Durabilità del calcestruzzo secondo le
Linee Guida del Ministero LL. PP.

Parte VI: esposizione alle acque chimicamente aggressive


Mario Collepardi e Luigi Coppola

 
Nella nuova norma EN 206, cui si ispirano le Linee Guida del Ministero dei LL.PP per la durabilità dei calcestruzzi strutturali, sono previsti due ambienti chimicamente aggressivi: i terreni e le acque. Dei terreni aggressivi si è già discusso nel precendente numero di Enco Journal (consultare il sito www.enco-journal.com , sezione "Gli Ultimi Numeri").
In questo numero vengono analizzate le situazioni di attacco dei calcestruzzi strutturali da parte di acque chimicamente aggressive per la presenza di uno o più seguenti composti di concentrazione superiore alla soglia critica accanto indicata:
  • SO4= (³ 200 mg/l)
  • Acidi (P.H. £ 6.5)
  • CO2 (³ 15 mg/l)
  • NH4+ (³ 15 mg/l)
  • Mg++ (³ 300 mg/l)

A seconda che la concentrazione cada in uno degli intervalli riportati in Tabella 1, si debbono adottare secondo la norma EN 206 le misure preventive indicate nella stessa Tabella 1 in termini di massimo rapporto acqua-cemento (a/c), di minima Rck e di dosaggio minimo di cemento (per inerti con diametro massimo compreso tra 20 e 32 mm).


Tabella 1 - Classe di esposizione XA secondo la EN 206. Attacco del calcestruzzo da parte di acque chimicamente aggressive

Classe

Descrizione dell'ambiente*
ACQUA

Massimo
a/c

Valore Minimo di
R
ck***
N/mm
2

Dosaggio Minimo di Cem.
(kg/m
3)

 

SO4=**
(mg/l)

pH

CO2
(mg/l)

NH4+
(mg/l)

Mg++
(mg/l)

     

XA1

³ 200
£ 600

£ 6.5
³ 5.5

³ 15
£
40

³ 15
£ 30

³ 300
£ 1000

0.55

37

300

XA2

>600
£ 3000

<5.5
³ 4.5

>40
£ 100

>30
£ 60

>1000
£ 3000

0.50

37

320

XA3

>3000
£ 6000

<4.5
³ 4.0

>100

>60
£ 100

>3000

0.45

45

360

*Se non sono presenti due prodotti aggressivi nella stessa classe di esposizione, si adotta la classe di esposizione a livello superiore
** Impiegare cementi resistenti ai solfati
*** I valori si riferisono all'impiego di un cemento con classe di resistenza 32.5

Nella Tabella 2 sono riportati gli analoghi valori di concentrazioni e requisiti prestazionali previsti dalle Linee Guida. A parte qualche differenza di minore importanza, si segnala che nelle Linee Guida è prevista una Rck leggermente diversa per le classi di esposizione XA2 ed XA3 per le quali la norma EN 206 prevede una stessa Rck minima nonostante siano previsti diversi valori nel rapporto a/c massimo.

Nel proseguio di questo articolo conclusivo sulla durabilità del calcestruzzo in relazione alla EN 206 ed alle Linee Guida sarannno commentati i meccanismi aggressivi non discussi nei documenti ufficiali.

L'attacco aggressivo dei prodotti chimici elencati nelle Tabelle 1 e 2 può essere suddiviso in due tipi:

  • decalcificazione del C-S-H
  • espansione differenziale e fessurazione

 

 

Tabella 2 - Classe di esposizione XA secondo le
Linee Guida del Ministero LL.PP.:
attacco chimico da parte di acque aggressive.

Agente aggressivo nelle acque

Classe di esposizione

 

XA1

XA2

XA3

pH

6,5 - 5,5

5,5 - 4,5

4,5 - 4,0

CO2 aggressiva (mg CO2/l)

15-30

30-60

60-100

Ioni ammonio (mg NH4+/l)

15-30

30-60

60-100

Ioni magnesio

(mg Mg2+/l)

100-300

300-1500

1500-3000

Ioni solfato (mg SO42-/l)

200-600

600-3000

3000-6000

Massimo a/c

0.55

0.50

0.45

Rck min. (N/mm2)

37

37-40

45

Dos. Cemento min. (kg/m3)

300

320

350

 

La decalcificazione consiste nella rimozione del calcio dal prodotto "collante" C-S-H cui si deve sostanzialmente l'effetto legante dei cementi portland o di miscela. A causa della perdita del calcio, il C-S-H si trasforma in prodotti progressivamente meno leganti fino a diventare, nel caso limite di totale perdita del calcio, in cui prodotto (S-H) sostanzialmente formato da silice amorfa priva di qualsiasi potere legante.
Il meccanismo della decalcificazione si esplica attraverso il trasferimento del calcio che si trova nel C-S-H ad un prodotto CaX, dove X è l'agente decalcificante responsabile dell'aggressione:

 

X

 

C-S-H

=======>

S-H + CaX

[1]

e dove CaX rappresenta un complesso o un prodotto privo di potere legante.

