La propagazione della corrosione nelle strutture in calcestruzzo armato carbonatate

Nelle strutture in calcestruzzo armato carbonatate, la fessurazione e il distacco del copriferro causati dalla corrosione delle armature sono generalmente considerati come stati limite per il termine della vita di servizio.

La propagazione della corrosione nelle armature in calcestruzzo carbonatato in campo è difficile da misurare. Inoltre, le strutture esistenti spesso presentano differenti spessori di copriferro, quindi la corrosione delle armature deve essere valutata a diverse profondità. In questa nota sono riportati i risultati di uno studio in cui si è valutata la possibilità di stimare la velocità di corrosione delle armature attraverso il monitoraggio della resistività elettrica del calcestruzzo.

Sono state effettuate prove di laboratorio e in campo e sono state impiegate nuove sonde per la misura della resistività a diverse profondità nel copriferro. I risultati hanno mostrato che la vita residua di strutture in calcestruzzo armato carbonatate può essere stimata attraverso il monitoraggio della resistività elettrica del calcestruzzo.


Propagazione della corrosione in strutture in c.a. soggette a carbonatazione

INTRODUZIONE: i meccanismi di carbonatazione e corrosione

Nelle strutture in calcestruzzo armato esposte in ambienti privi di cloruri, la corrosione delle armature indotta dalla carbonatazione del calcestruzzo è la principale causa di degrado.

Questa provoca la fessurazione e il distacco del copriferro (prodotti dall’espansione provocata dalla ruggine) e, a causa di questo, spesso la necessità di effettuare interventi di manutenzione straordinaria.

La corrosione da carbonatazione è caratterizzata da un periodo d’innesco (ti) e da un periodo di propagazione della corrosione (tp).

Il periodo d’innesco è il tempo necessario perché la carbonatazione (che provoca la neutralizzazione dell’alcalinità che protegge le armature dalla corrosione) penetri nel calcestruzzo fino a raggiungere la profondità a cui si trovano le armature.

Il periodo di propagazione della corrosione è il tempo necessario perché si produca una condizione di degrado tale da raggiungere una condizione limite (stato limite) per cui la struttura non soddisfa più le esigenze per cui è stata progettata e realizzata e quindi è necessario intervenire.

Quando si raggiunge la condizione limite, si ha il termine della vita di servizio (o vita nominale) della struttura.

Il tempo d’innesco può essere stimato misurando la profondità di carbonatazione, mediante la prova alla fenolftaleina, e confrontandola con lo spessore del copriferro. Per quanto riguarda il tempo di propagazione, una sua stima può essere effettuata solo se si conosce la velocità con cui si corrodono le armature (Bertoli-ni et al. 2013). Questo parametro non è facile da determinare sulle strutture (Nygaard et al. 2009), a me-no che non si siano già inserite apposite sonde in fase di costruzione, e ad oggi non è disponibile una metodologia per stimare la propagazione della corro-sione in strutture esistenti. 

La velocità di corrosione può variare molto, in particolare al variare dell’umidità del calcestruzzo (Fig. 1); più un calcestruzzo è umido, più elevata sarà la velocità di corrosione e quindi minore sarà il tempo di propagazione, viceversa, se il calcestruzzo è asciutto, la velocità di corrosione diventa trascurabile e la vita della struttura aumenta notevolmente. 

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Figure 1. Schematic representation of initiation and propagation period in a reinforced concrete structure subjected to carbonation-induced corrosion / Rappresentazione schematica del periodo d’innesco e di propagazione della corrosione in una struttura in calcestruzzo armato soggetta a corrosione da carbonatazione

Nel caso di strutture esistenti in cui la carbonatazione ha già interessato il copriferro, la conoscenza del periodo di propagazione può quindi essere cruciale per decidere la strategia d’intervento; nelle zone in cui la velocità si mantiene trascurabile può non essere necessario intervenire anche se la carbonatazione ha già raggiunto le armature, mentre nelle zone in cui il processo avanza velocemente si potrà programmare l’intervento, e scegliere quello più idoneo, prima della fessurazione del copriferro. 

Questo tipo approccio, denominato proattivo, consente di ridurre gli ingenti costi (non solo diretti, ma anche indiretti) legati agli interventi di manutenzione (Polder et al. 2013).

