Trasporto di clorur

Uno dei principali vantaggi della metodologia proposta è legato al fatto che, tramite l’aggiunta di cloruri in fase di getto, è possibile controllare la quantità di cloruri presente nel calcestruzzo. Rispetto alle prove che prevedono la penetrazione dei cloruri, non è quindi necessario campionare e misurare i cloruri presenti sulla superficie dell’armatura al momento dell’innesco (con i conseguenti problemi descritti nel Paragrafo 3.1.3). Tuttavia, durante la prova la distribuzione dei cloruri nel copriferro dei provini può essere modificata rispetto a quella (uniforme) iniziale. Per questo motivo è stato necessario individuare i possibili fenomeni di trasporto che possono manifestarsi nel corso della prova e, tramite prove specifiche, valutare il loro effetto sul tenore di cloruri nel calcestruzzo. I fenomeni di trasporto che possono manifestarsi durante la prova con cloruri aggiunti sono analizzati schematicamente in Tab.3.05: nella prima colonna sono elencate tutte le fasi della prova; nella seconda e terza colonna sono indicati i fenomeni di trasporto che possono avvenire in ogni fase (il simbolo “←O→” indica che i cloruri possono essere allontanati dall’armatura, il simbolo “→O←” indica che i cloruri possono essere trasportati verso l’armatura); la quarta colonna indica se il fenomeno di trasporto coinvolge solo i cloruri sulla superficie dell’armatura o tutti i cloruri nella massa del provino.

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Al momento del getto, il tenore di cloruri nel calcestruzzo è noto e i cloruri sono distribuiti omogeneamente nel calcestruzzo. Durante la stagionatura dei provini, alle armature è applicata una pre-polarizzazione catodica; dal momento che, come è stato discusso nel Paragrafo 3.3.3, la pre- polarizzazione consiste nell’applicare alle armature una densità di corrente catodica, è possibile che tale corrente provochi un allontanamento dei cloruri dalla superficie delle armature. Come è spiegato nel Paragrafo 3.3.1, al termine della stagionatura i provini sono immersi in una soluzione satura di idrossido di calcio e le armature sono polarizzate tramite un potenziostato. L’immersione dei provini in soluzione può provocare il progressivo dilavamento dei cloruri contenuti nel calcestruzzo; inoltre è possibile che la corrente erogata dal potenziostato durante la prova potenziostatica provochi la migrazione dei cloruri verso l’armatura (nel caso in cui la corrente sia anodica) o l’allontanamento dei cloruri (nel caso in cui la corrente sia catodica). Infine, come è stato discusso nel Paragrafo 3.3.4, l’innesco della corrosione è sempre associato a un significativo aumento della densità di corrente applicata alle armature e questo fatto può provocare la migrazione dei cloruri verso l’armatura.

Tab.3.05 - Fenomeni di trasporto che possono manifestarsi nel corso di una prova potenziostatica. Fasi della prova Trasporto per

diffusione

Trasporto per

migrazione Area coinvolta Note

Getto - - - - Stagionatura e pre-polarizzazione - ←O→ Superficie delle armature Applicazione di una corrente catodica costante Immersione e pro- va potenziosatica ←O→ →O← ←O→ Massa del provino + superficie delle armature Immersione in Ca(OH)2 saturo e applicazione di una piccola corrente Dopo l’innesco

della corrosione - →O←

Superficie delle armature

Aumento della corrente applicata

Anche nelle prove tradizionali con cloruri penetrati possono avvenire diversi fenomeni di trasporto. Esse prevedono che i cloruri penetrino nel calcestruzzo fino a provocare l’innesco della corrosione; dunque, in questo caso la diffusione dei cloruri è una caratteristica fondamentale della prova (e non un effetto indesiderato, come invece nel caso precedente). Tuttavia, dal momento che anche nelle prove con cloruri penetrati le armature sono polarizzate tramite un potenziostato, è possibile che si

