Quando le ingiurie del tempo rosicchiano gli interni
Il ponte in cemento armato durerà negli anni a venire o la corrosione è già iniziata? Gli scienziati dell'ETH hanno scoperto che i campioni di calcestruzzo analizzati finora sono troppo piccoli per fare una dichiarazione affidabile sulle condizioni del cemento armato.
Nel giugno di quest'anno, dopo quattro anni di costruzione, è stato inaugurato il ponte Tamina. Con una lunghezza di 475 metri, il ponte in cemento armato è il più grande ponte ad arco della Svizzera. Una struttura costruita per molte generazioni, che ora trasporterà i veicoli in sicurezza nella profonda gola da Pfäfers a Valens per decenni. Tuttavia, come per tutte le strutture infrastrutturali in cemento armato, le ingiurie del tempo iniziano a corrodere quest'opera fin dall'inizio. Come dimostrano l'esperienza e gli innumerevoli studi condotti in tutto il mondo, il cemento armato rende possibili edifici architettonicamente magnifici, ma le influenze ambientali come le emissioni di CO2 l'atmosfera e, soprattutto, il sale antighiaccio al materiale. Chi siamo, i cloruri del sale penetrano nel calcestruzzo fino a raggiungere l'armatura d'acciaio e i ferri iniziano ad arrugginire.
Per riconoscere tempestivamente i danni e prevenire la corrosione, cioè la distruzione dell'acciaio a causa della penetrazione dei cloruri, le strutture in cemento armato vengono ispezionate regolarmente. Si tratta di un compito importante e sempre più importante se si pensa a tutti i ponti, le gallerie e gli edifici costruiti in cemento armato in Svizzera tra gli anni Cinquanta e Settanta.
Più gli edifici diventano vecchi, più aumenta il rischio di corrosione dell'acciaio d'armatura del calcestruzzo. L'uso di sali antighiaccio, che in inverno mantengono ponti, strade e gallerie libere dal ghiaccio, con il passare degli anni aumenta il contenuto di cloruro nel calcestruzzo. La miscela di cemento, acqua e pezzi di roccia è naturalmente alcalina e, grazie al suo alto valore di pH, protegge effettivamente l'acciaio al suo interno dalla ruggine e dalla corrosione.
La pratica non è sempre giusta
"La corrosione causa fino al 90% dei danni alle strutture in cemento armato", spiega Ueli Angst, professore dell'Istituto per i materiali da costruzione (IfB). "E poiché sempre più edifici raggiungono un'età critica, la loro ristrutturazione potrebbe costare alla Svizzera tra i 5 e i 20 miliardi di franchi all'anno". La Svizzera non è la sola ad affrontare questo costoso problema. La maggior parte dei Paesi industrializzati sta affrontando sfide simili. Dopo tutto, il calcestruzzo è il materiale artificiale più utilizzato al mondo. Negli Stati Uniti, anni fa, è stato stabilito che il costo della corrosione si aggira tra il 3 e il 5% del prodotto nazionale lordo, senza contare i costi indiretti dovuti agli ingorghi o ai tempi di fermo della produzione.
Visti i costi elevati e il gran numero di edifici, è estremamente importante valutare correttamente le condizioni di una struttura in cemento armato e stabilire se e quando sia necessario un intervento di ristrutturazione. Oltre all'ispezione visiva e ai metodi di prova non distruttivi, il prelievo di campioni di calcestruzzo svolge un ruolo chiave nella valutazione, spiega Bernhard Elsener, specializzato nella corrosione e nella vita utile dei materiali da costruzione nella sua cattedra: "La concentrazione di cloruro nei campioni viene determinata in laboratorio. Se supera la soglia critica dello 0,4% del peso del cemento, non solo in prossimità della superficie ma anche negli strati più profondi del calcestruzzo, in passato si riteneva che la corrosione potesse insorgere presto e che fosse necessario un intervento di bonifica".
Questi piccoli campioni, in genere di dimensioni comprese tra i 5 e i 20 centimetri, sono pratici perché facili da maneggiare in laboratorio. Tuttavia, un recente studio condotto dai due Studiare all'ETH dimostra che le conclusioni tratte dai test sono in molti casi sbagliate. "Nel nostro progetto di ricerca abbiamo analizzato campioni di prova di cemento armato di diverse dimensioni e abbiamo scoperto che in laboratorio la concentrazione di cloruro che innesca la corrosione è significativamente più alta nei campioni piccoli ed è soggetta a maggiori fluttuazioni rispetto ai campioni più grandi", spiega Angst.
Nuova formula - nuovo valore limite
"Il calcestruzzo non è un materiale omogeneo. L'effetto dimensionale della corrosione può essere spiegato direttamente da queste disomogeneità", spiega Angst. Solo l'analisi di un campione più grande, ad esempio di un metro di lunghezza, consente una valutazione realistica delle condizioni"."Poiché questo è difficile per ragioni pratiche, i due esperti di materiali da costruzione dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato una formula matematica che consente di convertire il valore limite critico di una certa dimensione del campione in qualsiasi altra dimensione, sostituendo così il valore limite critico precedentemente fissato allo 0,4%.
Tuttavia, i risultati dello studio all'ETH non riguardano solo le analisi di laboratorio dei campioni di calcestruzzo. I risultati hanno anche un impatto sull'uso dei sensori installati nelle strutture in cemento armato per monitorare la corrosione. Questi sensori sono solitamente di piccole dimensioni e possono quindi fornire dati troppo ottimistici. Per ottenere dati più precisi sono necessari sensori di dimensioni maggiori o più grandi.
Secondo gli scienziati, l'unica alternativa per prevenire i danni futuri causati dalla corrosione è il passaggio a un più costoso acciaio ad alta lega per gli edifici. "Questo costa circa dieci volte di più del normale acciaio per cemento armato", dice Elsener, "ma considerando i costi di follow-up dovuti a ispezioni e ristrutturazioni regolari, potrebbe essere più conveniente nel lungo periodo". Tanto più che i cementi misti, con proprietà di durabilità ancora poco conosciute, sono sempre più utilizzati per ridurre al minimo le emissioni di CO2-Ridurre le emissioni di carbonio.
Riferimento alla letteratura
Angst UM, Elsener B: L'effetto dimensione nella corrosione influenza notevolmente la durata di vita prevista delle infrastrutture in calcestruzzo. Science Advances (2017) doi: pagina esterna10.1126/sciadv.1700751