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La corrosione delle armature per carbonatazione del calcestruzzo

Renato Iovino

Emanuele La Mantia

Simonetti Simonetti

Il degrado delle strutture in cemento armato: tra teoria e sperimentazione.
La corrosione delle armature per carbonatazione del calcestruzzo.

Tratto dagli atti del Congresso CONCRETE 2014: PROGETTO E TECNOLOGIA PER IL COSTRUITO - Tra XX e XXI secolo  

1. Premessa

Le strutture in conglomerato cementizio armato, realizzate dal secondo dopoguerra ad oggi, presentano in gran parte manifesti segni di degrado indotti dagli attacchi chimico-fisici e derivante dalla corrosione delle armature e dai cicli di gelo e disgelo (Figg. 1 - 3). Ci si potrebbe chiedere perché le strutture in cemento armato realizzate nel secondo dopoguerra presentano, in gran parte, tanto degrado. Perché il matrimonio calcestruzzo/acciaio è stato un errore ed è ora di celebrarne il divorzio? Perché l’acciaio impiegato è scadente? Perché l’impresa ha lavorato male? Perché la centrale di betonaggio ha fornito un calcestruzzo di qualità scadente? Forse anche per tutto questo, ma principalmente perché il progettista non si è preoccupato di studiare opportunamente il mix design del calcestruzzo; perché il progettista non si è preoccupato di verificare il numero di tondini di acciaio presenti nelle sezioni delle travi, dei pilastri e nei nodi; perché il progettista non ha fissato un adeguato copriferro; perché il calcestruzzo del nodo pilastro-travepilastro non è opportunamente confinato; perché il direttore dei lavori ed il collaudatore in corso d’opera non hanno controllato la fase dei getti.

2. Il degrado delle strutture in cemento armato

Il Comitato Intereuropeo del Calcestruzzo (CEB) e la Federazione Internazionale del Precompresso (FIP) definiscono la durabilità come l’Attitudine di un’opera a sopportare agenti aggressivi di diversa natura mantenendo inalterate le caratteristiche meccaniche e funzionali. In generale, per le strutture in cemento armato la durabilità è legata alla capacità del calcestruzzo di proteggere le armature metalliche dai processi di corrosione provocati dall’attacco degli agenti aggressivi presenti nell’aria, nell’acqua e nei terreni. La durabilità, per tanto, è strettamente legata all’esposizione ambientale della struttura.




3. La durabilità delle strutture in cemento armato

Le NTC 2008, al § 11.2.11, stabiliscono che per garantire la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, ordinario o precompresso, esposte all’azione dell’ambiente, si devono adottare quei provvedimenti atti a limitare gli effetti di degrado indotti dall’attacco chimico, fisico e derivante dalla corrosione delle armature e dai cicli di gelo e disgelo. In particolare, le NTC 2008 stabiliscono: In fase di progetto la prescrizione, valutate opportunamente le condizioni ambientali del sito ove sorgerà la costruzione o quelle di impiego, deve fissare le caratteristiche del calcestruzzo da impiegare (composizione e resistenza meccanica), i valori del copriferro e le regole di maturazione. Per la valutazione della durabilità, nella formulazione delle prescrizioni sul calcestruzzo, si potranno prescrivere anche prove per la verifica della resistenza alla penetrazione agli agenti aggressivi, ad esempio si può tener conto del grado di impermeabilità del calcestruzzo. A tal fine può essere determinato il valore della profondità di penetrazione dell’acqua in pressione in mm, in base a quanto indicato nella norma UNI EN 12390- 8:2002. Al fine di ottenere la prestazione richiesta in funzione delle condizioni ambientali, nonché per la definizione della relativa classe, si potrà fare utile riferimento alle indicazioni contenute nelle Linee Guida sul calcestruzzo strutturale edite dal Servizio Tecnico Centrale del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ovvero alle norme UNI EN 206-1:2006 ed UNI 11104:2004.

4. La corrosione delle armature metalliche indotta dal fenomeno della carbonatazione del calcestruzzo

Per carbonatazione del calcestruzzo s’intende la formazione di carbonato di calcio nella massa di questo materiale allo stato indurito. Per effetto della carbonatazione diminuisce il ph del calcestruzzo e si stabiliscono le condizioni favorevoli alla ossidazione delle armature metalliche presenti nelle strutture. In particolare le sostanze che provocano il fenomeno sono l’anidride carbonica, l’ossigeno e l’acqua, contenuta sotto forma di vapore nell’aria. Durante la presa e l’indurimento del calcestruzzo i componenti del cemento, quali i composti C2S e C3S, sono interessati dalle reazioni di idratazione e formano la famiglia dei composti C-H-S (Calcium-Silicate-Hidraded), e l’idrossido di calcio Ca(OH)2:


L’idrossido di calcio abbassa l’acidità del calcestruzzo, fino a valori del ph maggiori di 13, e la basicità del composto favorisce la passivazione delle armature metalliche, ovvero la formazione di una pellicola di ossido di ferro, F2O3, che viene a ricoprire i tondini metallici. La pellicola, impermeabile e compatta, isola la massa dell’armatura dal contatto con l’ossigeno e con l’acqua, impedendo la formazione della ruggine. Purtuttavia la presenza nella massa del calcestruzzo sia dell’idrossido di calcio derivante dalla idratazione del cemento, sia dell’anidride carbonica legata alla penetrazione dell’aria, provoca la formazione di carbonato di calcio


che innalza l’acidità fino a valori del ph minori di 11. La riduzione del ph provoca la depassivazione del ferro, ovvero quella che era la pellicola protettiva dell’armatura diventa porosa ed incoerente, consentendo all’ossigeno ed all’acqua di attaccare l’armatura metallica. L’acqua e l’ossigeno provocano l’ossidazione del ferro secondo la nota reazione:


