Durabilità del Calcestruzzo Armato Prof., Dipartimento di Chimica Inorganica ed Analitica Università degli Studi di Cagliari Email: belsener@unica.it http://dipcia.unica.it/superf/ Corso di Laurea Ingegneria Civile 1 AA 11/12 Calcestruzzo Il Pantheon a Roma, prestigiosa opera dei romani 125 d.c. è in condizioni di conservazione perfetta per quasi 2000 anni. E la dimostrazione che il calcestruzzo può presentare la durabilità di una pietra naturale almeno in assenza di specifiche cause di degrado (ambienti acidi o solfatici). Il calcestruzzo non può essere messo sotto trazione. Corso di Laurea Ingegneria Civile 2 AA 11/12
Calcestruzzo armato Materiale di costruzione ideale...... ma non sono eterne o quasi, come si riteneva fino agli anni 70, ma hanno una durata limitata, a causa della corrosione delle armature. Corso di Laurea Ingegneria Civile 3 AA 11/12 Calcestruzzo armato Calcestruzzo armato è un materiale composito Il calcestruzzo (inerti, acqua e cemento) è facile da preparare ovunque. > Alta resistenza a compressione. Armature in acciaio, diverse funzioni (statica, evitare fissure). > Alta resistenza a trazione. Le armature nel CLS, per la sua alcalinità elevata, sono protetti contro la corrosione (passività). Copriferro e qualità secondo le normativo: durevole. Corso di Laurea Ingegneria Civile 4 AA 11/12
Calcestruzzo Idratazione del cemento Nella reazione chimica cemento + H 2 O dà luogo ad un prodotto colloidale di silicati idrati di calcio (pasta cementizia CSH) e portlandite Ca(OH) 2. Valore stechiometrico rapporto a/c = 0.4 acqua grani di cemento pori rapporto a/c = 0.2 rapporto a/c = 0.4 idratazione rapporto a/c = 0.6 acqua Matrice cementizia con pori nanometriche e cristalli di Ca(OH) 2 > Soluzione nei pori ph > 12.5, alcalino Corso di Laurea Ingegneria Civile 5 AA 11/12 Passivazione Passivazione spontanea dell acciao nel calcestruzzo (ph > 12.5) corrente Zona attiva Me --> Me z+ + z e - Zona passiva i crit E Me E P E O2 potenziale i cat O 2 +2H 2 O + 4e - --> 4OH- Passivazione: Si forma spontaneamente uno strato sottilissimo ma prottetivo (film passivo). Condizione per una passivazione spontanea i crit < i cat L acciaio nel CLS alcalino è protetto contro la corrosione. Corso di Laurea Ingegneria Civile 6 AA 11/12
Calcestruzzo Il sistema dei pori nel calcestruzzo Bolle di aria pori nel gel pori capillari Pori nel gel: dimensione nm, diffusione di molecole di H 2 O possibile Pori capillari: tipicamente 0.1 µm, controllano il trasporto nel CLS Bolle di aria : ca 0.1 mm, per la resistenza all azione di gelo/disgelo Corso di Laurea Ingegneria Civile 7 AA 11/12 Calcestruzzo Porosità capillare I pori capillari si formano quando l acqua non reagita nell idratazione del cemento evapora. Pori capillari % 10 20 30 38 44 La percentuale di pori capillari aumenta con il rapporto a/c e diminuisce con il grado di idratazione. Porosità capillare per 90% di idratazione Rapporto acqua/cemento I pori capillari sono responsabili per l ingresso di acqua, cloruri e CO 2 nel calcestruzzo, cioè per l interazione tra CLS e ambiente circostante. Corso di Laurea Ingegneria Civile 8 AA 11/12
