durabilitÀ del calcestruzzo - 23 - durabilità... · l. coppola – concretum – durabilità: la...

L. Coppola – Concretum –Durabilità: la corrosione da cloruri

“DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO –LA CORROSIONE DA CLORURI ”

Prof. Ing. Luigi Coppola

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BERGAMO

FACOLTA ’ DI INGEGNERIA


STRUTTURE AEREE SOTTOPOSTE A SALATURA (XC, XF e XD)

Nelle strutture aeree esposte ai sali disgelanti il degradoviene esaltato dalla CORROSIONE PROMOSSA DALCLORURO NEI CONFRONTI DELLE BARRE DIARMATURA che, unitamente all ’azione dell ’anidridecarbonica dell ’aria e ai fenomeni di degrado di tipofisico determinati dalle oscillazioni cicliche dellatemperatura intorno a 0 °C, possono determinareun DEGRADO PRECOCE EDINTENSO DELLE STRUTTUREriducendone drasticamente lavita di servizio


PARCHEGGI (XC e XD)

Oltre alle strutture orizzontali e verticalidirettamente interessate dai trattamenti consali disgelanti anche gli elementi incalcestruzzo armato e precompresso deiparcheggi per autoveicoli in climi freddi sonointeressati da questa problematica:i sali vengono trascinati a contatto con lestrutture in calcestruzzo dai veicoli chedurante la fase di sosta lasciano percolaresulle solette orizzontali le soluzioni salineraccolte durante la marcia sulle stradeinteressate dal trattamento con le soluzionidisgelanti


IMBOCCHI DELLE GALLERIE (XC, XF e XD oppure XC e XD)

I rivestimenti in calcestruzzo delle gallerie, siastradali che ferroviarie, soprattutto nelle zonedegli imbocchi ed in corrispondenza deipiedritti, possono essere interessati daglischizzi sollevati dalle ruote contenenti i saliraccolte durante la marciadei veicoli all ’esterno dei tunnel.


STRUTTURE MARINE (XC e XS )

Sono interessate dalla corrosione anche lestrutture idrauliche di contenimento di acquecontenenti cloruro (impianti di raffreddamentoche utilizzano acqua di mare) e tutte lestrutture marine, sia quelle aeree che sitrovano ad una distanza compresa tra 2 e 3Km dalla costa raggiunte dal clorurotrasportato per effetto eolico, che quelledirettamente a contatto con l’acqua di mare(banchine portuali, moli di attracco delle navi,bacini di carenaggio e strutture off-shore perl’estrazione dei combustibili naturali).


CLORURO TRAMITE INGREDIENTI DEL CLS

Sono interessati dal processo di corrosioneanche quegli elementi strutturali in cui ilcloruro erroneamente è stato aggiuntoattraverso gli ingredienti (l ’acqua, gli aggregatie/o gli additivi) per il confezionamento delcalcestruzzo


CORROSIONE DA CLORURI

STRUTTURE SOTTOPOSTE A TRATTAMENTO

CON SALI DISGELANTI :-PONTI

-VIADOTTI-PAVIMENTAZIONI

-PIAZZALI-STRADE IN CALCESTRUZZO

STRUTTURE INDIRETTAMENTEESPOSTE AI SALI DISGELANTI:

-PARCHEGGI COPERTI-GALLERIE STRADALI E FERROVIARIE

(ZONE DEGLI IMBOCCHI INCORRISPONDENZA DEI PIEDRITTI)

- BARRIERE STRADALI EDAUTOSTRADALI DI TIPO NEW JERSEY

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

CLORURI AGGIUNTI ERRONEAMENTEMEDIANTE GLI INGREDIENTI

DEL CALCESTRUZZO (ACQUA, ADDITIVI, AGGIUNTE E AGGREGATI)

STRUTTURE MARINE:-EDIFICI E INFRASTRUTTURE DISTANTI

FINO A 2-3 Km DALLA COSTA-BANCHINE PORTUALI,

MOLI, BACINI DI CARENAGGIO-STRUTTURE OFF-SHORE


PONTI

Nelle strutture da ponte l ’azione aggressiva del cloruroe la conseguente corrosione delle armature può esserefavorita dal particolare schema statico adottato per larealizzazione dell ’infrastruttura.Una ricerca (Italia, 1998) ha individuato che lapercentuale di ponti che presentano difetti la cuieliminazione richiede un intervento di manutenzione abreve o medio termine risulta inferiore per gli impalcaticon schema strutturale continuo interessati da unnumero ridotto di giunti che risultano meno degradatidi quelli con schema statico di tipo Gerber.


