DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO - MECCANISMI DI TRASPORTO -

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTÀ DI INGEGNERIA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO - MECCANISMI DI TRASPORTO - Prof. Ing. Luigi Coppola

2 CAUSE DI DISSESTO E DEGRADO DELLE STRUTTURE IN CONGLOMERATO CEMENTIZIO ARMATO E PRECOMPRESSO AMBIENTE SISMA ERRORI PROGETTUALI ERRATA SCELTA DEGLI INGREDIENTI DIFETTI DI COSTRUZIONE CAUSE INTERNE

3 TIPI E CAUSE DI DEGRADO DEGRADO ENDOGENO CAUSA SCATENANTE NEL MATERIALE DI CUI È COMPOSTA LA STRUTTURA DEGRADO ESOGENO ALTERAZIONI A SEGUITO DI AGENTI ESTERNI ALLA STRUTTURA

4 CAUSE DI DEGRADO DEL CALCESTRUZZO E DELLE ARMATURE INTERNE ESTERNE (ambientali) SCELTA NON CORRETTA DEGLI INGREDIENTI: Acqua, Aggregati, Additivi e Aggiunte FLUIDI AGGRESSIVI Gli ingredienti del calcestruzzo contengono sostanze indesiderabili cioè incompatibili con le armature o con la stessa matrice cementizia Esplicano la loro azione nei confronti del calcestruzzo e delle armature essendo presenti nell ambiente in cui la struttura è situata.

5 CAUSE Il degrado del calcestruzzo e delle armature può essere ricondotto sostanzialmente a due cause principali: CHIMICHE ED ELETTRO-CHIMICHE che implicano, cioè, reazioni chimiche e processi elettrochimici tra i fluidi aggressivi provenienti dall ambiente esterno e, rispettivamente, gli ingredienti o i prodotti di idratazione del cemento e le barre di armatura; FISICHE, determinate dalle variazioni di temperatura del calcestruzzo e/o dell ambiente esterno, dai gradienti di umidità relativa oppure derivanti dai carichi statici e dinamici agenti sulla struttura, dai carichi impulsivi, da quelli ciclici e dalle azioni abrasive.

6 DEGRADO DEL CALCESTRUZZO E DELLE ARMATURE CAUSE CHIMICHE - ELETTROCHIMICHE CAUSE FISICHE ENDOGENE ESOGENE ENDOGENE ESOGENE SOLFATI CARBONATAZIONE ΔT INTERNE (GETTI MASSIVI) ΔT ESTERNE (GELO - DISGELO) SILICE-ALCALI ACIDO CARBONICO INCENDIO CARBONATO- ALCALI CLORURI RITIRO CLORURI SOLFATI URTI SOLFURI SOSTANZE DI PROVENIENZA INDUSTRIALE SALI DISGELANTI EROSIONE CAVITAZIONE ABRASIONE FATICA

7 AZIONE AGGRESSIVA SUPERFICIALE INTERNA MARGINALE DISTRUTTIVA TRASCURABILE

8 AZIONE AGGRESSIVA / PENETRAZIONE AZIONE AGGRESSIVA FACILITÀ DI PENETRARE E MUOVERSI ALL INTERNO DEL CONGLOMERATO CEMENTIZIO

9 POROSITÀ E PENETRABILITÀ POROSITÀ TOTALE DEL CLS MECCANISMI DI PENETRAZIONE NEL CLS DISTRIBUZIONE DIMENSIONALE PORI INTERCONNESSIONE TRA I PORI

10 MECCANISMI DI PENETRAZIONE Sono TRE i meccanismi che determinano la penetrazione dei fluidi aggressivi nel calcestruzzo ed ognuno è associato ad una diversa forza motrice : 1. la PERMEAZIONE è il meccanismo per il quale la penetrazione del fluido aggressivo è determinato da un gradiente di pressione; 2. la DIFFUSIONE in cui l ingresso nel mezzo poroso è governato da un gradiente di concentrazione; 3. l ASSORBIMENTO O SUZIONE CAPILLARE generato dalle forze di adesione superficiale per affinità di un liquido, e dell acqua in particolare, con le superfici di un solido (del calcestruzzo per i nostri scopi).