Calcestruzzo Influenza della porosità All aumentare della porosità capillare diminuisce la resistenza meccanica del CLS. La permeabilità aumenta fortemente. resistenza permeabilità pori capillari % 0 pori capillari % 40 La permeabilità, cioè la qualità del CLS, dipende fortemente dalla quantità di pori capillari. Si osserva una soglia a ca. 22 %, al di sotto il CLS è denso. Corso di Laurea Ingegneria Civile 9 AA 11/12 Calcestruzzo Un calcestruzzo durevole Rapporto a/c basso (a/c < 0.5, per ambiente aggressivo < 0.45) Buona stagionatura (tenere umido il CLS). Molto importante per la qualità (bassa porosità) del copriferro Fissurazione di ritiro sono una conseguenza di una stagionatura insufficiente copriferro secondo le norme vigenti Compattazione (vibrazione) quando il CLS viene messo in opera Solamente un calcestruzzo denso è un calcestruzzo di qualità. Corso di Laurea Ingegneria Civile 10 AA 11/12
Corrosione delle armature nel CLS Verlust der Passivität durch Eindringen von Chloriden oder Absinken des ph Werts (Karbonatisierung) corrosione da cloruri corrosione da carbonatazione Corrosione localizzata dovuta alla penetrazione di ioni cloruro Corrosione uniforme e distacco del CLS dovuto alla carbonatazione Quali sono le cause della corrosione? Corso di Laurea Ingegneria Civile 11 AA 11/12 Costi della corrosione Distribuzione di età dei ponti (Svizzera) Sunniberg, < 10 anni La riparazione di 1 m 2 di un ponte costa tra 800 e 1200 (CH 2001) Reussbrücke, 40 anni Corso di Laurea Ingegneria Civile 12 AA 11/12
Un esempio tipico... Risanamento totale Rofla A13 (2004/05) TBA GR Info Nr. 59 Rimozione del copriferro e sostituzione delle armature corrose (Traversabrücke) Cause della corrosione?...copriferro con spessore insufficiente di 2-3 cm degli anni 70... Corso di Laurea Ingegneria Civile 13 AA 11/12 Corrosione da carbonatazione Penetrazione di CO 2 CO 2 + Ca(OH) 2 ---> CaCO 3 In presenza di H 2 O e O 2 si forma la ruggine viola = CLS alcalino Indicatore spruzzato sulla superficie La carbonatazione neutralizza il CLS ph < 10: depassivazione delle armature La ruggine è più voluminoso del Ferro -> il copriferro si distacca. Corso di Laurea Ingegneria Civile 14 AA 11/12
Avanzamento della carbonatazione Profondità di carbonatazione (mm) Clima costante 65% UR (laboratorio) (pori capillari vuoti, leggermente umido) Clima esterno (riparato) (a UR alte l umidità condensa nei pori e riempie i pori piccoli -> penetrazione della CO 2 limitato) Clima esterno con pioggia (la pioggia riempie i pori capillari molto velocemente, processo di evaporazione lento -> ingresso della CO 2 cessa) Tempo di esposizione (anni) L andamento della carbonatazione nel tempo segue una legge del tipo: s = K * t -1/n in CLS porosi l esponente n vale circa 2 -> parabolico Corso di Laurea Ingegneria Civile 15 AA 11/12 Fattori che influenzano la carbonatazione Durata dei periodi di bagnamento Cicli di bagnamento Profondità di carbonatazione (mm) mezzo anno secco mezzo anno bagnato 1 mese secco 1 mese bagnato 1 settimana secco 1 settimana bagnato Profondità di carbonatazione (mm) nessun bagnamento 2 volte all anno una volta al mese una volta alla settimana tempo (anni) tempo (anni) Oltre all umidità relativa i parametri importanti sono il tempo in cui la struttura resta bagnato, ma anche la frequenza e la durata die cicli di bagnamento - asciugamento. Corrosione delle armature da carbonatazione per strutture esposte alla pioggia: non sono state rispetatte le norme (copriferro e qualità del CLS) Corso di Laurea Ingegneria Civile 16 AA 11/12
