La durabilità del calcestruzzo (o durevolezza) è influenzata da numerosi fattori, interni ed esterni, che sono comunemente classificati come chimici, fisici e meccanici. Il calcestruzzo può essere danneggiato dal fuoco, dall'espansione, dall'acqua marina, dalla corrosione fisica, a causa di danni fisici e chimici (dovuti a carbonatazione, cloruri, solfati e acqua non distillata). Questo processo influenza avversamente il calcestruzzo esposto a questi stimoli.
Esistono cause di degrado della struttura (errori di progettazione, errata messa in opera del calcestruzzo, ecc.) non imputabili ad una carente durabilità del materiale.
Il vantaggio economico di realizzare un'opera con un calcestruzzo durabile è notevole, infatti 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 della stessa quando il degrado è così avanzato da rendere la stessa inservibile per le originali funzioni.
Principali cause di degrado del calcestruzzo
Anche un calcestruzzo di qualità scadente non si degrada se non esistono le condizioni aggressive dell'ambiente e d'altra parte, un ambiente aggressivo non provoca il degrado di un calcestruzzo adeguatamente durevole. La durabilità è influenzata da numerosi fattori, interni ed esterni, che sono comunemente classificati come chimici, fisici e meccanici.
Difficilmente in un processo di degradazione esiste un solo fenomeno aggressivo: spesso più cause concorrono al deterioramento del materiale esaltandosi a vicenda. Tuttavia esiste sempre quella che può essere definita la causa fondamentale. Le più comuni cause di degrado dipendono dalla porosità e dalla permeabilità del conglomerato, poiché permettono agli agenti aggressivi di penetrare all'interno del conglomerato.
Tra le cause più frequenti di degrado delle strutture in calcestruzzo ci sono: chimiche: agenti chimici naturali principali: Solfati (SO42-) e solfuri (S2-): il solfuro può essere presente in natura nei terreni, nelle acque di falda, di palude o di fogna. Esso può presentarsi come sale (per es. solfuro di ferro o pirite FeS2) o come acido (idrogeno solforato o acido solfidrico H2S). Lo ione solfato, che si trova in natura nei terreni e nelle acque, specialmente quelle marine, è l'agente aggressivo più importante sia per la frequenza con cui si manifesta sia per le conseguenze estremamente negative del suo attacco (attacco solfatico); Anidride carbonica (CO2) Cloruri (Cl-) Alcali (Na+ e K+) Magnesio (Mg ++) (agente decalcificante) Ammonio (NH4+) (agente decalcificante) acque a bassa durezza agenti chimici non naturali: acidi e basi organiche ed inorganiche; sali ed idrocarburi presenti negli ambienti industriali; acque reflue naturali ed industriali. Fisiche: Variazioni termiche naturali (es. gelo e disgelo) e artificiali (es. incendi) Ritiro da essiccamento Calore di idratazione sali disgelanti Meccaniche: Urto, scoppio, cavitazione Erosione, abrasione Sisma Vibrazioni Assestamenti strutturali carichi non previsti carichi ciclici (fatica) Nel caso di manufatti in calcestruzzo armato immersi in acqua, ai precedenti fattori di degrado si aggiunge anche quello biologico: la formazione di incrostazioni.
Tra le cause chimiche si possono distinguere quelle riguardanti gli agenti chimici naturali, quali per esempio, l'acqua di mare, e le cause concernenti gli agenti chimici artificiali quali gli acidi inorganici, le sostanze organiche, ecc. derivanti quasi sempre dagli scarichi industriali. In linea di massima è sempre possibile confezionare un calcestruzzo durevole capace di resistere all'azione aggressiva degli agenti definiti naturali, più difficile garantire la durabilità di un calcestruzzo a contato con agenti aggressivi artificiali a meno che non si ricorra ad un rivestimento protettivo.
Per quanto concerne le cause definite fisiche mentre è possibile confezionare calcestruzzi di durata praticamente illimitata in ambienti con alternanze termiche intorno a diventa pressoché impossibile eliminare le conseguenze (ritiro e/o fessurazione) derivanti dall'evaporazione dell'acqua dal calcestruzzo in climi asciutti. Utilizzando ad esempio calcestruzzi speciali contenenti agenti espansivi si può limitare l'inconveniente.
Anche per le cause meccaniche non è sempre possibile confezionare un calcestruzzo che di per sé sia capace di resistere all'azione degradante degli urti, abrasioni, cavitazione, ecc. Occorrerà in questi casi migliorare al massimo la qualità superficie del calcestruzzo ricorrendo anche a rivestimenti protettivi capaci di rinforzare ulteriormente la superficie del materiale.
Cause chimiche esterne Le costruzioni in calcestruzzo possono essere circondate da ambienti diversi: atmosfera acqua terreno Tutti questi tre ambienti possono contenere gli stessi agenti aggressivi, ma con diversa azione ed efficacia.
Atmosfera L'aria contiene due elementi suscettibili di attaccare o di determinare le condizioni di aggressione del calcestruzzo armato: ossigeno anidride carbonica.
A questi due in ambienti inquinati si aggiunge anche l'anidride solforosa.
Per i manufatti cementizi che vengono a contatto con i liquami, quali i condotti di fognatura in c.a., si aggiunge anche l'azione dell'idrogeno solforato, H2S.
Ossigeno L'ossigeno è innocuo nei riguardi del calcestruzzo, ma attraversando lo spessore del copriferro e venendo a contatto con l'armatura, in ambiente umido, partecipa a fenomeni elettrochimici che portano alla corrosione dei ferri, con formazione di ruggine la quale è accompagnata da fenomeni espansivi indesiderati che possono portare al distacco del copriferro. Anidride carbonica L'azione dell'anidride carbonica sul conglomerato cementizio è poco pericolosa, mentre risulta determinate nei confronti della corrosione delle armature metalliche.
