UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO FACOLTA DI INGEGNERIA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO LA CORROSIONE DA CLORURI Prof. Ing. Luigi Coppola
STRUTTURE AEREE SOTTOPOSTE A SALATURA (XC, XF e XD) Nelle strutture aeree esposte ai sali disgelanti il degrado viene esaltato dalla CORROSIONE PROMOSSA DAL CLORURO NEI CONFRONTI DELLE BARRE DI ARMATURA che, unitamente all azione dell anidride carbonica dell aria e ai fenomeni di degrado di tipo fisico determinati dalle oscillazioni cicliche della temperatura intorno a 0 C, possono determinare un DEGRADO PRECOCE ED INTENSO DELLE STRUTTURE riducendone drasticamente la vita di servizio
PARCHEGGI (XC e XD) Oltre alle strutture orizzontali e verticali direttamente interessate dai trattamenti con sali disgelanti anche gli elementi in calcestruzzo armato e precompresso dei parcheggi per autoveicoli in climi freddi sono interessati da questa problematica: i sali vengono trascinati a contatto con le strutture in calcestruzzo dai veicoli che durante la fase di sosta lasciano percolare sulle solette orizzontali le soluzioni saline raccolte durante la marcia sulle strade interessate dal trattamento con le soluzioni disgelanti
IMBOCCHI DELLE GALLERIE (XC, XF e XD oppure XC e XD) I rivestimenti in calcestruzzo delle gallerie, sia stradali che ferroviarie, soprattutto nelle zone degli imbocchi ed in corrispondenza dei piedritti, possono essere interessati dagli schizzi sollevati dalle ruote contenenti i sali raccolte durante la marcia dei veicoli all esterno dei tunnel.
STRUTTURE MARINE (XC e XS ) Sono interessate dalla corrosione anche le strutture idrauliche di contenimento di acque contenenti cloruro (impianti di raffreddamento che utilizzano acqua di mare) e tutte le strutture marine, sia quelle aeree che si trovano ad una distanza compresa tra 2 e 3 Km dalla costa raggiunte dal cloruro trasportato per effetto eolico, che quelle direttamente a contatto con l acqua di mare (banchine portuali, moli di attracco delle navi, bacini di carenaggio e strutture off-shore per l estrazione dei combustibili naturali).
CLORURO TRAMITE INGREDIENTI DEL CLS Sono interessati dal processo di corrosione anche quegli elementi strutturali in cui il cloruro erroneamente è stato aggiunto attraverso gli ingredienti (l acqua, gli aggregati e/o gli additivi) per il confezionamento del calcestruzzo
STRUTTURE SOTTOPOSTE A TRATTAMENTO CON SALI DISGELANTI: -PONTI -VIADOTTI -PAVIMENTAZIONI -PIAZZALI -STRADE IN CALCESTRUZZO STRUTTURE INDIRETTAMENTE ESPOSTE AI SALI DISGELANTI: -PARCHEGGI COPERTI -GALLERIE STRADALI E FERROVIARIE (ZONE DEGLI IMBOCCHI IN CORRISPONDENZA DEI PIEDRITTI) - BARRIERE STRADALI ED AUTOSTRADALI DI TIPO NEW JERSEY CORROSIONE DA CLORURI STRUTTURE IN CONTATTO CON SOLUZIONI CONTENENTI CLORURO: -VASCHE DI PROCESSI INDUSTRIALI CHE UTILIZZANO SALAMOIE -VASCHE DI IMPIANTI ITTICI -TORRI DI RAFFREDDAMENTO CHE IMPIEGANO ACQUA DI MARE STRUTTURE MARINE: -EDIFICI E INFRASTRUTTURE DISTANTI FINO A 2-3 Km DALLA COSTA -BANCHINE PORTUALI, MOLI, BACINI DI CARENAGGIO -STRUTTURE OFF-SHORE CLORURI AGGIUNTI ERRONEAMENTE MEDIANTE GLI INGREDIENTI DEL L. Coppola CALCESTRUZZO Concretum (ACQUA, Durabilità: ADDITIVI, la corrosione da AGGIUNTE E AGGREGATI)
PONTI Nelle strutture da ponte l azione aggressiva del cloruro e la conseguente corrosione delle armature può essere favorita dal particolare schema statico adottato per la realizzazione dell infrastruttura. Una ricerca (Italia, 1998) ha individuato che la percentuale di ponti che presentano difetti la cui eliminazione richiede un intervento di manutenzione a breve o medio termine risulta inferiore per gli impalcati con schema strutturale continuo interessati da un numero ridotto di giunti che risultano meno degradati di quelli con schema statico di tipo Gerber.
