ricevente, sono applicate su due facce opposte dell elemento strutturale. Particolare attenzione deve essere posta al corretto allineamento delle sonde in modo da evitare eventuali disallineamenti. Nelle stesse zone possono essere eseguite altre prove non distruttive come le prove sclerometriche o l estrazione di carote, così che combinando i risultati di più di un metodo di controllo si possa pervenire ad una corretta stima della resistenza del calcestruzzo in opera. 2) semi-diretta quando le sonde trasmittente e ricevente sono applicate su due facce adiacenti, in genere ortogonali fra loro, dell elemento strutturale (fig. 2.11). Si considera semidiretta anche la trasmissione fra sonde non allineate e applicate su due facce opposte dell elemento strutturale (fig. 2.10); 3) indiretta (o di propagazione superficiale), quando le sonde trasmittente e ricevente, sono applicate sulla stessa faccia dell elemento strutturale. Il metodo indiretto è ritenuto il meno sensibile e preciso e vi si ricorre solo nel caso in cui non siano accessibili le altre superfici dell elemento strutturale o quando lo scopo dell indagine è la qualità di una determinata area superficiale di calcestruzzo (fig. 2.12). Il metodo consente di indagare spessori ridotti dell elemento strutturale e per tale ragione l esito può risultare non molto significativo. 23

24 L approccio per l esecuzione della prova più adottato è quello della trasmissione diretta perché permette la minore dispersione di energia del segnale dalla sonda trasmittente a quella ricevente e coinvolge l intero spessore dell elemento indagato e quindi la migliore affidabilità e riproducibilità. Fig La modalità di esecuzione della prova con sonde contrapposte (trasmissione diretta), nel controllo del calcestruzzo di un pilastro. Fig La modalità di esecuzione della prova con sonde disallineate (trasmissione semidiretta), nel controllo del calcestruzzo di un pilastro. 24

25 Fig La modalità di esecuzione della prova con sonde disposte su piani ortogonali (trasmissione semidiretta) nel controllo del calcestruzzo di un pilastro. Fig La modalità di esecuzione della prova con sonde adiacenti (trasmissione indiretta) nel controllo del calcestruzzo di un pilastro La misura della velocità di propagazione Nella trasmissione ultrasonica diretta, la misura della distanza tra le sonde deve essere riferita alle superfici non intonacate e idoneamente preparate. La distanza tra le facce delle sonde deve essere misurata con la precisione di ± 1%. 25

26 Nella trasmissione indiretta, a causa della dimensione non trascurabile delle regioni di contatto tra le sonde e le caratteristiche superficiali del calcestruzzo, non è possibile conoscere, con la precisione richiesta, il percorso di transito. Per ovviare a tale inconveniente è opportuno eseguire una serie di misure con le sonde disposte a distanza crescente come illustrato nel seguito e nella successiva figura 2.13: 1) la sonda emittente viene mantenuta a contatto con la superficie di calcestruzzo in un punto fisso. Quella ricevente viene progressivamente spostata lungo una semiretta, tracciata sulla superficie di calcestruzzo, in maniera da avere diverse letture di tempi di transito T i per corrispondenti distanze L i. Nella fig è riportato un diagramma cartesiano - con in ordinata i tempi di transito, T t ed in ascissa - le relative distanze tra le sonde, L i ; 2) la pendenza della retta interpolante i punti ottenuti è la velocità media degli impulsi lungo la linea scelta sulla superficie di calcestruzzo. La presenza di una evidente discontinuità potrebbe essere riconducibile alla presenza di fessure, ortogonali alla superficie e/o spessori di calcestruzzo degradati o di qualità inferiore rispetto agli strati più interni. In questi casi il valore degli impulsi rilevato non è quantitativamente significativo. La velocità di propagazione V è calcolata con la seguente relazione: dove: l = lunghezza della base di misura ovvero distanza fra le sonde; T = tempo di transito delle onde elastiche tra il trasmettitore ed il ricevitore; T t = tempo di transito delle onde elastiche, lungo l altezza del campione di taratura, cilindro o prisma, fornito a corredo dello strumento; T 0 = tempo di transito predeterminato sul campione di taratura, cilindro o prisma, dal fabbricante. La velocità di propagazione V si esprime in m/s arrotondando il valore ai più prossimi 10 m/s. La velocità di propagazione delle onde (V) è più elevata in presenza di calcestruzzi umidi e di armature metalliche; in presenza di armature disposte lungo l allineamento delle sonde la velocità di propagazione risulta addirittura maggiorata del 40% rispetto a quella riscontrata nel calcestruzzo. Fig Esempio di determinazione della velocità di propagazione delle onde, nel caso di trasmissione indiretta o superficiale. 26

