Il restauro del calcestruzzo

Prima di intraprendere qualsiasi riparazione delle strutture in calcestruzzo, è essenziale scoprire la causa o le cause del deterioramento. Lo scopo non è solo quello di documentarne i tipi e l’entità, ma anche di investigare sulla causa o le cause di tale deterioramento e fornire un rimedio appropriato per prevenirlo o limitarlo.

Indagini

Le tecniche d’ispezione devono riguardare:
1. la verifica dell’integrità strutturale, la localizzazione dei ferri di armatura e di eventuali fessurazioni;
2. la qualità e la composizione del calcestruzzo e la stima dei valori di resistenza meccanica;
3. la determinazione della profondità di carbonatazione;
4. l’accertamento delle condizioni dei ferri di armatura.

Prove in situ

Esame visivo

L’esame visivo è il primo passo. È importante registrare quante più informazioni possibili poiché queste possono essere utilizzate per spiegare alcuni fenomeni. Per esempio, il motivo degli alti livelli di cloruri nel calcestruzzo.
La presenza di fessure, di forma irregolare e magari localizzate sulle pavimentazioni, ma non sulle strutture casserate (travi, pilastri ecc.), può essere il sintomo di una fessurazione indotta dal ritiro plastico per assenza di stagionatura umida subito dopo la finitura del pavimento. D’altra parte, la presenza di fessure dislocate in corrispondenza di determinati ferri di armatura, lungo strutture casserate, può indicare che esse sono comparse per effetto del ritiro igrometrico a causa di un’eccessiva quantità di acqua nell’impasto del calcestruzzo.

Magnetometria

Le analisi con il covermeter possono avere tre finalità:
1. localizzare i ferri di armatura, i cavi di precompressione, le legature ecc. anche per evitarli durante il prelevamento di carote o durante l’esame con ultrasuoni;
2. determinare il diametro dei ferri di armatura e l’intraferro;
3. determinare lo spessore minimo del copriferro e le sue variazioni.

Determinazione della profondità di carbonatazione

La determinazione sperimentale dello strato carbonatato si può effettuare, in modo molto semplice, spruzzando sulla superficie di fresca frattura del calcestruzzo una soluzione alcolica di fenolftaleina. Le zone a pH superiore a 9 assumono la colorazione violacea, tipica della fenolftaleina in ambiente basico. In effetti, anche se la fenolftaleina non visualizza il calcestruzzo parzialmente carbonatato, per esempio con pH compreso tra 9 e 11,5, l’errore che si compie nell’individuazione del fronte di carbonatazione è modesto perché il passaggio da pH superiore a 12 a pH inferiore a 9 avviene nello spazio di alcuni millimetri.

Determinazione della resistenza meccanica con sclerometro

L’utilizzo dello sclerometro di Schmidt permette di determinare la resistenza meccanica del calcestruzzo in situ senza eseguire carotaggi. Queste prove in genere sono riportate come “prove superficiali”, poiché la resistenza dell’intero calcestruzzo è valutata da prove eseguite sulla “corteccia” del calcestruzzo stesso. Tuttavia, queste prove non distruttive e superficiali presentano notevoli vantaggi:

  • sono semplici e veloci da eseguire;
  • sono di valido aiuto nel decidere dove è opportuno prendere le carote.

 

Determinazione della velocità delle onde ultrasoniche

La determinazione della velocità delle onde ultrasoniche è descritta in dettaglio in numerose norme nazionali. La prova si basa sul fatto che la velocità degli ultrasuoni nel calcestruzzo dipende sia dalla densità sia dalle proprietà elastiche del materiale. Poiché il modulo elastico è legato alla resistenza del calcestruzzo, la velocità delle onde ultrasoniche può essere usata per stimare la resistenza. La misurazione della velocità è anche influenzata dai difetti nel calcestruzzo.

Stato di conservazione delle armature

La corrosione dei ferri di armatura nel calcestruzzo è il sintomo di degrado più frequente che si osserva nelle strutture in calcestruzzo. Quando le barre dei ferri di armatura iniziano a corrodersi, non si nota perdita di resistenza, ma i risultati della corrosione dei ferri di armatura sono la fessurazione e la frattura del calcestruzzo.
Varie tecniche d’ispezione sono utilizzate per ricercare la corrosione dell’acciaio nel calcestruzzo. Le prove più utilizzate in situ sono quelle di rilevamento del potenziale di semicella e la prova di resistività del calcestruzzo (UNI 9535 e UNI 10174).