Tipologia di ponti realizzati in Italia nel periodo 1950-92 e percentuali di opere che necessitano di un intervento di manutenzione a breve-medio termine. Tipo di ponte Schema statico N ponti Anno medio di costruzione % ponti che necessitano di interventi di ripristino c.a appoggiato 554 1965 6.7 c.a. Gerber 75 1965 14.6 c.a continuo 24 1962 - c.a telaio 85 1966 8.3 c.a.p (fili aderenti) c.a.p. ( fili aderenti) c.a.p. ( fili aderenti) c.a.p. ( cavi scorrevoli) c.a.p. ( cavi scorrevoli) c.a.p. ( cavi scorrevoli) c.a.p. ( cavi scorrevoli) appoggiato 697 1972 3.6 Gerber 4 1965 50 continuo 13 1979 - appoggiato 1212 1969 5.1 Gerber 29 1968 24.1 continuo 64 1979 - telaio 17 1967 23.5
CORROSIONE DA CLORURI La stabilità del film di ossido protettivo presente sulla superficie delle armature - responsabile di velocità di corrosione ingegneristicamente nulle - può essere compromessa se in prossimità delle barre di acciaio si realizzano concentrazioni critiche di cloruro sufficienti ad innescare il processo di corrosione.
CONCENTRAZIONE CRITICA La corrosione dell acciaio nel conglomerato cementizio si verifica solo allorquando la concentrazione degli ioni Cl - in corrispondenza dell interfaccia acciaio-calcestruzzo supera la CONCENTRAZIONE CRITICA.
CONCENTRAZIONE CRITICA CONCENTRAZIONE CRITICA DI CLORURO = CONCENTRAZIONE CHE INNESCA IL PROCESSO DI CORROSIONE tenore di OSSIGENO in prossimità dei ferri estensione e ampiezza FESSURE presenti nella struttura
CONCENTRAZIONE CRITICA/OSSIGENO CONCENTRAZIONE CRITICA DI CLORURO tenore di OSSIGENO in prossimità dei ferri In una struttura aerea la concentrazione critica risulterà inferiore rispetto a quella necessaria per innescare il processo di corrosione in una struttura interrata o ancor più in una struttura idraulica permanentemente immersa ove la diffusione dell ossigeno è fortemente rallentata dall elevato grado di saturazione dei pori capillari della matrice cementizia.
VALORI PRATICI Nella pratica, nelle strutture aeree LA CONCENTRAZIONE CRITICA è all incirca tra 0.05 e 0.15 % rispetto alla massa del calcestruzzo (circa 0.3-1.0 % sulla massa del cemento). Nelle strutture completamente immerse la concentrazione critica è circa 30-10 volte maggiore.
STRUTTURE IMMERSE Il rischio di corrosione risulta molto basso o praticamente assente nelle strutture permanentemente immerse in soluzioni contenenti in quanto il processo elettrochimico è fortemente inibito dallo scarso apporto di ossigeno che perviene in prossimità delle armature a causa della completa saturazione dei pori capillari. Il processo in queste condizioni può manifestarsi soltanto quando la concentrazione critica di cloruro in prossimità delle barre raggiunge valori dell ordine del 10% rispetto alla massa del cemento; queste concentrazioni critiche risulta di un ordine di grandezza maggiore della vita di servizio normalmente prevista per le opere in calcestruzzo armato. Si può concludere, quindi, che il rischio di corrosione in strutture permanentemente immerse è dal punto di vista ingegneristico praticamente nullo.
STRUTTURE INTERRATE Nelle strutture interrate la situazione dal punto di vista della corrosione da è molto simile a quella che si realizza nelle opere permanentemente immerse. Anche per queste strutture, infatti, il processo è sotto controllo di diffusione dell ossigeno che di fatto è impedito a raggiungere le armature per alimentare la corrosione anche in presenza di rilevanti concentrazioni di cloruro.
STRUTTURE ESPOSTE A CICLI DI ASCIUTTO/BAGNATO Nelle strutture che alternano periodi di asciutto/bagnato, ovvero di immersione/emersione in soluzioni che contengono cloruro il rischio di corrosione è molto alto in quanto durante le fasi di immersione il cloruro può penetrare raggiungendo le armature e nella fase di emersione l ossigeno può pervenire in prossimità delle barre alimentando il fenomeno di corrosione per pitting grazie anche alla bassa resistività elettrica del conglomerato ricco di ioni Cl-.
