Carbonatazione e cloruri nel calcestruzzo: le prove

Su un ponte, un viadotto o una struttura esistente in cemento armato i segni sono quasi sempre gli stessi: il copriferro si stacca, compaiono fessure lungo le barre, le armature affiorano arrugginite. Dietro ci sono spesso due cause: la carbonatazione e i cloruri nel calcestruzzo. Questo articolo spiega come si misurano sull’opera, che cosa dicono i risultati e come si inseriscono in una campagna di indagini. Per il quadro generale delle verifiche sulle opere stradali c’è la guida alle prove su ponti, viadotti e cavalcavia.

Perché carbonatazione e cloruri fanno arrugginire le armature

Il calcestruzzo sano è molto alcalino, e in questo ambiente l’acciaio delle barre è protetto. La carbonatazione è la reazione dell’anidride carbonica dell’aria con il calcestruzzo. Le Linee Guida sui ponti esistenti la descrivono così: si forma carbonato di calcio, il pH scende e le armature perdono la protezione (depassivazione). Da lì parte l’ossidazione. La ruggine occupa più volume dell’acciaio: prima fessura il copriferro, poi lo espelle.

Le stesse Linee Guida avvertono che, se il copriferro è ancora intatto, il fenomeno non si vede: avanza sotto lo strato di ricoprimento. Per questo l’ispezione visiva non basta.

I cloruri sono l’altra causa. Arrivano dall’ambiente marino o dai sali disgelanti sparsi sulle strade. Quando raggiungono le barre in quantità sufficiente innescano la corrosione anche in un calcestruzzo ancora alcalino. Le due cause possono agire insieme, e richiedono interventi diversi.

Dove si cercano su un ponte o su una struttura esistente

Le Linee Guida per i ponti esistenti (DM 1° luglio 2022) indicano dove il degrado si concentra:

• gli sbalzi laterali dell’impalcato, particolarmente esposti agli effetti del degrado;
• le zone sotto scarichi corti o danneggiati, dove l’acqua piovana finisce direttamente sulle superfici;
• gli spigoli degli elementi, dove il copriferro si distacca più facilmente;
• le zone con copriferro molto sottile, che le schede dei difetti citano fra le cause del distacco.

Nella stessa campagna conviene misurare anche zone che sembrano sane, per avere un confronto. Per esempio, sulla stessa pila si può affiancare a un punto sotto uno scarico un punto riparato dall’acqua: la differenza dice quanto pesa l’esposizione.

Le Linee Guida prevedono queste misure a più livelli. Nelle ispezioni ordinarie raccomandano semplici prove non distruttive: fra gli esempi ci sono la misura degli spessori di protezione e del pH, anche con la soluzione di fenolftaleina. Nelle ispezioni straordinarie elencano il prelievo di campioni per prove chimico-fisiche, le mappature di potenziale elettrico e le misure diffuse di umidità e pH. Nella fase conoscitiva citano rilievi in situ e carotaggi per determinare lo stato di durabilità del calcestruzzo e degli acciai.

Come si misura la profondità di carbonatazione

Il metodo è quello della fenolftaleina, descritto dalla UNI EN 14630:2007. Serve a misurare lo spessore dello strato carbonatato vicino alla superficie del calcestruzzo indurito.

1. Si apre una superficie fresca. Si lavora su una frattura fresca: una carota spaccata subito dopo l’estrazione, oppure un saggio sull’elemento. La superficie laterale della carota, sporcata dal fango di perforazione, può dare letture false. Anche una superficie esposta all’aria da tempo può essersi carbonatata a sua volta.
2. Si spruzza la soluzione. Dove il calcestruzzo è ancora alcalino la superficie diventa rosa-viola. Dove è carbonatato resta del colore del calcestruzzo.
3. Si misura. Si misura la distanza fra la superficie esterna dell’elemento e il fronte colorato, in più punti, e si fotografa la superficie con un riferimento metrico.

Il fronte non è quasi mai una linea dritta: segue fessure, nidi di ghiaia e zone più porose. Per questo conviene registrare più letture per ogni punto, non un numero solo. È la prova che vedi nella foto in apertura (foto: Patrick Oberdörfer, CC BY-SA 4.0, ritagliata): la zona non carbonatata si è colorata, quella carbonatata è rimasta grigia.