11 PENETRABILITÁ PERMEABILITÁ MOVIMENTO GENERATO DA UN GRADIENTE DI PRESSIONE DIFFUSIONE MOVIMENTO (gas, ione, etc.) GENERATO DA UN GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE ASSORBIMENTO O SUZIONE CAPILLARE GENERATO DA FORZE DI ADESIONE SUPERFICIALE PER AFFINITÀ DI UN LIQUIDO CON LE SUPERFICI DI UN SOLIDO

12 ZONA (1) : il meccanismo di trasporto è legato sia alla pressione esercitata dall acqua che alla presenza di sostanze in forma ionica in essa disciolta: permeazione + diffusione di sostanze in forma ionica ZONA (2) : assorbimento di acqua per suzione capillare e diffusione in forma ionica. ZONA (3) : diffusione dei gas (CO 2, O 2 ) presenti nell atmosfera. N.B. La diffusione dei gas in ZONA(1) è ingegneristicamente non significativa. Allo stesso modo la diffusione non è significativa nelle porzioni di struttura a contatto con il terreno in assenza di acque di falda (ZONA (4)). In presenza di acqua nel terreno i meccanismi di trasporto sono identici a quelli della ZONA (1)

13 PERMEABILITÁ La PERMEAZIONE è il meccanismo di trasporto di un fluido in un mezzo poroso generato da gradienti di pressione. Il movimento all interno della matrice cementizia, alla luce della ridotta dimensione dei pori, avviene con velocità così bassa da poterlo ritenere laminare.

14 LEGGE DI DARCY dq dt 1 A = K dh l dq/dt = flusso di acqua [m 3 /s]; A = area della sezione del provino di calcestruzzo perpendicolare al flusso di acqua [m 2 ]; l = lunghezza del provino di calcestruzzo DISTANZA TRA LE DUE FACCE A DIFFERENZA DI PRESSIONE dh [m]; dh = gradiente di pressione in metri di colonna d acqua [m]; K = permeabilità all acqua del materiale [m /s ].

15 ACQUA IN PRESSIONE PERMEABILITÁ A: AREA SEZIONE PERPENDICOLARE AL FLUSSO DI ACQUA SEZ A - A dq dt 1 A = K dh l K = permeabilità dq/dt = flusso di acqua in m 3 /s A = area sezione in m 2 l = lunghezza del provino in m dh = differenza di pressione in metri di colonna d acqua tra le due facce a distanza l

16 STRUTTURE A TENUTA IDRAULICA STRUTTURE INTERRATE (MURI VERTICALI E PLATEE DI FONDAZIONE); PISCINE NATATORIE; VASCHE PER ACQUA POTABILE; CANALI DI IRRIGAZIONE; K < m/s p H2O < 20 mm a /c < 0.55 VASCHE DI SEDIMENTAZIONE IN IMPIANTI DI DEPURAZIONE; VASCHE CONTENENTI LIQUIDI E SOSTANZE INQUINANTI; MURI PERIMETRALI DI BACINI DI CARENAGGIO; VASCHE DI IMPIANTI DI RAFFREDDAMENTO TIPO SPIG; K < m/s p H2O < 10 mm a /c < 0.50

17 COEFFICIENTE DI PERMEABILITÀ Il coefficiente di permeabilità rappresenta la velocità con cui l acqua può muoversi in un calcestruzzo poroso allorquando, superata la fase transitoria, il materiale, a regime, si presenta con le porosità capillari completamente sature di acqua.

