" D" come durabilita':
si parla, si parla ma che si fà?
Raccomandazioni a chi produce e mette in opera calcestruzzo durabile

     
A CHI SERVE LA DURABILITA’?

Di durabilità del calcestruzzo si scrive e si parla tanto. E da molto tempo. Ma in pratica che si fa? Poco in relazione alle conoscenze sull’argomento.
Eppure il vantaggio economico del calcestruzzo durabile è ormai innegabile. L’impiego di un calcestruzzo durevole fa aumentare il costo del materiale del 10-20% , ma il costo dell’opera per non più dell’1%. Tuttavia i costi di restauro per un opera in calcestruzzo non durabile possono raggiungere fino a 125 volte il costo originale dell’opera quando il degrado è così avanzato da rendere la stessa inservibile per le originali funzioni. Ma chi trae il vantaggio economico dalla durabilità dell’opera? Solo il proprietario. Ed è quindi il committente dell’opera ed il suo progettista a dover rispettivamente pretendere e prescrivere la durabilità. Qualcuno sostiene con malizia che l’impresa tragga vantaggio dal costruire, oggi, un’opera non durabile per assicurarsene domani, il lavoro di restauro. Ma a parte la battuta, nessuna impresa impiegherà, un materiale più efficiente ma più costoso, se non esiste una precisa prescrizione in capitolato, e se non a fronte di un giusto riconoscimento economico.
In sostanza, occorre che la durabilità sia prescritta dal progettista in capitolato, che ci sia il giusto riconoscimento economico all’impresa, e che si eserciti un controllo in corso d’opera per verificare se la prescrizione è stata rispettata. La verifica della prescrizione è possibile solo se è basata su determinazioni di proprietà oggettivamente misurabili o su operazioni facilmente controllabili come quelle riportate nella conclusione di questo articolo. Si dovrebbero bandire, da ogni capitolato che si rispetti, frasi generiche ed ambigue come “calcestruzzo di buona qualità” oppure “esecuzione a regola d’arte” o determinazioni impossibili come quella sul dosaggio di cemento in una carota di calcestruzzo.

CALCESTRUZZO: DA MATERIALE TRADIZIONALE A MATERIALE HIGH-TECH

Il calcestruzzo è ancora considerato da molti un materiale tradizionale, la cui composizione e le cui proprietà sono ormai fissate rigidamente. In realtà, il calcestruzzo in questi ultimi trent’anni ha subito una rivoluzione tecnologica per il livello di conoscenza raggiunto nella correlazione tra proprietà microstrutturali e ingegneristiche e per la disponibilità di nuovi materiali. Jan Moksnes, il rappresentante delle imprese norvegesi (che hanno contribuito moltissimo allo sviluppo del calcestruzzo, nella costruzione delle piattaforme off shore), dice: “Il calcestruzzo di oggi è un materiale high-tech che non ha più nulla a che vedere con il grossolano calcestruzzo della nostra gioventù”. Non sarà che, per un fatto di nostalgia legata ai ricordi della propria gioventù, si seguiti a produrre e ordinare il bel calcestruzzo dei tempi che furono, ignorando che nel frattempo sono cambiati i materiali a disposizione, la manodopera, l’organizzazione del cantiere, l’ambiente e soprattutto la normativa?

Tabella 1 - Vincoli nel rapporto a/c e nello spessore di copriferro per le opere in calcestruzzo nella classe di esposizione 1.

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA

 

Normale

Armata

Precompressa

Rapporto a/c
(UNI 9858)

Copriferro (EC2)

---

---

£ 0.65

³15 mm


£ 0.60

³25 mm
(20 mm)*

* i valori tra parentesi sono previsti dal DM LL.PP.

Tabella 2 - Vincoli nel rapporto a/c e nello spessore di copriferro per le opere in calcestruzzo nella classe di esposizione 2a.