Ad esempio si può decidere d’intervenire applicando un rivestimento (una pittura) che tende a mantenere asciutto il calcestruzzo, in modo da rallentare la corrosione delle armature, evitando così di rimuovere il calcestruzzo carbonatato. 

Le condizioni di corrosione delle armature in calcestruzzo carbonatato, in genere, sono valutate utilizzando misure elettrochimiche, come la mappatura del potenziale di corrosione delle armature, la resistività elettrica del calcestruzzo e la velocità di corrosione (Bertolini et al. 2013).

Spesso sono realizzate utilizzando elettrodi posti sulla superficie del calcestruzzo. Questo rende impossibile il loro impiego nel caso in cui sul calcestruzzo sia stato utilizzato un rivestimento isolante e, oltre a questo, le misure sono influenzate dalle condizioni di umidità della superficie del calcestruzzo, per cui spesso non si ottengono indicazioni rappresentative delle effettive condizioni delle armature (Gastaldi et al. 2015).

Una corretta stima della velocità di corrosione delle armature può essere ottenuta solo mediante sonde in grado di misurare i parametri legati alla corrosione e poste nel calcestruzzo a livello delle armature. Di frequente le strutture esistenti presentano una considerevole variabilità del copriferro; pertanto sarà necessario utilizzare sonde in grado di misurare questi parametri a diverse profondità nel calcestruzzo (Messina et al. 2017). 

Inoltre, una stima affidabile della velocità di corrosione può essere ottenuta solo mediante un monitoraggio; infatti misure occasionali possono fornire indicazioni fuorvianti (ad es. se la misura è svolta in un periodo secco, si otterranno risultati che evidenziano che le armature non si stanno corrodendo; viceversa, in un periodo molto piovoso, si possono ottenere indicazioni di una rapida propagazione della corrosione). 

Questa nota riporta i risultati di prove sperimentali svolte in laboratorio e in campo per valutare l’efficacia dell’impiego della misura della resistività elettrica del calcestruzzo nel copriferro per la stima della propagazione della corrosione delle armature in calcestruzzo carbonatato.

Sono stati realizzati appositi provini in calcestruzzo armato, con armature con diversi copriferri, in cui sono stati inseriti differenti tipi di sonde, pri-ma del getto e nel calcestruzzo indurito, per la misura a livello delle armature della resistività elettrica del calcestruzzo, del potenziale e della velocità di corrosione delle armature. I provini sono stati carbonatati e, successivamente, esposti all’atmosfera di Milano, in posizione non riparata dalla pioggia.

Si è analizzata la correlazione tra velocità di corrosione e resistività del calcestruzzo e la sua validità al variare del copriferro e delle condizioni atmosferiche.

Le sonde per il monitoraggio della resistività del calcestruzzo e del potenziale di corrosione delle armature sono quindi state installate in alcuni elementi strutturali in calcestruzzo armato dello stadio “G. Meazza” di Milano.

I dati acquisiti sono stati utilizzati per ottenere una stima della propagazione della corrosione delle armature che sono in calcestruzzo carbonatato e fornire indicazioni utili per la pianificazione degli interventi di manutenzione.

 

2 PROCEDURA SPERIMENTALE

2.1 Prove di laboratorio

Le prove sperimentali sono state condotte su due provini prismatici, di dimensioni 300x160x50 mm, in calcestruzzo armato; come armature sono state impiegate barre di tipo B450C con diametro 10 mm.

In un provino (S1) l’armatura, lunga 320 mm, è stata posta in mezzeria, con un copriferro di 20 mm, nell’altro provino (S2) sono state posizionate due barre, lunghe 180 mm, con due diversi copriferri, una a 10 mm e l’altra a 32 mm. Le estremità delle barre sono state schermate lasciando solo il tratto centrale, di 260 mm per il primo provino e di 100 mm per il secondo, a contatto con il calcestruzzo.

Il calcestruzzo è stato confezionato con 325 kg/m3 di cemento portland al calcare (di tipo CEM II/A-LL 42.5R), 211 l/m3 di acqua (a/c = 0.65) e 1737 kg/m3 di aggregato calcareo frantumato (diametro massimo = 9.5 mm).