18 PERMEABILITÁ E POROSITÁ CAPILLARE La permeabilità della pasta di cemento, in particolare, è influenzata sia dal volume di pori che dalla loro dimensione. Relativamente a questo aspetto le porosità rappresentate dagli spazi interstratici tra i prodotti di idratazione, per la ridotta dimensione (diametro medio pari a 40 nm), sono caratterizzate da un coefficiente di permeabilità di circa m/s. Per contro, nei pori capillari, per la maggiore dimensione che li contraddistingue, la velocità con cui l acqua può muoversi è circa 3-6 ordini di grandezza più elevata. Ne consegue che la permeabilità di una pasta di cemento è sostanzialmente governata dalla porosità capillare e, quindi, dipende dagli stessi parametri che influenzano sia il volume totale dei pori capillari che la loro distribuzione dimensionale.

19 VOLUME PORI TOTALE Ad un AUMENTO DEL VOLUME TOTALE DEI PORI CAPILLARI corrisponde: un incremento della probabilità che i pori siano connessi reciprocamente contribuendo in maniera determinante al flusso di acqua attraverso la matrice cementizia; un aumento del diametro dei pori più abbondanti (ad esempio, passando da un rapporto a/c di 0.40 ad uno di 0.65 il volume dei pori di diametro maggiore di 0.2 micrometri aumenta da 5 a 35 litri) maggiore coefficiente di permeabilità della pasta di cemento.

20 Variazione della distribuzione dimensionale dei pori in funzione della durata della stagionatura umida alla temperatura di 21 C. 50 STAGIONATURA: 1g Volume dei pori (%) gg 28g 6 mesi 1 anno ,1 0,01 0,001 Diametro dei pori (mm)

21 Coefficiente di permeabilità di una pasta di cemento con rapporto a/c = 0.65 in funzione della durata della maturazione umida. Età Coefficiente di permeabilità, K (m/s) 6 ore giorni giorni giorni giorni giorni

22 IMPORTANTE PERMEABILITÁ FISSATO a/c PASTA DI CEMENTO CALCESTRUZZO per la presenza di difetti e di microfessurazioni all interfaccia pasta-aggregato.

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24 Distribuzione dimensionale dei pori di paste di cemento Portland e di paste confezionate con cenere volante e/o fumo di silice maturate per 28 giorni. 100 Volume dei pori (cm 3 /g) 10 1 CLS (D max =32 mm) CLS (D max =25 mm) BETONCINO (D max =12.7 mm) MALTA (D max =4 mm) PASTA DI CEMENTO 0,1 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Diametro dei pori (mm)

25 STRUTTURE A TENUTA IDRAULICA STRUTTURE INTERRATE (MURI VERTICALI E PLATEE DI FONDAZIONE); PISCINE NATATORIE; VASCHE PER ACQUA POTABILE; CANALI DI IRRIGAZIONE; K < m/s p H2O < 20 mm a /c < 0.55 VASCHE DI SEDIMENTAZIONE IN IMPIANTI DI DEPURAZIONE; VASCHE CONTENENTI LIQUIDI E SOSTANZE INQUINANTI; MURI PERIMETRALI DI BACINI DI CARENAGGIO; VASCHE DI IMPIANTI DI RAFFREDDAMENTO TIPO SPIG; K < m/s p H2O < 10 mm a /c < 0.50

26 IMPOSSIBILITÁ La prova di permeabilità per la determinazione del coefficiente K non è sempre conducibile. Infatti, nei calcestruzzi di bassa porosità, con rapporto inferiore a 0.50, pur instaurando tra le facce del provino delle differenze di pressione (ΔH) molto alte (ad esempio, 20 atm pari a 20 m di colonna d acqua), non si riesce a permeare l intera lunghezza del provino e, quindi, non essendo possibile misurare il flusso di acqua sulla faccia opposta a quella dove l acqua è in pressione non si può determinare K.

27 ACQUA IN PRESSIONE PERMEABILITÁ A: AREA SEZIONE PERPENDICOLARE AL FLUSSO DI ACQUA SEZ A - A dq dt 1 A = K dh l K = permeabilità dq/dt = flusso di acqua in m 3 /s A = area sezione in m 2 l = lunghezza del provino in m dh = differenza di pressione in metri di colonna d acqua tra le due facce a distanza l

28 NORMA EN La norma EN , suggeriscono di valutare l impermeabilità del calcestruzzo assoggettando una faccia di un provino ad un flusso di acqua in pressione (500 kpa) per 72 ore, al termine delle quali misurare lo spessore di calcestruzzo penetrato dall acqua sulle facce ottenute per rottura del provino parallelamente al flusso di acqua.