STRUTTURA: RISCHIO DI CORROSIONE: PORZIONI DI STRUTTURE MARINE NELLA ZONA DELLE ONDE; PORZIONI DI STRUTTURE MARINE NELLA ZONA DEGLI SPRUZZI; IMPALCATI DA PONTE E PAVIMENTAZIONI SOTTOPOSTE AL TRATTAMENTO CON SALI DISGELANTI; PORZIONI DI VASCHE CONTENENTI CLORURO NELLA ZONA PROSSIMA AL PELO LIBERO DELL ACQUA; PIEDRITTI DI GALLERIE IN CORRISPONDENZA DEGLI IMBOCCHI; PILE DA PONTE E PULVINI INTERESSATE DA PERCOLAMENTO DI ACQUE CONTANENTI CLORURI PROVENIENTI DALL IMPALCATO; MURI DI SOSTEGNO E BARRIERE NEW- JERSEY AI LATI DELLE STRADE ED AUTOSTRADE SOTTOPOSTE A TRATTAMENTI DI SALATURA; FACCIATE DI EDIFICI E STRUTTURE IN PROSSIMITA DELLA COSTA; PORZIONI DI STRUTTURE COMPLETAMENTE INTERRATE; PORZIONI DI STRUTTURE MARINE PERMANENTEMENTE IMMERSE. ALTISSIMO ALTO MEDIO ALTO MEDIO BASSO NULLO
CONCENTRAZIONE CRITICA CONCENTRAZIONE CRITICA DI CLORURO = CONCENTRAZIONE CHE INNESCA IL PROCESSO DI CORROSIONE DOSAGGIO, tipo di CEMENTO e/o di AGGIUNTE MINERALI
COMPETIZIONE IONI Cl - e OH - CONTENUTO DI CLORURO ALCALINITÀ DELLA SOLUZIONE IONI OH- SI OPPONGONO ALL AZIONE DEPASSIVANTE DEGLI IONI CLORURO NEL TENTATIVO DI RIPRISTINARE IL FILM PROTETTIVO DI OSSIDO In assenza di, incrementando gradualmente la percentuale di questi ioni si raggiunge una situazione di equilibrio in cui la corrosione e il ripristino del film avvengono con la stessa velocità
RAPPORTO CRITICO Il valore critico della concentrazione di ioni Cl - può essere definito dal rapporto [Cl - /OH - ] in corrispondenza del quale la probabilità che i due eventi che conducono alla passività eguagli quella dei tre eventi che conducono alla corrosione. Per mezzo del calcolo statistico si può dimostrare che ciò avviene quando:
VALORE REALE Recenti lavori hanno dimostrato (Lambert et al.) che il valore critico del rapporto [Cl- ]/[OH-] è molto più alto e pari all incirca a 3.
VALORI PRATICI Nella pratica, questi valori del rapporto molare corrispondono nelle strutture aeree all incirca ad una percentuale di cloruro compresa tra 0.05 e 0.15 % rispetto alla massa del calcestruzzo (circa 0.3-1.0 % sulla massa del cemento).
CLORURI E CORRIONE CONCENTRAZIONI Cl - /OH - < 3 EFFETTO PREDOMINANTE RIPRISTINO DEL FILM DI OSSIDO Cl - /OH - = 3 EQUILIBRIO: corrosione e ripristino del film avvengono con la stessa velocità Cl - /OH - > 3 CORROSIONE DELLE ARMATURE DA PARTE DEL CLORURO
CLORURI PERICOLOSI E NON NON TUTTI I CLORURI PRESENTI NELLA MATRICE CEMENTIZIA SONO PERICOLOSI AI FINI DELLA CORROSIONE DELLE BARRE D ARMATURA LEGATI ADSORBITI LIBERI
CLORURI PRESENTI NELLA MATRICE CEMENTIZIA LEGATI ADSORBITI LIBERI COMBINATI CHIMICAMENTE CON I PRODOTTI DI IDRATAZIONE SULLA SUPERFICIE DEI PRODOTTI DI IDRATAZIONE DEL CEMENTO IN SOLUZIONE NELLA FASE INTERSTIZIALE DEI PORI CAPILLARI DELLA MATRICE CEMENTIZIA NON DISPONIBILI A PROMUOVERE IL PROCESSO DI CORROSIONE DELLE ARMATURE INNESCANO IL PROCESSO DI CORROSIONE
CLORURI TRAMITE INGREDIENTI E MIGRANTI CLORURI AGGIUNTI TRAMITE GLI INGREDIENTI 1. Si combinano chimicamente con l alluminato tricalcico del clinker di cemento Portland formando un cloroalluminato di calcio (sale di Friedel) innocuo per la corrosione dell acciaio; 2. Si distribuiscono omogeneamente nell impasto evitando che si realizzino zone a concentrazione elevata; CLORURI DALL ESTERNO 1. Possono accumularsi all apice della soluzione di continuità determinando il raggiungimento anticipato della concentrazione critica; 2. Non possono essere legati chimicamente dai costituenti mineralogici del cemento, ma sono solo parzialmente adsorbiti, in quantità meno importanti rispetto a quelle combinate chimicamente, sulla superficie dei prodotti di idratazione.
CLORURI TRAMITE INGREDIENTI Durante l idratazione del cemento il C 3 A reagisce con i formando un sale di composizione 3CaO Al 2 O 3 CaCl 2 10H 2 O (monocloroalluminato di calcio o sale di Friedel) se questi non eccedono lo 0.15% sulla massa del calcestruzzo (corrispondente all incirca allo 0.3 0.4% sulla massa del cemento)
MATERALI POZZOLANICI I calcestruzzi con cementi contenenti fumo di silice, loppa e cenere volante offrono migliori resistenze nei confronti della corrosione promossa dal cloruro. Ciò può essere spiegato dal fatto che tali materiali sopperiscono alla riduzione del ph con una maggiore capacità di legare i liberi presenti nell impasto e conseguentemente con una riduzione del rapporto [Cl - /OH - ] rispetto ai calcestruzzi di solo cemento Portland.