Per raggiungere la classe di lavorabilità S4, è stato aggiunto all’acqua d’impasto un additivo superfluidificante (in quantità pari all’1% in massa rispetto al cemento).

L’elevato rapporto acqua/cemento è stato scelto per ottenere un calcestruzzo più facile da carbonatare.

Prima del getto sono state fissate nel cassero apposite sonde per la misura della resistività elettrica del calcestruzzo a diverse profondità di copriferro ed elettrodi di titanio attivato (Ti), posti a livello delle armature, per la misura del potenziale di corrosione.

Nel provino con due armature, sono stati collocati a livello delle armature anche due sensori Pt 1000 per la misura della temperatura interna al calcestruzzo. Dopo il getto, i provini sono stati stagionati per 3 giorni (a U.R. > 95% e 20°C) e quindi sottoposti a carbonatazione accelerata. Al termine della carbonatazione del calcestruzzo (verificata con prova alla fenolftaleina su carote prelevate da entrambi i provini), nei provini sono anche state installate ulteriori sonde per la misura della resistività elettrica del calcestruzzo.

Queste sonde sono state inserite in fori realizzati nei provini e fissate con una malta espansiva (prima di inserire le sonde i fori sono stati bagnati, in modo da raggiungere la condizione satura superficie asciutta, e dopo l’installazione la malta è stata stagionata, impedendo l’evaporazione dell'acqua, per almeno tre giorni). I provini sono stati esposti, in tempi diversi, all’atmosfera di Milano, in condizione non protetta dalla pioggia, in posizione verticale, in modo da simulare un pilastro. Prima di esporre i provini in atmosfera, tutte le facce dei provini, eccetto una, sono state isolate con una pittura epossidica.

Sui provini si sono monitorate la resistività elettrica del calcestruzzo, misurata con le diverse sonde pre e post installate, il potenziale e la velocità di corrosione delle armature.

Il potenziale è stato misurato sia con gli elettrodi interni di titanio attivato sia con l’elettrodo esterno al calomelano saturo (SCE). La velocità di corrosione è stata stimata con il metodo della polarizzazione lineare. Nel provino con i sensori Pt 1000 è stata anche misurata la temperatura interna al calcestruzzo. I dati climatici sono stati ottenuti da una stazione meteorologica di Milano di Arpa Lombardia (sito web: www.arpalombardia.it).

2.2 Prove in campo

Sono state anche effettuate prove sperimentali su una struttura esistente, lo stadio “G. Meazza” di Milano.

Sulla struttura sono state inizialmente svolte una serie di ispezioni, in modo da valutare le condizioni di conservazione della struttura. 

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Figure 2. Plot plan of the second round of Meazza stadium at 19.80 m height; points in which concrete cores were drilled, to perform carbonation depth measurement (11 cores), are reported and, in light blue, the column of which the monitoring data are related / Pianta del secondo anello dello stadio Meazza a quota 19.80 m; sono indicati i punti in cui sono state estratte le carote per la misura della penetrazione della carbonatazione (11 carote) e, in azzurro, il pilastro di cui sono riportati i dati di monitoraggio.

 

Sono state effettuate misure sclerometriche, misure elettrochimiche, rilevazioni dello spessore di copriferro e sono state estratte alcune carote per la verifica della penetrazione della carbonatazione (mediante la prova alla fenolftaleina; Fig. 2) (Angeleri et al. 2015). Si sono quindi identificate delle possibili zone in cui monitorare le condizioni di corrosione delle armature. In alcune di queste zone sono state installate, in alcuni elementi strutturali in calcestruzzo armato, apposite sonde per il monitoraggio della resistività del calcestruzzo e del potenziale di corrosione delle armature dello stadio.

Le sonde sono state inserite in fori realizzati nelle strutture e per fissarle, e consentire il collegamento elettrolitico, si è utilizzata una malta espansiva (anche in questo caso il foro è stato saturato prima dell’inserimento e si è stagionata la malta impedendo l’evaporazione dell’acqua per alcuni giorni).

