Breve disamina sul degrado dei ponti in calcestruzzo armato

I ponti sono importanti elementi infrastrutturali per la circolazione su gomma e ferroviaria. L'analisi del loro degrado è la base della “cultura della prevenzione”.
Sanare dei danni piccoli nel momento in cui si verificano, significa evitare nel futuro ingenti danni persone e cose.

E' necessario conoscere le cause del degrado, per attuare i più precisi interventi di ripristino.

Le cause di degrado dei ponti in calcestruzzo armato

In questa sede si andranno ad analizzare le cause relative al calcestruzzo armato.

Le strutture costruite con calcestruzzo armato e precompresso sono soggette nel tempo a diversi stati di degradazione. Le cause possono essere intrinseche o estrinseche ai materiali. 
Le prime riguardano l'inadeguata progettazione della struttura, la non corretta posa in opera dei materiali, l'assenza di una visione di durabilità, la stagionatura.
Le seconde, invece, riguardano gli agenti esterni, che agiscono sul manufatto, quali i fattori ambientali o quelli atmosferici, che possono generare azioni di tipo fisico, meccanico o chimico durante la vita del ponte. Mentre, l'acciaio delle armature è soggetto solo alla corrosione legata agli elementi chimici.

La cause intrinseche

Cause intrinseche: i difetti di progettazione

I difetti per inadeguata progettazione possono essere diversi, tra cui: errate fondazioni al terreno, giunti di dilatazione non congrui, apparecchi di appoggio non idonei alle condizioni di vincolo ipotizzate, copriferro non sufficiente e armature non giustamente dimensionate. Ulteriori difetti possono essere riscontrati nei particolari costruttivi o di assemblaggio dei vari elementi della struttura: non sufficiente canalizzazione delle acque piovane, dispositivi di scarico non adeguatamente lunghi al fine di garantire lo scorrimento delle acque sulle pareti delle travi o su ulteriori elementi strutturali. L'azione dell'acqua, a causa della presenza di sali, non è solo di natura meccanica, ma anche di natura chimica, andando a corrodere le armature. Se non c'è, quindi, una corretta impermeabilizzazione dell'impalcato, si possono creare delle infiltrazioni sotto la pavimentazione e a contatto con la soletta. Elementi molto delicati sono le testate dei cavi ancorate in soletta, che se non ben sigillati sono facili vie per infiltrazioni di acqua stagnante.

Altro errore di progettazione è il non calcolare la quantità di copriferro necessaria per salvaguardare l'acciaio, favorendo nel tempo dei distacchi. La disposizione di armature troppo ravvicinate, può provocare un flusso del getto non uniforme, con possibile formazione di vespai nascosti.

Cause intrinseche: carente mix design

Di sicura importanza per la durabilità dell'opera è il cosiddetto mix-design, cioè la composizione degli elementi atti alla realizzazione del conglomerato, che devono rispettare criteri tecnici (durabilità, resistenza meccanica, modulo elastico, permeabilità, etc), criteri operativi ed esecutivi (facilità di lavorazione dei materiali), e logicamente criteri di economicità.

Il degrado di un'opera in calcestruzzo dipende molto dalla sua porosità. Se è stato ben impermeabilizzato, non ci saranno agenti aggressivi che penetrano nei materiali, non permettendo l'insorgere di danni.

Un basso rapporto acqua/cemento negli impasti porta a caratteristiche meccaniche superiori sia a compressione sia a trazione dopo la presa. Nel contempo, però, il rapporto non può essere troppo basso in quanto si potrebbero presentare fenomeni di poca lavorabilità e difficoltà di vibrazione e compattazione.

Cause intrinseche: erronea modalità di posa in opera

Una corretta posa in opera del calcestruzzo armato è il primo step utile per garantirne la permeabilità, evitando fessurazioni. La compattazione  non corretta, infatti, è tra le prime cause di degrado tramite la formazione di macro cavità, che possono portare alla formazione di vespai e a distacchi di materiale. La composizione del calcestruzzo per garantire il massimo della compattezza deve seguire la parabola di Fuller:

P= 100 √d/D

P= percentuale degli aggregati passata al vaglio di un setaccio con maglia di apertura d;

d = diametro dei fori del setaccio;

D = dimensione caratteristica massima degli aggregati.

Una corretta esecuzione deve prevedere anche una buona stagionatura che assicuri l'impermeabilità del manufatto senza rischi di fessurazione. Durante il processo di stagionatura non solo si devono utilizzare degli additivi, ma si deve tenere sotto controllo il grado di idratazione del calcestruzzo, da mantenere il più umido possibile nella fase di indurimento. 

La cause estrinseche

Le interazioni tra il calcestruzzo armato e l'ambiente in cui è posizionato possono provocare reazioni che interferiscono sia con lo stesso calcestruzzo sia con l'acciao delle armature, modificandone le proprietà fisiche e chimiche.  

Cause estrinseche: chimiche

All'interno di queste cause si deve fare una distinzione tra agenti aggressivi naturali e agenti “artificiali”.

Agenti naturali: anidride carbonica

L'attacco di CO₂ può essere di due tipologie, il divalamento e la carbonatazione. Il primo è il divalamento e si manifesta con la rimozione parziale della pasta cementizia, dovuta dal passaggio di acqua ricca di anidride carbonica.  Il fenomeno è importante quando il calcestruzzo si trova a frequente contatto con acque a bassa durezza, in climi umidi o a contatto con l'atmosfera.  Le acque prodotte dalla condensazione della nebbia, dalla pioggia o dallo scioglimento dei ghiacciai sono a basso contenuto di sali di calcio. Se entrano in contatto con il calcestruzzo dissociano la calce e i contenuti del calcio. Il dilavamento può procedere molto velocemente al pari passo dello scorrimento dell'acqua. 