SOLFATI E CLORURI La capacità di legare i, inoltre, diminuisce se nel calcestruzzo è presente del solfato introdotto attraverso gli ingredienti ed in particolare attraverso l acqua di impasto e gli aggregati. Questo comportamento è da ascrivere alla tendenza dell alluminato tricalcico a reagire preferenzialmente con gli ioni solfato anziché con gli ioni cloruro, inibendo di fatto la formazione del monocloroalluminato di calcio
CONTENUTO DI SOLFATI CONTENUTO DI SOLFATI MAX AGGREGATI GROSSI SO 4 < 0.2% (massa) FINI SO 4 < 0.8% (massa) (UNI 8520-2) ACQUA D IMPASTO SO 4 2- < 2000 mg/l (UNI 1008) EVITARE INDESIDERATI FENOMENI ESPANSIVI
CONTENUTO DI CLORURI Il contenuto di nel calcestruzzo viene ottenuto sommando quello apportato da tutti gli ingredienti utilizzati per il confezionamento (acqua di impasto, cemento, aggregati, aggiunte e additivi). Sebbene vengano fissati dei limiti al contenuto di negli ingredienti (ad esempio di 500 mg/l e 1000 mg/l per per l acqua di impasto destinata al confezionamento di calcestruzzi rispettivamente per strutture in c.a e c.a.p ; 0.03% in massa è il limite fissato per il cloruro contenuto negli aggregati), tuttavia, essendo questi sali prontamente solubili, è importante rispettare il limite nel contenuto totale nell impasto piuttosto che quello relativo al singolo ingrediente.
Calcestruzzo per CONTENUTO DI CLORURI Classe di contenuto in Percentuale max di rispetto alla massa del cemento e delle aggiunte di tipo II Strutture non Cl 1.00 1% armate Strutture in c.a. Cl 0.40 0.40% Strutture in c.a. Cl 0.20 0.20% Strutture in Cl 0.20 0.20% c.a.p. Strutture in Cl 0.10 0.10% c.a.p.
TIPO DI CEMENTO LA NORMA NON FA ALCUN RIFERIMENTO AL TIPO DI CEMENTO E DI AGGIUNTE EVENTUALMENTE PRESENTI NELL IMPASTO CONSIGLI Cl 0.2% strutture in C.A. Cl 0.1% strutture in C.A.P. Cl 0.4% strutture in C.A. Cl 0.2% strutture in C.A.P. UTILIZZO DI CEMENTI RESISTENTI AI SOLFATI (RIDOTTO TENORE C 3 A) % SOLFATO NELL AGGREGATO PROSSIMA AL VALORE MASSIMO FISSATO UTILIZZO DI CEMENTI POZZOLANICI O DI ALTOFORNO IN TUTTI GLI ALTRI CASI
CONTENUTO DI CLORURI C.A.P. La percentuale massima di nelle strutture in calcestruzzo armato precompresso è pari alla metà di quella ammessa per le strutture ad armatura lenta in quanto la corrosione per questa tipologia di armature viene esaltata dall elevato tasso di sforzo a cui è sottoposto l acciaio
CORROSIONE SOTTO SFORZO La corrosione sotto sforzo è la principale causa delle rotture improvvise di acciai ad alta resistenza meccanica utilizzati nelle strutture in calcestruzzo precompresso o nelle strutture prefabbricate che utilizzano questo tipo di barre per il fissaggio degli elementi della costruzione. Si manifesta con la nucleazione e la propagazione di una cricca che avanza, per effetto congiunto della sollecitazione di trazione e dell ambiente aggressivo, fino a raggiungere una situazione critica di collasso finale
CONCENTRAZIONE CRITICA CONCENTRAZIONE CRITICA DI CLORURO Cloruri migrano DALL AMBIENTE ESTERNO nel calcestruzzo Cloruri erroneamente AGGIUNTI all impasto attraverso gli INGREDIENTI.
DIFFUSIONE La passività dell acciaio nel calcestruzzo può essere preservata prescrivendo che nel confezionamento del calcestruzzo vengano impiegati ingredienti il cui contenuto totale di cloruro non superi i valori massimi stabiliti dalla norma UNI-EN 206 ed evitando accuratamente di utilizzare additivi a base di cloruro di calcio. Tuttavia, anche per conglomerati correttamente confezionati, la corrosione delle armature può essere promossa dai presenti nell ambiente che circonda la struttura in calcestruzzo armato.
PROCESSI DI TRASPORTO I processi di trasporto del cloruro all interno del calcestruzzo giocano un ruolo chiave nel complesso del fenomeno corrosivo in quanto, l innesco del processo elettrochimico di corrosione è governato dalla velocità con cui gli ioni cloruro riescono a penetrare nel calcestruzzo e a raggiungere in corrispondenza dell armatura la concentrazione critica sufficiente per innescare il processo.
PROCESSI DI TRASPORTO In assenza di fessure e di macrodifetti legati ad errori di compattazione i presenti sulla superficie del calcestruzzo possono penetrare nella struttura principalmente attraverso i pori capillari della matrice cementizia, principalmente se questi sono interconnessi, e attraverso le microfessure presenti all interfaccia pasta-aggregato.