Il fenomeno chimico che si verifica sulla superficie del calcestruzzo a contatto con l'aria, consiste nella combinazione dell'idrossido di calcio, proveniente dalla pasta di cemento indurita, con l'anidride carbonica, formando carbonato di calcio (decalcificazione) secondo la reazione: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O. Questa reazione, che determina la carbonatazione dell'idrossido di calcio presente nella matrice cementizia, provoca la diminuzione del pH della pasta cementizia che, per un calcestruzzo completamente carbonatato, scende da 13 a circa 8,5.
In queste condizioni il ferro d'armatura non è più passivato e in presenza di umidità e ossigeno si ossida e si corrode.
Anidride solforosa L'anidride solforosa, SO2, è apportata dalla combustione degli idrocarburi e del carbone, e tende a trasformarsi in anidride solforica, SO3, secondo la seguente reazione: 2SO2 + O2 → 2SO3 ed in presenza di umidità in acido solforico H2S04 secondo la seguente reazione: SO3 + H2O → H2SO4. Tali reazioni risultano molto lente, ma nella realtà sono accelerate dalla presenza di alcuni inquinanti presenti nell'atmosfera (ossidi metallici, particelle carboniose, ecc.) in grado di comportarsi da catalizzatori accelerando drasticamente la reazione.
In presenza di questo agente aggressivo il pH dell'acqua meteorica si aggira a 3,5 - 4 durante i primi minuti di pioggia (piogge acide).
A questi valori del pH la protezione del calcestruzzo, anche ad elevata impermeabilità è molto limitata.
La corrosione dovuta all'acido solforico trasforma il calcestruzzo in una massa pastosa costituita soprattutto da solfato di calcio, sabbia e ghiaia.
Oltre alla ovvia azione corrosiva dell'acido solforico, in presenza di questo agente aggressivo avviene anche la solfatazione del carbonato di calcio (che si genera a seguito della carbonatazione dell'idrossido di calcio) e che porta alla trasformazione del carbonato di calcio in gesso secondo la seguente reazione: H2SO4 + CaCO3 → CO2 + CaSO4·2H2O. Il gesso reagendo con l'alluminato tricalcico, C3A, presente nella matrice cementizia, dà origine all'ettringite, i cui poteri devastanti sono noti.
Inoltre l'acido solforico non trasformato attacca direttamente sia l'idrossido di calcio che non ha ancora subito la carbonatazione (decalcificazione) secondo la seguente reazione: H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4·2H2O; che l'armatura metallica con formazione interna di solfuro di ferro.
Idrogeno solforato L'idrogeno solforato o acido solfidrico, H2S, si genera nelle fognature a seguito dei processi metabolici di batteri anaerobici solfatoriduttori (solfobatteri riducenti come
il Desulfovibrio, Desulfobacter e Desulforomonas) presenti nei liquami, durante quali avviene la riduzione dello zolfo a ione solfuro con formazione di idrogeno solforato.
L'idrogeno solforato non ha di per sé un'azione aggressiva nei confronti del calcestruzzo. Tuttavia a contatto con l'aria si trasforma, mediante processi ossidativi, in acido solforico che è capace invece di attaccare severamente il conglomerato.
Il meccanismo secondo il quale si produce l'idrogeno solforato e successivamente acido solforico è il seguente:
- le colonie batteriche si installano sulla superficie dei condotti fognari, formandovi veli mucillaginosi. Detti veli sono costituiti da due stratificazioni sovrapposte: quella superiore, a contatto diretto con il liquame, comprendente colonie aerobie, mentre quella inferiore, radicata alla superficie del tubo, è formata da famiglie anaerobie. Queste ultime riducono i solfati e le sostanze organiche contenenti zolfo soprattutto l'albumina, contenuti nelle acque di fogna, (utilizzando l'ossigeno presente nei suddetti composti), trasformandoli in idrogeno solforato. Una parte di questo, attraversando lo strato superiore della pellicola biologica viene ossidato a tiosolfati, una parte passa come tale in seno alla corrente liquida. Una frazione viene ivi ossidata mentre la quota superstite raggiunge le zone superiori aerate (ambiente compreso fra la superficie non bagnata della tubazione compresa fra il pelo libero dell'acqua e la calotta del tubo). Poiché questa è solitamente umida, vi trova condizioni ideali per il suo insediamento un microrganismo aerobio, il Thiobacillus Concretivorous (o anche il Beggiatoa), che nei suoi processi metabolici, ossidando il solfuro in solfato, favorisce la reazione: H2S + 2O2 → H2SO4 che è la causa del degrado del calcestruzzo secondo i meccanismi descritti al punto precedente.
L'attacco si manifesta solo nella parte alta più nella fognatura che non si trova a contatto con i liquami; nella parte al di sotto del livello dell'acqua l'attacco non si manifesta. Visivamente l'inizio dell'attacco si manifesta con la presenza di una patina biancastra, dovuta alla formazione di solfato di calcio. Successivamente si ha un indebolimento della matrice cementizia con successivo distacco di questa e degli inerti. Sul nuovo calcestruzzo così scoperto ricomincia l'azione aggressiva.
Questa reazione è tanto più attiva quanto maggiore è lo spessore della pellicola sul fondo dei tubi e quanto minore è la quantità di ossigeno disciolto nel liquame, giacché da questo dipende la vitalità dello strato superiore aerobico della pellicola stessa, e la capacità ossidativa dei batteri presenti nella massa liquida.