Tipo di ponteSchema statico

N°ponti

Anno medio di costruzione

% ponti che necessitano di interventi di ripristino

c.a appoggiato 554 1965 6.7c.a. Gerber 75 1965 14.6c.a continuo 24 1962 -c.a telaio 85 1966 8.3

c.a.p(fili aderenti)

appoggiato 697 1972 3.6

c.a.p.( fili aderenti)

Gerber 4 1965 50

c.a.p.( fili aderenti)

continuo 13 1979 -

c.a.p.( cavi scorrevoli)

appoggiato 1212 1969 5.1


Gerber 29 1968 24.1


continuo 64 1979 -


telaio 17 1967 23.5

Tipologia di ponti realizzati in Italia nel periodo 1950-92 e percentuali di opere che necessitano di un intervento di manutenzione a brev e-medio termine.


CORROSIONE DA CLORURI

La stabilità del film di ossido protettivopresente sulla superficie delle armature -responsabile di velocità di corrosioneingegneristicamente nulle - può esserecompromessa se in prossimità dellebarre di acciaio si realizzanoconcentrazioni critiche di clorurosufficienti ad innescare il processo dicorrosione .


CONCENTRAZIONE CRITICA

La corrosione dell ’ acciaio nelconglomerato cementizio si verifica soloallorquando la concentrazione degli ioniCl- in corrispondenza dell ’ interfacciaacciaio -calcestruzzo supera la“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 risulteràinferiore rispetto a quella necessaria per innescare ilprocesso di corrosione in una struttura interrata oancor più in una struttura idraulica permanentementeimmersa ove la diffusione dell ’ossigeno è fortementerallentata dall ’elevato grado di saturazione dei poricapillari della matrice cementizia.


VALORI PRATICI

Nella pratica, nelle strutture aeree LACONCENTRAZIONE CRITICA è all ’ incirca tra0.05 e 0.15 % rispetto alla massa delcalcestruzzo (circa 0.3-1.0 % sulla massa delcemento).Nelle strutture completamente immerse laconcentrazione critica è circa 30-10 voltemaggiore.


STRUTTURE IMMERSEIl rischio di corrosione risulta molto basso opraticamente assente nelle strutture permanentementeimmerse in soluzioni contenenti cloruri in quanto ilprocesso elettrochimico è fortemente inibito dalloscarso apporto di ossigeno che perviene in prossimitàdelle armature a causa della completa saturazione deipori capillari. Il processo in queste condizioni puòmanifestarsi soltanto quando la concentrazione criticadi cloruro in prossimità delle barre raggiunge valoridell ’ordine del 10% rispetto alla massa del cemento;queste concentrazioni critiche risulta di un ordine digrandezza maggiore della vita di servizio normalmenteprevista per le opere in calcestruzzo armato. Si puòconcludere, quindi, che il rischio di corrosione instrutture permanentemente immerse è dal punto di vistaingegneristico praticamente nullo.


STRUTTURE INTERRATE

Nelle strutture interrate la situazione dalpunto di vista della corrosione da cloruriè molto simile a quella che si realizzanelle opere permanentemente immerse .Anche per queste strutture, infatti, ilprocesso è sotto controllo di diffusionedell ’ossigeno che di fatto è impedito araggiungere le armature per alimentare lacorrosione anche in presenza di rilevanticoncentrazioni di cloruro .


STRUTTURE ESPOSTE A CICLI DI ASCIUTTO/BAGNATO

Nelle strutture che alternano periodi diasciutto/bagnato , ovvero diimmersione/emersione in soluzioni checontengono cloruro il rischio di corrosione èmolto alto in quanto durante le fasi diimmersione il cloruro può penetrareraggiungendo le armature e nella fase diemersione l ’ ossigeno può pervenire inprossimità delle barre alimentando il fenomenodi corrosione per pitting grazie anche allabassa resistività elettrica del conglomeratoricco di ioni Cl-.