Perché la carbonatazione si legge insieme al copriferro

La profondità di carbonatazione da sola dice poco. Serve sapere a che profondità stanno le barre. Il copriferro si misura con il pacometro, uno strumento elettromagnetico che individua le armature e ne stima la profondità senza rompere il calcestruzzo. La stima richiede di conoscere il diametro delle barre e va confermata con almeno un saggio. Le NTC 2018 (§ 4.1.6.1.3) chiedono di dimensionare il copriferro in base all’aggressività dell’ambiente, proprio per proteggere le armature dalla corrosione.

Il confronto è semplice:

• se il fronte carbonatato è ancora lontano dalle barre, l’armatura è ancora protetta dalla carbonatazione; i cloruri vanno verificati a parte;
• se lo ha raggiunto o superato, l’armatura non è più passivata e la corrosione può partire, anche senza segni visibili.

Il pacometro serve anche prima: individua barre e staffe, così il punto della carota si sceglie dove non ci sono armature. Approfondimento: prove non distruttive sul calcestruzzo.

Come si prelevano i campioni per i cloruri

Il contenuto di cloruri si determina in laboratorio. Uno spruzzo al nitrato d’argento mostra al massimo fin dove sono penetrati, non quanti sono. La UNI EN 14629:2007 descrive due metodi per il contenuto totale di cloruri solubili in acido, liberi e legati, nel calcestruzzo o nella malta induriti. Lo scopo dichiarato è stimare il rischio di corrosione delle armature dovuta ai cloruri.

Il dato utile è il profilo: quanti cloruri ci sono a profondità crescenti dalla superficie. Ogni fascia di profondità è un campione a sé. Per questo il prelievo va pensato prima:

• Riferimento alla faccia esterna. Su ogni campione si segna quale lato era esposto. Senza questo riferimento il profilo non si ricostruisce.
• Solo calcestruzzo. Intonaco, rasatura o malta di ripristino falsano il dato: si tolgono prima e si annotano nel verbale.
• Verbale. Opera, elemento, punto, quota, data e foto. Il modello è il verbale di prelievo.

Sui ponti in calcestruzzo armato precompresso a cavi post-tesi il tema si estende. Le Linee Guida prevedono, dove serve, il prelievo della malta di iniezione delle guaine per prove chimiche su composizione, umidità e cloruri.

Misurare il degrado non è prescrivere un calcestruzzo nuovo

Nelle ricerche si trovano anche la UNI EN 12390-10:2019 e la UNI EN 12390-11:2015. Valutano la resistenza di un calcestruzzo alla carbonatazione e ai cloruri. Le NTC 2018 (§ 11.2.11) permettono di prescrivere prove di questo tipo «nella formulazione delle prescrizioni sul calcestruzzo», cioè quando si progetta un getto nuovo. Allo stesso modo le classi di contenuto in cloruri della UNI EN 206 riguardano la prescrizione del calcestruzzo (§ 11.2.1; le NTC richiamano l’edizione 2016).

Su un’opera esistente la domanda è un’altra: fin dove è arrivato il degrado oggi. Per rispondere si usano la UNI EN 14630 e la UNI EN 14629 sul materiale in opera. Le soglie di valutazione e le conseguenze sull’intervento le stabilisce il progettista.

Che cosa dicono i risultati

Lette insieme, le due misure distinguono le cause:

Quadro rilevato	Lettura
Fronte carbonatato oltre le barre, pochi cloruri	Corrosione legata alla carbonatazione
Molti cloruri vicino alle barre, calcestruzzo ancora alcalino	Corrosione da cloruri: richiede un intervento diverso
Fronte carbonatato lontano dalle barre, pochi cloruri	Armature ancora protette nel punto indagato
Profilo dei cloruri in profondità	Mostra la profondità raggiunta dai cloruri: il progettista la usa per decidere fin dove demolire nel ripristino

Le Linee Guida osservano che sulle strutture di una certa età i problemi di durabilità sono facili da verificare, per esempio con prove di carbonatazione e con la ricerca di solfati e cloruri nel calcestruzzo. Il dato serve al progettista per la valutazione e per scegliere l’intervento.

Come si organizza la campagna

Le Linee Guida ponti (§ 6.2) propongono uno schema progressivo: si parte con poche indagini diffuse e si approfondisce dove i risultati lo chiedono. Tipo e quantità delle indagini si scelgono in base all’uso che il progettista ne farà nelle verifiche.

In pratica conviene programmare insieme, nello stesso accesso:

• il pacometro, per mappare barre e copriferro;
• i carotaggi, per la prova alla fenolftaleina e per le prove di laboratorio richieste dal progettista;
• i prelievi per i cloruri a più profondità;
• le prove non distruttive (sclerometro, ultrasuoni) da tarare sulle carote.