Prove in laboratorio

Determinazione della resistenza meccanica del calcestruzzo su carote

Le carote sono prelevate per uno o più dei seguenti motivi:
1. stimare la riserva di resistenza del calcestruzzo (resistenza potenziale):
2. determinare la resistenza del calcestruzzo per l’analisi strutturale;
3. indagare eventuali deterioramenti nella struttura a causa di attacchi chimici, fuoco ecc;
4. dereminare la qualità del calcestruzzo.

Determinazione del contenuto di cemento e del rapporto acqua-cemento

Le metodologie di prova sono descritte in dettaglio in alcune norme. È da tenere presente, in ogni caso, che i metodi analitici possono dare valori:
1. con approssimazione di 40-60 kg/ml per il dosaggio del cemento nel calcestruzzo indurito, con prove condotte su quattro campioni indipendenti;
2. con un’approssimazione di ± 0,15 del rapporto a/c originale su calcestruzzo non deteriorato e non carbonatato, con contenuto di cemento nella gamma di 250-500 kg/m3 e rapporti a/c nell’intervallo 0,4-0,8, – sempre che gli aggregati siano insolubili in acido.

Materiali per la riparazione

Nella maggior parte dei casi, il restauro consiste in una semplice asportazione delle parti deteriorate (o ammalorate) seguita da una sostituzione con malta o nuovo calcestruzzo. L’operazione di sostituzione, che è realizzabile con estrema facilità dal punto di vista tecnico, si presenta invece più problematica per quanto riguarda l’affidabilità del restauro eseguito.

Il problema per questo tipo di interventi è l’adesione tra il nuovo riporto, cioè tra il calcestruzzo fresco e la superficie della vecchia struttura. Un getto di calcestruzzo eseguito su di un getto preesistente non aderisce e tende a distaccarsi. Il motivo è, in genere, attribuito al ritiro, che crea uno scorrimento differenziato tra il getto vecchio e il nuovo, durante la sua essiccazione.

Malte a base di resine

Un caso limite, che per piccoli restauri costituisce una valida alternativa ai metodi illustrati, consiste nell’effettuare il restauro con calcestruzzi, o malte, a base di resina anziché di cemento. La pasta di cemento è in tal caso sostituita da una fase liquida (per esempio resina epossidica o poliestere, pura o in soluzione) capace, a causa della bassa tensione superficiale, di bagnare bene la superficie del calcestruzzo asciutto e di indurire per aumento di viscosità secondo i canoni di un buon adesivo. I requisiti delle resine sono:

  • non essere dannose per la salute;
  • reversibilità, cioè essere rimovibili nel caso di danneggiamento o degradazione per riportare il sistema nelle condizioni preesistenti l’intervento;
  • durabilità anche in presenza di pioggia, raggi solari, UV;
  • compatibilità con il substrato originale, in altri termini esclusione di reazioni chimiche indesiderate tra le resine e il calcestruzzo;
  • non rilasciare prodotti secondari.

I polimeri di più ampio utilizzo sono i poliesteri e gli epossidici.
La reversibilità è un aspetto negativo nell’utilizzo delle resine, in quanto, trattandosi di polimeri reticolati e non più modificabili dopo la posa in opera, sono asportabili solo per degradazione termica a temperature molto elevate (oltre 300 °C).

Le resine poliestere hanno il vantaggio della semplicità, perché tutti i componenti della reazione di curing sono contenuti nella resina liquida; l’induritore è un filler che contiene un catalizzatore in polvere che avvia la reazione. La quantità di filler catalizzante da aggiungere non è, di solito, critica sempre che sia aggiunta una quantità minima soglia. Ciò dà la possibilità di adattare il contenuto di filler al lavoro da eseguire, cosicché il prodotto può essere impiegato come malta semi fluida, malta intonacabile o miscela densa per iniezioni.

Le resine poliestere sono soggette a una reazione molto rapida e, durante questa reazione, subiscono un elevato ritiro.

Le resine epossidiche induriscono per aggiunta di un induritore. La reazione è favorita dalla presenza di un catalizzatore. L’induritore è un liquido la cui quantità deve essere misurata con esattezza per trasformare lo sciroppo base in resina. Un eccesso di ogni componente può portare a una resina indurita più soffice e più debole, per effetto del liquido non reagito. Benché siano stati fatti progressi nello sviluppo di formulazioni tolleranti piccoli eccessi di ogni componente, è necessario che questi due componenti siano usati nelle loro proporzioni corrette. La reazione delle resine epossidiche causa una leggera riduzione di volume allo stato liquido, ma una volta avvenuta la gelazione non vi è un ulteriore ritiro. A differenza dei poliesteri, la reazione di polimerizzazione degli epossidici avviene con un basso sviluppo di calore e, di conseguenza, una trascurabile contrazione termica al raffreddamento.