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manifestino altri fenomeni di trasporto oltre alla diffusione dei cloruri: i fenomeni di trasporto che possono manifestarsi nel corso della prova con cloruri penetrati sono mostrati in Tab.3.06. I provini sono confezionati senza cloruri aggiunti nel getto e, come è spiegato nel Paragrafo 3.3.5, al termine della stagionatura essi sono immersi in una soluzione salina e il loro potenziale è fissato tramite un potenziostato. In questa fase della prova i cloruri penetrano nel calcestruzzo per diffusione; inoltre, in questa fase è possibile che la corrente erogata dal potenziostato acceleri o rallenti la penetrazione dei cloruri (a seconda che essa sia anodica o catodica). Infine, in modo analogo a ciò che avviene nei provini con cloruri aggiunti, l’innesco della corrosione può provocare la migrazione dei cloruri verso l’armatura.

Tab.3.06 - Fenomeni di trasporto che possono manifestarsi nel corso di una prova potenziostatica. Fasi della prova Trasporto per

diffusione

Trasporto per

migrazione Area coinvolta Note Getto e stagiona- tura - - - - Immersione e pro- va potenziosatica →O← →O← ←O→ Massa del provino + superficie delle armature Immersione in Ca(OH)2 saturo e applicazione di una piccola corrente Dopo l’innesco

della corrosione - →O←

Superficie delle armature

Applicazione di una intensa corrente

In questo paragrafo inizialmente è analizzato il problema del dilavamento che si può manifestare quando i provini confezionati con l’aggiunta di cloruri sono immersi in soluzione; questo problema è stato studiato sia sui provini armati sottoposti a prova potenziostatica a gradini, sia mediante prove specifiche effettuate su provini appositamente confezionati, denominate prove di dilavamento

controllato. In seguito è analizzato il problema della migrazione nelle prove con cloruri aggiunti nel

getto e nelle prove con cloruri penetrati.

Dilavamento dei cloruri. Inizialmente sono presentati i risultati delle prove di dilavamento

controllato, le quali sono state effettuate come descritto nel Paragrafo 3.3.1. Per valutare l’effetto del dilavamento su materiali diversi, le prove sono state effettuate sia su provini confezionati con la miscela di calcestruzzo (a) riportata in Tab.3.03, sia su provini in boiacca cementizia confezionati con la miscela riportata in Tab.3.04. Sia il calcestruzzo che la boiacca sono stati confezionati con

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2% di cloruri aggiunti. Per quanto riguarda i nomi dei provini, la prima lettera indica il materiale (boiacca o calcestruzzo) il primo numero indica i giorni di stagionatura e il secondo numero indica i giorni di immersione.

La Fig.3.21 mostra che la concentrazione di cloruri nell’acqua in cui sono immersi i provini aumenta in funzione del tempo di immersione. I cloruri dilavati dai provini di boiacca cementizia sono significativamente maggiori rispetto a quelli dilavati dai provini di calcestruzzo perché, dal momento che la boiacca è costituita esclusivamente da pasta cementizia, a parità di contenuto percentuale di cloruri (rispetto alla massa di cemento, ossia 2%) i provini di boiacca contengono una massa di cloruri significativamente maggiore rispetto ai provini di calcestruzzo.

Fig.3.21 - Concentrazione di cloruri nell’acqua in cui sono immersi i provini sottoposti a prove di dilavamento controllato.

La Fig.3.21 mostra che, all’aumentare del tempo di stagionatura, la concentrazione di cloruri in soluzione diminuisce: infatti, la concentrazione di cloruri nell’acqua in cui sono immersi i provini stagionati 1 giorno (indicatori bianchi) è sistematicamente superiore rispetto a quella dell’acqua in cui sono immersi i provini stagionati 8 giorni (indicatori neri). Dunque, il fenomeno del dilavamento è contrastato dall’aumento del tempo di stagionatura.