La carbonatazione è la diffusione dell'anidride carbonica tra le fessure del calcestruzzo. L'espansione dell'anidride carbonica porta alla formazione di carbonato di calcio, che abbassa notevolmente il ph del calcestruzzo, che, non disponendo più di un grado di alcalinità sufficiente, non può più prevenire fenomeni corrosivi nelle armature.

Agenti naturali: solfati

L'attacco dei solfati, presenti nelle acque marine, nelle acque nere o industriali, reagisce con l'idrossido di calcio del calcestruzzo, che causa la formazione di ettringite o thaumasite con aumento fino al 400% del conglomerato e  relativa fessurazione. Più sarà impermeabile il calcestruzzo, meno infiltrazioni di solfati ci sarà.

Agenti naturali: cloruri

Bisogna distinguere tra infiltrazioni di cloruro di calcio e cloruro di sodio. Il calcestruzzo a contatto con il cloruro di calcio tende a creare fessurazioni e a sfaldarsi. Questo attacco viene favorito alle basse temperature e quando la permeabilità del calcestruzzo è scarsa. Un'azione di prevenzione a questo problema può essere la scelta di un cemento in cui è poco il contenuto di calce libera.

Il cloruro di sodio permea il calcestruzzo non danneggiandolo, ma arrivato alle armature  ne riducendone drasticamente il grado di alcalinità, arrivando a un ph inferiore a 9. Ne dervia un aumento di volume che produce, così, una disgregazione sul calcestruzzo del copri-ferro.

Gli effetti negativi possono essere maggiori in inverno, quando i cloruri sono utilizzati come elementi sciogli gelo, infiltrandosi nelle pavimentazioni stradali.

Molto spesso il fenomeno di degrado da cloruri, va di pari passo con la carbonatazione.

Agenti naturali: reazioni alcali-aggregato

Le reazioni alcali - aggregato si manifestano tra gli ioni ossidrili, (associati agli alcali sodio e potassio  del cemento e in soluzione nei pori del calcestruzzo), e alcune forme di aggregati chimicamente instabili in ambiente fortemente alcalino. Il degrado del calcestruzzo è evidente con dei rigonfiamenti intorno agli aggregati reattivi, causando nel tempo dalla fuoriuscita di materiale biancastro liquido (silicato sodico) fino a distacchi di copri-ferro e altro.

Agenti naturali: acidi

Il Calcestruzzo non è in grado di sopportare un attacco acido, con un ph inferiore a 5, 5, capace di tramutare l'idrossido di calcio, gli alluminati di idrossido di calcio e il gel idrosalicato in composti solubili e trasportabili. Questo provoca un fortissimo degrado dei materiali sia a livello superficiale sia in profondità. Forte inquinamento atmosferico e piogge acide, aumentano il rischio del degrado dato dagli acidi.

Agenti naturali: solfuri

L'aggressività dei solfuri è commisurata al grado di acidità che riescono a produrre. 

Agenti naturali: acqua marina

L'azione dell'acqua di mare sulla calce può essere di natura sia chimica sia fisica. A livello chimico si manifestano le stesse azioni già esaminate per i cloruri e per i solfati. L'azione fisica, invece, si manifesta con l'urto delle onde, che provocano erosione e cristallizzazione dei sali. Logicamente l'attacco dell'acqua al calcestruzzo è collegata alla posizione dell'infrastruttura rispetto al livello dell'acqua. E' meno avvertito al di sopra e al di sotto del livello di marea.

Nei pressi delle zone di mare, un'altra azione di degrado è dovuta al vento, che porta sulle strutture acqua marina e sali nebulizzati, che provocano rigonfiamenti nel calcestruzzo, oltre l'ossidazione delle armature.

Cause estrinseche: fisiche

Sono fisiche tutte quelle cause che provocano un degrado del calcestruzzo collegate a fenomeni di gelo, disgelo e essiccamento (ritiro), variazioni di temperatura  e evaporazioni dell'acqua.

Nel caso del gelo-disgelo, ad esempio,  il degrado inizia quando il calcestruzzo ha assorbito acqua e questa per una variazione della temperatura verso il basso gela. Passando dallo stato liquido allo stato solido l'acqua  provoca dei rigonfiamenti, che lesionano il calcestruzzo. Il problema può essere ridotto quando nell'impasto del calcestruzzo ci sono delle micro bolle d'aria che rappresentano un freno all'aumento di volume dell'acqua gelata.

Cause estrinseche: meccaniche

Le principali cause di degrado meccanico sono: urti, abrasione, erosione, cavitazione, fatica.

Fatica

Le opere meno recenti sono maggiormente soggette a questo tipo di elemento che provoca degrado, poiché non erano state progettate per sopportare gli attuali carichi, motivo di deformazione plastica e di diminuzione della resistenza. 

Questa tipologia di degrado è irreversibile sia sul cemento sia sull'acciaio.

Urti

Questi fenomeni di carattere impulsivo, dati o per causa umana o per cause naturali,  sono pericolosi sia per la scarsa capacità del conglomerato di dissipare l'energia sia per la sua stessa fragilità.

Lo stato del degrado è direttamente proporzionale alla potenza dell'urto subito ed è immediatamente visibile con fessurazione, spacchi e asportazione di materiale.

Abrasione ed erosione

Questi danni derivano da agenti atmosferici esterni e da urti e usura. Possono provocare riduzioni del copri-ferro e delle sezioni resistenti.

Si ringrazia l 'ORDINE DEGLI INGEGNERI DI ROMA per la gentile collaborazione.