All’ossidazione dell’armatura metallica corrisponde un aumento del volume del metallo, di circa 6-7 volte rispetto al volume iniziale, con conseguente fessurazione del copriferro, prima, ed espulsione dello stesso, dopo. In conclusione, la carbonatazione non provoca direttamente il degrado del calcestruzzo, né tanto meno quello dell’armatura metallica, ma determina le condizioni favorevoli per l’azione aggressiva dell’ossigeno e dell’umidità ambientali penetrati nella massa del calcestruzzo insieme all’anidride carbonica. L’avanzamento del fenomeno della carbonatazione nella massa strutturale avviene secondo la relazione:


nella quale:

  • x è lo spessore di calcestruzzo interessato dalla carbonatazione, in mm
  • t è il tempo, in anni
  • n è un coefficiente che dipende dalla porosità del conglomerato: n=2 per calcestruzzi porosi, n>2 per quelli compatti
  • k è un coefficiente complesso funzione del rapporto A/C, del titolo del cemento e dell’umidità relativa dell’aria. Il coefficiente k assume il valore massimo per una umidità relativa compresa tra il 60 e il 70%.

Nella Tabella 1 sono riportati i valori di k, al variare del rapporto A/C, per un cemento tipo II A-L 42.5 con umidità relativa φ=65%.


5. Le classi di esposizione ambientale

La norma UNI 11104 e le Linee Guida del Consiglio Superiore dei LL.PP. definiscono sei Classi di Esposizione agli agenti aggressivi:

  • X0 Assenza di rischio
  • XC Corrosione da Carbonatazione
  • XD Corrosione da Cloruri ad esclusione di quelli di mare
  • XS Corrosione da Cloruri di mare
  • XF Degrado per gelo e disgelo
  • XA Degrado chimico

In funzione della classe di esposizione si determinano i valori di Rck (min), del rapporto A/C (max), del dosaggio di cemento C (min), dello spessore del copriferro s (min). La classe XC è relativa alle condizioni di rischio di corrosione indotta dalla carbonatazione del calcestruzzo ed è suddivisa nelle quattro sottoclassi XC1, XC2, XC3 e XC4, in funzione delle condizioni di umidità dell’ambiente. La UNI 11104 precisa che le condizioni di umidità si devono riferire a quelle esistenti nel copriferro o nel ricoprimento di inserti metallici. Purtuttavia, in molti casi si può ritenere che tali condizioni corrispondano a quelle dell’ambiente circostante come nel caso di strutture a faccia vista.

Le Linee Guida definiscono quattro classi climatiche caratterizzate da specifici valori dell’umidità relativa media (Tab. 2).


Nella sottoclasse XC1, caratterizzata da ambiente asciutto o permanentemente bagnato, rientrano le parti di strutture in c.a., o c.a.p., interne ad edifici con umidità relativa bassa (φ<45%), con eccezione delle parti esposte a condensa, o immerse in acqua.

Nella sottoclasse XC2, caratterizzata da ambiente bagnato o raramente asciutto (φ>80%), rientrano le parti di strutture di contenimento di liquidi non aggressivi e le fondazioni in terreni non aggressivi.

Nella sottoclasse XC3, caratterizzata da ambiente con umidità moderata (65%<φ<80%), rientrano le parti di strutture esterne, ma riparate dalla pioggia, nonché le parti di strutture interne all’edificio con contenuto di umidità da moderata ad alta (φ anche oltre l’80%).

Nella sottoclasse XC4, caratterizzata da variazione ciclica di asciutto o bagnato, rientrano le parti di strutture esposte ai cicli climatici dell’ambiente urbano nonché le parti di strutture a contatto con acqua non compresa nella classe XC2. La sottoclasse XC4 è la più gravosa in quanto durante il periodo asciutto nel calcestruzzo penetra aria secca contenente O2 e CO2, mentre durante il periodo bagnato penetra H2O.

6. Le prescrizioni per le classi di esposizione ambientale

Per garantire la durabilità del calcestruzzo per una vita utile di circa 50 anni per le opere ordinarie e di 100 anni per le opere sensibili, le norme che disciplinano la progettazione delle strutture in c.a. hanno individuato per i tre parametri Resistenza caratteristica Rck, Rapporto A/C e Contenuto di cemento C, i vincoli che devono essere rispettati per ottenere un calcestruzzo che consenta di realizzare strutture durevoli.

L’Eurocodice 2, inoltre, fissa la dimensione minima dello spessore del copriferro mentre le Linee Guida e la UNI fissano il tipo di cemento più opportuno per resistere agli attacchi chimici.

Per la classe di esposizione XC, riguardante la corrosione delle armature per l’effetto della carbonatazione del calcestruzzo, l’Eurocodice fissa gli spessori minimi del copriferro, per strutture in c.a. e in c.a.p., riportati nella Tabella 3.

Le Linee guida e la UNI, invece, fissano i limiti riportati in Tabella 4.


Segue la parte dedicata alla sperimentazione ... (IN ALLEGATO L'ARTICOLO INTERO)

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