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

STRUTTURA:



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 cloruri, incrementando gradualmente lapercentuale di questi ioni si raggiunge una situazionedi equilibrio in cui la corrosione e il ripristino del filmavvengono con la stessa velocità


RAPPORTO CRITICO

Il valore critico della concentrazione di ioni Cl-può essere definito dal rapporto [Cl -/OH-] in corrispondenza delquale la probabilità che i due eventi che conducono alla pass ivitàeguagli quella dei tre eventi che conducono alla corrosione . Permezzo del calcolo statistico si può dimostrare che ciò avvie nequando:


VALORE REALE

Recenti lavori hanno dimostrato (Lambert etal.) che il valore critico del rapporto [Cl-]/[OH-] è molto più alto e pari all ’incircaa 3.


VALORI PRATICI

Nella pratica, questi valori del rapporto molarecorrispondono nelle strutture aeree all ’incircaad una percentuale di cloruro compresa tra0.05 e 0.15 % rispetto alla massa delcalcestruzzo (circa 0.3-1.0 % sulla massa delcemento).


CLORURI E CORRIONE

Cl-/OH- < 3

Cl-/OH- = 3

CONCENTRAZIONI EFFETTO PREDOMINANTE

RIPRISTINO DEL FILM DI OSSIDO

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 LIBERICOMBINATI

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

1. Possono accumularsi all ’ apice della soluzione di continuitàdeterminando il raggiungimento anticipato della concentr azionecritica;

2. Non possono essere legati chimicamente dai costituenti m ineralogicidel cemento, ma sono solo parzialmente adsorbiti, in quantit à menoimportanti rispetto a quelle combinate chimicamente, sull a superficiedei prodotti di idratazione.

CLORURI AGGIUNTI TRAMITE GLI INGREDIENTI

1. Si combinano chimicamente con l ’alluminato tricalcico del clinker dicemento Portland formando un cloroalluminato di calcio (sa le diFriedel) innocuo per la corrosione dell ’acciaio;

2. Si distribuiscono omogeneamente nell ’ impasto evitando che sirealizzino zone a concentrazione elevata;

CLORURI DALL ’ESTERNO


CLORURI TRAMITE INGREDIENTI

Durante l ’ idratazione del cemento il C3Areagisce con i cloruri formando un sale dicomposizione 3CaO · Al 2O3 · CaCl2 · 10H2O(monocloroalluminato di calcio o sale diFriedel) se questi non eccedono lo 0.15% sullamassa del calcestruzzo (corrispondenteall ’ incirca allo 0.3 ÷ 0.4% sulla massa delcemento)


MATERALI POZZOLANICI

I calcestruzzi con cementi contenenti fumo disilice, loppa e cenere volante offrono miglioriresistenze nei confronti della corrosionepromossa dal cloruro . Ciò può essere spiegatodal fatto che tali materiali sopperiscono allariduzione del pH con una maggiore capacità dilegare i cloruri liberi presenti nell ’impasto econseguentemente con una riduzione delrapporto [Cl -/OH-] rispetto ai calcestruzzi disolo cemento Portland .


SOLFATI E CLORURI

La capacità di legare i cloruri, inoltre,diminuisce se nel calcestruzzo è presente delsolfato introdotto attraverso gli ingredienti edin particolare attraverso l’acqua di impasto egli aggregati. Questo comportamento è daascrivere alla tendenza dell ’ alluminatotricalcico a reagire preferenzialmente con gliioni solfato anziché con gli ioni cloruro,inibendo di fatto la formazione delmonocloroalluminato di calcio


CONTENUTO DI SOLFATI

EVITARE INDESIDERATI FENOMENI ESPANSIVI

CONTENUTO DI SOLFATI MAX

AGGREGATI

• GROSSISO4 < 0.2% (massa)

• FINISO4 < 0.8% (massa)

(UNI 8520-2)

ACQUA D’IMPASTO

SO42- < 2000 mg/l(UNI 1008)


CONTENUTO DI CLORURI

Il contenuto di cloruri nel calcestruzzo viene ottenutosommando quello apportato da tutti gli ingredientiutilizzati per il confezionamento (acqua di impasto,cemento, aggregati, aggiunte e additivi). Sebbenevengano fissati dei limiti al contenuto di cloruri negliingredienti (ad esempio di 500 mg/l e 1000 mg/l per perl’acqua di impasto destinata al confezionamento dicalcestruzzi rispettivamente per strutture in c.a e c.a.p ;0.03% in massa è il limite fissato per il clorurocontenuto negli aggregati), tuttavia, essendo questisali prontamente solubili, è importante rispettare illimite nel contenuto totale nell ’impasto piuttosto chequello relativo al singolo ingrediente.