Influenza del rapporto a/c Calcestruzzi di cemento Portland, mantenuti per 6 anni a 20 C e 50% UR. Profondità di carbonatazione (mm) 1 giorno nel cassero 1 giorno nel cassero + 27 giorni in acqua Rapporto a/c La diminuzione del rapporto a/c e una buona maturazione riduce la porosità capillare della pasta cementizia e rallenta la penetrazione della carbonatazione. Corso di Laurea Ingegneria Civile 17 AA 11/12 Fattori che influenzano la carbonatazione Concentrazione dell anidride carbonica Al crescere del contenuto della CO2 nell atmosfera la velocità di penetrazione Aumenta (fino a concentrazioni di 3-5%) -> prove accelerate Temperatura L aumento della temperatura fa crescere la velocità di penetrazione Alcalinità del calcestruzzo La capacità di fissare la CO2 è proporzionale all alcalinità presente nella pasta cementizia, quindi dipende dalla quantità di cemento utilizzato. Nel caso di cementi con aggiunte pozzolaniche (o anche CaCO 3 ) l alcalinità è ridotta, questo potrebbe creare problemi nel futuro. Corso di Laurea Ingegneria Civile 18 AA 11/12
Importanza del copriferro Copriferro secondo le classe di esposizione Le classe di esposizione sono dato nelle norme (ENV 206). I valori indicati sono i valori minimi da rispettare. Copriferro deve essere indicato nel progetto Responsibilità dell ingegnere progettista -> fissare le armature Controllare nell esecuzione Responsibilità del capo cantiere La corrosione delle armature da carbonatazione si può evitare Corso di Laurea Ingegneria Civile 19 AA 11/12 Corrosione da cloruri I cloruri penetrano dall ambiente esterno (fino a 40 kg/m2 sali disgelanti all anno) Forte riduzione della sezione Quando il tenore dei cloruri nella soluzione dei pori supera il Clcrit le armature sono depassivate Corso di Laurea Ingegneria Civile I prodotti di corrosione nei pit sono solubili (ph basso, compless di ferro con idrossidi e cloruri) -> non si forma ruggine -> il copriferro non si spacca 20 AA 11/12
Corrosione localizzata Densità di corrente zona attiva Me --> Me z+ + z e - E Me passività corrosione localizzata < 10 µm > E P E pit E corr Potential O 2 +2H 2 O + 4e - --> 4OH- Il film di ossido prottetivo (film passivo) viene distrutto dai cloruri, le armature sono depassivate. In presenza di H 2 O e O 2 inizia la corrosione localizzata. Corso di Laurea Ingegneria Civile 21 AA 11/12 Condizione per la corrosione localizzata La corrosione localizzata inizia quando E pit < E corr Open circuit potential [mv SCE] -80-120 -160-200 -240 Breit Hausmann this work Andrade long time passivation 12 12.5 13 13.5 14 14.5 ph of solution Il potenziale di corrosion E corr aumentaal diminuire del ph -> rischio molto più alto in CLS carbonatato Pitting potential [mv SCE] 400 300 200 100 0-100 -200 lower ph stainless steel 0.01 0.1 1 10 Cl concentration [Mol/l] Il potenziale di pitting Epit diminuisce All aumentare del tenore dei cloruri -> rischio aumenta Comportamente tipico di un sistema: non esiste un unico contenuto critico di cloruri. Dipende dalle caratteristiche del CLS e dall esposizione ambientale. Corso di Laurea Ingegneria Civile 22 AA 11/12