29 STRUTTURE A TENUTA IDRAULICA STRUTTURE INTERRATE (MURI VERTICALI E PLATEE DI FONDAZIONE); PISCINE NATATORIE; VASCHE PER ACQUA POTABILE; CANALI DI IRRIGAZIONE; K < m/s p H2O < 20 mm a /c < 0.55 VASCHE DI SEDIMENTAZIONE IN IMPIANTI DI DEPURAZIONE; VASCHE CONTENENTI LIQUIDI E SOSTANZE INQUINANTI; MURI PERIMETRALI DI BACINI DI CARENAGGIO; VASCHE DI IMPIANTI DI RAFFREDDAMENTO TIPO SPIG; K < m/s p H2O < 10 mm a /c < 0.50

30 IMPERMEABILITÀ Requisito di impermeabilità STRUTTURE CHE DEBBONO GARANTIRE UNA TENUTA IDRAULICA, DOVE UNA PERDITA DI ACQUA DETERMINA SERI INCONVENIENTI PER LA FUNZIONALITÀ DELLA STESSA O DEGLI AMBIENTI AD ESSA ADIACENTI. FONDAZIONI E DEI MURI PERIMETRALI IN UNA STRUTTURA INTERRATA (vani cantinati, parcheggi interrati, etc.) dove una eccessiva permeabilità del calcestruzzo potrebbe favorire l ingresso dell acqua presente nel terreno (difetti nelle opere di raccolta e istradamento dell acqua piovana oppure presenza di falde sotterranee) nei vani cantinati con grave pregiudizio per l utilizzo degli ambienti interni.

31 PISCINE - ACQUEDOTTI Il problema riguarda anche: 1. le piscine natatorie; 2. le vasche che contengono acqua potabile (acquedotti) o acque reflue (come accade nelle torri di raffreddamento tipo Spig o nelle vasche di sedimentazione degli impianti di depurazione); 3. bacini di carenaggio per la costruzione e la manutenzione delle navi laddove la permeazione dell acqua attraverso le murature perimetrali può causare seri inconvenienti nei locali macchine posti a tergo di queste strutture.

32 PRESCRIZIONI Per queste tipologie di opere si può conseguire il requisito di impermeabilità senza necessariamente dover ricorrere all impiego di rivestimenti protettivi impermeabili a base di membrane bituminose o di malte cementizie modificate con lattici purché si osservino le seguenti PRESCRIZIONI: impiego di calcestruzzi con rapporto a/c inferiori, a seconda del tipo di struttura, a 0.55 o 0.50 che evidenzino una penetrazione di acqua determinata con la procedura stabilita dalla norma EN non superiore rispettivamente a 20 mm e 10 mm

33 Valori massimi della penetrazione d acqua (UNI EN ) da inserire nella prescrizione di capitolato in base al rapporto (a/c) DEF. (a/c) DEF p H2O [mm] (UNI EN )

34 POSA IN OPERA Posa in opera del conglomerato e compattazione dei getti eseguita con perfetta cura per evitare che si manifestino fenomeni di segregazione esterna (con formazione di vespai e nidi di ghiaia) e che rimangano percentuali eccessive di aria intrappolata nell impasto. Relativamente a questo aspetto si fa notare come la presenza dei nidi di ghiaia rappresenti un fenomeno deleterio per la permeabilità di calcestruzzo che in queste zone, per la carenza di pasta di cemento e l eccesso di aggregato grosso, assume valori di permeabilità tipici delle terre non coesive (K = 10-3 m/s) che possono risultare fino a 6-10 ordini di grandezza maggiori di quelle di un calcestruzzo ben compattato

35 MATURAZIONE UMIDA Maturazione umida dei getti per almeno 7 giorni. Questa prescrizione equivale a mantenere le strutture casserate o a proteggerle subito dopo la rimozione dei casseri con teli di iuta bagnati giornalmente;