Calcestruzzo perClasse di

contenuto in cloruri

Percentuale max di cloruri rispetto alla massa del cemento

e delle aggiunte di tipo II

Strutture non armate

Cl 1.00 1%Strutture in c.a. Cl 0.40 0.40%Strutture in c.a. Cl 0.20 0.20%Strutture in c.a.p.

Cl 0.20 0.20%Strutture in c.a.p.

Cl 0.10 0.10%

CONTENUTO DI CLORURI


TIPO DI CEMENTO

LA NORMA NON FA ALCUN RIFERIMENTO AL TIPO DI CEMENT O E DI AGGIUNTE EVENTUALMENTE PRESENTI NELL ’IMPASTO

CONSIGLI

Cl 0.2% strutture in C.A.

Cl 0.1% strutture in C.A.P.

• UTILIZZO DI CEMENTI RESISTENTI AI SOLFATI (RIDOTTO TENORE C3A)

• % SOLFATO NELL ’AGGREGATO PROSSIMA AL VALORE MASSIMO FISSATO

Cl 0.4% strutture in C.A.

Cl 0.2% strutture in C.A.P.

• UTILIZZO DI CEMENTI POZZOLANICI O DI ALTOFORNO

• IN TUTTI GLI ALTRI CASI


La percentuale massima di cloruri 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

CONTENUTO DI CLORURI – C.A.P.


CORROSIONE SOTTO SFORZO

La corrosione sotto sforzo è la principale causadelle rotture improvvise di acciai ad altaresistenza meccanica utilizzati nelle strutture incalcestruzzo precompresso o nelle struttureprefabbricate che utilizzano questo tipo di barreper il fissaggio degli elementi della costruzione.Si manifesta con la nucleazione e lapropagazione di una cricca che avanza, pereffetto congiunto della sollecitazione di trazionee dell ’ambiente aggressivo, fino a raggiungereuna situazione critica di collasso finale



Cloruri erroneamente AGGIUNTI all ’impasto

attraverso gli INGREDIENTI.

CONCENTRAZIONE CRITICA DI CLORURO

Cloruri migrano DALL ’AMBIENTE

ESTERNO nel calcestruzzo


DIFFUSIONE

La passività dell ’acciaio nel calcestruzzo può esserepreservata prescrivendo che nel confezionamento delcalcestruzzo vengano impiegati ingredienti il cuicontenuto totale di cloruro non superi i valori massimistabiliti dalla norma UNI-EN 206 ed evitandoaccuratamente di utilizzare additivi a base di cloruro dicalcio. Tuttavia, anche per conglomeraticorrettamente confezionati, la corrosione dellearmature può essere promossa dai cloruripresenti nell ’ ambiente che circonda lastruttura in calcestruzzo armato .


PROCESSI DI TRASPORTO

I processi di trasporto del cloruro all’internodel calcestruzzo giocano un ruolo chiave nelcomplesso del fenomeno corrosivo in quanto,l ’ innesco del processo elettrochimico dicorrosione è governato dalla velocità con cuigli ioni cloruro riescono a penetrare nelcalcestruzzo e a raggiungere incorrispondenza dell ’ armatura laconcentrazione critica sufficiente perinnescare il processo .


PROCESSI DI TRASPORTO

In assenza di fessure e di macrodifettilegati ad errori di compattazione i cloruripresenti sulla superficie del calcestruzzopossono penetrare nella strutturaprincipalmente attraverso i pori capillaridella matrice cementizia , principalmentese questi sono interconnessi, e attraversole microfessure presenti all ’ interfacciapasta -aggregato .


