DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO LA CARBONATAZIONE E LA CORROSIONE DEI FERRI DI ARMATURA

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTA DI INGEGNERIA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO LA CARBONATAZIONE E LA CORROSIONE DEI FERRI DI ARMATURA Prof. Ing. Luigi Coppola

2 CLASSI D ESPOSIZIONE AMBIENTALE classe ambiente/agenti di degrado X0 assenza di rischio di corrosione delle armature o di attacco del cls XC corrosione delle armature indotta da carbonatazione XD corrosione delle armature indotta da cloruri esclusi quelli provenienti dall acqua di mare XS corrosione da cloruri presenti nell acqua di mare XF degrado del cls provocato da cicli di gelo/disgelo con o senza sali disgelanti XA attacco chimico del calcestruzzo

3 ANIDRIDE CARBONICA DISCIOLTA IN ACQUA GAS STRUTTURE IDRAULICHE STRUTTURE AEREE NO strutture interrate NO strutture idrauliche DEGRADO conglomerato cementizio DEGRADO ferro d armatura successivamente il cls

4 CONCENTRAZIONE L aria è costituita prevalentemente da ossigeno ed anidride carbonica. La concentrazione di CO 2 nell aria è fondamentalmente influenzata dai processi di combustione dei carburanti di origine fossile e da una generale riduzione della vegetazione che interessa ormai indistintamente tutte le aree del pianeta. La concentrazione media di CO 2 nell aria è compresa tra 350 e 380 ppm ( % che equivale a Kg CO 2 /m 3 )

5 CO 2 GASSOSA: CARBONATAZIONE CO 2 in forma gassosa nell aria CONCENTRAZIONE CO 2 (in volume) LUOGHI 0.035% 0.038% AMBIENTI RURALI 0.1% AMBIENTI CHIUSI % CENTRI URBANI E ATMOSFERE DI AMBIENTI INQUINATI: Tunnel; Silos grano; Cantine vinicole (fermentazione)

6 AZIONE NEI CONFRONTI DEL CALCESTRUZZO L anidride carbonica gassosa è inerte nei confronti delle strutture in calcestruzzo, ma in presenza di umidità può reagire con i prodotti dell idratazione del cemento. Alcuni ricercatori hanno evidenziato che l anidride carbonica è in grado di combinarsi con tutti i prodotti di idratazione del cemento in quanto la pressione di equilibrio delle reazioni che coinvolgono la CO 2 sono più basse delle pressione della CO 2 atmosferica

7 CARBONATAZIONE/NEUTRALIZZAZIONE L interazione più importante della CO 2 con i costituenti della pasta di cemento è quella che coinvolge L IDROSSIDO DI CALCIO proveniente dall idratazione dei silicati del clinker di cemento Portland:

8 EFFETTI AUMENTO DEL VOLUME A SEGUITO DELLA FORMAZIONE DI CARBONATO DI CALCIO POROSITÁ CARBONATAZIONE PRESTAZIONI MECCANICHE

9 EFFETTI RIDUZIONE DELLA BASICITA DELLA FASE ACQUOSA PRESENTE NEI PORI CAPILLARI DELLA MATRICE CEMENTIZIA ph CARBONATAZIONE

10 RIDUZIONE ph Tuttavia, il fenomeno più interessante, dal punto di vista della durabilità, connesso con l ingresso della CO 2 nel calcestruzzo è legato alla diminuzione del ph della soluzione acquosa presente nei pori capillari della matrice cementizia

11 EFFETTI RIDUZIONE DELLA BASICITA DELLA FASE ACQUOSA PRESENTE NEI PORI CAPILLARI DELLA MATRICE CEMENTIZIA NO CARBONATAZIONE ph= SI CARBONATAZIONE ph=

12 ph della fase acquosa dei pori capillari di paste confezionate con diversi tipi di cemento e di aggiunte minerali ad attività pozzolanica. Tipo di cemento ph Tipo di cemento ph Portland (tipo I) Altoforno (tipo III/A) Pozzolanico (tipo IV/A) Portland (tipo I) Portland + 10% fumo di silice Portland + 20% fumo di silice Portland + 10% fly ash Portland + 20% fly ash

