Proposta di un metodo sperimentale per quantificare le prestazioni degli additivi idrofillici

Additivi idrofilici (o cristallini) nel calcestruzzo: cosa sono

Gli additivi chimici i quali, in presenza di acqua, promuovono abbondante cristallizzazione di prodotti di reazione sulle pareti delle fessure del calcestruzzo, prendono il nome di additivi idrofillici.

Il fenomeno che comporta la crescita di cristalli di neoformazione coalescenti sulle pareti opposte di una fessura, al punto da riparare parzialmente o completamente la fessura, è noto come self-healing.

Attualmente non esistono norme di riferimento che vincolino la composizione chimica di questi additivi e che definiscano, soprattutto, quali proprietà indici essi debbano possedere per soddisfare un criterio di self-healing.

Il capitolo 15 del rapporto ACI (American Concrete Institute) 212.3R-10: Report on chemical admixtures for concrete, permeability reducing admixtures è uno dei pochi esempi di letteratura specialistica di rilevanza mondiale che descriva tali prodotti e la loro funzione (senza fare riferimento a prove però).

Secondo questa pubblicazione gli additivi idrofilici (denominati spesso anche: “cristallini”) sono quelli che, in presenza di acqua, formano silicati idrati di calcio (C3S) con un meccanismo simile a quello che governa la formazione di C3S durante l’idratazione del cemento Portland nella miscela fresca, ma differito nel tempo, ovvero quando il calcestruzzo è indurito.

Il vantaggio di questa formazione secondaria è che, se il calcestruzzo fessura, questi prodotti si attivano in presenza di acqua favorendo la precipitazione di specie minerali stabili e poco solubili che, quindi, garantiscono una sigillatura (parziale o completa), ma sempre irreversibile.

Il processo chimico che porta alla formazione di depositi minerali non solubili è descrivibile come:

silicato tricalcico + promotore cristallino + acqua = silicato tricalcico idrato modificato + precipitato sigillante di pori (ing. pore blocking precipitate).

Se gli additivi cristallini contengono anche una componente di stearati (o acidi della stessa classe) aumentano anche l’impermeabilità della matrice, indipendentemente che questa sia fessurata, garantendo un comportamento ibrido tra l’idrofillico e l’idrofobico. È questo il motivo per cui alcuni prodotti cristallini di elevata efficienza, mostrano un chiaro decremento del fronte di penetrazione dell’acqua in pressione anche senza fessura (quando siano testati secondo norma EN 12390-8 o equivalente DIN 1048 per esempio).

Il silicato tricalcico presente nella pasta di cemento reagisce quindi con acqua e con il promotore cristallino (che è una miscela proprietaria di aggiunte minerali che può variare da produttore a produttore) a dare delle fasi minerali sigillanti.

Non solo, anche la Portlandite (CaOH2), la quale può essere presente in ragione anche del 20%-30% nella pasta di cemento idratata, reagisce con l’anidride carbonica disciolta nelle acque minerali (quindi in tutte le acque naturali) a dare carbonato di calcio (CaCO3) a sua volta un minerale sigillante ma la cui stabilità dipende molto di più dalla temperatura, pH e concentrazione di CO2 dell’acqua.

In effetti è proprio questa ultima reazione che permette a qualsiasi calcestruzzo di generare una certa componente di self-healing naturale, la quale però molteplici studi negli ultimi venti anni hanno dimostrato sia limitata alla chiusura di fessure di apertura modesta a dipendenza del gradiente idraulico (I) applicato (definito come rapporto: altezza di acqua ÷ spessore del calcestruzzo).

Self-healing naturale del calcestruzzo

Evardsen, C. in un articolo seminale sullo studio del self-healing naturale del calcestruzzo ha proposto un’apertura massima delle fessure (W, misurata superficialmente) sigillabili da self-healing naturale in funzione del gradiente idraulico e del fatto che esse siano stabili (movimento ΔW inferiore al 10%) oppure mobili (movimento ΔW tra 10% e 30%) (tabella 1).