PRIMA LEGGE DI FICK

Il processo di trasporto tipicamente diffusivo ègenerato dalla differenza di concentrazione trala superficie della struttura in calcestruzzo (aconcentrazione maggiore) e le zone internedella struttura caratterizzate da una minoreconcentrazione di cloruro e può essere definitoin regime stazionario dalla prima equazione diFick


PRIMA LEGGE DI FICK

J = flusso [Kg/(m 2s)];c = concentrazione del cloruro [Kg/m 3];x = distanza dalla superficie del calcestruzzo[m];D = coefficiente di diffusione effettivo delcloruro in [m2/s]


SECONDA LEGGE DI FICK

Nella realtà il processo di diffusione del cloruronon avviene in regime stazionario in quanto laconcentrazione della sostanza diffondente nonpuò ritenersi costante nel tempo . Pertanto, ilprocesso di diffusione è meglio rappresentatodalla 2 a equazione di Fick


COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE APPARENTE

Dapp = coefficiente di diffusione apparente

DIPENDE da:1. variabilità della concentrazione della sostanza diffon dente nel

tempo;2. variazione della porosità della matrice cementizia per e ffetto

del procedere della reazione di idratazione del cemento, ch edella capacità dei prodotti di idratazione di legare parte d egliioni diffondenti.

Il coefficiente di diffusione apparente viene calcolatomisurando il profilo di concentrazione del cloruro inprovini di calcestruzzo immersi in una soluzione aconcentrazione nota della sostanza diffondente.


CONDIZIONI AL CONTORNO

� per x > 0 e per t = 0 la concentrazione dicloruro 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 delcloruro è pari a quella della soluzione acontatto con la superficie del calcestruzzoe vale c = c0 = cs


PROFILO DI CONCENTRAZIONE

La penetrazione del cloruro nel calcestruzzo èrappresentato da un profilo di concentrazionedecrescente dalla superficie a contatto conl ’ ambiente aggressivo verso l ’ interno dellastruttura. Dopo un certo tempo t e per una datadistanza x dalla superficie la concentrazione delcloruro nel calcestruzzo risulterà tanto piùelevata quanto maggiore è la concentrazionedel cloruro della soluzione a contatto con lasuperficie 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 elevataquanto maggiore è il coefficiente di diffusione apparentedel conglomerato che dipende da:� fattori che influenzano la porosità capillare dellamatrice cementizia:

� rapporto a/c;� grado di idratazione dell ’impasto al momento

dell ’esposizione al cloruro;� fattori che influenzano la capacità dei prodotti diidratazione di legare il cloruro durante il processo didiffusione:

� 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


Cs = 5%Dapp = 5.10-12 m2/s

0 50 1000

2

4

Cloruri(% in peso

sul cemento)

Profondità (mm)

10 anni1 anno

1

0,4Tenore critico


1E-13

1E-12

1E-11

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

Dap

p(m

2 /s)

CEM I(portland)

CEM III/B(con loppa)

CEM IV/A(pozzolanico)

a/c

COEFFICIENTE DI DIFFUSIONE APPARENTE


MECCANISMO

Una parte dei sali che rimangono nelle zone superficialipossono essere anche rimossi per effetto dell ’azionedilavante esercitata dalla marea o dalle onde. Neglistrati corticali, infine, se i periodi di asciugamentosono particolarmente lunghi, anche l ’ anidridecarbonica può penetrare modificando la capacità deiprodotti di idratazione del cemento di legare i cloruri.Si intuisce, quindi, in definitiva come NELLESTRUTTURE AEREE LA VELOCITÀ DI DIFFUSIONEDEL CLORURO DIPENDA FORTEMENTE DALLADURATA DEI PERIODI DI ASCIUTTO/BAGNATO


STRATO DI CONVEZIONE

Alla luce del particolare comportamento delle zonecorticali in strutture sottoposte a cicli alternati diasciutto/bagnato l ’equazione di Fick viene assuntavalida in tutto lo spessore della struttura incalcestruzzo, ad eccezione di uno strato corticale dispessore dx , che viene indicato come “STRATO DICONVEZIONE”, dove i dati sperimentali indicano unariduzione della concentrazione del cloruro rispetto alvalore atteso in accordo con l ’equazione di Fick.


PROFILO DI CONCENTRAZIONE REALE


EQUAZIONE SEMPLIFICATA

si può assumere a vantaggio di sicurezza:� concentrazione critica ( ccrit ) = 0.40%;� concentrazione iniziale ( c i ) = 0.10%;� concentrazione superficiale (c s ) = 2%;� esposizione al cloruro avvenga subito dopo ildisarmo della struttura ( texp =0);� tempo t pari alla vita di servizio (TSLS).


EQUAZIONE SEMPLIFICATA

� TSLS in anni;� Dapp im m2/s.