Viceversa, nelle condizioni di prova considerate in questo lavoro, il dilavamento non dipende dal volume di acqua in cui sono immersi i provini: confrontando i risultati ottenuti dal provino in calcestruzzo C 1+7 (1:1), immerso in una quantità di acqua pari alla massa del provino, e dal provino in calcestruzzo C 1+7 (1:1.5), immerso in una quantità di acqua pari a 1.5 volte la massa

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del provino, si osserva che nel secondo caso la concentrazione di cloruri in soluzione è inferiore. Tuttavia, la massa di cloruri presente nella soluzione è simile, ossia 1.0 g per il provino (1:1) e 0.9 g per il provino (1:1.5).

Dunque, queste prove hanno permesso di determinare che l’entità del dilavamento dipende dal tempo di immersione dei provini, mentre il volume della soluzione è sufficientemente elevato da non influenzare i risultati.

La Fig.3.22 mostra i profili di cloruri misurati sui provini sottoposti a dilavamento controllato e sui provini di controllo. I grafici di Fig.3.22 mostrano che nei provini di boiacca il dilavamento si verifica nei 10-15 mm più esterni. A profondità maggiori di 15 mm il contenuto di cloruri è pari a 1.8% rispetto alla massa di cemento. Questo dato è circa 10% inferiore rispetto al tenore di cloruri aggiunti in fase di getto (ossia 2.0%); questo risultato non può essere dovuto alla variabilità statistica della grandezza misurata, poiché esso è misurato in modo sistematico in tutti i provini analizzati, né al dilavamento dei cloruri, perché è stato misurato anche nel provino di controllo non sottoposto a dilavamento. È possibile ipotizzare che questo scarto sia dovuto a un errore nel calcolo della percentuale di cloruri rispetto alla massa di cemento a partire dalla concentrazione di cloruri nella soluzione titolata: infatti, inizialmente è stato calcolato il tenore di cloruri rispetto alla massa del campione, semplicemente dividendo la massa dei cloruri, misurata mediante titolazione, per la massa del campione essiccato. In seguito, il tenore di cloruri rispetto alla massa di cemento è stato calcolato applicando un fattore moltiplicativo, che dipende dalla composizione del campione (ossia dalla quantità di cemento presente nel campione). Dal momento che la massa di cemento nel campione non è nota, essa è stata stimata ipotizzando che il campione analizzato sia costituito da cemento, acqua e aggregati in proporzioni pari a quelle mostrate in Tab.3.03 per il calcestruzzo e in Tab.3.04 per la boiacca cementizia. Tuttavia è necessario tenere conto del fatto che questo fattore può essere fonte di errore se il campione non è costituito da queste proporzioni: ad esempio a causa di un errore nella stima dell’umidità del campione (la quale ne influenza la massa).

Anche nei provini di calcestruzzo il dilavamento si produce solo nei 15 mm più esterni. Il contenuto iniziale di cloruri negli strati più interni può variare da 1.8% a 2.1% rispetto alla massa di cemento. La maggiore variabilità di questo dato rispetto ai provini di boiacca può derivare da una maggiore eterogeneità del materiale analizzato. Infatti, la presenza di aggregati complica il calcolo della percentuale di cloruri rispetto alla massa di cemento.

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Dall’osservazione dei profili mostrati in Fig.3.22 emerge che, in tutti i provini analizzati, la differenza tra il contenuto di cloruri misurato a una profondità superiore a 15 mm e il contenuto di cloruri aggiunto in fase di getto (ossia 2% rispetto alla massa di cemento) è al massimo 10% (ossia 0.2% rispetto alla massa di cemento). Dunque, con un tempo di immersione di 7 giorni, il fenomeno del dilavamento è trascurabile in provini in cui lo spessore di copriferro è superiore a 15 mm. Nella procedura di prova proposta, che prevede i gradini potenziostatici di durata di 1 h, la durata complessiva della prova è in genere dell’ordine di 3-4 giorni e lo spessore di copriferro è di 25 mm (Paragrafo 3.3.1). Si può quindi ragionevolmente ritenere che gli effetti di dilavamento siano trascurabili.