13 RIDUZIONE ALCALINITÁ DIFFUSIONE della CO 2 nella matrice cementizia NEUTRALIZZAZIONE DELLA CALCE 1. ph della fase acquosa < 11.5; 2. ph della fase acquosa 8.3. oltre alla calce di idrolisi nel processo sono coinvolti anche gli idrossidi alcalini (sodio e potassio) presenti nella fase acquosa dei pori capillari che, neutralizzati dall ingresso della CO 2, aumenterebbero la solubilità della calce di idrolisi; si mette in evidenza come gli alcali riducano la diminuzione del ph che in loro assenza risulterebbe molto più marcata.

14 PREMESSE PER LA CORROSIONE RIDUZIONE DEL PH CREA LE PREMESSE per la corrosione delle barre di armatura purché in prossimità dell interfaccia acciaiocalcestruzzo ci sia sufficiente OSSIGENO ed ACQUA per alimentare il processo.

15 PASSIVITÁ In assenza di macrodifetti legati ad errori nella posa in opera e nella compattazione dei getti (vespai e nidi di ghiaia), di fessurazioni dovute a fenomeni termoigrometrici o di carattere strutturale e in assenza di CO 2 l acciaio d armatura nelle strutture aeree (GRAZIE ALL ELEVATO ph) è caratterizzato da condizioni di passività contraddistinte da velocità di corrosione (< 0.1 µm/anno) che dal punto di vista ingegneristico e, quindi, di durabilità, possono ritenersi PRATICAMENTE NULLE (si dice che l acciaio si trova in CONDIZIONE DI PASSIVITA )

16 INSTABILITÁ La stabilità del film può essere compromessa nelle strutture aeree proprio dalla riduzione dell alcalinità della matrice cementizia determinata dall ingresso dell anidride carbonica.

17 PENETRAZIONE Relativamente alla penetrazione della CO 2 nel calcestruzzo, in assenza di fessure, il fronte di carbonatazione può essere descritto dalla prima legge di Fick. Inoltre, come già accennato, in corrispondenza del fronte di carbonatazione la CO 2 può reagire con gli alcali della fase acquosa dei pori capillari. La massa di CO 2 (dm) richiesta per carbonatare completamente lo spessore di calcestruzzo (dx) penetrato dipende dalle capacità dei prodotti di idratazione (a) di legare il fluido diffondente:

18 CAPACITÁ LEGANTE Integrando la precedente espressione nella ipotesi che né il coefficiente di diffusione, né la capacità legante, nè la differenza di concentrazione risultino funzioni del tempo e dello spessore, si ha:

19 CAPACITÁ LEGANTE RISOLVENDO RISPETTO AD x K CO2

20 EQUAZIONE x [mm] = spessore di calcestruzzo carbonatato mm); t* [anni] = tempo di effettiva CO 2 (anni) ; esposizione alla K CO2 [mm/anni 1/2 ] = costante di diffusione della CO 2

21 VALIDITÁ In realtà il processo di diffusione nelle STRUTTURE REALI è rappresentato in maniera sufficientemente preciso dall equazione soltanto per quelle strutture che: 1. esposte ad atmosfere U.R % ; 2. NON ESPOSTE direttamente all azione dell acqua piovana; 3. NON INTERESSATE dal RUSCELLAMENTO DELL ACQUA durante le fasi di smaltimento della stessa. Umidità relative maggiori di quelle sopramenzionate e soprattutto imbibizioni delle strutture per effetto della pioggia determinano una riduzione del fronte di avanzamento dell anidride carbonica a causa del maggior grado di saturazione dei pori capillari

22 Andamento del processo di carbonatazione nel tempo per strutture esposte in ambiente interno (U.R. 65%) o all esterno non protette dalla pioggia NOTA : I periodi t 1, t 2, t 3 e t 4 coincidono con le giornate di pioggia caratterizzate da valori delle precipitazioni maggiori di 2.5 mm che convenzionalmente individuano i periodi di momentaneo arresto del processo di carbonatazione a seguito dell impossibilità per la CO 2 di diffondere attraverso i pori capillari saturi d acqua