Per calcolazioni più accurate si può tener conto dei seguent ivalori della concentrazione superficiale: 0.4%, 1.2, 1.75 e 2.5 %rispettivamente per condizioni di aggressione blande, med ie, alte(strutture orizzontali direttamente esposte al trattamen to con salidisgelanti) ed altissime (strutture marine esposte nella z ona delleonde).


C(x/y) Dapp (m2/s)C16/20 10.0 · 10-12

C20/25 5.0 · 10-12

C25/30 3.5 · 10-12

C28/35C30/37

2.0 · 10-12

C32/40 1.0 · 10-12

C35/45 0.5 · 10-12

C40/50 0.3 · 10-12

Coefficiente di diffusione apparente del cloruro in calcestruzzi confezionati con

cemento Portland di tipo I


Tipi di Cemento I II -L II-

VII-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

Coefficiente di correzione di D app per calcestruzzi confezionati con cementi

diversi dal tipo I


Rck dx (mm)20 ÷ 30 10 ÷ 835 ÷ 45 6 ÷ 445 ÷ 55 4 ÷ 2

Spessore dello strato di convezione in funzione della resistenza caratteristica del conglomerato misurata su provini cubici


ESEMPIO

UNA STRUTTURA ESTERNA, ESPOSTA ALLA PIOGGIA, A CONTATTO DIRETTO CON ACQUA MARINA:

• VITA UTILE 100 ANNI;

• CALCESTRUZZO RCK 40 N/mm 2;

• CEMENTO CEM II A-L 42.5R


COPRIFERRO

SPESSORE DI CALCESTRUZZO ATTACCATO DAI CLORURI NEL TEMPO È :

TSLS = 100 anni;


C(x/y) Dapp (m2/s)C16/20 10.0 · 10-12

C20/25 5.0 · 10-12

C25/30 3.5 · 10-12

C28/35C30/37

2.0 · 10-12

C32/40 1.0 · 10-12

C35/45 0.5 · 10-12

C40/50 0.3 · 10-12

Coefficiente di diffusione apparente del cloruro in calcestruzzi confezionati con

cemento Portland di tipo I


Tipi di Cemento I II -

LII-V

II-S

II-T

IV/A

III/A

III/B

V/A

V/B

I-ARS



diversi dal tipo I


Rck dx (mm)20 ÷ 30 10 ÷ 835 ÷ 45 6 ÷ 445 ÷ 55 4 ÷ 2

Spessore dello strato di convezione in funzione della resistenza caratteristica del conglomerato misurata su provini cubici


COPRIFERRO


TSLS = 100 anni;Dapp = 1 · 10-12 (m2/s) * 1.35;dx = 5 mm

xcrit = 141 mm


CONSIDERAZIONI

xcrit = 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


Tipi di Cemento I II -

LII-V

II-S

II-T

IV/A

III/A

III/B

V/A

V/B

I-ARS



diversi dal tipo I


COPRIFERRO


TSLS = 100 anni;Dapp = 1 · 10-12 (m2/s) * 0.40;dx = 5 mm

xcrit = 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


acciai inossidabili

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Profondità (cm)

Clo

ruri

(% v

s ce

men

to)

CEM I, a/c = 0,55

CEM III/Ba/c = 0,4

t = 50 anniCs = 5%

acciaio al carbonio

CEM I, a/c = 0,4acciaio zincato


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 filmpresenta una maggiore porosità oppure deidifetti. Quindi, attraverso una dissoluzioneselettiva dei componenti più reattivi del filmpassivo, gli ioni cloruro penetrano in questi sitipiù rapidamente che altri anioni presenti nellasoluzione acquosa all ’interfaccia con il metallopromuovendo il fenomeno di corrosionelocalizzata


TEORIA DELL’ADSORBIMENTO

Gli ioni Cl- sostituirebbero gli atomi di ossigenopresenti nello strato di passività determinandouna differenza di potenziale elettrochimico nelfilm che diviene così instabile. A supporto diquesta ipotesi si pensa che l ’elevata velocità direazione dell ’acciaio nelle zone in cui il cloruroha sostituito gli atomi di ossigeno possaspiegare la formazione dei crateri tipici delprocesso di corrosione in presenza di ioni Cl-


TEORIA DEL COMPLESSO TRANSITORIO

Gli ioni Cl- competono con gli ioni OH- per combinarsi congli ioni ferrosi prodotti dall ’ossidazione del metallo. Seprevalgono gli ioni cloruro si forma un complessosolubile di cloruro di ferro che può diffondere lontanodalla zona anodica ove si è prodotta la distruzione delfilm passivo. Ad una certa distanza dalla barra ilcomplesso si rompe precipita idrossido di ferro e ilcloruro è di nuovo libero per trasportare ulteriori ioniferrosi lontano dall ’anodo.