Se i prelievi si decidono dopo, si torna sull’opera: su un ponte può voler dire un’altra piattaforma e un’altra limitazione del traffico. Quante indagini servono dipende anche dal livello di conoscenza che il progettista vuole raggiungere. Per le altre prove sui materiali c’è la guida alle prove di durabilità e caratterizzazione dei materiali.

Domande frequenti

Che cos’è la carbonatazione del calcestruzzo?

È la reazione dell’anidride carbonica dell’aria con il calcestruzzo. Si forma carbonato di calcio, il pH scende e le armature perdono la protezione contro la ruggine.

La prova alla fenolftaleina si fa in cantiere?

Sì. Si fa su una frattura fresca: una carota spaccata subito dopo l’estrazione o un saggio sull’elemento. Le Linee Guida sui ponti la citano fra le prove semplici che accompagnano le ispezioni ordinarie.

La carbonatazione si vede a occhio?

No. Finché il copriferro è intatto il degrado avanza sotto la superficie. Quando compaiono fessure e ruggine, la corrosione è già partita.

Per i cloruri basta una carota?

Dipende dalla domanda. Per un profilo servono più fasce di profondità, e ognuna è un campione a sé. La quantità di materiale si stabilisce prima del prelievo.

Quanti punti di prova servono su un ponte?

Non c’è un numero fisso. Le indagini si scelgono in base alle zone critiche e all’uso dei risultati nelle verifiche, e si infittiscono dove i primi dati lo chiedono.

Perché la carbonatazione conta anche per lo sclerometro?

Lo strato carbonatato è più duro: l’indice di rimbalzo sale e la resistenza viene sovrastimata. Per questo la profondità di carbonatazione si misura e si considera nella taratura.

Devi indagare un ponte o una struttura in cemento armato?

Con un’unica richiesta IPCS gestisce carotaggi, prova alla fenolftaleina, rilievo del copriferro con pacometro e prelievi per la determinazione dei cloruri. Segue i campioni fino al rapporto di prova e coordina queste misure con le altre indagini della campagna.

Nella richiesta indica:

• il tipo di opera (ponte, viadotto, cavalcavia, edificio) e gli elementi da indagare;
• i difetti visibili, con foto d’insieme e di dettaglio;
• l’ambiente: vicinanza al mare, uso di sali disgelanti, scarichi d’acqua sulle strutture;
• la domanda tecnica e il livello di conoscenza richiesto dal progettista;
• progetti, ispezioni e rapporti precedenti, se esistono.

→ Prove sul calcestruzzo in sito e prelievo dei campioni

→ Servizio di carotaggio su calcestruzzo e cemento armato

→ Analisi su calcestruzzo indurito: carbonatazione e cloruri

→ Descrivi il tuo caso

Fonti

• D.M. 17 gennaio 2018, Aggiornamento delle «Norme tecniche per le costruzioni», §§ 4.1.6.1.3, 11.2.1, 11.2.11 (GU n. 42 del 20/02/2018, S.O. n. 8)
• Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici, Linee guida per la classificazione e gestione del rischio, la valutazione della sicurezza ed il monitoraggio dei ponti esistenti, adottate con D.M. 1° luglio 2022 (GU n. 196 del 23/08/2022), §§ 6.2.2, 6.3.5, 7.4.1, 7.4.2 e Allegato C
• UNI EN 14630:2007, Prodotti e sistemi per la protezione e la riparazione delle strutture di calcestruzzo – Metodi di prova – Determinazione della profondità di carbonatazione di un calcestruzzo indurito con il metodo della fenolftaleina (store.uni.com)
• UNI EN 14629:2007, Prodotti e sistemi per la protezione e la riparazione delle strutture di calcestruzzo – Metodi di prova – Determinazione del contenuto di cloruri nel calcestruzzo indurito (store.uni.com)
• UNI EN 12390-10:2019, Prova sul calcestruzzo indurito – Parte 10: Determinazione della resistenza alla carbonatazione del calcestruzzo a livelli atmosferici di anidride carbonica (store.uni.com)
• UNI EN 12390-11:2015, Prove sul calcestruzzo indurito – Parte 11: Determinazione della resistenza ai cloruri del calcestruzzo, diffusione unidirezionale (store.uni.com)
• UNI EN 206:2021, Calcestruzzo – Specificazione, prestazione, produzione e conformità (le NTC richiamano l’edizione 2016;store.uni.com)
• Foto in apertura: Patrick Oberdörfer, Phenolphthalein Prüfung auf Beton, Wikimedia Commons, licenza CC BY-SA 4.0; ritagliata