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA

 

Normale

Armata

Precompressa

Rapporto a/c
(UNI 9858)

Copriferro (EC2)


£ 0.70

---


£ 0.60

³20 mm


£ 0.60

³30 mm


 

 

 

 

 

 

DURABILITA’ E AMBIENTE

La durabilità di un materiale è la capacità di conservare nel tempo le prestazioni iniziali in relazione all’ambiente in cui si trova.
E’ importante, nel valutare la durabilità di una struttura, considerare l’ambiente in cui l’opera è destinata a sorgere. Secondo l’attuale normativa (UNI 9858 ed Eurocodice 2: EC2) gli ambienti sono classificabili in cinque classi di esposizione. Nei paragrafi che seguono verranno esaminati i parametri composizionali e lo spessore di copriferro in relazione a ciascuna classe. Successivamente, verranno discusse alcune raccomandazioni esecutive da adottare sempre, indipendentemente dalla categoria ambientale.

CLASSE DI ESPOSIZIONE 1: AMBIENTI INTERNI

La classe di esposizione 1 riguarda gli ambienti interni (abitazioni, uffici, ecc.) protetti dagli agenti atmosferici. Questo ambiente può arrecare qualche danno, solo ai ferri di armatura. L’aria - ed in particolare l’anidride carbonica, l’ossigeno e l’umidità in essa contenuti - può provocare la corrosione delle armature metalliche a seguito di un fenomeno denominato carbonatazione. In realtà, il ruolo dell’anidride carbonica è quello di un complice, mentre i veri killer nei confronti dei ferri sono l’ossigeno e l’umidità.
In un calcestruzzo non carbonatato si stabiliscono, per lo sviluppo di Ca(OH)2 a seguito della idratazione del cemento, condizioni di forte basicità (pH > 13) particolarmente favorevoli alla buona conservazione delle armature metalliche, perchè sul ferro si forma una patina di ossido impermeabile e adesivo al substrato. In questa situazione (passività) la pellicola di ossido impedisce all’ossigeno ed all’umidità di trasformare il ferro metallico in ruggine secondo il seguente schema:

3O2

4 Fe +

=====>

4 Fe(OH)3

[1]

6H2O

(metallo)

 (aria umida)

(ruggine)

 



Quando però la zona di calcestruzzo che avvolge i ferri è penetrata dall’anidride carbonica, la situazione cambia radicalmente. Infatti, l’anidride carbonica annulla la basicità a seguito del processo di carbonatazione:

Ca(OH)2

+ CO2

=====>

CaCO3+H2O

[2]

(calce)

(anidride carbonica)

 

(carbonato)

 



In queste condizioni il pH scende a valori di circa 9 ed il ferro perde la sua passività, cioè è in grado di subire la corrosione secondo l’equazione [1].
La carbonatazione non danneggia il calcestruzzo e neppure danneggia direttamente i ferri di armatura. Essa crea solo le condizioni favorevoli al processo di corrosione da parte dell’ossigeno e dell’umidità, attraverso la diminuzione del pH. In sostanza l’anidride carbonica è solo un complice che spiana la strada ai veri responsabili (ossigeno e umidità) della corrosione.
Come ci si può difendere dalla corrosione promossa dalla carbonatazione? Sostanzialmente con due accorgimenti: a) riducendo il rapporto a/c, perchè questa riduzione rende la matrice cementizia più compatta e qindi meno penetrabile tanto dal complice (CO2) quanto dai due killer (O2 e H2O); b) aumentando lo spessore del copriferro.
Questi due accorgimenti trovano un riscontro quantitativo nelle normative attraverso l’imposizione di un vincolo, sia sul rapporto a/c sia sul copriferro (Tabella 1).
Nelle strutture normali, cioè non armate, la UNI 9858 non pone alcun limite per a/c giacchè, non esiste alcun rischio di corrosione. D’altra parte, per le opere in c.a. p. - rispetto a quelle in c.a. - la norma raccomanda di adottare misure preventive più conservative sia per a/c (0.60 anzichè 0.65), sia per il copriferro (25 anzichè 15 mm).

Tabella 3 - Vincoli nel rapporto a/c, nel volume di aria,
nella qualità degli aggregati e nello spessore
del copriferro per le opere in calcestruzzo
nella classe di esposizione 2b.

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA

 

Normale

Armata

Precompressa

Rapporto a/c
(UNI 9858)

£ 0.55

£ 0.55

£ 0.55

Volume di aria
(UNI 9858)

4-6%

4-6%

4-6%

Aggregati
(UNI 9858)

non gelivi

non gelivi

non gelivi

Copriferro (EC2)

---

³25 mm

³35 mm


Tabella 4 - Vincoli nel rapporto a/c, nel volume di aria,
nella qualità degli aggregati e nello spessore
del copriferro per le opere in calcestruzzo
nella classe di esposizione 3.

