Cause di degrado e prescrizioni minime del calcestruzzo

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1 Cause di degrado e prescrizioni minime del calcestruzzo Bologna, 20 Giugno 2007 Roberto Marino 1

2 Quadro legislativo Legge n 1086 del 5/11/ 71 D.M.del 9/1/96 Circolare Ministero LL.PP. (15 ottobre 1996) Norme Tecniche per le Costruzioni 2

3 L obiettivo e i contenuti Introduce il concetto di durabilità e vita utile di progetto: La struttura deve conservare le proprie caratteristiche durante la vita utile di progetto La durabilità è funzione dell ambiente in cui la struttura vive La durabilità si ottiene utilizzando materiali di ridotto degrado oppure dimensioni maggiorate della struttura o manutenzioni programmate (Relazione Generale) 3

4 La vita utile di progetto in anni Vita utile di progetto Tipologia strutturale 10 Strutture provvisorie >10 Comp. Sostituibili 50 Classe Classe 2 Classe 1: costruzioni per normali affollamenti, non ritenuti pericolosi per l ambiente, reti viarie e ferroviarie la cui interruzione non provoca situazioni di emergenza, periodo di ritorno di 500 anni per i fenomeni naturali Classe 2: costruzioni che prevedono affollamenti, pericolosi per l ambiente, reti viarie e ferroviarie la cui interruzione provoca situazioni di emergenza costruzioni pubbliche o strategiche importanti, periodo di ritorno di 1000 anni per i fenomeni naturali 4

5 Durabilità (Cap ) La durabilità è garantita quando si adottano provvedimenti atti a limitare gli effetti di degrado (attacco chimico-fisico, corrosione delle armature, cicli di gelo e disgelo) Il progettista deve valutare le condizioni ambientali del sito ove sorgerà la costruzione fissando le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare, copriferro e regole di maturazione Si introduce la prova di determinazione della profondità della penetrazione dell acqua nel calcestruzzo indurito Per la prestazione richiesta si potrà fare riferimento alle LLGG sul Calcestruzzo strutturale o alle UNI EN 206 e UNI

6 Produzione di Calcestruzzo Preconfezionato 2005 Resistenza Rck % Bassa Media Media Alta >

7 Quadro normativo di riferimento UNI EN E la versione italiana della norma europea EN 206 e sostituisce la UNI 9858:1991 UNI 11104:2004 Norma complementare alla UNI EN (precisa alcuni parametri in riferimento alla realtà italiana) E parte integrante per l applicazione in Italia della UNI EN

8 Le specifiche per il calcestruzzo Le nuove norme UNI EN 206 1:2001 e UNI 11104, come le Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale, indicano che i calcestruzzi devono essere specificati indicando i requisiti fondamentali: a) Classe di Resistenza minima in relazione alla classe di esposizione ambientale b) Classe d esposizione ambientale Rck min, max rapporto a/c, contenuto minimo di cemento c) Classe di consistenza d) Dimensione nominale massima degli aggregati 8

9 La durabilità Analisi ambientale Definizione delle resistenze caratteristiche minime Confronto con le resistenze statiche previste per le opere Prescrizione finale 9

10 La durabilità Dal calcolo statico..al calcolo della durabilità 10

11 Le classi di esposizione ambientali Le sigle individuano le diverse condizioni ambientali in cui si troverà la struttura C per ambienti soggetti a rischi di Carbonatazione D per ambienti soggetti a rischi di Attacco dei cloruri A ambienti aggressivi, derivanti da Sostanze chimiche S F per le strutture in..ambiente marino per strutture esposte ai Cicli di gelo e Disgelo 11