MICROCELLA

In presenza di cloruri si forma una microcelladi corrosione in cui le zone ove lo strato diossido è stato rimosso funzionano da anodo equelle circostanti (ancora passive) da catodoove ha luogo la riduzione dell ’ossigeno


AMBIENTE ESTERNO ACQUA OSSIGENOCLORURI

FILM DI OSSIDO PROTETTIVO

COPRIFERRO IN CALCESTRUZZO

FRONTE DI AVANZAMENTOCLORURI

ROTTURA DEL FILM DI OSSIDO

CRATERE DI CORROSIONE

TRASFERIMENTOELETTRONI NELLA BARRA

H2O, Cl-,H+

OH-IONI Cl- DA CATODOAD ANODO


SINGOLARITÁ

Il flusso di corrente che chiude il circuito attraverso ilcopriferro contribuisce ad esaltare l ’aggressività dellazona anodica in quanto il cloruro, essendo un anione,viene trasportato verso la zona di incipiente formazionedel pit ove, peraltro, l ’idrolisi dei prodotti di corrosioneproduce una diminuzione dell ’ alcalinità che esaltaulteriormente la dissoluzione del metallo. Per contro, ilpassaggio di corrente stabilizza ulteriormente il filmpassivo nelle regioni catodiche, sia perché i clorurivengono allontanati da queste zone verso quelleanodiche, sia perché per la riduzione dell ’ossigeno vi èun conseguente incremento dell ’alcalinità.


AMBIENTE ESTERNO ACQUA OSSIGENOCLORURI

FILM DI OSSIDO PROTETTIVO

COPRIFERRO IN CALCESTRUZZO

FRONTE DI AVANZAMENTOCLORURI

ROTTURA DEL FILM DI OSSIDO

CRATERE DI CORROSIONE

TRASFERIMENTOELETTRONI NELLA BARRA

H2O, Cl-,H+

OH-IONI Cl- DA CATODOAD ANODO


PROFONDITÁ ATTACCO

L’elevata alcalinità delle zone catodiche impedisce alpit di crescere lateralmente e conseguentementeaumenta la velocità di penetrazione dell ’ attaccovaiolante che può raggiungere valori dell ’ordine delmm/anno. I prodotti di corrosione che si formano sonoper lo più solubili nell ’ambiente acido dell ’anodo.

LA CORROSIONE PROGREDISCE SENZANECESSARIAMENTE GIUNGERE ALLAFESSURAZIONI E ALL ’ ESPULSIONE DIPORZIONI SIGNIFICATIVE DI CALCESTRUZZO.


CRATERI DI CORROSIONE

La pericolosità dell ’attacco corrosivo è dovuta al fattoche, nonostante la perdita di materiale metallico possarappresentare una percentuale trascurabile del pesototale della barra, la profondità del pit può interessare inbreve tempo spessori considerevoli dell ’armatura.

CLORURIin assenza di carbonatazione

CORROSIONE ACCIAIO LOCALIZZATAcrateri ( PIT) con Φ = 1÷10 mm


CONCENTRAZIONI ELEVATE DI CLORURO

• CLORURI IN ELEVATE CONCENTRAZIONI• CLORURI IN PRESENZA DI CARBONATAZIONE

COMPLETA DISTRUZIONE DEL FILM DI OSSIDO

PIT CONTIGUI


ATTACCO LOCALIZZATO (pitting)


Clo

ruri

Profondità

Cl-

Tenore critico Clcr

DEGRADO DA CLORURI

H2O

cNOM


CLASSE DI ESPOSIZIONE

DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA E DELL’AMBIENTE (a/c)max C(x/y)min

cmin(Kg/m 3)

cf,NOM(mm)

XD1Strutture esposte a spruzzi di

acque contenenti cloruro 0.55 C 28/35 320 40/50

XD2

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

cloruri 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

CLASSE XD DEGRADO DA CLORURI


OPERE MARITTIME

Le opere marittime presentano delle peculiaritàrispetto alle altre strutture: alla corrosione delcloruro, infatti, si sommano gli effettimeccanici derivanti dall ’azione delle onde edelle maree, l ’azione abrasiva ad opera deisolidi sospesi e quella chimica imputabile allesostanze disciolte nell ’acqua di mare.