Viceversa, le prove potenziostatiche con gradini di potenziale applicati ogni 24 ore possono durare molto più di 7 giorni e, quindi gli effetti del dilavamento potrebbero essere non più trascurabili. Per verificare questo effetto, al termine delle prove è stato misurato il contenuto di cloruri nel calcestruzzo. Le misure sono state effettuate secondo le modalità descritte nel Paragrafo 3.3.1, ossia prelevando 2 campioni dalla superficie delle armature (come mostrato in Fig.3.04, il campione 1 è stato prelevato esattamente sulla superficie delle armature; il campione 2 è stato prelevato nella massa del calcestruzzo dietro al campione 1) e 5 campioni nella massa del calcestruzzo (a profondità comprese tra 0 e 25 mm). Le prove sono state effettuate su provini realizzati con la miscela di calcestruzzo (b) riportata in Tab.3.03 e confezionati con diversi tenori di cloruri aggiunto nel getto, fino a 5% rispetto alla massa di cemento. Per ogni tenore di cloruri sono stati analizzati 2 provini.

La Fig.3.23 mostra, a titolo di esempio, il profilo di cloruri misurato su 2 provini con 5% di cloruri aggiunti in fase di getto. I punti a sinistra della linea tratteggiata verticale mostrano i contenuti di cloruri misurati nella massa del calcestruzzo; i punti a destra mostrano i contenuti di cloruri misurati sulla superficie delle armature. La figura mostra che:

- a qualunque profondità, il tenore di cloruri nel calcestruzzo è significativamente inferiore rispetto a quello aggiunto nel getto;

- il tenore di cloruri è più elevato nei campioni prelevati dalla superficie delle armature ed è minimo nei campioni prelevati dallo strato più esterno dei provini;

- per quanto riguarda la variabilità del tenore di cloruri nei 2 provini analizzati, essa è elevata (ossia superiore a 1% rispetto alla massa di cemento) solo nei campioni prelevati direttamente dalla superficie delle armature, mentre negli altri campioni essa è minore.

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Fig.3.23 - Profilo di cloruri misurato su 2 provini con 5% di cloruri aggiunti in fase di getto sottoposti a prova potenziostatica di lunga durata.

Queste misure hanno permesso di dimostrare che, nelle prove potenziostatiche di lunga durata, è possibile che il dilavamento dei cloruri contenuti nel calcestruzzo arrivi fino alla profondità delle armature.

Questo fatto pone dei limiti all’utilizzo di prove di lunga durata: infatti, i risultati di queste prove dovranno essere corretti per tenere conto dell’effettivo tenore di cloruri sulla superficie delle armature al momento dell’innesco della corrosione.

Inoltre le prove effettuate hanno permesso di determinare che nei campioni di materiale prelevati sulla superficie delle armature (ossia il campione denominato G1 in Fig.3.23) il tenore di cloruri può essere molto variabile e diverso da quello misurato nei campioni di materiale prelevati dalla massa del calcestruzzo vicino alle armature (ossia i campioni denominati G2 e T1). Per analizzare questo aspetto in modo più approfondito, le stesse misure presentate in Fig.3.23 sono state effettuate su provini confezionati con altri tenori di cloruri.

La Fig.3.24 mostra i profili di cloruri misurati su provini confezionati con 4 diversi tenori di cloruri; ognuno dei profili mostrati in Fig.3.24 è ottenuto come media dei profili misurati su 2 provini. (Per poter confrontare i profili ottenuti da provini confezionati con diversi tenori di cloruri, i risultati sono stati normalizzati rispetto al tenore di cloruri aggiunti.) La figura mostra che l’effetto del dilavamento aumenta nei provini confezionati con un tenore di cloruri maggiore. Inoltre, la figura mostra che, mentre il tenore di cloruri misurato nei campioni prelevati sulla superficie delle armature (ossia il campione G1 mostrato in Fig.3.04) varia in modo non sistematico in funzione del

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tenore di cloruri aggiunti, il tenore di cloruri misurato nei campioni prelevati vicino alla superficie dell’armatura (ossia i campioni T1 e G2) diminuisce in modo sistematico all’aumentare del tenore di cloruri aggiunti.