Meccanismo: macrocoppia armature intatte passivi, E ca. -0.1 V zone catodiche (O 2, di) corrosione localizzata E ca. - 0.7 V zona anodica (tenore di Cl - alto, ph basso) La circolazione di corrente dalle zone anodiche a quelle catodiche determina un movimento die cloruri in senso opposto (in quanto di carica negativa). L ambiente nella zona anodica diventa più aggressivo. Il meccanismo di macrocoppia risulta in velocità di dissoluzione locale molto alte, può arrivare anche a 1 mm/anno. Corso di Laurea Ingegneria Civile 23 AA 11/12 Vita utile delle strutture in CA Grado Zerstörungsgrad di corrosion limit state Vorbeugende Prevenzione Massnahmen possibile leicht facilmente möglich Ende der Nutzungsdauer Risse, Korrosion Fissure, corrosione und Abplatzungen sono visibile sichtbar armature in CLS alcalino sono passivate Penetrazione di CO 2 / Cl - armature sono depassivate (fine del periodo di innesco) In presenza di umidità e di O 2 Initiierung Innesco Zeit Individuazione con Schäden mit NDT Tecniche non-distruttive lokalisierbar Fortschritt Propagazione periodo di propagazione della corrosione Più presto si idividua un (possibile) danno, più semplice (e più economico) è la sua riparazione ( The rule of five ). Corso di Laurea Ingegneria Civile 24 AA 11/12
Tecniche non-distruttive per individuare zone con corrosione Mappatura del potenziale Corso di Laurea Ingegneria Civile 25 AA 11/12 Mappatura del potenziale Consente di individuare, prima che il danno diventi evidente, le zone in cui le armature si corrodono. L individuazione della corrosione è più facile con... - un copriferro piccolo - un CLS umido - differenze tra umido / secco - griglia di misura fine L individuazione delle zone con corrosione si base sulle differenze di potenziale Superfici molto grandi si possono misurare con multi-elettrodi con ruote. -> più informazioni si trovano sul sito Corso di Laurea Ingegneria Civile 26 AA 11/12
Come si può evitare la corrosione delle armature? Armature in acciaio inossidabile Primo di tutto: CLS di alta qualità, copriferro secondo le norme a/c 0.45, copriferro > 55 mm Armature in accioio inossidabile Mole in Yucatan, Messico, 1937-41 Lunghezza 1.75 km lang, 200 to 18/8 CrNi Stahl Tenore di cloruri in profondità 75 mm 1.2% per peso cemento, clima tropicale, acqua di mare > Non ci sono fenomeni di corrosione ARMINOX, www.stainless-rebar.org La struttura in acciaio normale è completamente distrutta. Corso di Laurea Ingegneria Civile 27 AA 11/12 Calcoli dei costi totali (life cycle costing) Costi iniziali... Costi totale (con riparazione )... 8 60 % total cost increase 7 6 5 4 3 2 1 1.4571 SS Structures with low total cost Bridges with high total cost 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 % of stainless steels Total cost (Mio lb Sterling) Black Steel 50 40 30 SS 316 20 SS 304 10 Restoration 0 0 20 40 60 80 100 120 Life (years)? Informazioni da F. Hunkeler, VSS Report 543 (2000) (ponti in Svizzera) Calcoli per ponte Oeland, Svezia (da www.stainless-rebar.org) Pochi percentuali di costi in più permettono vita di servizio > 120 anni Corso di Laurea Ingegneria Civile 28 AA 11/12
Korrosion von Stahl in Beton Armature resistenti alla corrosione Ponte sul rheno, CH (1995) Uso intelligente delle armature in acciaio inossidabile costose: Solamente nei punti critici (più esterni ed esposti ai cloruri) Questo riduce i costi totali a livelli ragionevoli (max. + 10%) 1.4462 - armature esterne dei piloni 1.4301 - armature longitudinali esterni costo +0.5 %, life cycle cost - 15% -> più informazioni nel corso Corrosione e Protezione dei Metalli Corso di Laurea Ingegneria Civile 29 AA 11/12 Per chi ne vuole sapere di più... L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri, R. Polder Corrosion of Steel in Concrete Wiley VCH (2004) P. Pedeferri, L. Bertolini McGraw-Hill (2000) Corso di Laurea Ingegneria Civile 30 AA 11/12