27 2.3. L impact-echo Generalità La tecnica di indagine non distruttiva denominata impact-echo (eco da impatto) è prevista dalla norma ASTM C 1383: Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method. A differenza delle prove con ultrasuoni, l impact echo utilizza onde elastiche a frequenza più bassa che presentano il vantaggio di non avere problemi legati allo smorzamento del segnale come nel caso del metodo ultrasonico. Un limite è rappresentato dallo spessore minimo e massimo rilevabile in funzione del tipo di apparecchiatura impiegata: trasduttore e massa di impatto e naturalmente dal sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati acquisiti. Tale metodo consente di identificare i difetti e di restituirne la mappatura con buona precisione, soprattutto quando il calcestruzzo è ancora giovane. Altro aspetto assolutamente positivo è rappresentato dal fatto che è possibile eseguire le prove accedendo ad una sola superficie dell elemento strutturale, a differenza delle indagini ultrasoniche che perdono di affidabilità nei casi di trasmissione indiretta 2. Un limite è rappresentato dal costo dell attrezzatura, generalmente più elevato della corrispondente per le prove ad ultrasuoni. L impact-echo offre alcuni vantaggi rispetto alle altre tecniche: è semplice da applicare in situ, non comporta nessun intervento invasivo sulla struttura, non richiede precauzioni di nessun tipo per l operatore (nessuna emissione di onde elettromagnetiche) e richiede l accesso da un solo lato della struttura da indagare. Inoltre è preferibile per la possibilità di ottenere informazioni non solo sulla posizione dei difetti, ma anche sulla natura degli stessi, attraverso l analisi in frequenza del segnale acquisito I principi del metodo La tecnica dell impact-echo è basata sulla propagazione delle onde elastiche che sfrutta l analisi nel dominio delle frequenze per l interpretazione dei dati. L analisi dello spettro in frequenza è effettuato sul fronte d onda ottenuto dall impatto meccanico sulla superficie della struttura in calcestruzzo che restituisce un impulso di sollecitazioni di breve durata temporale. L impulso di sollecitazione si propaga nella struttura con un fronte d onda sferico con onde di compressione (P-Wave) e di taglio (S-Wave), mentre con R sono indicate le onde di superficie (R-Wave) (fig ). Le onde R (onde di Rayleigh) si disperdono in direzione ortogonale alla superficie di impatto e di conseguenza sulla superficie dell elemento solido in esame. Il contributo di tali tipi di onde - che può influenzare l interpretazione del segnale acquisito dal sensore - deve essere eliminato impiegando particolari filtri. Le onde P ed S sono riflesse all interfaccia tra materiali a diversa impedenza acustica, come le discontinuità interne o le superfici esterne. Le onde riflesse sono raccolte sulla superficie con un ricevitore. La frequenza delle onde P in arrivo al ricevitore è determinata con la trasformazione dal dominio dei tempi a quello delle frequenze del segnale raccolto usando la tecnica della trasformata di Fourier (FFT). L ampiezza dei picchi può essere utilizzata per determinare le frequenze dominanti nel fronte d onda. Se il trasduttore è posto vicino al punto d impatto registra una forma d onda in cui gli spostamenti repentini iniziali ad ampiezza più elevata sono dovuti alle onde R, mentre la serie di spostamenti continui successivi sono dovuti alle onde P. Per una struttura a piastra, nota la velocità delle onde P (V p ) nel mezzo calcolata con la relazione 3 : 2 Proverbio E. - Epasto G. - Venturi V., Il metodo dell Impact Echo per la valutazione dello stato di degrado delle strutture in c.a.p., in Quarry & construction, aprile Krautkrämer, J. and Krautkrämer, H., 1990, Ultrasonic Testing of Materials, 4th Ed., Springer- Verlag, New York. 27