Infine, la Fig.3.24 mostra che il tenore di cloruri misurato nei campioni T1 e G2 è simile, mentre il tenore di cloruri misurato nel campione G1 può essere molto superiore o molto inferiore rispetto agli altri due campioni.

Fig.3.24 - Profili di cloruri misurati su provini confezionati con diversi tenori di cloruri aggiunti nel getto sottoposti a prove potenziostatiche di lunga durata.

Queste osservazioni hanno permesso di determinare che, sebbene il campione G1 sia stato prelevato sulla superficie delle armature, esso non è rappresentativo del contenuto di cloruri che ha provocato l’innesco della corrosione: infatti, è possibile che la misura del tenore di cloruri in questo campione sia falsata da alcuni “effetti di bordo”, come ad esempio:

- una maggiore quantità di pasta cementizia, che provoca un errore nella stima della massa di cemento. Dal momento che il tenore di cloruri è espresso come percentuale rispetto alla massa di cemento, un errore nella stima di questa quantità può provocare una sovrastima del tenore di cloruri; - la migrazione dei cloruri per effetto della polarizzazione applicata alle armature (questo aspetto sarà analizzato nel seguito di questo paragrafo).

Per questo motivo, il campione G2 (ossia quello prelevato nella massa di calcestruzzo dietro al campione G1) è stato considerato più rappresentativo del contenuto di cloruri al momento dell’innesco della corrosione.

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Migrazione dei cloruri. Oltre all’effetto del dilavamento è stato studiato anche l’effetto della

migrazione dei cloruri; questo fenomeno può manifestarsi sia sui provini con cloruri aggiunti sottoposti a prova potenziostatica a gradini, sia sui provini senza cloruri aggiunti sottoposti a prova potenziostatica con cloruri penetrati. In questo paragrafo, inizialmente sono presentati i risultati delle misure che hanno permesso di verificare se, nei provini con cloruri aggiunti, la migrazione dei cloruri provochi una significativa variazione del tenore di cloruri sulla superficie delle armature. In seguito sono analizzati i risultati delle misure effettuate sui provini con cloruri penetrati.

Per quanto riguarda la migrazione dei cloruri nelle prove con cloruri aggiunti, essa è stata studiata su una serie di provini confezionati con la miscela di calcestruzzo (b) mostrata in Tab.3.03 con 2% di cloruri aggiunti. Questa serie di provini è stata sottoposta a prove di breve durata: infatti, sulla base dei risultati presentati in precedenza, nelle prove di breve durata il tenore di cloruri nel calcestruzzo a contatto con le armature non è affetto dal problema del dilavamento (il tempo di immersione dei provini è inferiore a 7 giorni), dunque è possibile studiare il solo effetto della migrazione.

Per studiare l’effetto della migrazione durante la fase di pre-polarizzazione e durante la prova potenziostatica a gradini, sono state analizzate tutte le 4 combinazioni possibili (provini con e senza pre-polarizzazione; provini con e senza prova potenziostatica a gradini). Le misure sono state effettuate sia su un campione di materiale prelevato dalla superficie delle armature (ossia il campione G1 mostrato in Fig.3.04), sia su un campione prelevato nella massa del calcestruzzo dietro al primo campione (ossia il campione T1 mostrato in Fig.3.04). I risultati delle misure sono mostrati in Tab.3.07 (il risultato riportato in tabella mostra la media delle misure effettuate sui 2 provini).