PRIMA LEGGE DI FICK Il processo di trasporto tipicamente diffusivo è generato dalla differenza di concentrazione tra la superficie della struttura in calcestruzzo (a concentrazione maggiore) e le zone interne della struttura caratterizzate da una minore concentrazione di cloruro e può essere definito in regime stazionario dalla prima equazione di Fick
PRIMA LEGGE DI FICK J = flusso [Kg/(m 2 s)]; c = concentrazione del cloruro [Kg/m 3 ]; x = distanza dalla superficie del calcestruzzo [m]; D = coefficiente di diffusione effettivo del cloruro in [m 2 /s]
SECONDA LEGGE DI FICK Nella realtà il processo di diffusione del cloruro non avviene in regime stazionario in quanto la concentrazione della sostanza diffondente non può ritenersi costante nel tempo. Pertanto, il processo di diffusione è meglio rappresentato dalla 2 a equazione di Fick
COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE APPARENTE D app = coefficiente di diffusione apparente DIPENDE da: 1. variabilità della concentrazione della sostanza diffondente nel tempo; 2. variazione della porosità della matrice cementizia per effetto del procedere della reazione di idratazione del cemento, che della capacità dei prodotti di idratazione di legare parte degli ioni diffondenti. Il coefficiente di diffusione apparente viene calcolato misurando il profilo di concentrazione del cloruro in provini di calcestruzzo immersi in una soluzione a concentrazione nota della sostanza diffondente.
CONDIZIONI AL CONTORNO per x > 0 e per t = 0 la concentrazione di cloruro nel calcestruzzo risulta c = c i = 0.1% rispetto alla massa del cemento (0.015% rispetto alla massa del calcestruzzo); per x = 0 e t > 0 la concentrazione del cloruro è pari a quella della soluzione a contatto con la superficie del calcestruzzo e vale c = c 0 = c s
PROFILO DI CONCENTRAZIONE La penetrazione del cloruro nel calcestruzzo è rappresentato da un profilo di concentrazione decrescente dalla superficie a contatto con l ambiente aggressivo verso l interno della struttura. Dopo un certo tempo t e per una data distanza x dalla superficie la concentrazione del cloruro nel calcestruzzo risulterà tanto più elevata quanto maggiore è la concentrazione del cloruro della soluzione a contatto con la superficie del calcestruzzo
Profilo di concentrazione del cloruro in un calcestruzzo (a/c 0.50) esposto a soluzioni di diversa concentrazione
FATTORI La concentrazione di cloruro risulterà tanto più elevata quanto maggiore è il coefficiente di diffusione apparente del conglomerato che dipende da: fattori che influenzano la porosità capillare della matrice cementizia: rapporto a/c; grado di idratazione dell impasto al momento dell esposizione al cloruro; fattori che influenzano la capacità dei prodotti di idratazione di legare il cloruro durante il processo di diffusione: natura del cemento eventuali aggiunte minerali introdotte nel confezionamento degli impasti.
Profilo di concentrazione del cloruro in calcestruzzi di cemento Portland al variare del rapporto a/c
Profilo di penetrazione del cloruro in calcestruzzi sottoposti a 830 cicli giornalieri di salatura al variare del rapporto a/c
Influenza della compattazione sul profilo di concentrazione di un calcestruzzo (a/c = 0.32) sottoposto a 830 cicli giornalieri di salatura
Cloruri (% in peso sul cemento) 4 C s = 5% D app = 5. 10-12 m 2 /s 2 1 anno 10 anni 1 0,4 0 0 50 100 Profondità (mm) Tenore critico
1E-11 COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE APPARENTE CEM I (portland) D app (m 2 /s) 1E-12 CEM IV/A (pozzolanico) CEM III/B (con loppa) 1E-13 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 a/c
MECCANISMO Una parte dei sali che rimangono nelle zone superficiali possono essere anche rimossi per effetto dell azione dilavante esercitata dalla marea o dalle onde. Negli strati corticali, infine, se i periodi di asciugamento sono particolarmente lunghi, anche l anidride carbonica può penetrare modificando la capacità dei prodotti di idratazione del cemento di legare i. Si intuisce, quindi, in definitiva come NELLE STRUTTURE AEREE LA VELOCITÀ DI DIFFUSIONE DEL CLORURO DIPENDA FORTEMENTE DALLA DURATA DEI PERIODI DI ASCIUTTO/BAGNATO
STRATO DI CONVEZIONE Alla luce del particolare comportamento delle zone corticali in strutture sottoposte a cicli alternati di asciutto/bagnato l equazione di Fick viene assunta valida in tutto lo spessore della struttura in calcestruzzo, ad eccezione di uno strato corticale di spessore dx, che viene indicato come STRATO DI CONVEZIONE, dove i dati sperimentali indicano una riduzione della concentrazione del cloruro rispetto al valore atteso in accordo con l equazione di Fick.
PROFILO DI CONCENTRAZIONE REALE
EQUAZIONE SEMPLIFICATA si può assumere a vantaggio di sicurezza: concentrazione critica (c crit ) = 0.40%; concentrazione iniziale (c i ) = 0.10%; concentrazione superficiale (c s ) = 2%; esposizione al cloruro avvenga subito dopo il disarmo della struttura (t exp =0); tempo t pari alla vita di servizio (T SLS ).
