Un importante materiale da costruzione nell ingegneria civile è il calcestruzzo armato.

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1 ESERCIZIO 1 Un importante materiale da costruzione nell ingegneria civile è il calcestruzzo armato. a) Indicare quali prodotti si formano durante la presa del cemento portland e spiegare perché le armature di acciaio al carbonio non si corrodono in un calcestruzzo con questo cemento. Si formano i prodotti CSH (calcio silicato idratato) e Ca(OH) 2 portlandite. Il ph di una soluzione satura di portlandite è 12.5, in questo ambiente le armature di ferro sono protetti da un film passivo. b) Ciò nonostante, spesso si osservano fenomeni di corrosione delle armature in strutture o edifici esposti all atmosfera a causa della carbonatazione. Indicare la reazione chimica della carbonatazione. Spiegare perché le armature nelle zone carbonatate si possono corrodere. Durante la carbonatazione tutti i componenti alcalini del CLS reagiscono con il CO 2 : Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O = CaCO 3 + H 2 O. La soluzione del prodotto che si forma (calce) ha un ph intorno a 8. In questo ambiente l acciaio non è pù passivo e in presenza di acqua e ossigeno si può corrodere. c) Spesso le zone dove si sono verificati fenomeni di corrosione vengono ripristinate rimuovendo localmente il calcestruzzo carbonatato e mettendo una malta alcalina. Spiegare perché dopo breve tempo si nota nuovamente corrosione intorno alla zona riparata. La qualità del CLS e dunque anche la fronte della carbonatazione non è omogenea. Dovuto alla carbonatazione in certi punti le armature sono de passivate e in presenza di ossigeno e umidità inizia a formarsi la ruggine. La ruggine è più voluminoso e l espansione spacca il copri ferro. Dal punto di visto elettrochimico la zona di corrosione è la zona anodica la superficie delle armature a fianco sono catodiche (anche se in calcestruzzo carbonatato). L anodo esegue una protezione catodica. Dopo la riparazione della zona di corrosione con malta alcalina questa zone in CLS fresco porta alla passivazione delle armature, si crea un forte catodo. Allora le zone a fianco (carbonatate) diventano anodo e iniziano a corrodersi.

2 Come consequenza si deve sempre ripristinare tutte le zone carbonatate e non solo quelli che presentano già fenomeni di corrosine. d) Come si può aumentare il tempo di innesco della corrosione (arrivo della zona carbonatata alle armature) nella progettazione e nella messa in opera del calcestruzzo? Progettazione: copri ferro adatto secondo le norme, rapporto a/c < 0.45 e tenore di cemento alto (> 300 kg/m3). Messa in opera: controllo del copri ferro, buona vibrazione (compattazione), buona stagionatura ESERCIZIO 2 Una tubatura di acciaio al carbonio si corrode spontaneamente nel terreno e si forma la ruggine. a) Scrivere le reazioni parziali e la reazione complessiva di questo processo di corrosione e indicare la reazione anodica e catodica. Anodica: 2Fe -> 2Fe e - Catodica O 2 + H 2 O + 4e - -> 4 OH - Totale 2 Fe + O 2 + H 2 O -> 2 Fe(OH) 2 b) Questo processo di corrosione generale è molto lento e le tubature resistono anni. Spesso invece si osserva che le tubature sono perforate in pochi anni e sempre vicino a edifici in calcestruzzo armato (vedi figura). Spiegare perché si verifica questo fenomeno di accelerazione del processo di corrosione.

3 Il problema è che la tubatura è in contatto elettrico con le armature. Il potenziale dell acciaio nel CLS alcalino è ca. 0.1 V, il potenziale nel terreno è ca V. Questa differenza di potenziale crea una corrente che accelera la corrosione: le armature (potenziale più positivo) diventano il catodo, la tubatura nel terreno diventa l anodo. La corrosine in questa macro-coppia avviene solamente all anodo (tubatura). c) Per rimediare alla situazione sopra descritta è stato proposta una verniciatura della tubatura. Quale sarebbe il risultato? Perché? Una verniciatura dell anodo non aiuta, addirittura è contra produttiva. Ogni vernice ha sempre difetti e buchi la corrente nella macrocoppia si concentra dunque su questi difetti con superficie molto piccolo e la densità della corrente è maggiore. Allora la velocità della perforazione aumenta. d) Quale sarebbe la soluzione corretta per evitare la corrosione accelerata della tubatura vicino a strutture in calcestruzzo armato? La soluzione corretta sarebbe di eliminare il contatto elettrico tra tubatura e armature per eliminare la causa della corrosione accelerata. Tecnicamente questo è più facile liberando la tubatura vicino all edificio, tagliare la tubatura e inserire una flangia in polietilene. In questa maniera la tubatura nel terreno è isolato elettricamente dalla tubatura in contatto con le armature.

4 ESERCIZIO 3 Il calcestruzzo è un conglomerato prodotto da inerti, acqua e cemento. a) Scrivere la reazione tra cemento (C 3 S) e acqua. Quali prodotti si formano? Qual é il fattore stechiometrico della reazione? 2 C3S + 6 H2O = C3S2H3 + 3 Ca(OH)2 Il fattore stechiometrico (quando tutto il cemento reagisce con tutto l aqua) è il rapporto acqua / cemento 0.4. b) Le norme richiedono che per ambienti aggressivi (spruzzi di acqua di mare) un rapporto acqua/cemento Perché si arriva a questo valore? Spiegare perché non si ottiene un calcestruzzo armato durevole se il rapporto a/c é troppo alto. Il rapporto acqua/cemento di 0.45 corrisponde ad una porosità capillare minore di 20%, cioè ad un valore di porosità sotto la soglia della percolazione (dove aumenta la permeabilità della pasta cementizia in maniera esponenziale). Con un rapporto a/c troppo alto (maggior di 0.5) risultano troppi pori capillari, che sono interconnessi tra di loro. Le sostanze aggressive dall ambiente possono penetrare facilmente nel CLS. c) Spiegare perché la resistenza meccanica diminuisce linearmente all aumentare della porosità capillare, la permeabilità del CLS invece no. La resistenza meccanica a compressione diminuisce all aumentare del volume dei pori (questi essendo vuoti non hanno resistenza). Per la resistenza meccanica è il volume totale dei pori che conta. Per la permeabilità invece non è solamente il volume dei pori capillari ma anche il fatto se sono interconnessi o no. Al di spora della soglia di porosità il CLS diventa molto permeabile. d) Spesso si raccomanda l utilizzo di materiali pozzolanici (silica fume) per migliorare la qualità (ridurre la porosità) del CLS. Spiegare perché questi aggiunte riducono la porosità. Indicare le condizioni necessarie per ottenere il risultato desiderato. Quale sonno possibili effetti negativi quando si usa questi materiali?

5 Materiali pozzolanici o silicati reagiscono con la soluzione dei pori del CLS con cemento portland: 3Ca 2+ + SiO 2 + H 2 O = C 3 SH, si forma la pasta cementizia nei pori capillari del CLS. La microstruttura del CLS viene dunque più desa. Visto che questo processo avviene solamente dopo che si sia formato la portlandite (che rilascia i ioni Ca2+) deve essere presente sufficientemente acqua per la reazione. Questo significa che la stagionatura deve essere fatto con più cura e tempi più lunghi.