In media, nei provini non pre-polarizzati e non sottoposti a prova potenziostatica, il tenore di cloruri sulla superficie delle armature (campione G1) è pari a 3.26%, ossia esso è circa 60% superiore rispetto al tenore di cloruri aggiunti nel getto. Nel campione prelevato dalla massa del calcestruzzo (campione T1) in media il tenore di cloruri è pari a 1.77%, ossia circa 10% inferiore rispetto al tenore di cloruri aggiunti nel getto. Questa misura conferma che, anche in assenza di qualunque fenomeno di trasporto, comunque il tenore di cloruri misurato nel campione G1 è significativamente diverso rispetto al tenore di cloruri aggiunti nel getto; di conseguenza, questa misura conferma che il campione di materiale prelevato sulla superficie delle armature è inadatto a rappresentare il tenore di cloruri nella massa del calcestruzzo, a causa del maggiore contenuto di pasta cementizia di questo campione di materiale, che provoca un errore nella stima della massa di cemento. Al contrario, a

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meno di uno scarto di circa 10%, il tenore di cloruri nel campione prelevato nella massa del calcestruzzo è pari al tenore di cloruri aggiunti.

Tab.3.07 - Contenuto di cloruri misurato su provini con 2% di cloruri aggiunti in funzione della presenza della pre-polarizzazione e della prova potenziostatica.

Pre- polarizzazione Prova potenziostatica Cloruri aggiunti Posizione del campionamento Cloruri misurati (in media, %) Misurati vs aggiunti (media) No No 2% G1 3.26% +63% T1 1.77% -11% Sì No 2% G1 2.84% +42% T1 1.44% -28% No Sì 2% G1 3.11% +56% T1 1.58% -21% Sì Sì 2% G1 4.00% +100% T1 1.79% -11% Sì Sì 1% G1 1.60% +60% T5 0.86% -14%

Nei provini pre-polarizzati, ma non sottoposti a prova potenziostatica, il tenore di cloruri nel campione T1 è inferiore di circa 20% rispetto al tenore di cloruri misurato nei provini non pre- polarizzati. Di conseguenza, è possibile che la pre-polarizzazione provochi un allontanamento dei cloruri dalle armature e che, al termine della fase di pre-polarizzazione, il contenuto di cloruri sulla superficie delle armature sia leggermente inferiore rispetto al tenore di cloruri aggiunti. (Infatti, l’effetto della polarizzazione sul contenuto di cloruri dipende dal verso della corrente: in presenza di una corrente catodica, i cloruri tendono ad allontanarsi dall’armatura, e viceversa.) Questo fatto non esclude la possibilità di applicare la pre-polarizzazione per due motivi: innanzitutto uno scarto di circa 20%, sebbene non sia trascurabile, può comunque essere considerato accettabile (tenendo conto anche dell’elevata variabilità delle misure del tenore di cloruri); in secondo luogo, per la costruzione del diagramma di Pedeferri non è necessario che al termine della pre-polarizzazione il contenuto di cloruri nel calcestruzzo sia pari al tenore di cloruri aggiunti, ma bensì è necessario che lo sia al momento dell’innesco della corrosione.

Nei provini non pre-polarizzati, ma sottoposti a prova potenziostatica, il tenore di cloruri misurato nel campione T1 è simile, a meno di uno scarto di circa 10%, al tenore di cloruri nei provini non pre-polarizzati e non sottoposti a prova potenziostatica. Dunque, nei provini con cloruri aggiunti, se la prova potenziostatica è interrotta tempestivamente nel momento in cui si innesca la corrosione, essa non provoca una significativa migrazione dei cloruri.

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Infine, nei provini pre-polarizzati e sottoposti a prova potenziostatica, il tenore di cloruri nel campione T1 è praticamente uguale al tenore di cloruri nei provini non pre-polarizzati e non polarizzati. Questo risultato è importante perché dimostra che al termine della prova potenziostatica