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA

 

Normale

Armata

Precompressa

Rapporto a/c
(UNI 9858)

£ 0.50

£ 0.50

£ 0.50

Volume di aria
(UNI 9858)

4-6%

4-6%

4-6%

Aggregati
(UNI 9858)

non gelivi

non gelivi

non gelivi

Copriferro (EC2)

---


³
40 mm
(35 mm)


³
50 mm
(40 mm)



CLASSE DI ESPOSIZIONE 2: AMBIENTI ESTERNI

La classe di esposizione 2 prevede due sub-classi (2a e 2b). La classe di esposizione 2a si riferisce agli ambienti esterni esposti, all’azione della pioggia o più in generale dell’umidità. La classe di esposizione 2b si riferisce ad ambienti esterni che siano anche esposti ad alternanze termiche intorno a 0°C.
Nella classe di esposizione 2a, le condizioni ambientali possono innescare un attacco aggressivo addizionale - rispetto alla classe di esposizione 1 - consistente nel dilavamento del calcestruzzo da parte delle pioggie. L’azione di dilavamento consiste nell’asportazione del calcare da parte dell’azione congiunta dell’acqua e dell’anidride carbonica.
La classe 2a, quindi, risulta più aggressiva che non la classe di esposizione 1 e richiede accorgimenti preventivi anche per le strutture non armate, in quanto il degrado potrebbe coinvolgere il calcestruzzo stesso. Per questa ragione, esiste un vincolo nel massimo rapporto a/c (0.70) anche per queste opere, mentre per le altre due tipologie occorre conservativamente aumentare lo spessore di copriferro e limitare il rapporto a/c al valore di 0.60 (Tabella 2).
Nella classe di esposizione 2b, le condizioni ambientali diventano ancora più aggressive perchè possono verificarsi cicli di gelo e disgelo. Pertanto, oltre a ridurre ulteriormente il rapporto a/c (Tabella 3: a/c £ 0.55 per tutte le strutture) e ad aumentare il copriferro di altri 5 mm (rispetto alle strutture della classe 2a), occorre anche: impiegare aggregati non gelivi e inglobare microbolle di aria. Queste hanno la funzione di mitigare la tensione che insorge per effetto della pressione idraulica a seguito dell’aumento di volume generato dalla formazione di ghiaccio.

CLASSE DI ESPOSIZIONE 3: I SALI DISGELANTI

La classe di esposizione 3 riguarda le opere stradali, autostradali, aeroportuali e le pavimentazioni in genere esposte, nel periodo invernale, al trattamento con sali disgelanti a base di cloruro.
Oltre alle aggressioni presenti nella classe di esposizione 2b, occorre tener conto della presenza dei cloruri capaci di promuovere una corrosione più severa (pitting corrosion) delle armature. Pertanto, è necessario predisporre una risposta all’attacco aggressivo ancor più efficace che non nelle classi di esposizione precedenti. Nella Tabella 4 sono riportati i vincoli per la composizione ed il copriferro.

CLASSE DI ESPOSIZIONE 4: IL MARE

La classe di esposizione 4 riguarda le opere esposte all’ambiente marino. Sono previste due sub-classi: ambiente marino in clima temperato (4a) oppure accompagnato da cicli di gelo e disgelo (4b). In entrambi i casi il calcestruzzo è esposto all’attacco dei sali solfatici, ed i ferri di armatura sono aggredibili dai cloruri. Nel caso in cui, nell’ambiente marino si verifichino anche cicli di gelo e disgelo, occorre adottare una linea difensiva più efficace, e nella classe di esposizione 4b i vincoli risultano più cogenti che non nella classe di esposizione 4a. Nella Tabella 5 sono riportati i vincoli relativi alle classi di esposizione 4a e 4b.