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24 MISURAZIONE STRATO CARBONATATO

25 TEST CON FENOLFTALEINA SPESSORE DI CALCESTRUZZO CARBONATATO

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27 Profondità di carbonatazione (mm) Condizioni di maturazione prima dell'esposizione a 20 C e 50% UR 1 giorno nel cassero + 27 giorni in acqua 6 anni Rapporto a /c

28 COSTANTE DIFFUSIONE ANIDRIDE CARBONICA K CO2 M.U. 7gg R ck (N/mm 2 ) Ambienti interni (U.R.= 65%) COSTANTE DI DIFFUSIONE K CO2 (mm/anni 1/2 ) Esterno protette dalla pioggia Esterno esposte alla pioggia

29 Profondità di carbonatazione (mm) Condizioni di maturazione prima dell'esposizione a 20 C e 50% UR 1 giorno nel cassero + 27 giorni in acqua 1 giorno nel cassero 6 anni Rapporto a /c

30 STAGIONATURA Il processo di diffusione della CO 2 è influenzato da: 1. porosità della matrice cementizia; 2. rapporto a/c; 3. resistenza meccanica a compressione; 4. processo di maturazione

31 CARBONATAZIONE / MATURAZIONE UMIDA LA VELOCITÀ DI AVANZAMENTO DEL FRONTE DI CARBONATAZIONE È FORTEMENTE DIPENDENTE, NELLE STRUTTURE REALI, ANCHE DAL PROCESSO DI MATURAZIONE A CUI LE STESSE SONO SOTTOPOSTE SUBITO DOPO IL GETTO DEL CONGLOMERATO STAGIONATURA UMIDA MAGGIOR GRADO DI IDRATAZIONE NELLE ZONE CORTECCIALI POROSITA VELOCITÀ DI DIFFUSIONE CO 2

32 Coefficienti di correzione della costante K CO2 in funzione della R ck e della durata della stagionatura umida Durata Maturazione umida 1 g 7gg 28 gg R ck

33 Spessore di calcestruzzo carbonatato (x) in una struttura esposta all esterno non protetta dalla pioggia per 30 anni in funzione della R ck e della durata della maturazione umida (1, 7 o 28 gg). M.U. 1 g 7 gg 28 gg R ck x (mm) K CO2 (mm/anno 1/2 ) x (mm) K CO2 (mm/anno 1/2 ) x (mm) K CO2 (mm/anno 1/2 )

34 CORROSIONE Quando il fronte di carbonatazione raggiunge le armature il film di passività diventa instabile e può essere parzialmente distrutto; in questa situazione ed in presenza di acqua ed ossigeno il ferro d armatura può corrodersi con velocità ingegneristicamente significative e tali da determinare una drastica riduzione della vita di servizio delle strutture.

35 CO 2 ANIDRIDE CARBONICA CONDIZIONE NECESSARIA PER LA CORROSIONE DEI FERRI DI ARMATURA

36 PROCESSO DI CORROSIONE Il processo di corrosione è un meccanismo elettrochimico risultante da due processi parziali. Pertanto, le condizioni in cui esso si manifesta dipendono dalla cinetica con cui questi si manifestano.

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38 MECCANISMO DI CORROSIONE I: PROCESSO ANODICO DI OSSIDAZIONE DEL METALLO CON LIBERAZIONE DI ELETTRONI II: PASSAGGIO DI ELETTRONI DAL SITO ANODICO A QUELLO CATODICO III: PROCESSO CATODICO DI RIDUZIONE DELL OSSIGENO E DELL ACQUA PERVENUTI SULL ARMATURA IV: CHIUSURA DEL CIRCUITO ATTRAVERSO IL COPRIFERRO

39 ZONA ANODICA ZONA ANODICA dove avviene il processo di ossidazione del metallo (Fe = Fe e - )

40 ZONA CATODICA ZONA CATODICA dove in PRESENZA DI ACQUA si ha il processo di riduzione dell ossigeno che consuma gli elettroni messi a disposizione nella zona anodica dal processo di ossidazione del metallo (O 2 + 2H 2 O + 4e - = 4OH - );