Tabella 1

Come si evince dalla tabella 1 il self-healing naturale ha un limite di fessura che per gradienti idraulici I intermedi (25, corrispondente per esempio ad un’altezza d’acqua di 10 metri ed uno spessore del calcestruzzo di 0.4 m) non supera, nel migliore dei casi, 0.20 mm. È interessante notare che 0.15 – 0.20 mm sono anche i limiti fissati dalla letteratura specialistica internazionale come apertura delle fessure, al di sotto della quale i fenomeni di trasporto di sostanze chimiche aggressive sono fortemente contenuti o trascurabili.

Pertanto, anche se il calcestruzzo non contenente additivi idrofillici possedesse una certa componente di self-healing, essa si limita a controllare fessure la cui apertura non è già di per sé un tema sensibile ai fini della durabilità (per processi di corrosione indotti da suzione/diffusione di fluidi contenenti cloruri ed anidride carbonica).

È invece di estremo interesse poter garantire self-healing in presenza di fessure di apertura maggiore che ovviamente pongono un rischio elevato contro la durabilità dell’opera se non sono trattate in modo opportuno.

Si arriva quindi, in conclusione di questa premessa necessaria, al tema di questo breve articolo che è rivolto a definire dei metodi di prova e criteri di interpretazione che possano essere utili agli utilizzatori della tecnologia (imprese, progettisti) per definire l’efficacia di un prodotto rispetto ad un altro e/o in valore assoluto.

Durabilità del calcestruzzo: il fenomeno del Self-healing

Il Self-healing è definito dal rapporto di ricerca RILEM STAR 221 SHC (self-healing phenomena in cement-based materials) come "qualsiasi processo del materiale stesso che mira al recupero ed al conseguente miglioramento delle sue prestazioni, le quali a causa di azioni precedenti hanno generato una riduzione delle prestazioni dello stesso".  Di solito la conseguenza dell'azione che si genera nel materiale è la fessurazione ed il self-healing in questo caso si riferisce alla capacità di "riparazione" dello stesso.

Il self-healing può essere suddiviso in:

• self-healing autogeno: quando il calcestruzzo può esibire fenomeni di auto-risanamento grazie alla presenza di composti che sono già presenti nella matrice o che vengono aggiunti nel sistema per elevare le sue capacità autorigeneranti;
• self-healing autonomico: quando il calcestruzzo è specificamente progettato con composti che inducono la matrice chimica a produrre effetti di self-healing.

Il self-healing autonomico include classi di prodotti minerali quali SAP (super absorbent polymers) od organici quali i batteri che esulano dalla presente trattazione, dato che gli additivi cristallini promuovono il self-healing autogeno, amplificando la naturale tendenza del calcestruzzo fessurato ad auto-sigillarsi.

Si ritiene in generale che vi siano tre componenti che contribuiscono al self-healing, e nello specifico:

• la precipitazione dei nuovi cristalli formati (processo chimico);
• l’espansione (processo fisico);
• l’intasamento.

In condizioni di laboratorio dove viene utilizzata acqua di rete, l’intasamento è improbabile.

Quindi la valutazione sperimentale delle proprietà di self-healing deve considerare:

• un efficace riduzione del flusso d'acqua nel tempo;
• la neo formazione di cristalli che non si sarebbero altrimenti formati senza la presenza degli additivi cristallini.

Fattori di influenza per il self-healing

Sebbene vi siano, come spesso accade, pareri discordanti sul tema, è comunque corretto affermare che maggiore è la quantità di Portlandite libera rimasta dopo le reazioni di idratazione, maggiore è il potenziale per la formazione di carbonato di calcio, che è una delle fasi minerali autogene (ma instabili) che riduce il flusso di acqua attraverso una fessura.

Pertanto miscele di calcestruzzo ad elevate prestazioni contenenti un volume importante di aggiunte minerali (> 30% in massa) che consumano la Portlandite attraverso le reazioni pozzolaniche potrebbero non essere (paradossalmente?) in grado di manifestare self-healing autogeno tanto quanto miscele con 100% di cemento Portland.

D’altro canto però le miscele con elevati volumi di aggiunte minerali sono di solito usate in ambienti dove il rapporto acqua/cemento massimo è molto basso (

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