ESERCIZIO 1 - DipCIA - Università degli studi di Cagliari.

Università degli Studi di Cagliari - Facoltà di Ingegneria - Corso di Laurea in Ingegneria Civile - AA 2010 / 2011
Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata – Esercitazione del 08/06/2011
Prof. Dr. Bernhard Elsener
ESERCIZIO 1
Un importante materiale da costruzione nell‘ ingegneria civile è il calcestruzzo
armato.
a) Indicare quali prodotti si formano durante la presa del cemento portland e
spiegare perché le armature di acciaio al carbonio non si corrodono in un
calcestruzzo con questo cemento.
Si formano i prodotti CSH (calcio silicato idratato) e Ca(OH) 2 portlandite. Il pH di
una soluzione satura di portlandite è 12.5, in questo ambiente le armature di ferro
sono protetti da un film passivo.
b) Ciò nonostante, spesso si osservano fenomeni di corrosione delle armature in
strutture o edifici esposti all’atmosfera a causa della carbonatazione. Indicare la
reazione chimica della carbonatazione. Spiegare perché le armature nelle zone
carbonatate si possono corrodere.
Durante la carbonatazione tutti i componenti alcalini del CLS reagiscono con il
CO 2 : Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O = CaCO 3 + H 2 O. La soluzione del prodotto che si
forma (calce) ha un pH intorno a 8. In questo ambiente l’acciaio non è pù passivo
e in presenza di acqua e ossigeno si può corrodere.
c) Spesso le zone dove si sono verificati fenomeni di corrosione vengono ripristinate
rimuovendo localmente il calcestruzzo carbonatato e mettendo una malta
alcalina. Spiegare perché dopo breve tempo si nota nuovamente corrosione
intorno alla zona riparata.
La qualità del CLS e dunque anche la fronte della carbonatazione non è
omogenea. Dovuto alla carbonatazione in certi punti le armature sono de
passivate e in presenza di ossigeno e umidità inizia a formarsi la ruggine. La
ruggine è più voluminoso e l’espansione spacca il copri ferro.
Dal punto di visto elettrochimico la zona di corrosione è la zona anodica – la
superficie delle armature a fianco sono catodiche (anche se in calcestruzzo
carbonatato). L’anodo esegue una “protezione catodica”.
Dopo la riparazione della zona di corrosione con malta alcalina questa zone in
CLS fresco porta alla passivazione delle armature, si crea un forte catodo. Allora
le zone a fianco (carbonatate) diventano anodo e iniziano a corrodersi.

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Come consequenza si deve sempre ripristinare tutte le zone carbonatate e non
solo quelli che presentano già fenomeni di corrosine.
d) Come si può aumentare il tempo di innesco della corrosione (arrivo della zona
carbonatata alle armature) nella progettazione e nella messa in opera del
calcestruzzo
Progettazione: copri ferro adatto secondo le norme, rapporto a/c < 0.45 e tenore
di cemento alto (> 300 kg/m3).
Messa in opera: controllo del copri ferro, buona vibrazione (compattazione),
buona stagionatura
ESERCIZIO 2
Una tubatura di acciaio al carbonio si corrode spontaneamente nel terreno e si forma
la ruggine.
a) Scrivere le reazioni parziali e la reazione complessiva di questo processo di
corrosione e indicare la reazione anodica e catodica.
Anodica: 2Fe -> 2Fe 2+ + 4e -
Catodica O 2 + H 2 O + 4e - -> 4 OH -
Totale 2 Fe + O 2 + H 2 O -> 2 Fe(OH) 2
b) Questo processo di corrosione generale è molto lento e le tubature resistono 50 –
80 anni. Spesso invece si osserva che le tubature sono perforate in pochi anni e
sempre vicino a edifici in calcestruzzo armato (vedi figura). Spiegare perché si
verifica questo fenomeno di accelerazione del processo di corrosione.