EQUAZIONE SEMPLIFICATA T SLS in anni; D app im m 2 /s. Per calcolazioni più accurate si può tener conto dei seguenti valori della concentrazione superficiale: 0.4%, 1.2, 1.75 e 2.5 % rispettivamente per condizioni di aggressione blande, medie, alte (strutture orizzontali direttamente esposte al trattamento con sali disgelanti) ed altissime (strutture marine esposte nella zona delle onde).
Coefficiente di diffusione apparente del cloruro in calcestruzzi confezionati con cemento Portland di tipo I C(x/y) D app (m 2 /s) C16/20 10.0 10-12 C20/25 5.0 10-12 C25/30 3.5 10-12 C28/35 C30/37 2.0 10-12 C32/40 1.0 10-12 C35/45 0.5 10-12 C40/50 0.3 10-12
Coefficiente di correzione di D app per calcestruzzi confezionati con cementi diversi dal tipo I Tipi di Cemento I II -L II- V II- S II- T IV/ A III/ A III/ B V/ A V/ B I- ARS Coeffic. correttivo 100 135 85 75 85 60 40 20 45 25 200
Spessore dello strato di convezione in funzione della resistenza caratteristica del conglomerato misurata su provini cubici R ck dx (mm) 20 30 10 8 35 45 6 4 45 55 4 2
ESEMPIO UNA STRUTTURA ESTERNA, ESPOSTA ALLA PIOGGIA, A CONTATTO DIRETTO CON ACQUA MARINA: VITA UTILE 100 ANNI; CALCESTRUZZO R CK 40 N/mm 2 ; CEMENTO CEM II A-L 42.5R
COPRIFERRO SPESSORE DI CALCESTRUZZO ATTACCATO DAI CLORURI NEL TEMPO È : T SLS = 100 anni;
Coefficiente di diffusione apparente del cloruro in calcestruzzi confezionati con cemento Portland di tipo I C(x/y) D app (m 2 /s) C16/20 10.0 10-12 C20/25 5.0 10-12 C25/30 3.5 10-12 C28/35 C30/37 2.0 10-12 C32/40 1.0 10-12 C35/45 0.5 10-12 C40/50 0.3 10-12
Coefficiente di correzione di D app per calcestruzzi confezionati con cementi diversi dal tipo I Tipi di Cemento I II - L II- V II- S II- T IV/ A III/ A III/ B V/ A V/ B I- ARS Coeffic. correttivo 100 135 85 75 85 60 40 20 45 25 200
Spessore dello strato di convezione in funzione della resistenza caratteristica del conglomerato misurata su provini cubici R ck dx (mm) 20 30 10 8 35 45 6 4 45 55 4 2
COPRIFERRO SPESSORE DI CALCESTRUZZO ATTACCATO DAI CLORURI NEL TEMPO È : T SLS = 100 anni; D app = 1 10-12 (m 2 /s) * 1.35; dx = 5 mm x crit = 141 mm
CONSIDERAZIONI x crit = 141 mm IL VALORE DI COPRIFERRO COSI OTTENUTO E TROPPO ELEVATO, PERTANTO E NECESSARO APPORTARE DELLE MODIFICHE. IL COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE SI PUÒ ABBASSARE CAMBIANDO TIPO DI CEMENTO
SCELTA DEL CEMENTO CEMENTO CEM II A-L 42.5R CEMENTO CEM III A 42.5R
Coefficiente di correzione di D app per calcestruzzi confezionati con cementi diversi dal tipo I Tipi di Cemento I II - L II- V II- S II- T IV/ A III/ A III/ B V/ A V/ B I- ARS Coeffic. correttivo 100 135 85 75 85 60 40 20 45 25 200
COPRIFERRO SPESSORE DI CALCESTRUZZO ATTACCATO DAI CLORURI NEL TEMPO È : T SLS = 100 anni; D app = 1 10-12 (m 2 /s) * 0.40; dx = 5 mm x crit = 79 1.30 = 103 mm
CONSIDERAZIONI VAL LA PENA DI RICORDARE CHE QUANDO LO SPESSORE NOMINALE DOVESSE RISULTARE MAGGIORE O UGUALE DI 50 mm ( < 80 mm), PER LIMITARE L AMPIEZZA DELLE LESIONI È OPPORTUNO RICORRERE AD UNA SPECIFICA ARMATURA DI PELLE DA INSERIRE NEL COPRIFERRO IN FORMA DI RETE ELETTROSALDATA, SOPRATTUTTO QUANDO L ARMATURA SECONDARIA SI PRESENTA DIRADATA CON PASSO SUPERIORE A 30 cm
Cloruri (% vs cemento) 6 5 4 3 2 1 0 acciai inossidabili acciaio zincato acciaio al carbonio CEM III/B a/c = 0,4 CEM I, a/c = 0,55 CEM I, a/c = 0,4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Profondità (cm) t = 50 anni C s = 5%
CLORURO E CORROSIONE EFFETTO DEL CLORURO SUL MECCANISMO DI CORROSIONE DELL ACCIAIO TEORIA DEL FILM DI OSSIDO TEORIA DEL L ASSORBIMENTO TEORIA DEL COMPLESSO TRANSITORIO
