Proprietà del calcestruzzo: resistività

01 – abstract

La resistività, o resistenza elettrica specifica è una importante proprietà del calcestruzzo che deve essere quindi considerata e ricercata. La tecnologia dei calcestruzzi con microsilicati e fibre polipropileniche  può offrire interessanti opportunità di conseguimento, così come è possibile evincere nel paragrafo 4 .

02 – Premessa

La resistività, o resistenza elettrica specifica è l'attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle Cariche Elettriche. Nel Sistema Internazionale la resistività si misura in ohm per metro (Ω x m).Nello stesso sistema l’unità di misura della conducibilità elettrica (o conduttività elettrica) è S/m (siemens per metro).

Nel conglomerato cementizio la resistenza elettrica specifica varia in funzione di numerosi fattori quali la densità, il rapporto acqua/cemento, il tipo di cemento, ecc. In linea di massima, a parità dei fattori intrinseci citati, la variazione di resistività è ancora strettamente connessa con il variare della condizione: da valori dell’ordine di 10^-3, nello stato umido, a valori dell’ordine di 10^-11 nello stato asciutto.

Nella pratica usuale la “Resistenza Elettrica Specifica del Calcestruzzo”, viene però raramente considerata, nonostante rappresenti un importante parametro di propagazione della corrosione, in grado di condizionare i processi corrosivi, sia in termini di valutazione che di prevenzione.

Per sottolinearne l’importanza è infatti sufficiente richiamare il fatto che i fenomeni di corrosione delle armature, nel conglomerato cementizio armato, sono di natura elettrochimica, con processi che contemplano il trasporto di elettroni attraverso un flusso di corrente convenzionale anodo-catodo.

Il processo di corrosione si avvale di un mezzo elettrolitico (il calcestruzzo umido) e di un agente reattivo (l’ossigeno) attraverso una reazione catodica ed una reazione anodica, che portano alla reazione finale:

La sottovalutazione accennata non coinvolge gli “specialisti”: numerose sperimentazioni hanno infatti evidenziato come la resistenza elettrica specifica del conglomerato possa essere messa in relazione diretta sia con la probabilità di corrosione che con la quota di corrosione dell’opera.

A titolo di esempio la relazione  “La corrosione delle armature nel calcestruzzo” del Prof. P. Pedeferri (Politecnico di Milano 2004) identifica la resistività come elemento specifico della corrosione, sia in termini di misura significativa che come parametro in grado di condizionare la durata del periodo di innesco e la velocità dei processi corrosivi.

03 – corrosione & resistenza elettrica specifica: processi e misure

L'acciaio, a contatto con il calcestruzzo sano si trova in una forma di autoprotezione o passivazione determinata dall’avvolgimento dell’armatura stessa, da parte di un film di ossido passivante, stabile a pH circa 13, tipico della pasta cementizia. Numerose circostanze possono modificare la concentrazione idrogenionica (pH), all’interfaccia armatura/matrice cementizia, sino a valori in grado di  vanificare la “passivazione” e, fra queste, la carbonatazione del copriferro, la presenza di cloruri, le correnti vaganti, ecc.

La depassivazione dell’armatura che coincide con l'inizio dell'attività elettrochimica nel sistema,  procede fintanto che vi sia presenza di umidità e disponibilità di ossigeno. L’armatura d’acciaio si comporta come una pila, in cui coesistono zone anodiche dove il metallo viene ossidato e zone catodiche dove si hanno le reazioni di riduzione di ossigeno e acqua.

Il passaggio di corrente avviene per trasporto di elettroni nel corpo del metallo, e per trasporto di specie ioniche nella soluzione che permea le porosità del calcestruzzo. Questo flusso di corrente è accompagnato da una variazione del potenziale elettrico tra diverse zone dell’armatura d’acciaio: le zone anodiche saranno caratterizzate da valori di potenziale minori (più negativi) mentre quelle catodiche avranno potenziali maggiori.

Nel contesto richiamato la misura della resistenza elettrica specifica del calcestruzzo può fornire informazioni importanti in ordine alla condizione conservativa e/o degenerativa di una struttura in conglomerato cementizio armato. Misure combinate di resistività e potenziale possono fornire ulteriori informazioni sulle condizioni di corrosione delle armature d’acciaio.

Il responso ottenuto dall’indagine inerente la resistenza elettrica specifica del calcestruzzo, specie se corredata di accurate mappature, permette infatti l’individuazione di eventuali "zone di attenzione" necessitanti di verifiche di correlazione quali misure di spessore di copriferro, determinazione della profondità di carbonatazione, verifica del contenuto di cloruri, ecc., determinanti ai fini di una diagnostica affidabile dei rischi di corrosione che tenga in conto anche gli ulteriori fattori di variabilità, riconducibili alle caratteristiche del conglomerato cementizio, alle caratteristiche superficiali dell’armatura d’acciaio, all'ambiente di esposizione, ecc.

Secondo le specifiche ASTM sono da considerare non affette da corrosione (con una probabilità del 90%), le aree dove il potenziale letto sia meno negativo di -200mV, mentre con la stessa probabilità le zone con potenziali più negativi di -350mV corrispondono a siti anodici dove la corrosione è attiva.

Successive revisioni, nate da accurate esperienze, protratte nel tempo, da parte di vari operatori qualificati, suggeriscono che il valore corrispondente alla depassivazione dell'acciaio (innesco del fenomeno corrosivo) sia di circa -240mV, valore che è diventato quindi il parametro di soglia adottato dall' "American Federal Highways Administration".

La corretta interpretazione delle misure richiede comunque una analisi “esperta”, in grado di  correlare correttamente le variabili caratteristiche della relazione di indagine.