I formulati di resina possono essere usati come stucco per riempire lesioni. Oltre a unire il calcestruzzo e a ripristinare l’integrità strutturale, la resina iniettata sigilla le crepe, evitando la penetrazione di acqua o di altri agenti aggressivi. L’utilizzo nelle riparazioni del calcestruzzo riguarda in misura maggiore le malte.

Le malte di poliestere sono utilizzate per piccoli lavori e sono impiegate per riparare spigoli rotti e danni locali. Le malte epossidiche, per il loro basso ritiro, sono usate per riparazioni più ampie rispetto alle malte poliestere, sebbene debba essere sempre considerato l’effetto della massa sullo sviluppo di calore. Quando sono usate per spessori fino a 5 mm, la malta epossidica può essere applicata su zone molto ampie; se utilizzate in spessori maggiori, per evitare l’eccessiva tensione dovuta alla contrazione termica, può essere applicata in strati successivi.

Questi materiali presentano una resistenza a compressione dell’ordine di 50-100 N/mm2 . Notevole è la loro tensione di trazione e flessione che sono rispettivamente circa 4 e 6 volte superiori a quella dei calcestruzzi di cemento portland. Questo conferisce loro un ottimo comportamento anche sotto severe condizioni di impatto e di abrasione e il loro uso è raccomandato in riparazioni di spigoli, di giunti di pavimentazione, di gradini delle scale e in altri simili applicazioni. Il vantaggio, rispetto alla malta cementizia, è la maggiore velocità di indurimento.

Trattamenti per i ferri arrugginiti

La maggior parte dei lavori di riparazione del calcestruzzo riguarda il ripristino del calcestruzzo armato in seguito all’arrugginimento dei ferri d’armatura. In genere è necessario rimuovere i prodotti di corrosione dell’acciaio prima di ricostruire il calcestruzzo. L’eccessivo costo di questa operazione può essere evitato solo nel caso di strati di ruggine leggeri, usando trasformatori chimici di ruggine. Tuttavia, i più comuni in commercio non sono adatti nella riparazione del calcestruzzo perché la copertura di fosfato, prodotto da tali vernici, è sensibile all’acqua ed è richiesto l’impiego di un rivestimento di gomma clorurata (caucciù) prima di rimettere il calcestruzzo. Altri trasformatori della ruggine sono a base di tannino, apparendo i più idonei.

Un approccio alla protezione dei ferri di armatura è l’uso delle coperture con resina epossidica, contenente un pigmento anti-corrosivo come il cromato di zinco. Questo sistema dà una buona protezione quando l’intera barra è ricoperta. Invece è rischioso quando è accessibile solo una limitata lunghezza della barra. Se la corrosione inizia oltre la zona rivestita, la ruggine può progredire lungo la barra sotto il rivestimento epossidico. In alternativa, il rivestimento con resine epossidiche a base zinco dà una pellicola che contiene più del 95% di zinco metallico.

Tecniche di riparazione

Quando la corrosione dell’acciaio è avvenuta, il calcestruzzo deve essere rimosso intorno all’intera circonferenza della barra e questo processo di rimozione deve continuare almeno 50 mm lungo la barra oltre l’estensione della corrosione.

Se i ferri di armatura messi a nudo sono arrugginiti, è essenziale rimuovere i prodotti della corrosione prima di iniziare il lavoro di riparazione. La necessità di rimuovere la ruggine è spesso messa sotto accusa quando non vi sono cloruri coinvolti. La questione sorge perché l’acciaio arrugginito è usato nelle nuove costruzioni. C’è una grande differenza. Sui nuovi ferri di armatura la patina molto fine di ruggine è convertita in una pellicola di ossido passivante per reazione con la pasta cementizia alcalina. Se vi è uno spesso deposito di ruggine, come può accadere nel caso in cui il film passivante è stato distrutto e la corrosione ha reso necessario la riparazione, la pasta cementizia del nuovo calcestruzzo o della malta non saranno capaci di convertire la ruggine interamente e non si svilupperà il film passivante sull’acciaio.
La sabbiatura è la via più efficace per pulire l’acciaio. Togliere la ruggine con una spazzola metallica è errato poiché essa incide solo superficialmente la ruggine dando l’impressione ingannevole di una superficie metallica lucida.

L’acciaio pulito e umido incomincerà ad arrugginire entro poche ore se non è ben protetto. Se deve essere incassato nel calcestruzzo non vi è alcun problema poiché, come osservato in precedenza, la ruggine sarà convertita per reazione con la pasta cementizia alcalina. Invece, se l’acciaio deve ricevere un trattamento protettivo (rivestimento epossidico ricco in zinco) questo è più efficace sull’acciaio lucente e pulito. In genere 4-5 ore sono considerate come il tempo massimo che deve trascorrere tra la sabbiatura e l’applicazione del rivestimento.