TEORIA DEL FILM DI OSSIDO Gli ioni Cl- penetrano nelle zone in cui il film presenta una maggiore porosità oppure dei difetti. Quindi, attraverso una dissoluzione selettiva dei componenti più reattivi del film passivo, gli ioni cloruro penetrano in questi siti più rapidamente che altri anioni presenti nella soluzione acquosa all interfaccia con il metallo promuovendo il fenomeno di corrosione localizzata
TEORIA DELL ADSORBIMENTO Gli ioni Cl - sostituirebbero gli atomi di ossigeno presenti nello strato di passività determinando una differenza di potenziale elettrochimico nel film che diviene così instabile. A supporto di questa ipotesi si pensa che l elevata velocità di reazione dell acciaio nelle zone in cui il cloruro ha sostituito gli atomi di ossigeno possa spiegare la formazione dei crateri tipici del processo di corrosione in presenza di ioni Cl -
TEORIA DEL COMPLESSO TRANSITORIO Gli ioni Cl - competono con gli ioni OH - per combinarsi con gli ioni ferrosi prodotti dall ossidazione del metallo. Se prevalgono gli ioni cloruro si forma un complesso solubile di cloruro di ferro che può diffondere lontano dalla zona anodica ove si è prodotta la distruzione del film passivo. Ad una certa distanza dalla barra il complesso si rompe precipita idrossido di ferro e il cloruro è di nuovo libero per trasportare ulteriori ioni ferrosi lontano dall anodo.
MICROCELLA In presenza di si forma una microcella di corrosione in cui le zone ove lo strato di ossido è stato rimosso funzionano da anodo e quelle circostanti (ancora passive) da catodo ove ha luogo la riduzione dell ossigeno
AMBIENTE ESTERNO ACQUA CLORURI OSSIGENO COPRIFERRO IN CALCESTRUZZO ROTTURA DEL FILM DI OSSIDO FRONTE DI AVANZAMENTO CLORURI IONI Cl - DA CATODO AD ANODO OH - CRATERE DI CORROSIONE H 2 O, Cl -, H + TRASFERIMENTO ELETTRONI NELLA BARRA FILM DI OSSIDO PROTETTIVO
SINGOLARITÁ Il flusso di corrente che chiude il circuito attraverso il copriferro contribuisce ad esaltare l aggressività della zona anodica in quanto il cloruro, essendo un anione, viene trasportato verso la zona di incipiente formazione del pit ove, peraltro, l idrolisi dei prodotti di corrosione produce una diminuzione dell alcalinità che esalta ulteriormente la dissoluzione del metallo. Per contro, il passaggio di corrente stabilizza ulteriormente il film passivo nelle regioni catodiche, sia perché i vengono allontanati da queste zone verso quelle anodiche, sia perché per la riduzione dell ossigeno vi è un conseguente incremento dell alcalinità.
AMBIENTE ESTERNO ACQUA CLORURI OSSIGENO COPRIFERRO IN CALCESTRUZZO ROTTURA DEL FILM DI OSSIDO FRONTE DI AVANZAMENTO CLORURI IONI Cl - DA CATODO AD ANODO OH - CRATERE DI CORROSIONE H 2 O, Cl -, H + TRASFERIMENTO ELETTRONI NELLA BARRA FILM DI OSSIDO PROTETTIVO
PROFONDITÁ ATTACCO L elevata alcalinità delle zone catodiche impedisce al pit di crescere lateralmente e conseguentemente aumenta la velocità di penetrazione dell attacco vaiolante che può raggiungere valori dell ordine del mm/anno. I prodotti di corrosione che si formano sono per lo più solubili nell ambiente acido dell anodo. LA CORROSIONE PROGREDISCE SENZA NECESSARIAMENTE GIUNGERE ALLA FESSURAZIONI E ALL ESPULSIONE DI PORZIONI SIGNIFICATIVE DI CALCESTRUZZO.
CRATERI DI CORROSIONE CLORURI in assenza di carbonatazione CORROSIONE ACCIAIO LOCALIZZATA crateri (PIT) con Φ = 1 10 mm La pericolosità dell attacco corrosivo è dovuta al fatto che, nonostante la perdita di materiale metallico possa rappresentare una percentuale trascurabile del peso totale della barra, la profondità del pit può interessare in breve tempo spessori considerevoli dell armatura.