41 CIRCOLAZIONE DI CORRENTE perché i processi anodici e catodici possano manifestarsi è necessario che ci sia una circolazione della corrente tra il sito anodico e quello catodico. Questa circolazione di corrente avviene sia attraverso la barra di armatura (C), ove gli elettroni prodotti dalla reazione anodica vengono resi disponibili nella zona catodica, che attraverso il calcestruzzo (D) ove la circolazione di corrente per la chiusura del circuito è affidata prevalentemente agli ioni disciolti nella fase acquosa dei pori capillari.

42 DENSITÁ DI CORRENTE ANODICA E CATODICA Questi processi sono complementari nel senso che la velocità con cui essi avvengono deve essere la stessa. Il che equivale a dire che gli elettroni resi disponibili dalla reazione anodica debbono eguagliare quelli consumati nella reazione catodica e che la corrente circolante all interno della barra d armatura tra zona anodica e catodica deve risultare uguale a quella che circola nel calcestruzzo tra la zona catodica e quella anodica. La velocità con cui avviene il processo di corrosione verrà, quindi, controllata dal processo più lento tra quelli sopra descritti.

43 MECCANISMO ELETTROCHIMICO I a PROCESSO ANODICO Fe Fe e - I m Trasporto di corrente nel calcestruzzo I a = I cls = I c = I m = I corr Trasporto di corrente nel metallo OH - Na +,K +,Fe 2+,... e - I cls PROCESSO CATODICO O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - I c

44 CONTROLLO CINETICO DI PASSIVITÁ In una struttura aerea in assenza di CO 2 il processo è controllato dalla passività delle armature, quindi, dal fatto che la densità di corrente scambiata in senso anodico è ingegneristicamente non apprezzabile ed equivalente a qualche ma/m 2 cui corrisponde una velocità di corrosione di qualche decimo di micron all anno (si parla di CONTROLLO CINETICO DI PASSIVITÀ).

45 STRUTTURE IDRAULICHE O INTERRATE La velocità di corrosione risulta non significativa in una struttura idraulica permanentemente immersa o interrata in quanto, a causa dell elevato grado di saturazione dei pori capillari, il processo di diffusione della CO 2 e dell ossigeno vengono fortemente rallentati (di circa 4 ordini di grandezza rispetto alla diffusione in aria in una struttura asciutta) e, quindi, per il permanere delle condizioni di passività dell acciaio il processo è ancora controllato dalla corrente di passività scambiata in senso anodico.

46 STRUTTURE ASCIUTTE In una struttura aerea caratterizzata da un calcestruzzo di scadente qualità per l elevato volume di pori capillari o interessato da macrodifetti e da fessurazioni interessato dall ingresso di CO 2 la corrosione risulta non significativa se l elemento strutturale è protetto dall azione dell acqua piovana e si trova in un ambiente con umidità relativa inferiore al 70%. In questa situazione, infatti, il processo corrosivo è controllato dalla circolazione di corrente dalle zone catodiche a quelle anodiche attraverso il calcestruzzo ed è, quindi, governato dalla resistività elettrica del conglomerato

47 CONTROLLO DI TIPO OHMICO In un calcestruzzo asciutto non esposto alla pioggia o ad atmosfere sature di umidità la resistività elettrica può risultare maggiore di 60 Ωm e, conseguentemente, ridurre drasticamente la circolazione di corrente. Il processo di corrosione in queste situazioni è a CONTROLLO DI TIPO OHMICO e la densità di corrente di corrosione, sebbene superiore a quella che individua le condizioni di passività, è all incirca di 1 ma/m 2 e, quindi, ingegneristicamente non significativa.