36 WATER-STOP Accurata esecuzione delle riprese di getto in corrispondenza dell attacco fondazione/muri perimetrali. In questi punti singolari, infatti, è elevato il rischio che si formi una soluzione di continuità ( giunto freddo ) che costituisce una via preferenziale di fuga per l acqua. Nella pratica il problema si risolve fissando, mediante chiodi, viti oppure con un adesivo, sull estradosso della superficie della fondazione, un profilo di materiale espansivo(in forma di nastri di dimensioni all incirca di mm x mm x alcuni metri) predisposto a seguire lo sviluppo della muratura perimetrale e in modo che risulti equidistante dalle facce esterne del manufatto. Il profilo (individuato anche con il termine commerciale waterstop ) ha capacità di espandere in presenza di acqua di circa il %.

37 WATER-STOP PIANTA Disposizione del profilo espansivo A Ripresa di getto (giunto "freddo"): possibile infiltrazione o perdita di acqua SEZIONE A-A Fondazione A Muro Fondazione DETTAGLIO COSTRUTTIVO Profilo Espansivo Armature Fondazione Ripresa di getto

38 A. B. C. PROTEZIONE IN GOMMA. Durante l'iniezione della resina organica si solleva permettendo la fuoriuscita del sistema impermeabilizzante MICROFORI SCHELETRO RIGIDO

39 DIFFUSIONE Il trasporto delle sostanze aggressive nel calcestruzzo può essere determinato da una DIFFERENZA DI CONCENTRAZIONE DEL FLUIDO DIFFONDENTE esistente tra due facce opposte di una determinata struttura. In questo caso, il meccanismo di trasporto prende il nome di processo di diffusione ed è governato dalla PRIMA LEGGE DI DIFFUSIONE DI FICK: dm = D A c 2 c 1 dt x dm = incremento di massa della sostanza diffondente (in Kg); A = area della sezione ortogonale al flusso della sostanza diffondente (in m 2 ); c 1 = concentrazione della sostanza diffondente sulla superficie esterna della struttura in calcestruzzo (in Kg/m 3 ); c 2 = concentrazione della sostanza diffondente nel calcestruzzo (in Kg/m 3 ) ad una distanza x (in m) dall esterno che rappresenta il fronte di avanzamento della sostanza stessa; dt = intervallo di tempo (in s) in cui si è registrato l incremento di massa dm; D = coefficiente di diffusione della sostanza diffondente (in m 2 /s).

40 COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE dm dt 1 dc = D A x D = kg m 2 s = D kg m 4 = m2 s

41 DIFFUSIONE E CONCENTRAZIONE dc (supposto che inizialmente nel calcestruzzo ad una distanza x dalla superficie la concentrazione della sostanza diffondente sia nulla, dc rappresenta la concentrazione della sostanza diffondente nell ambiente a contatto con la superficie della struttura) dm/dt

42 DIFFUSIONE D - coefficiente di diffusione dm/dt

43 Il valore di D è influenzato da: FATTORI POROSITÀ DELLA MATRICE CEMENTIZIA qualità della ZONA DI TRANSIZIONE NATURA DELLA SPECIE DIFFONDENTE prodotti di idratazione del cemento (e, quindi, dipende dal TIPO DI CEMENTO utilizzato) in quanto capaci di legare alcune delle sostanze diffondenti TEMPERATURA a cui avviene il processo; GRADO DI SATURAZIONE DEI PORI CAPILLARI della matrice cementizia

44 GAS Diffusione in acqua è circa 4 ordini di grandezza inferiore a quella che avviene in aria. DIFFUSIONE ACQUA DIFFUSIONE ARIA IONI La diffusione può avvenire solo in acqua e, pertanto, essa risulta più efficace all aumentare del grado di saturazione dei pori capillari del cls