04 – come incrementare la resistività e ridurre la corrosione

La risposta più adeguata, per incrementare, con la resistenza elettrica specifica dei calcestruzzi, la resistenza degli stessi alla corrosione e, in altre parole, la durabilità complessiva delle opere in calcestruzzo è essenzialmente rappresentata dai conglomerati progettati e confezionati con l’addizione di microsilicati, altrimenti detti silica fume, per esempio MICROPLUS 90 nella forma più specializzata (1*) e da fibre di tipo polipropilenico ( 2*).

Per quanto attiene i microsilicati l’immagine che segue, relativa a numerose sperimentazioni, confermate nella pratica pluridecennale, evidenzia come l’addizione degli stessi, a calcestruzzi correttamente confezionati, posti in opera e stagionati  determini significativi incrementi della resistività (superiori al 400%) e, nel contempo, riduzioni, altrettanto importanti, nei rischi di corrosione delle armature d’acciaio.

L’addizione di fibre nel calcestruzzo comporta, come è noto, numerosi vantaggi in termini di coesione, di prevenzione antifessurativa, di impermeabilità, ecc. Nel caso di fibre di tipo polipropilenico (per esempio READYMESH PM 060 e PM 180), fra i vantaggi noti possono essere annoverati anche gli importanti incrementi della la resistività riportati nello schema di seguito proposto.

(1*) - La trattazione della tecnologia dei microsilicati e, nella fattispecie dei calcestruzzi con microsilicati, esula dagli scopi e dagli spazi della presente relazione.  Alcune “note essenziali” sono comunque riportate nel documento “Microsilicati, appunti d’uso” (Edoardo Mocco – Aprile 2015), reperibile in www.azichem.com, mentre, per ulteriori informazioni si rimanda allo specifico organismo istituzionale “Silica Fume Association”.

(2*) - Per ulteriori notizie inerenti la tecnologia dei conglomerati compositi, fibrorinforzati, è possibile fare riferimento a www.readymesh.it.

05 – Un Mix design indicativo

Sulla base di quanto sin qui esposto e delle esperienze consolidate è possibile indicare un mix design indicativo che può indirizzare lo studio e la qualificazione di miscele di calcestruzzo ad elevata resistività.

06 – Per concludere

L’analisi della copiosa letteratura tecnica disponibile conferma che le particolari “aggiunte minerali” rappresentate dai microsilicati, contemplate peraltro anche dalle norme più recenti (3*), opportunamente inserite in un calcestruzzo fibrorinforzato con fibre polipropileniche specificatamente progettato, rappresentano un mezzo estremamente efficace per conseguire, con drastiche riduzioni della porosità e della permeabilità, anche significativi incrementi della resistenza elettrica specifica del calcestruzzo, con positive influenze sia in ordine ai tempi di innesco e di propagazione della corrosione che in termini di significativi prolungamenti della durata di vita utile delle opere.

Sono ampiamente accertati gli effetti positivi della corretta addizione di microsilicati selezionati (MICROSIL 90) a calcestruzzi specificatamente progettati anche in relazione al parametro rappresentato dalla resistenza elettrica specifica che, per addizioni di microsilicati dell’ordine del 10% in peso, rispetto al peso del cemento, determina incrementi di resistività di circa il 400%.

Nei calcestruzzi addizionati con microsilicati (silica fume), la resistenza elettrica specifica, cresce esponenzialmente in funzione del tenore dei microsilicati stessi rispetto al cemento.

La “superpozzolanicità” peculiare dei microsilicati, unitamente all’elevatissima finezza delle particelle, consente di ottenere una “pasta cementizia” stabile, compatta e intrinsecamente impermeabile, in grado di assicurare prestazioni di protezione anticorrosiva derivanti da elevati incrementi della resistività elettrica, della resistenza alla penetrazione dei cloruri, della drastica riduzione del processi carbonatativi.

Le esperienze sperimentali e la pratica applicativa hanno altresì accertato che per ottenere i migliori risultati è opportuno ricorrere all’addizione di agenti superfluidificanti e/o riduttori d’acqua, in grado di consentire livelli di consistenza adeguati alle usuali pratiche di cantiere.

Le considerazioni riferite ai calcestruzzi sono da considerarsi sicuramente estensibile anche a malte e betoncini progettati e confezionati con modalità riferite agli stessi parametri tecnologici.

(3*) = UNI EN 206-1 “ Calcestruzzo: specificazione, prestazione, produzione e conformità” punto 5.1.6.

Edoardo Mocco

(edoardomocco@tiscali.it)

Bibliografia

A. R. Alizadeh – University of Ottawa “Electrical Resistivity of concrete”; A.M. Neville: “Properties of concrete”; E.A. Herfurth: “Microsilica Technology; T.C. Powers: “The physical structure of Portand cement paste”; D.G. Parker: “Microsilica concrete”; R. Johansen: “Silica in concrete; M. Venaut: “Adjuvant et traitements des mortiers et de betons; E.J. Sellevold: “Report to Elkem chemicals concerning Microsilica in concrete; E. Mocco: “Considerazioni sull’impiego dei microsilicati nei conglomerati cementizi”; Silica Fume Association: “Silica Fume User’s Manual”; BS EN 13263-1:2005 “Silica fume for con-crete”; A.C.I. 234R-06: “Guide of silica fume in concrete”; ASTM C1240-97b: “Standard specification for silica use as a mineral admixture in hydraulic-cement or mortar and grout; S. Collepardi: “Calcestruzzo antico e moderno”; S. Tavano: “Calcestruzzo ad alte prestazioni”; I. Pigni: “Impiego di fumi di silice nei calcestruzzi”; M. Berra, S. Tavano: “Proprietà di miscele cementizie contenenti fumi di silice condensati”; Elkem information paper: “Silica fume in concrete”.