CONCENTRAZIONI ELEVATE DI CLORURO CLORURI IN ELEVATE CONCENTRAZIONI CLORURI IN PRESENZA DI CARBONATAZIONE COMPLETA DISTRUZIONE DEL FILM DI OSSIDO PIT CONTIGUI
ATTACCO LOCALIZZATO (pitting)
DEGRADO DA CLORURI Cloruri Tenore critico Cl cr Profondità H 2 O Cl - c NOM
DEGRADO DA CLORURI Cloruri Tenore critico Cl cr Profondità H 2 O Cl - c NOM
DEGRADO DA CLORURI Cloruri Tenore critico Cl cr Profondità H 2 O Cl - c NOM
DEGRADO DA CLORURI Cloruri Tenore critico Cl cr Profondità H 2 O Cl - c NOM
CLASSE XD DEGRADO DA CLORURI CLASSE DI ESPOSIZIONE DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA E DELL AMBIENTE (a/c) max C(x/y) min (Kg/m 3 ) c min c f,nom (mm) XD1 XD2 Strutture esposte a spruzzi di acque contenenti cloruro 0.55 C 28/35 320 40/50 Strutture totalmente immerse in acque anche industriali contenenti cloruro 0.50 C32/40 340 45/55 XD3 Strutture soggette ai sali disgelanti ed elementi esposti in parte ai ed in parte all aria. Parcheggi, pavimentazioni e strade in calcestruzzo. Rivestimenti di gallerie agli imbocchi in zone con climi rigidi 0.45 C35/45 360 50/60
OPERE MARITTIME Le opere marittime presentano delle peculiarità rispetto alle altre strutture: alla corrosione del cloruro, infatti, si sommano gli effetti meccanici derivanti dall azione delle onde e delle maree, l azione abrasiva ad opera dei solidi sospesi e quella chimica imputabile alle sostanze disciolte nell acqua di mare.
ZONA DI AEROSOL MARINO: XS1 CLASSE XS1 XS2 XS3 TIPO DI DEGRADO Attacco solfatico: ASSENTE; Dilavamento: ASSENTE; Cristallizzazione salina: MEDIO-ALTA; Corrosione: MEDIA; Attacco solfatico: MODERATO-BASSO; Dilavamento: ASSENTE; Cristallizzazione salina: ASSENTE; Effetti meccanici: ASSENTI Corrosione: ASSENTE (trascurabile); Attacco solfatico: MODERATO; Dilavamento: FORTE; Cristallizzazione salina: ALTISSIMA; Effetti meccanici: FORTI Corrosione: FORTE (alta); ZONA SPRUZZI, ONDE, MAREE: XS3 BANCHINA LIVELLO BASSA MAREA ZONA DI COMPLETA IMMERSIONE XS2
Zona atmosferica Aria Zona degli spruzzi Marea max Zona delle maree Livello medio maree Marea min Zona sommersa Acqua di mare
CLASSE XS DEGRADO DA CLORURI MARINI CLASSE DI ESPOSIZIONE DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA E DELL AMBIENTE (a/c) max C(x/y) min (Kg/m 3 ) c min c f,nom (mm) XS1 XS2 Strutture esposte alla salsedine marina ma non in contatto con l acqua di mare Strutture totalmente immerse 0.50 C32/40 340 40/50 0.45 C35/45 360 45/55 XS3 Strutture esposte agli spruzzi, alle maree e alle onde. 0.45 C35/45 360 50/60
(6) AUMENTO DEL QUADRO FESSURATIVO; PERDITA DI RIGIDEZZA (5) CORROSIONE DELL ACCIAIO ESPULSIONE DI PORZIONI DEL COPRIFERRO Presenza di microfessure derivanti dal: - calcolo strutturale; - mancata protezione umida dei getti; IMMERSIONE (1) Penetrazione dei sali per assorbimento dell acqua di mare e successivamente per diffusione EMERSIONE (2) Cristallizazione salina e conseguente aumento dell ampiezza delle microfessurazioni iniziali (4) FACILITA DI ACCESSO PER OSSIGENO E CLORURI MOTO ONDOSO (3) Azioni impulsive e fenomeni di erosione determinano un ulteriore incremento del quadro fessurativo. (7) SUPERAMENTO DELLO SLS e conseguente COLLASSO (SLU)
CARATTERISTICHE INCROSTANTI Nelle strutture immerse, infatti, è praticamente nullo il rischio di corrosione a causa dell assenza di ossigeno che può pervenire in prossimità delle barre di armatura. Inoltre, salvo casi eccezionali di golfi inquinati dove esiste uno scarso ricambio delle acque, o di aree in prossimità degli estuari di fiumi, l acqua di mare presenta caratteristiche incrostanti.
BRUCITE ED ARAGONITE L acqua di mare INCROSTANTE favorisce sulla superficie delle strutture in calcestruzzo la formazione di depositi superficiali costituiti da uno strato di brucite (idrossido di magnesio) ricoperto da uno strato più spesso di aragonite contenente anche tracce di calcite. Lo strato di brucite derivante dalla reazione del CH con il solfato di magnesio ha spessore compreso tra 10 e 20 µm e si sviluppa già dopo 24 ore dall immersione in acqua di mare.
BRUCITE ED ARAGONITE Dopo 4 giorni questo strato è completamente formato e raggiunge spessori di 30-35 µm. Lo strato di brucite viene successivamente ricoperto da uno strato di aragonite (50-100 µm) che ha bisogno per formarsi di qualche mese. Questi strati rappresentano una protezione aggiuntiva per il calcestruzzo in quanto riducono il processo di diffusione del cloruro, quello dell ossigeno e attenuano il potenziale degrado del solfato disciolto nell acqua di mare.