La carbonatazione del calcestruzzo è uno dei principali fenomeni di degrado delle strutture in calcestruzzo armato, con implicazioni dirette sulla durabilità e sulla sicurezza nel tempo. Si tratta di un processo chimico-fisico che coinvolge la reazione tra l’anidride carbonica (CO₂) presente nell’atmosfera e i prodotti di idratazione del cemento, in particolare l’idrossido di calcio (Ca(OH)₂), portando a una progressiva riduzione dell’alcalinità del copriferro.
Meccanismo chimico e diffusivo
Il calcestruzzo appena indurito presenta un ambiente fortemente alcalino (pH ≈ 12.5–13.5), grazie alla presenza di idrossidi alcalini e di calcio derivanti dall’idratazione del cemento Portland. Questo ambiente garantisce la passivazione dell’acciaio d’armatura, proteggendolo dalla corrosione.
La carbonatazione avviene quando la CO₂ penetra nei pori del calcestruzzo e si dissolve nell’acqua presente nella matrice porosa, formando acido carbonico (H₂CO₃). Questo reagisce con l’idrossido di calcio secondo la reazione:Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
Il prodotto della reazione è il carbonato di calcio (CaCO₃), che si deposita nei pori, determinando una certa densificazione locale della matrice. Tuttavia, l’effetto più rilevante è la riduzione del pH, che può scendere al di sotto di 9: al di sotto di tale soglia, lo strato passivante dell’acciaio viene meno, rendendo possibile l’innesco della corrosione in presenza di ossigeno e umidità.
Il fenomeno ha natura diffusiva: la profondità di carbonatazione aumenta nel tempo secondo una legge approssimativamente proporzionale alla radice quadrata del tempo:xc=k⋅t
dove xc è la profondità di carbonatazione e k è il coefficiente di carbonatazione, funzione delle caratteristiche del calcestruzzo e delle condizioni ambientali.
Fattori influenzanti
La velocità di carbonatazione dipende da una serie di parametri:
- Porosità e permeabilità del calcestruzzo: calcestruzzi con elevato rapporto acqua/cemento (a/c) presentano una struttura più porosa e quindi più permeabile alla diffusione della CO₂.
- Classe di esposizione ambientale: ambienti urbani o industriali con alta concentrazione di CO₂ accelerano il processo.
- Umidità relativa: il fenomeno è massimo per valori intermedi (50–70%), dove è presente sufficiente acqua per la dissoluzione della CO₂ ma anche sufficiente permeabilità per la diffusione del gas.
- Qualità del copriferro: uno spessore adeguato e ben compattato rallenta significativamente la penetrazione della carbonatazione.
- Tipo di cemento: cementi con minore contenuto di clinker (es. con aggiunte pozzolaniche) possono presentare minore contenuto di Ca(OH)₂ e quindi minore capacità tampone.
Effetti strutturali
La carbonatazione, di per sé, non comporta una perdita significativa di resistenza meccanica del calcestruzzo; anzi, la formazione di CaCO₃ può localmente aumentare la densità della matrice. Tuttavia, il problema principale è l’innesco della corrosione delle armature.
Una volta depassivato, l’acciaio inizia a ossidarsi formando ossidi e idrossidi di ferro, che hanno un volume fino a 6–7 volte superiore rispetto al metallo originario. Questo provoca tensioni interne nel copriferro, con conseguente:
- fessurazione longitudinale lungo le armature,
- distacco e espulsione del copriferro (spalling),
- riduzione della sezione resistente delle barre.
Nel lungo periodo, ciò può compromettere significativamente la capacità portante e la sicurezza dell’elemento strutturale.
Diagnosi e monitoraggio
La valutazione della carbonatazione in opera avviene tipicamente mediante prove con indicatore di pH, come la fenolftaleina. Applicando la soluzione su una superficie fresca di frattura del calcestruzzo, si osserva una colorazione viola nelle zone non carbonatate (pH > 9) e assenza di colore nelle zone carbonatate.
Altri metodi includono:
- carotaggi e analisi di laboratorio,
- misure elettrochimiche del potenziale di corrosione,
- tecniche non distruttive avanzate (es. resistività elettrica).
Strategie di prevenzione
La prevenzione della carbonatazione si basa su una progettazione orientata alla durabilità, in linea con le prescrizioni delle NTC 2018 e della UNI EN 206. Le principali strategie includono:
- Riduzione del rapporto a/c: per ottenere una matrice più compatta e meno permeabile.
- Adeguato copriferro: dimensionato in funzione della classe di esposizione (es. XC per carbonatazione).
- Cura del calcestruzzo (stagionatura): fondamentale per sviluppare una microstruttura densa.
- Utilizzo di additivi e aggiunte minerali: filler, ceneri volanti, fumi di silice, che migliorano la compattezza.
- Protezione superficiale: rivestimenti impermeabilizzanti o idrofobizzanti che limitano la penetrazione della CO₂.
- Controllo esecutivo in cantiere: vibrazione adeguata, assenza di nidi di ghiaia, corretta messa in opera.
Interventi di ripristino
Nel caso di strutture già carbonatate, gli interventi possono includere:
- Rimozione del copriferro degradato e ricostruzione con malte da ripristino,
- Passivazione delle armature esposte,
- Applicazione di rivestimenti protettivi,
- Tecniche elettrochimiche (es. rialcalinizzazione elettrochimica).
Conclusioni
La carbonatazione rappresenta un fenomeno inevitabile ma controllabile nel ciclo di vita delle strutture in calcestruzzo armato. Una corretta progettazione, unita a una rigorosa esecuzione e a un adeguato piano di manutenzione, consente di garantire livelli di durabilità coerenti con la vita utile di progetto. In un contesto normativo sempre più orientato alla sostenibilità e alla gestione del ciclo di vita delle opere, la comprensione approfondita di tali meccanismi è fondamentale per il progettista strutturale.
