Avanzamento della carbonatazione

La reazione di carbonatazione inizia dalla superficie esterna del calcestruzzo fino ad interessare le regioni più interne.

L’andamento della penetrazione della carbonatazione nel tempo segue una legge del tipo:

s = K ⋅ t1/n

dove: s è lo spessore dello strato carbonatato e t il tempo.

In calcestruzzi compatti, la diminuzione nel tempo della velocità di carbonatazione è più marcata, per cui n > 2. In calcestruzzi molto impervi la velocità tende nel tempo praticamente ad annullarsi.

In calcestruzzi porosi l’esponente n vale circa 2 e quindi si ottiene un andamento parabolico:

s = K_{· √ t}

Il coefficiente K, che esprime la velocità con cui avanza la carbonatazione, dipende sia da fattori ambientali (umidità, temperatura, contenuto di anidride carbonica) sia da fattori legati al calcestruzzo stesso (alcalinità, porosità). Un valore indicativo di K per calcestruzzi compatti è K=1 (ovvero s=8 mm in 15 anni) mentre per quelli porosi può raggiungere valori fino a 10 (s=40 mm in 15 anni).

Oltre alla formula parabolica, sono state proposte altre formule empiriche che prendono direttamente in conto i principali fattori che regolano la carbonatazione: sia ambientali (umidità, temperatura) che relativi al calcestruzzo (tipo di cemento, rapporto a/c, stagionatura). Ad esempio la relazione proposta da Parrott ( 1987) è la seguente:

Parte 2a _{Capitolo 7 – Corrosione delle armature per carbonatazione}

in cui k è la permeabilità ( 10-16 m2), dipendente dall’umidità relativa, c è il contenuto di ossido di calcio nel copriferro, a = 64, n vale 0.5 per ambienti interni, mentre decresce all’aumentare dell’umidità relativa.

Una formulazione analitica più complessa, che tiene conto dei flussi di calore, di acqua e di CO2 all’interno del calcestruzzo, si può trovare in (Saetta et al., 2004) in

cui si assume comunque che i coefficienti di diffusione dei gas all’interno del calcestruzzo siano noti da prove sperimentali. Viene evidenziato come i parametri che maggiormente influenzano il fenomeno siano proprio i coefficienti di diffusione dell’ossigeno e dell’anidride carbonica. Entrambi questi parametri possono essere collegati alla porosità del calcestruzzo e quindi al rapporto a/c ed al tipo di cemento. I coefficienti di diffusione decrescono al crescere dell’umidità relativa.

Inoltre, per applicare un modello di questo tipo, si deve conoscere la concentrazione di CO2 nell’ambiente ( Tabella 7.2).

Ambiente Concentrazione di CO2 (%

in vol.)

Aperta campagna 0.015

Centro città 0.036

Zona industriale 0.045

Stalla ben aerata 0.046

Stalla 0.075

Tabella 7.2: valori ci concentrazione di CO2 misurati in diversi ambienti

Nel seguito si effettua una breve disamina sui principali fattori che regolano la carbonatazione.

Umidità relativa

La velocità di penetrazione della carbonatazione varia con l’umidità del calcestruzzo per due motivi. Anzitutto il trasporto dell’anidride carbonica all’interno di questo materiale ha luogo facilmente attraverso i pori riempiti d’aria, cioè in fase gassosa, mentre avviene molto lentamente in quelli riempiti d’acqua (il rapporto tra le velocità di diffusione nelle due condizioni è di circa 104). Di

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conseguenza la velocità di diffusione dell’anidride carbonica diminuisce al crescere dell’umidità relativa (più marcatamente al di sopra dell’80%) fino praticamente ad annullarsi in calcestruzzo saturo. Questo significa che quando il calcestruzzo è bagnato, la penetrazione della CO2 cessa. D’altra parte la reazione di

carbonatazione vera e propria si produce soltanto in presenza d’acqua per cui, di fatto, per umidità inferiori al 40% non avviene con velocità apprezzabile. Per questi due opposti motivi, l’intervallo di umidità relativa più pericoloso per la carbonatazione è compreso tra 50 e 80%.

Fig. 15 - Velocità di carbonatazione rispetto alla % di umidità relativa

Il valore di K, quindi, può cambiare nel tempo (ad esempio perché la struttura è soggetta a bagnamenti e asciugamenti), da una zona all’altra della costruzione (ad esempio, passando da una zona riparata dalla pioggia a una esposta o da una zona in corrispondenza alle riprese di getto a una più lontana, la velocità di penetrazione può risultare notevolmente inferiore), passando dagli strati più esterni a quelli più interni del calcestruzzo.

Si sottolinea l’estrema importanza, nelle situazioni concrete, del microclima, cioè delle condizioni di umidità e temperatura che si creano nelle diverse parti della struttura, per effetto anche della geometria della struttura stessa. I parametri importanti sono il tempo in cui la struttura resta bagnata, ma anche la frequenza e la durata dei cicli di bagnamento - asciugamento.

Concentrazione dell’anidride carbonica

Al crescere del contenuto di anidride carbonica nell’atmosfera, la velocità di penetrazione del fronte carbonatato aumenta.

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Temperatura

L’aumento della temperatura, a parità di altre condizioni e in particolare dell’umidità che in genere è il parametro più importante, fa crescere la velocità di penetrazione.

Alcalinità del calcestruzzo

La capacità di un calcestruzzo di fissare la CO2 è proporzionale all’alcalinità

presente nella sua pasta cementizia e quindi dipende dalla quantità di cemento utilizzato.

L’alcalinità dipende anche dal tipo di cemento. Nel cemento portland circa il 64% del peso di cemento è costituito da ossido di calcio (CaO, solo in piccola parte in soluzione e per il resto presente all’interno dei prodotti di idratazione) e circa 0,5- 1,5% da Na2O e da K2O (prevalentemente in soluzione come NaOH e KOH). Nel

caso di cementi d’alto forno con il 70% di loppa, il contenuto di CaO scende a circa il 44%. Per cementi con aggiunte pozzolaniche, la quantità di CaO è intermedia tra questi due valori.

Rapporto a/c, stagionatura

La porosità del calcestruzzo ha una notevole influenza sulla velocità di penetrazione della carbonatazione. La diminuzione del rapporto a/c, determinando una diminuzione della porosità capillare della pasta cementizia idrata, consente di rallentare la penetrazione della carbonatazione. Per ottenere questi vantaggi, tuttavia, il calcestruzzo deve essere stagionato adeguatamente.

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Dalla Fig. 16, che riporta l’andamento nel tempo dello spessore carbonatato per diversi valori di K, si può vedere come il fronte carbonatato risulti inferiore a 20 mm (spessore minimo di copriferro in molte strutture) dopo 50 anni, solo se K è inferiore a 2,82. Questo significa che, in zone riparate dalla pioggia, 2 cm di copriferro portano a un periodo di innesco superiore a 50 anni solo con calcestruzzi molto compatti.