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Dizionario enciclopedico del calcestruzzo, sezione 16: la penetrazione del cloruro

Il Dizionario enciclopedico del calcestruzzo, edito da Enco, è una versione aggiornata di precedenti edizioni che furono pubblicate tra il 1990 e il 2004. Nella sezione 16, l’ing. Mario Collepardi, presidente Enco e autore del testo, continua a parlare del cloruro e della relazione tra questo e il calcestruzzo presentando il pericoloso fenomeno della penetrazione del cloruro all’interno del calcestruzzo.

Enco Engineering Concrete ha pubblicato online il Dizionario enciclopedico del calcestruzzo, una nuova versione aggiornata alla nuova norma nazionale Uni 11104 e alla norma europea Uni-En 206-1. In questa sezione del libro, la n. 16, l’ing. Mario Collepardi parla della penetrazione del cloruro.

Penetrazione del cloruro nel calcestruzzo

La penetrazione del cloruro all’interno del calcestruzzo è un fenomeno molto pericoloso che può provocare la corrosione dei ferri di armatura se il fronte di avanzamento del cloruro supera il copriferro ed arriva in contatto con i ferri. La penetrazione del cloruro attraverso il copriferro può avvenire attraverso due distinti meccanismi:

assorbimento per suzione capillare dell’acqua che funge da veicolo per i sali (incluso il cloruro) in essa eventualmente dissolti; l’assorbimento avviene per contatto dell’acqua con il calcestruzzo asciutto, o comunque insaturo di umidità, e si esaurisce in un tempo relativamente breve. La forza motrice che spinge l’acqua nei pori capillari vuoti di raggio r è dovuta alla pressione capillare Pc:
Pc = 2γ/r (cos θ)
dove γ è la tensione superfi ciale dell’acqua e θ è l’angolo di bagnatura. La suzione capillare può essere impedita o almeno ridotta grazie all’impiego di additivi idrofobizzanti grazie ai quali si modifica l’angolo di bagnatura da < 90° a > 90°;

diffusione del cloruro attraverso il calcestruzzo nei pori capillari saturi di acqua: in questo caso l’acqua ristagna nei pori e il cloruro si muove lungo la direzione x (ortogonale alla superficie del calcestruzzo) sotto la spinta di un gradiente di concentrazione (∂C/∂x) in accordo all’equazione nota come seconda legge di Fick:
∂C/∂t = D •∂2C/∂x2
dove D è il coefficiente di diffusione il cui valore dipende dal rapporto acqua/cemento, a/c, dal tempo di stagionatura e dal tipo di cemento (M. Collepardi, A. Marcialis, R. Turriziani, “La cinetica di penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo”, Il Cemento, 67, pp. 157-164, 1970).

L’equazione della seconda legge di Fick può essere risolta se:

  • la concentrazione a contatto della superficie di calcestruzzo (Cs) è costante (per esempio strutture permanentemente sommerse in acqua di mare);
  • il calcestruzzo è esposto all’acqua salina dopo un tempo relativamente lungo di stagionatura (qualche mese) in modo tale che la porositĂ  capillare della pasta cementizia non cambi ulteriormente durante l’esposizione al cloruro;
  • la dimensione del calcestruzzo che può essere penetrato dal cloruro è relativamente elevata (semi infinita) in modo tale che sia sempre nulla la concentrazione di cloruro sul lato opposto alla sorgente di cloruro.
Enco | Dec Sezione 16. Seconda legge di Fick.

In queste condizioni, dopo un determinato tempo (t) di diffusione, la concentrazione del cloruro (C) diminuisce dal valore superficiale (Cs) in funzione dello spessore di calcestruzzo (x). L’andamento di (C) in funzione di x dopo vari tempi di diffusione è calcolabile con l’equazione che rappresenta la soluzione della seconda legge di Fick:

C/Cs = 1- erf (x/2 • (Dt)1/2)

Nella precedente figura sono indicati i valori (x1, x2 ed x3) di spessore di calcestruzzo penetrato per diffusione dal cloruro dopo i tempi t1, t2 e t3 rispettivamente. Per esempio, dopo un tempo t2 la concentrazione di cloruro – che è Cs sulla superficie a contatto con la soluzione di cloruro – si annulla per spessori di calcestruzzi superiori ad x2: in pratica dopo un tempo t2 il fronte di avanzamento del cloruro è arrivato a penetrare lo spessore x2.
Riportando nel diagramma della figura che segue i valori di x1, x2, x3, ecc. in funzione della radice quadrata del tempo (√t1, √t2, √t3, ecc.) si ottengono le curve il cui andamento è lineare e molto simile a quello mostrato per la carbonatazione cioè per la penetrazione della Co2.

In pratica la determinazione del calcestruzzo penetrato dal cloruro può essere eseguito con un test colorimetrico, simile a quello adottato per la carbonatazione sostituendo l’indicatore fenolftaleina, il cui colore cambia con il pH con un indicatore a base di fluoresceina e nitrato di argento che sviluppa un colore nero nella zona non penetrata dal cloruro ed un colore chiaro di tonalità rosa nel calcestruzzo penetrato dal cloruro. Misurando gli spessori di calcestruzzo colorato in rosa (x) in funzione dei tempi (t) di diffusione si possono tracciare le curve di penetrazione del cloruro come quelle presentate nella Figura precedente.

Enco | DEC Sezione 16.

E’ stato dimostrato (M. Collepardi, A. Marcialis, R. Turriziani, “Penetration of chloride ions in cement pastes and in concretes”, Journal of American Ceramic Society, 55, pp. 534-535, 1972), che il valore di K, in foto, è correlabile con il coefficiente di diffusione (D) del cloruro che appare nella soluzione della seconda legge di Fick:

x = K • t1/2 = 4(Dt)1/2

In altre parole, il coefficiente angolare (K) della retta calcolato con qualche determinazione di penetrazione (x) del cloruro a tempi vari (t) mediante il saggio colorimetrico di con nitrato d’argento e fluoresceina – consente di calcolare molto semplicemente il coefficiente di diffusione (D) mediante la l’equazione:

D=K2/16

I valori dei coefficienti di diffusione D hanno un qualche significato se determinati su calcestruzzi saturi di umidità e ben stagionati (almeno 1-2 mesi) prima dell’esposizione alla penetrazione del cloruro, in modo tale che si possa ragionevolmente assumere che, dopo questa stagionatura (specialmente se il rapporto a/c è elevato: > 0,50), la qualità del calcestruzzo, ed in particolare la sua porosità capillare, non vari apprezzabilmente durante il tempo della diffusione del cloruro.

Se, invece, il calcestruzzo è esposto alla penetrazione dei cloruri dopo pochi giorni di stagionatura, il coefficiente di diffusione varia (diminuendo) man mano che il cloruro avanza nel calcestruzzo a seguito della diminuzione di porosità capillare associata all’aumento del grado di idratazione del cemento (S. Monosi, G. Moriconi, I. Alverà and M. Collepardi, “Effect of water/cement ratio and curing time on chloride penetration into concrete”, International Conference on Engineering Material 88, Bologna, giugno,1988). L’aggiunta di pozzolana in forma di cenere volante o fumo di silice (circa 60 kg/mc), al calcestruzzo con a/c eguale a 0,44 e dosaggio di cemento eguale a 400 kg/mc provoca una ulteriore riduzione della penetrazione dei cloruri.

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