Con le sonde interne sono state misurate nel tempo la resistività elettrica del calcestruzzo e il potenziale di corrosione delle armature; quest’ultima misura è stata, occasionalmente, rilevata anche con un elettrodo di riferimento esterno al rame/solfato di rame (CSE).

In questa nota vengono riportati solo i risultati delle sonde installate su un pilastro, il pilastro esterno del portale 10 (indicato in azzurro in Fig. 2), del secondo anello dello stadio (realizzato nel 1955), a quota 19.80 m, che si trova in corrispondenza alla tribuna di colore arancio (esposta ad Est).

Anche per queste prove si sono considerati i dati climatici ottenuti da una stazione meteorologica di Milano di Arpa Lombardia.

 

3 RISULTATI E DISCUSSIONE

3.1 Prove di laboratorio

Nelle Figure 4 e 5 sono riportate le velocità di corrosione delle armature e le resistività elettrica del calcestruzzo rilevate a livello delle armature nei due provini esposti, in tempi diversi, all’atmosfera di Milano in condizione non riparata dalla pioggia. Le misure di resistività elettrica sono riferite alle sonde interne post-installate nel provino S1 e a quelle preinstallate nel provino S2, in modo da fornire indicazioni per entrambe le tipologie di sonde.

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Figure 4. Concrete electrical resistivity at different depths and corrosion rate of carbon steel reinforcement in carbonated reinforced concrete specimen S1 exposed outdoor / Resistività elettrica del calcestruzzo a diverse profondità e velocità di corrosione dell’armatura di acciaio al carbonio nel provino S1 in calcestruzzo armato carbonatato esposto all’esterno.

 

Nella parte superiore delle figure sono mostrati i dati climatici (temperatura dell’aria e i millimetri di pioggia cumulati nelle 24 ore) relativi ai periodi in esame; per il provino S2 è indicata anche la temperatura interna al calcestruzzo (a 37 mm di profondità; la misura a 15 mm non è stata riportata perché analoga).

In entrambi i provini si osserva che a seguito di intense precipitazioni piovose si manifesta un incremento della velocità di corrosione, che raggiunge anche valori di circa 8 µm/anno, e una diminuzione della resistività del calcestruzzo, fino a circa 300 Ω⋅m.

Quando il calcestruzzo si asciuga la resistività tende ad aumentare superando 2000 Ω⋅m e la velocità di corrosione si porta a valori inferiori a 1 μm/anno, per cui il processo corrosivo è considerato trascurabile.

La temperatura non mostra di condizionare in modo sostanziale la velocità di corrosione delle armature in calcestruzzo carbonatato. Infatti sul provino S1, che è stato esposto in inverno e in estate, si sono misurate le velocità di corrosione più elevate con temperature intorno a 10°C e velocità di corrosione inferiori a 1 μm/anno con temperature anche superiori a 30°C (Fig. 4).

Questo vale anche per la resistività del calcestruzzo. L’umidità del calcestruzzo è il parametro che principalmente influenza velocità di corrosione delle armature e resistività del calcestruzzo.

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Figure 5. Corrosion rates of carbon steel reinforcement with different concrete covers and concrete electrical resistivity at steels depth in carbonated reinforced concrete specimen S2 exposed outdoor / Velocità di corrosione delle armature di acciaio al carbonio con diversi copriferri e resistività elettrica del calcestruzzo alla profondità delle armature nel provino S2 in calcestruzzo armato carbonatato esposto all’esterno

 

In letteratura è riportato che sussiste una correlazione tra resistività elettrica del calcestruzzo e velocità di corrosione delle armature in calcestruzzo carbonatato (Alonso et al. 1988, Gastaldi et al. 2015).

La correlazione ricavata dai dati sperimentali presentati in precedenti lavori (Gastaldi et al. 2015, Messina et al. 2017) è tracciata, con una linea continua, in Figura 6; questa correlazione si è dimostrata valida anche al variare del rapporto acqua/cemento e del tipo di cemento. 

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO


KEYWORDS: reinforced concrete; carbonation-induced corrosion; propagation period; concrete resistivity; monitoring; durability / calcestruzzo armato; corrosione da carbonatazione; periodo di propagazione; resistività del calcestruzzo; monitoraggio; durabilità


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