CLASSE DI ESPOSIZIONE 5: AMBIENTE CHIMICAMENTE AGGRESSIVO

La classe di esposizione 5 riguarda le opere in calcestruzzo in ambiente chimicamente aggressivo: solfati, solfuri, ammoniaca, magnesio, sostanze acide, ecc. Tra questi agenti, il solfato gioca un ruolo determinante per la frequenza con cui è riscontrabile nei terreni, nelle acque naturali e negli ambienti industriali.
Quando un calcestruzzo poroso viene a contatto con il solfato subisce degrado a seguito della reazione di quest’ultimo con i calcio-alluminati idrati (C-A-H) ed i calcio-silicati idrati (C-S-H), entrambi prodotti dall’idratazione del cemento.
I fenomeni di degrado consistono nella formazione di due componenti (entrambi a carattere espansivo-dirompente) denominati ettringite e thaumasite formati per reazione del solfato rispettivamente con C-A-H e C-S-H. Per impedire il degrado è necessario adottare due misure: rendere il calcestruzzo meno poroso abbassando il rapporto a/c e stagionando adeguatamente il conglomerato; impiegare un cemento meno ricco in alluminati e quindi meno disponibile a formare l’ettringite.
Per individuare il rapporto a/c e stabilire se si deve impiegare un cemento resistente ai solfati è necessario conoscere la concentrazione di solfato nell’ambiente. La Tabella 6 riporta le concentrazioni di solfato nelle acque e nei terreni e la corrispondente classe di esposizione. Individuata la classe si procede a fissare i vincoli nel rapporto a/c e nello spessore di copriferro con l’ausilio della Tabella 7.

Tabella 5 - Vincoli nel rapporto a/c, nel volume di aria,
nella qualità degli aggregati e nello spessore del
copriferro per le opere in calcestruzzo
in classe di esposizione 4a e 4b.

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA

 

Normale

Armata

Precompressa

Rapporto a/c
(UNI 9858)

£ 0.50

£ 0.50

£ 0.50

Copriferro (EC2)

---

³40 mm
(35 mm)

³50 mm
(40 mm)

Aria 8%) solo
per 4b
(UNI 9858)

4-6%

4-6%

4-6%

Aggregati per
4b (UNI 9858)

non gelivi

non gelivi

non gelivi


Tabella 6 - Classe di esposizione per acque e
terreni contenenti solfati.

AMBIENTE

SO4=

CLASSE DI
ESPOSIZIONE

Acqua

250-500 mg/l

5a

Acqua*

500-1000 mg/l

5b

Acqua

1000-6000*** mg/l

5c

Terreno

250-500 mg/kg

5a

Terreno

500-1000 mg/kg

5b

Terreno**

1000-6000*** mg/kg

5c

* Impiegare cemento resistente ai solfati (ARS)
se SO4= > 500 mg/kg
** Impiegare cemento ARS se SO4= > 3000 mg/kg
*** Concentrazioni superiori richiedono un rivestimento impermeabile


VERIFICA DELLE PRESCRIZIONI

Se è vero che un limite nel rapporto a/c è la premessa indispensabile per la costruzione di un calcestruzzo durabile, cosa si può fare in pratica per verificare che questo limite non sia stato effettivamente superato? La verifica di questo parametro offre non poche difficoltà anche a chi volesse determinare sia l’acqua di impasto, sia il dosaggio di cemento al momento del getto. Infatti, se in qualche modo si arriva a determinare l’acqua di impasto, la verifica del dosaggio di cemento - basato sul passante ad un certo vaglio del calcestruzzo fresco - presenta notevoli incertezze per la presenza di altri componenti non cementizi di paragonabile finezza.
D’altra parte, la determinazione del dosaggio di cemento in un calcestruzzo indurito è di fatto oggi impossibile con la disponibilità dei leganti idraulici secondo la nuova normativa europea. Da tutto ciò deriva che l’unico modo praticabile, per verificare che sia stato effettivamento adottato il rapporto a/c prescritto consiste nel controllo indiretto della resistenza caratteristica (Rck) sugli impasti delle prove preliminari eseguite con il rapporto a/c prescelto. In mancanza di queste prove, la correlazione tra Rck ed a/c viene fornita indicativamente dalla stessa norma UNI 9858 che stabilisce i criteri di durabilità del calcestruzzo in relazione alle classi di esposizione ambientale (Tabella 8). Se nel calcestruzzo è necessario prevedere la presenza di un determinato volume di aria (4-6%) per le classi di esposizione 2b, 3, 4b i valori di Rck della Tabella 8 debbono essere abbattuti di circa il 20%.