Trattamenti superficiali

Se lo stato di degrado è solo incipiente, può essere preferibile tentare di difendere la struttura dal procedere dell’aggressione piuttosto che ricostruire le parti ammalorate. Si può ricorrere a trattamenti della superficie de¬stinati a impedire, o ritardare, l’azione degli agenti aggressivi. Simili trattamenti possono essere effettuati anche su strutture nuove al fine di prevenire fin dall’inizio forme di degrado, prevedibili in ambienti aggressivi come, per esempio, le aree urbane o industriali.

La funzione di questi trattamenti è sempre quella di prevenire il contatto con l’ambiente esterno, in particolare con l’acqua o il suo vapore. La via più semplice consiste in una verniciatura effettuata con ricoprenti o sigillanti. La protezione dura per tutto il periodo in cui lo strato protettivo si mantiene perfettamente integro e aderente alla superficie del calcestruzzo, in seguito un’eventuale infiltrazione o condensa di acqua tra calcestruzzo e strato protettivo può trasformare la protezione stessa in un danno piuttosto che in un vantaggio.
Un’altra possibilità consiste nel trattare la superficie del calcestruzzo con impermeabilizzanti e turapori in modo che non sia più bagnabile dall’acqua.

Ricoprenti e sigillanti

Questi formano sulla superficie del calcestruzzo un film continuo, privo di fori, di spessore limitato, che agisce da barriera al passaggio dell’acqua o alla diffusione dell’anidride carbonica. Questi materiali penetrano leggermente nei pori del calcestruzzo. I ricoprenti sono costituiti da una pellicola di 100-300 µm, da applicare in due o più strati, sebbene siano anche usati ricoprenti più spessi.
I ricoprenti e sigillanti usati per il calcestruzzo includono copolimeri epossidici, poliesteri, acrilici, poliuretanici, vinilici, butadienici e polietilenici, vernici alchidiche, bituminose e oleoresinose come olio di lino. Nel ricoprente può essere miscelato un filler affinché sia applicabile con maggior spessore o per migliorare la resistenza all’abrasione. Nei ricoprenti colorati sono utilizzati pigmenti vari.
Un’importante caratteristica dei ricoprenti per calcestruzzo è che l’integrità della pellicola non deve essere distrutta dall’alcalinità del substrato di calcestruzzo. Pitture a base di olio, per esempio, hanno poca resistenza agli alcali e sono usate solo con primer alcali-resistenti.

Impermeabilizzanti

Questi trattamenti sono effettuati con materiali idrofobi che ricoprono il calcestruzzo e impediscono la penetrazione di acqua (per esempio quella piovana). I materiali più importanti di questa classe sono basati su composti siliconici3. La resina siliconica è disciolta in un solvente organico che, con l’evaporazione, deposita la resina idrorepellente sulle pareti dei pori del calcestruzzo. Il silicone può legarsi chimicamente al substrato cementizio. I silani, monomeri della resina siliconica, che possono essere usati non diluiti o diluiti in etanolo, reagiscono con l’umidità presente nei pori per formare la resina di silicone, chimicamente legata al substrato. La reazione non è spontanea e avviene dopo alcuni giorni. I silani hanno molecole piccole che penetrano in profondità nel calcestruzzo (2-3 mm). D’altra parte, essendo costituito da sostanze volatili, il silano applicato evapora facilmente.
Gli oligo-silossani si formano per polimerizzazione del silano monomerico con la formazione di lunghe catene. Il vantaggio di questi composti è che sono meno volatili dei silani monomerici. Sono anche utilizzati trattamenti idrorepellenti basati su soluzioni di stearati in alcool etilico. Come le resine di silicone, esse sono usate nel trattamento di murature e il loro comportamento è simile a quello delle resine di silicone.

Turapori

Questi prodotti penetrano nel calcestruzzo e otturano i pori. Per alcuni materiali la chiusura dei pori è un prodotto della reazione tra il penetrante e i composti già presenti nel calcestruzzo. Gli esempi più comuni di questo gruppo sono i silicati e i fluorosilicati liquidi che reagiscono con l’idrossido di calcio nel calcestruzzo per formare, nel caso di silicati, gel di C-S-H e, per il fluorosilicato, l’insolubile fluorosilicato di calcio. Alcuni sigillanti, come le resine epossidiche o acriliche, possono avere una sufficiente penetrazione da essere considerate turapori per indurimento in seguito a reazione chimica con il substrato.