45 DIFFUSIONE DEI GAS NELLE STRUTTURE IDRAULICHE I processi di diffusione dell anidride carbonica gassosa e dell ossigeno in: 1. strutture idrauliche o marine permanentemente immerse; 2. strutture interrate caratterizzate da un grado elevato di saturazione non sono significativi da un punto di vista ingegneristico

46 DIFFUSIONE IN FORMA IONICA La DIFFUSIONE DI SOSTANZE IN FORMA IONICA sebbene avvenga anche in calcestruzzi con un basso grado di saturazione, procede con MAGGIORE VELOCITÀ IN CALCESTRUZZI SATURI DI ACQUA e, quindi, risulta particolarmente significativa in strutture idrauliche, in quelle marine permanentemente immerse, in quelle orizzontali sottoposte al trattamento con sali disgelanti, nelle strutture interrate (sia completamente come avviene, ad esempio, per un palo di fondazione, che parzialmente, come nel caso dei rivestimenti in calcestruzzo di gallerie) a contatto con falde acquifere.

47 STRUTTURE AEREE PROCESSI DI DIFFUSIONE OSSIGENO ANIDRIDE CARBONICA IN FORMA GASSOSA CORROSIONE DELLE BARRE DI ARMATURA

48 STRUTTURE IDRAULICHE PROCESSI DI DIFFUSIONE ACIDO CARBONICO DISCIOLTO IN ACQUA /SOLFATI CLORURO strutture marine e in quelle sottoposte al trattamento con sali disgelanti (strade, piste aeroportuali, piazzali, etc.) CORROSIONE DELLE BARRE DI ARMATURA DEGRADO DEL CALCESTRUZZO

49 STRUTTURE INTERRATE PROCESSI DI DIFFUSIONE SOLFATI PRESENTI IN TERRENI E/O NELLE ACQUE DI FALDA DEGRADO DEL CALCESTRUZZO

50 TIPOLOGIA DI STRUTTURA STRUTTURE AEREE IN CLIMI TEMPERATI STRUTTURE AEREE IN CLIMI CONTINENTALI RIGIDI STRUTTURE INTERRATE STRUTTURE PARZIALMENTE INTERRATE ESEMPI Edifici, ponti e viadotti Edifici, ponti e viadotti Fondazioni Gallerie, muri di sostegno, vasche, muri perimetrali scantinati FLUIDI AGGRESSIVI E DEGRADO DEI MATERIALI CO 2, O 2, H 2 O Corrosione armature CO 2, O 2, H 2 O Corrosione armature Degrado del cls per DELTA T H 2 O, SO 4 = Degrado cls per SO 4 = CO 2, O 2, H 2 O, SO 4 = Corrosione (CO 2 ) Degrado cls per SO 4 = STRUTTURE SOTTOPOSTE AL TRAFFICO VEICOLARE IN CLIMI CONTINENTALI RIGIDI STRUTTURE IN ZONE MARINE STRUTTURE IDRAULICHE Piazzali esterni, strade in cls, ponti e viadotti, piste aereoportuali Banchine, moli, edifici residenziali e infrastrutture Canali, briglie, vasche, acquedotti CO 2, O 2, H 2 O, Cl - Corrosione (CO 2 + Cl - ) Degrado cls per sali Degrado cls per DT CO 2, O 2, H 2 O, Cl -, SO 4 = Corrosione (CO 2 + Cl - ) Degrado cls per SO 4 = H 2 CO 3-, H 2 O Degrado cls per H 2 CO - 3

51 ASSORBIMENTO Una struttura in calcestruzzo asciutta o parzialmente satura è in grado di assorbire di acqua. Il volume di acqua assorbito è funzione del volume di pori capillari non occupato dall acqua. Pertanto, l assorbimento è funzione de: 1.la qualità del calcestruzzo; 2.Il grado di saturazione dei pori capillari. Ad esempio, un calcestruzzo con rapporto a/c di 0.70 e con grado di saturazione prossimo ad 1 evidenzierebbe un assorbimento d acqua inferiore ad un calcestruzzo con rapporto a/c di 0.40 (con un volume di pori capillari molto più basso) che presentasse un grado di saturazione prossimo a 0 (asciutto)