Analisi del danno tramite interpretazione delle prove con gli ultrasuoni

La possibilità di disporre di campioni sia tal quali ed invecchiati con il processo di accelerazione del processo di corrosione, così come descritto, ha permesso di disporre di misure di confronto (tra le differenti tipologie di campioni realizzati) e di riferimento (con campioni tal quali) che sono risultate utili ai fini dell’interpretazione delle misure delle velocità degli ultrasuoni in calcestruzzo armato degradato.

Come descritto ampiamente, il processo di produzione di prodotti di corrosione, porta alla fessurazione del copriferro una volta che la tensione circonferenziale, σθ, attinge la resistenza ultima a trazione del calcestruzzo. Prima che ciò avvenga le alterazioni interne del calcestruzzo circostante le barre corrose, possono essere individuate con anticipo effettuando misure esterne.

I test effettuati hanno evidenziato la relazione tra il livello di corrosione delle armature ed il progressivo deterioramento delle caratteristiche meccaniche del calcestruzzo, misurate con strumentazioni ordinarie disponibili in laboratori attrezzati per la diagnostica strutturale.

Secondo uno studio recente (Brigante et al., 2012 [59]) un protocollo di prova sperimentale ha previsto che sia su prototipi tal quali che su campioni sottoposti a corrosione accelerata venissero effettuate prove non distruttive con ultrasuoni a contatto per trasparenza e con battute sclerometriche. Inoltre sono state eseguite, preliminarmente, e/o in parallelo prove elettrochimiche di caratterizzazione delle barre.

Lo studio è stato finalizzato alla ricerca di un criterio sperimentale in grado di rilevare la presenza ed il livello di degrado di elementi in calcestruzzo armato in cui è stato indotto un processo di corrosione accelerata in classe di esposizione XS4 (cfr. UNI EN 206-1).

Le misure con strumentazioni ad ultrasuoni sono state eseguite con lo scopo di analizzare ed interpretare il segnale registrato dagli apparecchi analizzando l’intero sviluppo dell’oscillogramma. Le onde generate da una sonda, infatti, si modificano prima di arrivare alla sonda ricevente, in funzione delle caratteristiche del mezzo elastico nel quale si propagano. In particolare, la velocità di propagazione è fortemente influenzata dalla presenza di aria, o nei punti in cui l’onda attraversa materiali di caratteristiche differenti (interfaccia tra calcestruzzo ed aria inglobata nelle fessure).

Il segnale registrato, però, conserva l’impronta delle trasformazioni che sono intervenute, per cui è possibile individuare la presenza di superfici di discontinuità nel materiale che fanno mutare il percorso ed il modo in cui il segnale si propaga e raggiunge la sonda ricevente. L’oscillogramma registrato durante il test è il contributo di tutte le onde, sia di quelle dirette che di quelle riflesse che, in tempi diversi, giungono al punto di misura. È possibile esprimere le componenti armoniche contenute nel segnale, passando dal dominio del tempo al dominio delle frequenze mediante la trasformata di Fourier o la FFT (Fast Fourier Trasmation).

Sempre secondo lo studio di Brigante et al. l’algoritmo è stato testato sperimentalmente ed i risultati sono supportati da un elevato numero di campioni utilizzati per la calibrazione. La sperimentazione è stata condotta con una serie di prove in laboratorio su prototipi di elementi in calcestruzzo armato concepiti secondo quanto esposto al Capitolo 3 del presente lavoro.

Sono stati esaminati 18 campioni, 6 per ciascuna classe, 2 esposti ai cloruri con in atto un processo di corrosione accelerata e 4 a corrosione naturale senza cioè l’imposizione di una differenza di potenziale.

Il protocollo sperimentale proposto nello studio di Brigante et al., si articola in tre fasi: una prima di identificazione dei materiali utilizzati per la costruzione dei prototipi; una seconda di esposizione e monitoraggio della corrosione; una terza e finale fase che riguarda l’elaborazione dei dati e degli oscillogrammi.

I cubetti prelevati all’atto del getto per il controllo di accettazione sono stati realizzati in numero superiore rispetto a quelli delle indicazioni normative, al fine di poter eseguire, su quelli in esubero, prove con gli ultrasuoni per la caratterizzazione del calcestruzzo integro. Su ogni coppia di campioni, sono state effettuate le prove NDT (sclerometro ed ultrasuoni), ripetute a 7, 14, 21, 28 giorni di maturazione. Nella fase di condizionamento per esposizione i prototipi sono stati sottoposti a vari cicli di prova.

Al termine di tali periodi sono stati registrati i tempi di attraversamento delle onde ultrasoniche, ed eseguite le prove elettrochimiche di misura del potenziale e di resistività del calcestruzzo. Per i campioni soggetti al trattamento accelerato sono state effettuate cinque rilevazione nel periodo tra Agosto 2009 e Febbraio 2011. In Tabella 13 si riporta la nomenclatura dei campioni utilizzata. I punti di prova sono gli stessi riportati nelle Figure 73 e 74.