12 La durabilità Capacità del conglomerato cementizio di proteggere i ferri d armatura dai processi di corrosione innescati dall attacco degli agenti aggressivi presenti nell ambiente Elemento determinante per questa azione protettiva dell impasto è la sua permeabilità da cui dipende, insieme allo spessore del copriferro, la possibilità o meno di mantenere, intorno ai ferri di armatura un ambiente che prevenga la corrosione Capacità del conglomerato di proteggere la pasta cementizia dagli attacchi chimico-fisici apportati da ambienti aggressivi 12

13 La vita utile di esercizio t 0 t 1 K.Tuutti, Corrosion of steel in concrete, Swedish Foundation for Concrete Research, Stockholm,

14 Durabilità: Approccio Standard 14

15 PRESENZA DI DEGRADO Diffuso 75 % Localizzato 25 % Analisi condotta su 58 strutture civili e industriali ammalorate TIPO DI DEGRADO Crisi del copriferro 32 % Attacco alle armature 24 % Umidità anomala 24 % Dissesti 13 % Carbonatazione 6 % Progetto Ulisse

16 Alcune principali cause Concomitanza delle responsabilità Progetto statico corretto, ma non in termini di durabilità Sconosciuto il concetto di vita di servizio Calcestruzzo non conforme alla tipologia di degrado Scarsa attenzione alla qualità di posa, assoluta assenza di maturazione Particolari esecutivi Regimentazione delle acque meteoriche Copriferro Mancanza di monitoraggio e interventi preventivi di manutenzione Progetto Ulisse

17 Importanza della manutenzione preventiva Progetto Ulisse

18 Le cause del degrado l attacco dell anidride carbonica l attacco dei cloruri l attacco dell acqua di mare l attacco chimico i cicli di gelo e disgelo Posa e maturazione fessurazioni indotte da ritiro 18

19 L analisi ambientale Le strutture sono a contatto con: ARIA LIQUIDI CO 2, SO 2, NO x Cl -, SO 4 --, NH 4 +,CO 2, acidi TERRENO SO 4 --, acidità ACQUA DI MARE Cl -, SO 4 --, Mg ++ 19

20 I meccanismi di trasporto NON DURABILE DURABILE Gli agenti aggressivi penetrano nel calcestruzzo di bassa qualità 20

21 L attacco dell anidride carbonica Carbonatazione del cls: la CO 2 presente nell aria neutralizza l idrossido di Ca, riducendo il ph del cls diminuendo la protezione delle armature contro la corrosione 21

22 L attacco dell anidride carbonica Diagrammi tratti da IL NUOVO CALCESTRUZZO Terza Edizione, M. Collepardi 22

23 L attacco dei cloruri C C Cl - O 2 H 2 O = D t 2 x MATRICE CEMENTIZIA H 2 O OH - OH - H + +Fe(OH) 2 +Cl - 2 O 2 +H 2 O catodo FeCl 2 anodo 2e- Film di ossido di ferro (passivato) Ferro d armatura 23

24 L attacco dell acqua di mare L acqua di mare contiene un insieme di sali, tutti aggressivi nei riguardi del calcestruzzo L ammaloramento è la sommatoria di tanti degradi, ciascuno causato dalla presenza dei singoli ioni sopra citati Le strutture esposte all acqua di mare sono soggette a diversi tipi di degrado: attacco dei cloruri, attacco dei solfati, azione meccanica esercitata delle onde e conseguente azione del bagnasciuga 24

25 ACQUA DI MARE 25

26 L attacco chimico Per attacco chimico si intende la pericolosità che può venire da agenti aggressivi nei riguardi della pasta cementizia Prima delle prescrizioni di capitolato deve essere sempre : effettuata l analisi chimica dell acqua e/o del terreno a contatto con il calcestruzzo, Scelto il relativo grado di attacco scelta la relativa classe di esposizione. 26

27 L attacco dei solfati I solfati sono dei sali particolarmente aggressivi che si possono trovare, oltre che nell acqua di mare, nei terreni e nelle acque industriali. Se vengono a contatto con la superficie del calcestruzzo, lo ione solfato reagisce con la pasta cementizia producendo prodotti espansivi, che generano in superficie microfessurazioni diffuse 27

