Relazione generale - centro veneto servizi spa

CENTRO VENETO SERVIZI S.p.A.
MONSELICE (PADOVA)
RISANAMENTO DELLE STRUTTURE IN CLS DEI SERBATOI PENSILI SITI NEI
COMUNI DI ANGUILLARA VENETA, PIACENZA D’ADIGE, SOLESINO (PD)
RELAZIONE ILLUSTRATIVA
Premessa
I manufatti di cui trattasi sono costituiti da una vasca posta ad una quota più
elevata di quella del terreno sospesa mediante una struttura di sostegno. Il
principale vantaggio è che consentono l’alimentazione a gravità della rete
anche in zone pianeggianti.
Costruiti negli anni ottanta in calcestruzzo armato facciavista, oggi
presentano segni avanzati di degrado dovuto presumibilmente ad:
aggressioni di tipo chimico
1. Corrosione delle armature per carbonatazione
2. Attacco solfatico della matrice cementizia
Nei casi in esame si esclude l’aggressione da cloruri.
Aggressione di tipo fisico
1. Cicli di gelo e disgelo
2. Ritiro e fessurazione
3. Difetti
Nelle opere esposte all’aria, la corrosione è dovuta alla carbonatazione del
calcestruzzo che innesca la trasformazione dell’acciaio in ruggine che inizia
quando, per microlesioni o porosità eccessiva o erosione o attacco chimico,
il calcestruzzo, che per la sua elevata alcalinità è l'ambiente ideale per
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proteggere le barre d'acciaio, può perdere le sue caratteristiche protettive e
provocare la corrosione delle armature, in tempi ben più brevi della
protezione che dovrebbe essere garantita attiva per 50-75 anni, più o meno
la vita attesa delle costruzioni.
Un calcestruzzo sano ha un ph maggiore di 13 e in questa condizione sui
ferri di armatura si crea un film di ossido ferrico passivo che li
impermeabilizza al passaggio di ossigeno e umidità.
Se la struttura è carbonatata il pH del cls si abbassa passando a valori che
possono essere anche inferiori a 9, creando così un ambiente poco alcalino
per le armature. Già in presenza di pH inferiori a 11 il film passivante viene
neutralizzato lasciando così i ferri esposti all’aggressione dell’ossigeno e
dell’umidità presenti nell’aria.
Il degrado del calcestruzzo, principalmente l'alterazione chimico-fisica del
copriferro, innesca così la corrosione delle armature. La corrosione delle
armature (ossidazione) è accompagnata da un aumento di volume (anche 6
volte), che dapprima provoca scollamento; all'aumentare delle tensioni
agenti le fratture si allargano fino a provocare la disgregazione del
calcestruzzo con espulsione del copriferro.
In conclusione si può affermare che il fenomeno della carbonatazione è
dannoso solo per le strutture armate per i motivi sopra menzionati, mentre
non è determinante in quelle realizzate in calcestruzzo non armato.
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Quindi, In soluzioni alcaline con pH>11,5 e in assenza di cloruri, il ferro si
ricopre di un sottilissimo film di ossido, dello spessore di pochi strati
molecolari.
In queste condizioni, che sono dette di passività, la sua velocità di
corrosione è praticamente nulla.
Un calcestruzzo correttamente confezionato e messo in opera si comporta
come una soluzione alcalina e quindi passiva perfettamente le armature.
Nel tempo, però, il calcestruzzo può perdere le caratteristiche protettive.
CARBONATAZIONE DEL CALCESTRUZZO
Partendo dagli strati più esterni e passando a quelli più interni, l'alcalinità
del
cls
può
essere
neutralizzata
dall'anidride
carbonica
presente
nell'atmosfera (0,04% in ambiente rurale, 0,2 % in ambiente cittadino), per
cui il contenuto acquoso del cls passa da pH>13 a pH<9.
CO2 + Ca(OH)2
CaCO3 + H2O
La velocità con cui avanza la carbonatazione dipende da molti fattori:
ambientali: umidità, temperatura, concentrazione dell'anidride carbonica
caratteristiche del cls stesso: alcalinità, porosità.
La velocità di carbonatazione aumenta all'aumentare di tutti i fattori sopra
elencati, ad eccezione dell'umidità.