48 Velocità di corrosione (µm/anno) VELOCITÁ DI CORROSIONE E U.R %Cl Umidità relativa (%)

49 CORROSIONE PROCESSO DI CORROSIONE 1. Il film di passività deve diventare instabile o deve essere distrutto dall abbassamento di alcalinità prodotto dalla carbonatazione; 2. Produzione del processo anodico di dissoluzione del metallo con apprezzabile velocità; 3. Apporto di ossigeno nelle regioni catodiche 4. Circolazione di corrente dai siti catodici a quelli anodici

50 CORROSIONE PROCESSO DI CORROSIONE Nelle strutture reali le condizioni sussistono soltanto in quegli ELEMENTI STRUTTURALI DIRETTAMENTE ESPOSTI ALL AZIONE DELL ACQUA PIOVANA o interessati dal ruscellamento dell acqua per errori nel suo smaltimento (dove quindi la resistività elettrica del calcestruzzo è bassa) e che sono realizzati con CALCESTRUZZI SCADENTI di elevata porosità o che presentano difetti per errori di compattazione o fessure e, quindi laddove il fronte di avanzamento della carbonatazione può raggiungere le armature.

51 CORROSIONE CORROSIONE DEI FERRI DI ARMATURA: 2Fe+2H 2 O+O 2 2Fe(OH) 2 esposizione discontinua all'acqua o aria umida DEPASSIVAZIONE DELL'ACCIAIO Permeabilità del calcestruzzo e quindi penetrazione di: CO2 (dall'aria): riduzione del ph (<11) della matrice cementizia INTERMITTENTE PRESENZA DI ACQUA CORROSIONE OSSIGENO dall'aria

52 Rischio di corrosione negli elementi strutturali di un complesso residenziale. ZONA Penetrazione CO 2 Penetrazione Resistività Controllo O 2 cinetico Velocità corrosione (1) Elevata Elevata Elevata Ohmico NULLA (2) Nulla Nulla Media Passività NULLA (3) Elevata Elevata Elevata Ohmico NULLA (4) Medio-alta Medio-alta Medio-alta Ohmico NULLA (5) Medio-bassa Medio-bassa Bassa Anodico SIGNIFICATIVA (>10mm/a) (6) Nulla Nulla Molto bassa Passività NULLA di

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54 EFFETTI MACROSCOPICI DELLA CORROSIONE Ruggine si forma con un aumento di volume (mediamente 4 volte il volume iniziale) espulsione copriferro Microfessure esistenti Macrofessure PERMEABILITÀ RIGIDEZZA RESISTENZA A TRAZIONE Diminuzione sezione barra Riduzione aderenza acciaio-cls

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58 NORMA EN 206 In base alle considerazioni esposte ai precedenti paragrafi emerge che al fine di garantire la durabilità delle strutture esposte al degrado promosso dall anidride carbonica gassosa è necessario adottare dei provvedimenti tanti più stringenti quanto maggiore è il rischio a cui le stesse sono esposte. Questo approccio è quello adottato dalla norma europea EN e dalla norma italiana UNI

59 CLASSI D ESPOSIZIONE AMBIENTALE ITALIA classe ambiente/agenti di degrado XC corrosione delle armature indotta da carbonatazione XD corrosione delle armature indotta da cloruri esclusi quelli provenienti dall acqua di mare XS corrosione da cloruri presenti nell acqua di mare XF degrado del cls provocato da cicli di gelo/disgelo con o senza sali disgelanti XA attacco chimico del calcestruzzo

60 CLASSE XC DEGRADO DA CARBONATAZIONE XC1: Ambienti caratterizzati da bassa U.R. ( < 70% ). (interni di edifici) XC2: Ambienti bagnati, raramente asciutti (strutture idrauliche), muri contro terra, fondazioni e strutture interrate; XC3: Ambienti moderatamente umidi. Calcestruzzo esposto all esterno protetto dalla pioggia o interni con percentuali di U.R. da moderate ad alte. XC4: Ambienti ciclicamente bagnati ed asciutti. (es. pavimentazioni esterne, balconi e terrazze non coperti, superfici faccia a vista in ambienti urbani ed extraurbani).