28 I cicli di gelo e disgelo I cicli di gelo e disgelo esercitano, sulla pasta cementizia, delle sollecitazioni fisiche che portano ad un progressivo degrado del calcestruzzo. Se la struttura viene sottoposta a ripetuti cicli di gelo e disgelo, l aumento di volume dell acqua allo stato solido esercita una forte azione meccanica sulla pasta cementizia e, di conseguenza, provoca un progressivo deterioramento, che si evidenzia con uno sbriciolamento del calcestruzzo in superficie. 28

29 Il meccanismo di protezione ARIA n. bolle d aria: 3 5x10 9 per mc di calcestruzzo BOLLA D ARIA IDROGEL DI CEMENTO Ghiaccio Acqua

30 Le variazioni termiche per effetto del calore di idratazione La reazione di idratazione delle paste cementizie porta ad innalzare la temperatura del calcestruzzo che tenderà ad aumentare il proprio volume (specie nel nocciolo della struttura) La differenza tra la temperatura registrata all interno delle strutture e la temperatura esterna provoca una sollecitazione meccanica quando la differenza supera i C. Se la differenza delle temperature è superiore, il calcestruzzo, che si espande, subisce delle tensioni imposte dai vincoli interni, armatura, e da vincoli esterni, come per esempio una platea di fondazione già gettata 30

31 L andamento delle temperature Linee di uguale temperatura Distribuzione della temperatura dovuta al calore di idratazione Il nuovo calcestruzzo, M. Collepardi, Edizione Il tintoretto Sezione mediana 31

32 Le fessurazioni da Delta Termico Tipologia delle fessurazioni 32

33 L andamento delle temperature in opera RILIEVO TEMPERATURE PILA n 24 CALCESTRUZZO PRODOTTO CON CEM II/A-L 32.5 R TEMPERATURA ( C) cm 30 cm 15 cm 4 cm AMBIENTE TEMPO (ore) 33

34 La classe di esposizione XC Corrosione indotta da carbonatazione Linee Guida sul Calcestruzzo Strutturale, UNI EN e UNI indicano anche le possibili applicazioni in relazione all ambiente 34

35 La classe di esposizione XD Corrosione indotta da cloruri esclusi quelli provenienti da acqua di mare Le strutture possono essere piscine, serbatoi di acqua, parti interne di edifici industriali dell industria del cloro e derivati, ponti, solette, interessati ai sali disgelanti (a base cloruro) non alla presenza di cicli di gelo e disgelo, ecc. 35

36 La classe di esposizione XS Corrosione indotta da cloruri provenienti da acqua di mare L ultima, è la più severa e le Linee Guida suggeriscono un rapporto a/c massimo di 0,4 I calcestruzzi dovranno essere caratterizzati da un basso rapporto a/c, dall impiego di un cemento a basso valore di alluminato tricalcico, così come viene prescritto dalla UNI

37 L attacco chimico Prima delle prescrizioni di capitolato deve essere sempre effettuata l analisi chimica dell acqua e del terreno a contatto con il calcestruzzo, per stabilire la concentrazione ionica degli agenti aggressivi, il relativo grado di attacco e quindi definire la relativa classe di esposizione. 37

38 L attacco chimico Agenti aggressivi e grado di attacco secondo la UNI EN

39 La classe di esposizione XA La classe di esposizione XA riguardano tutte quelle strutture che vengono a contatto con agenti chimici aggressivi Tali agenti sono presenti nelle acque o nei terreni. E pertanto indispensabile analizzare il materiale che verrà a contatto con la struttura 39

40 I requisiti minimi per garantire la durabilità nelle diverse condizioni ambientali per una vita di servizio di anni 40