L'umidità influisce sulla velocità di carbonatazione secondo due meccanismi
che hanno effetto opposto:
x il trasporto dell'anidride carbonica all'interno del cls ha luogo più
facilmente attraverso i pori riempiti d'aria, molto più lentamente in quelli
riempiti d'acqua
x la reazione di carbonatazione avviene solo in presenza d'acqua
(UR>40%)
L'intervallo di UR più pericoloso per la carbonatazione è compreso fra il 50
e l'80%.
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La reazione di carbonatazione inizia dalla superficie esterna del
calcestruzzo e poi interessa le regioni più interne Il parametro K dipende da
fattori ambientali (umidità, temperatura, contenuto di anidride carbonica) e
da fattori legati al calcestruzzo (quantità di cemento, tipo di cemento,
porosità)
La carbonatazione di per sé non provoca alcun danno al cls; anzi, ne riduce
la porosità, aumenta la durezza e porta a una maggiore resistenza
meccanica. Ha invece importanti conseguenze sulle armature perché il pH,
da valori iniziali di 13-14, passa a valori vicini alla neutralità, cioè al di sotto
del valore 11,5, necessario per assicurare, in assenza di cloruri, le condizioni
di passività.
Una seconda conseguenza è la liberazione di cloruri nell'acqua dei pori, che
così diventa più aggressiva.
ATTACCO SOLFATICO
I solfati solubili più comuni presenti nei terreni, nelle acque e nei processi
industriali sono quelli di calcio e di sodio. Esistono anche quelli di magnesio,
un po’ meno comuni ma più distruttivi. Lo ione solfato può essere presente
nelle acque come nei terreni ma può anche trovarsi direttamente negli
aggregati sotto forma di impurità. Se i solfati provengono dai terreni o dalle
acque a contatto con la struttura, lo ione solfato trasportato all’interno della
matrice cementizia dall’acqua (fondamentale per il trasporto) reagisce con
l’idrossido di calce e forma gesso. Questo va a reagire a sua volta con gli
alluminati di calcio idrati (C-A-H) formando ettringite secondaria che
aumentando di volume provoca delaminazione, rigonfiamenti, fessurazioni e
distacchi.
Un altro tipo di attacco solfatico si manifesta quando in presenza di
carbonato di calcio con temperature basse (inferiori ai 10 °C) e un’umidità
relativa superiore al 95%, si forma thaumasite che provocando la
decalcificazione crea il vero e proprio spappolamento del calcestruzzo. I
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solfati oltre che dall’esterno possono provenire anche dall’interno del cls,
sotto forma di impurità naturali negli aggregati, in forma di gesso o anidrite. Il
gesso degli aggregati ha dimensioni più elevate rispetto a quello aggiunto al
cemento per la presa, di conseguenza è meno solubile in acqua.
Per stabilire se il degrado del calcestruzzo è dovuto all’attacco solfatico,
si effettua un’analisi chimica per identificare la quantità di solfato presente.
Normalmente nel cls è presente, se pur in minima parte, una quantità di
solfato di calcio, aggiunto al cemento durante la macinazione, che agisce da
regolatore di presa. Il contenuto considerato normale all’interno del cls si può
stimare attorno allo 0,4 – 0,6%.
GELO E DISGELO
L’effetto del ghiaccio è deleterio solo se c’è acqua allo stato liquido
all’interno del cls.
Il livello di umidità non deve allora superare un
determinato valore chiamato “saturazione critica”.
S’intende che l’acqua presente all’interno della porosità deve essere al di
sotto di detto valore in modo che pur aumentando di volume ghiacciando,
riesca a rimanere all’interno dei pori senza creare tensioni. Differentemente
se l’acqua riempisse tutto o quasi il volume dei pori, ghiacciando andrà a
spaccare il cls a causa della pressione instaurata (l’acqua ghiacciando
aumenta il suo volume di partenza del 9%).
In particolare tale fenomeno si innesca sulla fascia corticale dove
maggiore è la concentrazione di acqua.