61 CLASSE XC DEGRADO DA CARBONATAZIONE CLASSE DI ESPOSIZIONE DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA E DELL AMBIENTE (a/c) max C(x/y) min c min (Kg/m 3 ) c f,nom (mm) XC1 Strutture in ambienti interni asciutti con U.R.< 70% 0.60 C25/ /30 XC2 Strutture idrauliche o di fondazione permanentemente bagnate 0.60 C25/ /40 XC3 XC4 Strutture esterne protette dalla pioggia 0.55 C28/ /40 Strutture esterne esposte alla pioggia o che alternano periodi di immersione e di emersione 0.50 C32/ /45

62 ESEMPIO SOLETTA DI COPERTURA IN CALCESTRUZZO ARMATO DI UNA PENSILINA SITUATA IN UNA CITTA DAL CLIMA CONTINENTALE TEMPERATO (BERGAMO) CLASSE DI RESISTENZA PRE-DIMENSIONAMENTO STRUTTURALE C25/30

64 PRODUTTORE DI CALCESTRUZZO FORNITORE IGNOTO : s n = 5 N/mm 2 (R cm28 ) p-st = R ck,p-st s n (R cm28 ) p-st = = 37.4 N/mm 2 CEMENTO: CEM II/A-L 42.5R

65 NUMERO DEL DIAGRAMMA DA CONSULTARE IN FUNZIONE DEL TIPO/CLASSE DI CEMENTO PRESCELTO. Tipo/classe di cemento 32.5N 32.5R 42.5N 42.5R 52.5N 52.5R CE I CE II/A CE II/B CE III CE IV CE V

66 DIAGRAMMA (a/c) p-st = 0.58

67 (a/c) DEF Pre-DIMENSIONAMENTO STRUTTURALE DURABILITÁ (a/c) P-ST (a/c) D SCEGLIERE IL VALORE MINIMO: (a/c) DEF 1.RESISTENZA CARATTERISTICA DI PROGETTO: C(x/y) DEF ;

68 INCONGRUENZA DURABILITA : (a/c) D = 0.50 REQUISITI STRUTTURALI (a/c) p-st = 0.58 (a/c) DEF = 0.50

69 DIAGRAMMA (R cm28 ) DEF = 46 N/mm 2

70 CLASSE DI RESISTENZA (R cm28 ) DEF = 46 N/mm 2 R ck,def = (R cm28 ) DEF s n R ck,def = = 38.6 N/mm 2 C(32/40)

72 COPRIFERRO IL COPRIFERRO È LA DISTANZA TRA LA SUPERFICIE ESTERNA DELL ARMATURA (INCLUSI STAFFE, COLLEGAMENTI E RINFORZI SUPERFICIALI, SE PRESENTI) PIÙ PROSSIMA ALLA SUPERFICIE DEL CALCESTRUZZO E LA SUPERFICIE STESSA DEL CALCESTRUZZO. (RICOPRIMENTO)

73 COPRIFERRO NOMINALE DA SPECIFICARE SUI DISEGNI E DA UTILIZZARE NEI CALCOLI c NOM = c MIN + c DEV COPRIFERRO MINIMO MARGINE DI PROGETTO PER GLI SCOSTAMENTI

74 COPRIFERRO NOMINALE DA SPECIFICARE SUI DISEGNI E DA UTILIZZARE NEI CALCOLI c NOM = c MIN + c DEV COPRIFERRO MINIMO NELLE TABELLE DI CONSULTAZIONE POSTO PARI A 5 mm

75 COPRIFERRO NOMINALE c NOM = 35 mm t = 50 anni K CO2 = 4,94 mm * anno -1/2

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77 COPRIFERRO NOMINALE c NOM = 17,5 mm t = 12,5 anni K CO2 = 4,94 mm * anno -1/2

78 DEGRADO DA CARBONATAZIONE Tempo (t) Profondità di carbonatazione H 2 O CO 2 c NOM

81 DEGRADO DA CARBONATAZIONE Tempo (t) TEMPO INNESCO CORROSIONE c NOM Profondità di carbonatazione H 2 O CO 2 c NOM

84 Sforzo (MPa) R s = MPa R s = MPa R s = MPa R s = MPa R s = MPa R s =500 MPa R s =420 MPa Acciai da precompressione Acciai per cemento armato R s = MPa Deformazione (%).

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