41 Le differenze con la UNI 9858 Diversa la classificazione delle classi ambientali Prescrizioni più complete per ogni classe di esposizione La UNI e Linee Guida prevedono ora la contemporaneità di: Rck minimo Rapporto a/c massimo Contenuto minimo di cemento Resistenza media di qualifica N/mm 2 70,0 65,0 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 y = 123,81e -2,5053x y = 165,71e -2,8197x 0,0 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 A/C 41

42 Le precauzioni per getti massivi Considerare lo spessore del getto: Lo spessore critico può partire da cm Calcolare lo sviluppo del calore e quindi la temperatura massima del calcestruzzo prevista in opera La temperatura dipende dalla miscela impiegata Proteggere la struttura sia nella fase di riscaldamento che di raffreddamento Tempi e modalità dipendono: Dal tipo di struttura Dal tipo di cassaforma 42

43 La stagionatura: un esempio 43

44 I rilevamenti delle T nel pulvino ponte Po PULVINO VP07 Temperatura in C ore Corticale orizz. Corticale lat. Nocciolo Ambiente 44

45 Come deve essere prescritto un calcestruzzo durevole La classe di esposizione ambientale, che identificherà i requisiti minimi che devono essere rispettati nella formulazione delle miscele La resistenza caratteristica per soddisfare le esigenze statiche, il cui valore dovrà essere superiore ai valori minimi indicati per le diverse classi di esposizione, La classe di consistenza del calcestruzzo, che agevola le operazioni di posa e consente di contenere i rischi presenti in cantiere nella fase di realizzazione della struttura Il diametro massimo degli aggregati, conforme all ingombro delle armature per evitare disomogeneità del calcestruzzo nella struttura 45

46 Il progetto della struttura Gli errori più frequenti che incidono sulla durabilità: Insufficiente Rck in relazione alle C. di E. Rck non conforme ai rapporti a/c, quando prescritti Indicazione di Rck e dosaggio relativo Spessore del copriferro errato o non rispettato Diametro massimo degli aggregati Inadeguata classe di consistenza del calcestruzzo per la tipologia della struttura da realizzare Mancanza di prescrizioni idonee per la stagionatura delle opere 46

47 La realizzazione della struttura Il calcestruzzo da impiegare in classi di esposizione diverse da X0 o XC1 sarà sottoposto a stagionatura finché la resistenza superficiale abbia raggiunto almeno il 50% della resistenza a compressione specificata. 47

48 La stagionatura 48

49 La stagionatura I metodi di stagionatura da impiegarsi separatamente o in sequenza sono i seguenti: mantenere la cassaforma in posizione; coprire la superficie del calcestruzzo con teloni impermeabili al vapore assicurandoli alle estremità e sui giunti per evitare correnti d aria; posizionare coperture umide sulla superficie e proteggerle dall essiccazione; mantenere la superficie del calcestruzzo visibilmente umida con una quantità adeguata di acqua; applicare un antievaporante di idoneità comprovata. 49

50 Tempi di stagionatura Classe di resistenza del calcestruzzo Esposizione della struttura Periodo di esecuzione dei getti C25/30 > C25/30 Interno Esterno Interno Esterno Aprile-Settembre Aprile-Settembre Ottobre-Marzo Ottobre-Marzo

51 Correlazione consistenza gc Consistenza Classe di consistenza Grado di compattazione Plastica S ,90-0,93 Semi fluida S ,93-0,95 Fuida S ,95-0,97 Super-fluida S5 > 220 0,97-0,98 Auto-compattante SCC 0,98-1,00 51

52 Tempo di vibrazione e g c Diagrammi tratti da IL NUOVO CALCESTRUZZO Terza Edizione, M. Collepardi 52

53 Il progetto di una struttura durevole Salto culturale DAL CALCOLO STATICO AL CALCOLO SECONDO I PRINCIPI DELLA DURABILITA 53

54 we should not try for the very best concrete but rather make concrete that is good for the specific purpose for which it is intended. Adam Neville 54