RITIRO E FESSURAZIONE
Si verificano due tipi di ritiro, quello plastico e quello igrometrico. Il primo
avviene quando il calcestruzzo ancora nella fase plastica cede parte della
sua umidità all’ambiente esterno causando così una contrazione. La
fessurazione in questo caso è legata alle condizioni in cui viene realizzato il
getto. Il ritiro plastico, avvenendo quando il calcestruzzo è ancora fresco,
può portare ad una micro fessurazione superficiale. Il ritiro igrometrico è
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dovuto alla cessione di umidità all’ambiente con un U.R. bassa lungo tutto
l’arco della vita utile.
DIFETTI
l calcestruzzo è una miscela di più elementi. Il suo confezionamento è
legato alle singole esigenze, più alte sono le richieste più delicato è il mixdesign. I componenti principali sono il cemento, gli aggregati, l’acqua e gli
additivi. La posa in opera del calcestruzzo, inoltre, potrebbe creare uno o
più punti deboli. Un esempio è la segregazione degli aggregati dovuta ad
un errato confezionamento e/o messa in opera.
INDIVIDUAZIONE DELLE ZONE DEGRADATE
Nelle strutture che presentano fenomeni di degrado dei materiali, è
opportuno estendere gli interventi non solo alle zone in cui il
danneggiamento è evidente, ma anche a quelle in cui il degrado è già in
fase avanzata o sta progredendo rapidamente.
E' allora importante individuare fino a quale profondità si è estesa la
carbonatazione del calcestruzzo e/o la penetrazione degli ioni cloruro.
Sulla base delle misure del degrado attuale, si possono fare anche
previsioni circa i probabili tempi di propagazione
La profondità di carbonatazione si può determinare mediante la
prova alla fenolftaleina (UNI 9944):
Sulla superficie del campione, subito dopo l'estrazione, si spruzza un
velo di soluzione alcolica di fenolftaleina:
il calcestruzzo carbonatato non modifica il suo colore,
il calcestruzzo non ancora carbonatato assume il colore rosa della
fenolftaleina in ambiente alcalino.
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La prova deve essere effettuata su una superficie fresca di rottura,
perpendicolare alla superficie esterna del calcestruzzo.
Sulla base di una campionatura sufficientemente estesa, è possibile
stimare la penetrazione della carbonatazione nelle varie parti della struttura
(dove possono variare le condizioni di esposizione e quindi la velocità di
penetrazione).
Confrontando la profondità della carbonatazione con lo spessore di
copriferro effettivo, misurato sulla struttura, è possibile individuare le zone in
cui la carbonatazione ha raggiunto le armature e prevedere i tempi in cui
questo si verificherà.
Analisi del contenuto di cloruri:
analisi chimiche su campioni rappresentativi di diverse profondità per
determinare dei profili di contenuto totale di cloruri.
Si possono utilizzare carote che vengono tagliate in fette oppure
campioni ottenuti raccogliendo la polvere prelevata a diverse profondità con
un trapano.
Formazione di ghiaccio
Alle basse temperature l’acqua contenuta nel calcestruzzo si trasforma
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in ghiaccio.
La trasformazione avviene con un aumento di volume di circa il 9%
Se il rapporto volume di acqua/volume dei vuoti è superiore al 91% il
ghiaccio solleciterà il calcestruzzo fino a farlo fessurare.
Gli effetti diventano devastanti per successivi cicli di gelo e disgelo.
Normativa di riferimento
UNI 7087:2002 – Cls. Determinazione della resistenza al degrado per
cicli di gelo e disgelo.
UNI 9535:1989 – Corrosione e protezione dell'armatura del cls.
Determinazione del potenziale dei ferri d'armatura.
UNI 9944:1992 – Corrosione e protezione dell'armatura del cls.
Determinazione della profondità di carbonatazione e del profilo di
penetrazione degli ioni cloruro nel cls.
UNI 10322:1994 – Corrosione delle armature delle strutture di cls.
Metodo per la determinazione del grado di protezione del cls nei confronti
dell'armatura.
RECUPERO DI OPERE DANNEGGIATE DALLA CORROSIONE
Gli interventi devono essere finalizzati a bloccare la corrosione in atto e
a mantenere le condizioni di protezione.
Si possono seguire principi diversi di intervento e ciascuno può essere
realizzato con tecniche diverse.