BANCHINA LIVELLO BASSA MAREA

ZONA DI AEROSOL

MARINO:

XS1

ZONA SPRUZZI,

ONDE,

MAREE:

XS3

ZONA DI COMPLETA IMMERSIONE

XS2

CLASSE TIPO DI DEGRADO

XS1 Attacco solfatico: ASSENTE; Dilavamento: ASSENTE;Cristallizzazione salina: MEDIO-ALTA;Corrosione: MEDIA;

XS2 Attacco solfatico: MODERATO-BASSO; Dilavamento: ASSENTE;Cristallizzazione salina: ASSENTE; Effetti meccanici: ASSENTICorrosione: ASSENTE (trascurabile);

XS3 Attacco solfatico: MODERATO; Dilavamento: FORTE;Cristallizzazione salina: ALTISSIMA; Effetti meccanici: FORTICorrosione: FORTE (alta);


Zona atmosferica

Zona degli spruzzi

Zona delle maree

Marea min

Acqua di mare

Aria

Livello medio maree

Marea max

Zona sommersa


CLASSE DI ESPOSIZIONE

DESCRIZIONE DELLA STRUTTURA E DELL’AMBIENTE (a/c)max C(x/y)min

cmin(Kg/m 3)

cf,NOM(mm)

XS1

Strutture esposte alla salsedine marina ma non in contatto con l ’acqua di

mare

0.50 C32/40 340 40/50

XS2

Strutture totalmente immerse 0.45 C35/45 360 45/55

XS3

Strutture esposte agli spruzzi, alle maree e alle

onde. 0.45 C35/45 360 50/60

CLASSE XS DEGRADO DA CLORURI MARINI


Presenza di microfessure derivanti dal:- calcolo strutturale;

- mancata protezione umida dei getti;

Penetrazione dei sali per assorbimento dell’acqua di mare e successivamente per diffusione

IMMERSIONE (1)

EMERSIONE (2)

Cristallizazione salina e conseguente aumento dell ’ampiezza delle microfessurazioni iniziali

MOTO ONDOSO (3)

Azioni impulsive e fenomeni di erosione determinano un ulteriore incremento del quadro fessurativo.

SUPERAMENTO DELLO SLS e conseguente COLLASSO (SLU)

(7)

AUMENTO DEL QUADRO FESSURATIVO;PERDITA DI RIGIDEZZA

(6)

FACILITA ’ DI ACCESSO PER OSSIGENO E CLORURI

(4)

CORROSIONE DELL’ACCIAIOESPULSIONE DI PORZIONI DEL COPRIFERRO

(5)


CARATTERISTICHE INCROSTANTI

Nelle strutture immerse, infatti, è praticamentenullo il rischio di corrosione a causadell ’assenza di ossigeno che può pervenire inprossimità delle barre di armatura. Inoltre,salvo casi eccezionali di golfi inquinati doveesiste uno scarso ricambio delle acque, o diaree in prossimità degli estuari di fiumi,l ’ acqua di mare presenta caratteristicheincrostanti.


BRUCITE ED ARAGONITE

L’acqua di mare INCROSTANTE favorisce sullasuperficie delle strutture in calcestruzzo laformazione di depositi superficiali costituiti dauno strato di brucite (idrossido di magnesio)ricoperto da uno strato più spesso di aragonitecontenente anche tracce di calcite. Lo strato dibrucite derivante dalla reazione del CH con ilsolfato di magnesio ha spessore compreso tra10 e 20 µm e si sviluppa già dopo 24 oredall ’immersione in acqua di mare.


BRUCITE ED ARAGONITE

Dopo 4 giorni questo strato è completamenteformato e raggiunge spessori di 30-35 µm. Lostrato di brucite viene successivamentericoperto da uno strato di aragonite (50-100 µm)che ha bisogno per formarsi di qualche mese.Questi strati rappresentano una protezioneaggiuntiva per il calcestruzzo in quantoriducono il processo di diffusione del cloruro,quello dell ’ossigeno e attenuano il potenzialedegrado del solfato disciolto nell ’acqua di mare.

durabilitÀ del calcestruzzo - 23 - durabilità... · l. coppola – concretum – durabilità: la...

Documents