Tabella 13: Campioni sottoposti al protocollo sperimentale

Nome Campione Tipo di Armatura Tipo di Corrosione indotta

C1 Liscia Accelerata

C2 Liscia ^Accelerata

C3 Aderenza Migliorata ^Accelerata

C4 Aderenza Migliorata ^Accelerata

C5 Zincata ^Accelerata

C6 Zincata ^Accelerata

C7 Liscia Per immersione

C8 Liscia Per immersione

C9 Zincata Per immersione

C10 Zincata Per immersione

C11 Aderenza Migliorata Per immersione

C12 Aderenza Migliorata Per immersione

C13 Zincata Per immersione

C14 Zincata Per immersione

C15 Aderenza Migliorata Per immersione

C16 Aderenza Migliorata Per immersione

C17 Liscia Per immersione

C18 Liscia Per immersione

I dati acquisiti dalle prove ultrasoniche sono stati elaborati e confrontati con lo stato di degrado delle armature misurato con i test elettrochimici. Per le analisi delle prove fatte con le onde ultrasoniche, condotte nel dominio del tempo, il parametro di confronto è stata la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche [60] [61], mentre per le analisi condotte nel dominio delle frequenze si è analizzato l’intero contenuto in frequenza del segnale per caratterizzare lo spettro.

Nella Figura 113, si riporta lo stato di degrado e la direzione delle onde ultrasoniche registrate sui campioni in oggetto.

Figura 113: a) stato di degrado dei prototipi. b) direzioni di indagine US

Figura 114: a) campione a corrosione accelerata, b) zone di esposizione, c) campione non esposto, d) confronto Campione corroso/integro.

L’analisi delle velocità ha mostrato come, dopo circa due anni di esposizione al trattamento di corrosione accelerata, le velocità degli ultrasuoni, V_us, (Figura 113a) hanno subito una sensibile dispersione se confrontate con un campione (Figura 114c) che non è stato sottoposto a tale trattamento, ed in cui il fenomeno della corrosione non ha prodotto effetti sul calcestruzzo. Tali variazioni sono in accordo con lo stato di degrado monitorato (Figura 113a). Infatti, disaggregando i dati, i valori più bassi delle

a) ^b)

a) b)

velocità registrate (Figura 114b) corrispondono a zone in cui il calcestruzzo è alterato dal fenomeno della corrosione.

L’analisi nel dominio delle frequenze è stata eseguita, invece, disaggregando ulteriormente i dati, ottenendo così una rappresentazione per sezioni del prototipo (Figura 115). I risultati degli spettri sono stati analizzati alla luce dello stato di degrado del materiale che le onde ultrasoniche hanno attraversato (Figura 113b), si è tenuto conto che mentre i segnali registrati sulla faccia B attraversano materiale solo integro (B2) o solo degradato (B1) i segnali registrati sulla faccia A traversano materiali diversi.

Dal riscontro con i dati del monitoraggio elettrochimico sullo stato di degrado dei campioni sia sottoposti a corrosione accelerata (Figura 116a) che quelli a corrosione naturale (Figura 116b) è emersa la rispondenza tra condizioni di degrado con spettri caratterizzati da un ricco contenuto in frequenza e condizioni di normalità a cui è associato un contenuto in frequenza più povero.

L’esperienza condotta in laboratorio ha evidenziato l’efficacia di affiancare, in fase di diagnosi, all’ordinaria analisi delle velocità dei segnali ultrasonici l’analisi in frequenza. I segnali sono stati analizzati nel loro complesso e lo studio non si è limitato solo ai tempi di volo (Figura 117a) ma a tutte le informazioni registrate in una comune prova US (Figura 117b).

I risultati sono meno condizionati dalle incertezze comunque connesse all’esecuzione della prova. Infatti, l’analisi delle sole velocità in molti casi non è stata in grado di stabilire in maniera chiara se il materiale è degradato o meno, in quanto le variazioni di velocità sono contenute nella fluttuazione intrinseca della tecnica utilizzata (Figura 118). Solo un’adeguata calibrazione (Figura 114d) con il campione di riferimento ha consentito di individuare un’adeguata scala per la rappresentazione dello stato di degrado (Figura 118a).

Invece, i criteri emersi nella fase di riscontro dell’analisi in frequenza, basati sull’osservazione di un elevato numero di campioni di riferimento utilizzati per la calibrazione, hanno mostrato che applicare FFT ai segnali registrati con ordinarie prove permette di individuare con buona approssimazione le zone di cls degradato da quelle in cui il fenomeno della corrosione non ha prodotto deterioramenti del calcestruzzo (Figura 118b).

Figura 115: stato di degrado dei prototipi

Figura 116: a) spettri-campione corrosione accelerata, b) spettri-campione corrosione naturale

a) b)

a)

Figura 117: oscillogramma prova US

Figura 118: a) mappature delle velocità degli ultrasuoni, b) spettri di frequenza e degrado del materiale

4.2.2 Misura indiretta del livello di corrosione di strutture in calcestruzzo armato