Il fenomeno che si incontra più spesso negli edifici è quello dello
sfaldamento ed il conseguente distacco del copriferro, causati dalla
carbonatazione del cls e dalla successiva corrosione e rigonfiamento delle
armature.
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FASI DEL RESTAURO
Rimozione delle parti degradate: i ferri devono essere completamente
liberati dal calcestruzzo, anche nelle zone apparentemente sane.
Pulizia delle superficie per eliminare residui di polvere, grassi e detriti
che impediscono la buona adesione della malta nuova. Si esegue
preferibilmente con idrosabbiatrici.
Trattamento dei ferri: asportazione dell'ossido fino "a metallo bianco";
si esegue mediante sabbiatura.
Restauro delle armature: quando le armature si presentano corrose e
ridotte di diametro in misura apprezzabile, occorre sostituirle o integrarle.
In dipendenza della quantità di armatura che occorre sostituire, le
operazioni sono:
•
ripristino delle armature e delle staffe tramite saldatura di nuovi
ferri sulla parte sana di quelli deteriorati
•
ricostituzione di nuova gabbia di armatura costituita da rete
elettrosaldata collegata alla preesistente armatura
•
cerchiatura con profilati metallici.
•
Protezione dei ferri d'armatura contro l'ossidazione, mediante
l'applicazione di sostanze alcaline stabili:
•
convertitori di ruggine
•
protettivi a base di resine sintetiche
•
I protettivi, una volta induriti, non permettono una buona
adesione delle malte; è opportuno spolverare con sabbia di
quarzo o sabbiare la resina indurita.
•
Applicazione di primers: sostanze (sintetiche o boiacche
additivate) che si applicano a pennello a spruzzo e che
permettono l'adesione delle malte di ripristino.
•
Malte
da
ripristino:
devono
possedere
le
seguenti
caratteristiche:
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•
elevata tixotropia per consentire l'adesione su superficie inclinate
•
Protezione con prodotti impermeabilizzanti:
•
rivestimenti organici (acrilici, poliuretanici, epossidici):
film
continuo che blocca la penetrazione dell’anidride carbonica
•
trattamenti idrorepellenti: riducono l’assorbimento d’acqua e delle
sostanze
aggressive
in
essa
disciolte,
non
ostacolano
la
penetrazione dell’anidride carbonica e quindi della carbonatazione
•
trattamenti
che
portano alla
chiusura
dei
pori
(silicati,
silicofluoruri: penetrano nei pori e reagiscono con il cls dando luogo
a prodotti di reazione che ostruiscono i pori
•
rivestimenti cementizi a bassa permeabilità e di elevato spessore:
essendo molto deformabili, hanno anche il vantaggio di chiudere le
fessure
•
Efficienza dei trattamenti superficiali
•
L’azione dei trattamenti superficiali si esplica nel rallentare la
penetrazione delle specie aggressive; porta a un allungamento del
periodo di innesco, soprattutto nel caso di corrosione da cloruri.
•
Una volta che la corrosione è innescata, solo i trattamenti che
ostacolano la penetrazione dell’acqua riducono sensibilmente la
velocità di corrosione e solo nel caso in cui sia indotta dalla
carbonatazione.
•
Occorre usare i protettivi specifici per ogni agente aggressivo.
•
Occorre curare l’applicazione con particolare attenzione al supporto
che dovrà essere adeguatamente preparato o sufficientemente
secco.
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Localizzazione dell’intervento
L’area ove sono localizzati i manufatti è:
ANGUILLARA
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SOLESINO
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PIACENZA D’ADIGE
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INTERVENTO
Per effettuare un intervento di ripristino mirato che garantisca di aver
eliminato lo spessore corretto interessato dal degrado, occorrerebbe
effettuare una indagine sulla carbonatazione del calcestruzzo utilizzando il
metodo della fenolfetaleina. (calcestruzzo colorato = calcestruzzo non
carbonatato; calcestruzzo di colore grigio = calcestruzzo interessato dal
processo di carbonatazione)
In assenza di tale indagine, che è impossibile da effettuare data l’altezza dei
manufatti, si farà riferimento alle zone dove attualmente il copriferro è stato
espulso il cui spessore di ammaloramento si aggira attorno ad una media di
1,5 cm.
Padova 29.06..2015
Il Progettista
Ing. Giuseppe Tranchida
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