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Il problema è che la tubatura è in contatto elettrico con le armature. Il potenziale
dell’ acciaio nel CLS alcalino è ca. – 0.1 V, il potenziale nel terreno è ca. -0.6 V.
Questa differenza di potenziale crea una corrente che accelera la corrosione: le
armature (potenziale più positivo) diventano il catodo, la tubatura nel terreno
diventa l’anodo. La corrosine in questa macro-coppia avviene solamente all’
anodo (tubatura).
c) Per rimediare alla situazione sopra descritta è stato proposta una verniciatura
della tubatura. Quale sarebbe il risultato Perché
Una verniciatura dell’ anodo non aiuta, addirittura è contra produttiva. Ogni
vernice ha sempre difetti e buchi – la corrente nella macrocoppia si concentra
dunque su questi difetti con superficie molto piccolo e la densità della corrente è
maggiore. Allora la velocità della perforazione aumenta.
d) Quale sarebbe la soluzione corretta per evitare la corrosione „accelerata“ della
tubatura vicino a strutture in calcestruzzo armato
La soluzione corretta sarebbe di eliminare il contatto elettrico tra tubatura e
armature per eliminare la causa della corrosione accelerata. Tecnicamente
questo è più facile liberando la tubatura vicino all’ edificio, tagliare la tubatura e
inserire una flangia in polietilene. In questa maniera la tubatura nel terreno è
isolato elettricamente dalla tubatura in contatto con le armature.

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ESERCIZIO 3
Il calcestruzzo è un conglomerato prodotto da inerti, acqua e cemento.
a) Scrivere la reazione tra cemento (C 3 S) e acqua. Quali prodotti si formano
Qual’é il „fattore stechiometrico“ della reazione
2 C3S + 6 H2O = C3S2H3 + 3 Ca(OH)2
Il fattore stechiometrico (quando tutto il cemento reagisce con tutto l’aqua) è il
rapporto acqua / cemento 0.4.
b) Le norme richiedono che per ambienti aggressivi (spruzzi di acqua di mare) un
rapporto acqua/cemento ≤ 0.45. Perché si arriva a questo valore Spiegare
perché non si ottiene un calcestruzzo armato durevole se il rapporto a/c é troppo
alto.
Il rapporto acqua/cemento di 0.45 corrisponde ad una porosità capillare minore di
20%, cioè ad un valore di porosità sotto la soglia della percolazione (dove
aumenta la permeabilità della pasta cementizia in maniera esponenziale).
Con un rapporto a/c troppo alto (maggior di 0.5) risultano troppi pori capillari, che
sono interconnessi tra di loro. Le sostanze aggressive dall’ ambiente possono
penetrare facilmente nel CLS.
c) Spiegare perché la resistenza meccanica diminuisce linearmente all’ aumentare
della porosità capillare, la permeabilità del CLS invece no.
La resistenza meccanica a compressione diminuisce all’ aumentare del volume
dei pori (questi essendo vuoti non hanno resistenza). Per la resistenza
meccanica è il volume totale dei pori che conta. Per la permeabilità invece non è
solamente il volume dei pori capillari ma anche il fatto se sono interconnessi o
no. Al di spora della soglia di porosità il CLS diventa molto permeabile.
d) Spesso si raccomanda l’utilizzo di materiali pozzolanici (silica fume) per
migliorare la qualità (ridurre la porosità) del CLS. Spiegare perché questi
aggiunte riducono la porosità. Indicare le condizioni necessarie per ottenere il
risultato desiderato. Quale sonno possibili effetti negativi quando si usa questi
materiali

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Prof. Dr. Bernhard Elsener
Materiali pozzolanici o silicati reagiscono con la soluzione dei pori del CLS con
cemento portland:
3Ca 2+ + SiO 2 + H 2 O = C 3 SH, si forma la pasta cementizia nei pori capillari del
CLS. La microstruttura del CLS viene dunque più desa. Visto che questo
processo avviene solamente dopo che si sia formato la portlandite (che rilascia i
ioni Ca2+) deve essere presente sufficientemente acqua per la reazione. Questo
significa che la stagionatura deve essere fatto con più cura e tempi più lunghi.