Il prodotto della decalcificazione coinvolge anche la trasformazione del Ca(OH)2 (prodotto per idratazione del cemento) nel prodotto CaX


 

X

   

Ca(OH)2

=======>

2OH + CaX

[2]

ma con danni inferiori a quelli derivanti dal processo [1] che è accompagnato dalla perdita del componente più importante (C-S-H) dal punto di vista delle prestazioni meccaniche del calcestruzzo.

Tutte le speci chimiche elencate in Tabella 1 presentano l'effetto decalcificante che si esplica in pratica con aumento di porosità e soprattutto perdita di resistenza meccanica.

Nel caso dell'ammonio (NH4+) e del magnesio (Mg++), per esempio il processo [2] può essere così rappresentato:

Ca(OH)2 + 2NH4+ ===> Ca+++2H2O+2NH3(gasé ) [3]

Ca(OH)2 + Mg++ ===> Ca+++Mg(OH)2 (solidoê ) [4]

 

In sostanza nel processo [3] il prodotto solido Ca(OH)2 viene trasformato in un gas (NH3) che evapora ed un sale di calcio idrosolubile asportato dall'acqua.

Nel processo [4], invece, il prodotto Ca(OH)2 è trasformato nella brucite - Mg(OH)2 - ancor meno solubile del Ca(OH)2 ma potenzialmente meno legante della calce. Inoltre l'azione del Mg++ può arrivare a sostituire il calcio del C-S-H con formazione di un prodotto M-S-H privo delle proprietà leganti del C-S-H:

 

Mg++

   

C-S-H

=======>

M-S-H + Ca++

[5]

Anche con gli acidi (pH £ 6.5) e la CO2 aggressiva l'acqua è in grado di attaccare il calcestruzzo provocando una progressiva decalcificazione prima della calce [2] e poi del C-S-H [1].

Un discorso a parte merita l'attacco aggressivo delle acque solfatiche. Lo ione SO4= può provocare sia la decalcificazione che l'espansione fessurativa del calcestruzzo.

La decalcificazione del calcestruzzo da parte dello ione SO4= può essere esplicata sia nei confronti della calce con formazione di gesso (CaSO4·2H2O):

 

 

SO4=

   

Ca(OH)2

=======>

CaSO4·2H2O+2OH

[6]

 

 

H2O

 

 

 

 

sia nei confronti del C-S-H con formazione di thaumasite attraverso il gesso formatosi con il processo [6]:

 

H2O

   

C-S-H+CaSO4·2H2O+CaCO3

=======>

CaSO3·CaSO4·CaCO3·15H2O

[7]

 

 

 

 

(thaumasite)

 

 


Il processo [7] di formazione della thaumasite (favorito dalle basse temperature: 0-10°C) è particolarmente devastante proprio per la riduzione (fino a scomparsa) del prodotto C-S-H responsabile delle prestazioni meccaniche del calcestruzzo.

L'effetto aggressivo dello ione SO4= nelle acque solfatiche è particolarmente severo, perché, ai processi [6] e [7] che provocano un indebolimento meccanico, si accompagna un processo espansivo nello strato corticale (penetrato dal solfato) che provoca distacchi e delaminazioni rispetto al nucleo centrale non penetrato dai solfati ed ancora integro. L'effetto espansivo responsabile del degrado è provocato dalla formazione di ettringite secondaria (consultare in www.enco-journal.com l'articolo "E… come Ettringite" nella sezione "L'archivio: il meglio di Enco Journal"):


 

CaSO4·2H2O

   

C-A-H +

=======>

C3A·3CaSO4·32H2O

[8]

 

 

H2O

(ettringite)

 

 


In questo caso il processo non coinvolge la fase C-
S-H, di primaria importanza per la resistenza meccanica, ma piuttosto il C-A-H non dotato di altrettante prestazioni meccaniche come quelle del C-S-H. Tuttavia, il processo [8] diventa fortemente distruttivo per la espansione che accompagna la formazione di ettringite nello spessore penetrato dal solfato.