NON SOLO A/C: OCCORRE ANCHE COSTIPARE E STAGIONARE

Per garantire la durabilità delle strutture reali non è sufficiente rispettare il limite nel rapporto a/c e nel volume di aria. Per una struttura durabile occorre anche che in corso d’opera siano rispettate due altre condizioni tanto importanti quanto disattese nella pratica del cantiere: il calcestruzzo gettato deve essere costipato a rifiuto; il calcestruzzo al momento dello scassero deve essere protetto dall’evaporazione per un periodo di almeno 3 giorni.
Sulla prima condizione si possono fare tre considerazioni:

- l’importanza della compattazione è legata al fatto che un calcestruzzo mal compattato presenta vuoti e macrodifetti che favoriscono l’ingresso degli agenti aggressivi nel materiale;
- per assicurare realisticamente una buona costipazione è necessario che il calcestruzzo possegga un’adeguata lavorabilità (classe di consistenza S4 o S5) senza che si ricorra a riaggiunte d’acqua in cantiere che aumenterebbero di fatto a/c e penalizzerebbero la durabilità;
- per verificare, in modo semplice, che l’impresa abbia costipato adeguatamente il calcestruzzo si può prescrivere in capitolato di misurare la massa volumica sulle carote estratte dalla struttura in opera e confrontarla con quella del provino impiegato per il controllo della Rck; la prima non dovrebbe risultare inferiore alla seconda per più del 3% (o di altro valore che si è disposti a tollerare).

Sulla seconda condizione (stagionatura umida) per almeno 3 giorni è necessario sottolineare che un calcestruzzo rischia di non essere di fatto durabile se la sua “pelle” si essicca prima ancora che il cemento abbia potuto reagire con l’acqua di impasto. Se ciò accade, si verifica un arresto nel processo di idratazione con grave pregiudizio sulla impermeabilità dello strato corticale del conglomerato.
Poiché anche la stagionatura ha un costo, difficilmente essa verrà offerta da un’impresa se questa operazione non è stata prevista in capitolato. In pratica, per assicurare una buona stagionatura umida occorre che la superfice a vista della struttura sia bagnata continuamente con acqua nebulizzata, oppure coperta con teli impermeabili o più semplicemente trattata con membrane anti-evaporanti applicate a spruzzo subito dopo la scasseratura.

Tabella 7 - Vincoli nel rapporto a/c e
nello spessore di copriferro per le opere
nella classe di esposizione 5.

CLASSE
DI
ESPOSIZIONE

VINCOLO

TIPO DI STRUTTURA
    Normale Armata Precompressa

5a

Rapporto a/c
(UNI 9858)
Copriferro (EC2)

£0.55

---

£0.55

³25 mm

£0.55

³35 mm

5b

Rapporto a/c
(UNI 9858)
Copriferro (EC2)

£0.50

--

£0.50

³30 mm

£0.50

³40 mm
(35 mm)

5c

Rapporto a/c
(UNI 9858)
Copriferro (EC2)

£0.45

--

£0.45

³40 mm

£0.45

³50 mm
(45 mm)


Tabella 8 - Valori di Rck indicativamente corrispondenti
ai rapporti a/c da adottare per la durabilità
del calcestruzzo non areato.

RAPPORTO A/C

RESISTENZA CARATTERISTICA
MPa CON CEMENTI DI CLASSE

  32.5 42.5

0.65

25 30

0.60

30 37

0.55

37 45
0.50 45 50
0.45 50 55



CONCLUSIONI

Per concludere un calcestruzzo durabile richiede - già in fase di capitolato - che si definiscano tre aspetti da verificare in corso d’opera:

  • una Rck che corrisponda al rapporto a/c da adottare in relazione alla classe di esposizione ambientale;
  • una costipazione del calcestruzzo in opera in modo, che la massa volumica della struttura (misurata su carote) non scenda per più del 3% sotto quella del corrispondente provino (su cui si determina la Rck) compattato a rifiuto;
  • una stagionatura umida della superficie del calcestruzzo per almeno 3 giorni dopo la scasseratura.