Le attività di ricerca di mCD si concentrano sullo sviluppo e la caratterizzazione dei materiali cementizi e sulla durabilità delle strutture in calcestruzzo armato.
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Calcestruzzi e materiali cementizi:
Nuovi cementi e aggiunte per la sostenibilità
Tra i campi di interesse del gruppo mCD è da considerare quello dei cementi innovativi e delle aggiunte pozzolaniche; differenti ricerche, svolte in passato e attualmente in corso, sono finalizzate a valutare il loro ruolo sulla corrosione delle strutture in calcestruzzo armato. Sono state studiate sia aggiunte tradizionali (come le pozzolane naturali, il fumo di silice e la cenere volante da carbone) sia quelli innovative (come le ceneri pesanti da inceneritore o il vetro macinato). Si è studiato, ad esempio, l’uso delle ceneri pesanti da inceneritore nel calcestruzzo; tale scarto industriale, presentando al suo interno alluminio necessita, tuttavia, di essere finemente macinato (sottoforma di slurry) al fine di esaurire la reazione di sviluppo di idrogeno in modo da poter essere successivamente utilizzato nel calcestruzzo come aggiunta minerale. Si sono inoltre studiati i cementi solfoalluminosi che, abbassando il pH del calcestruzzo, potrebbero influenzare la passivazione degli acciai nel calcestruzzo e la sua protezione nei confronti della corrosione.
Comportamento a corrosione dell’acciaio in funzione del pH della soluzione con cui è a contatto e ruolo dei differenti tipi di cemento in termini di capacità protettiva nei confronti delle armature a contatto con il calcestruzzo realizzato con essi (a) e profili di penetrazione dei cloruri in calcestruzzi con differenti tipi di aggiunte (cenere volante e cenere pesante da inceneritore macinata a secco e ad umido) (b)
Calcestruzzi speciali
Sono studiate le proprietà prestazionali e di durabilità dei calcestruzzi autocompattanti (SCC), di quelli leggeri (come i calcestruzzi alveolari e quelli realizzati con argilla espansa e vetro espanso), di materiali cementizi adatti al riempimento di minitunnel e miniere (come quelli a bassa resistenza controllata (CLSM) e quelli ottenuti con terreno fluido). Si è, inoltre, valutato il comportamento a corrosione delle armature a contatto con tali materiali cementizi innovativi.
Prove per caratterizzare la lavorabilità dei calcestruzzi autocompattanti: J-ring (a), L-box (b), V-Funnel (c) e U-box (d)
Calcestruzzi leggeri realizzati: (a) senza aggregati fini (detti anche alveolari) o sostituendo parte degli aggregati ordinari con argilla espansa (b) o vetro espanso (c)
Materiale cementizio fluido con terreno (a-b) e correlazione fra la resistenza a compressione di miscele cementizie con differenti terreni fluidificati e il rapporto acqua/cemento, dopo 7 e 28 giorni di stagionatura in diverse condizioni (c)
Materiali cementizi a bassa resistenza (CLSM) per il riempimento di minitunnel con all’interno una tubazione (a-b) e correlazione fra la resistenza a compressione dopo 28 giorni di stagionatura e rapporto tra i volumi occupati dal cemento (Vcem), dall’acqua (Vacqua) e dell’aria inglobata (Varia) per differenti miscele di CLSM
Materiali per il restauro
malte / trattamenti superficiali / FRP
Esempi di materiali usati per il restauro: malta (a), trattamento superficiale (b) e F.R.P. (c)
Contenuto superficiale di cloruri (a) e coefficiente di diffusione apparente (Dapp) (b) calcolati dai profili di cloruri misurati sui materiali dopo diversi tempi di esposizione ai cicli con cloruri
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Durabilità delle strutture in calcestruzzo armato:
Corrosione delle armature nel calcestruzzo
Il gruppo mCD pone particolare attenzione alla corrosione indotta dalla carbonatazione e dalla penetrazione dei cloruri, studiando e definendo i diversi fattori che influenzano l’innesco e la propagazione per modellare l’evoluzione futura del fenomeno.
È inoltre studiata la corrosione dovuta dalle correnti disperse, l’infragilimento da idrogeno delle armature e sono investigati gli effetti dovuti all’accoppiamento galvanico.
Coefficiente di carbonatazione accelerato (a) e coefficiente di diffusione misurato tramite la prova di migrazione in cella inclinata (b) per diversi tipi di calcestruzzo
Esempio di interferenza da correnti disperse
Progetto della durabilità
La consapevolezza che le strutture in calcestruzzo armato devono essere progettate affinchè siano soddisfatti anche i requisiti di durabilità ha dato un forte impulso allo sviluppo di modelli di calcolo che consentono di quantificare la vita di servizio di una struttura in calcestruzzo armato. Il gruppo è molto attivo su questo fronte, studiando e analizzando i modelli disponibili in letteratura per il progetto della durabilità di strutture, al fine di valutarne la loro affidabilità e di individuarne i punti deboli che, al momento, ne limitano un uso diffuso.
I risultati sperimentali delle ricerche in corso, svolte nei diversi ambiti, sono quindi utilizzati per superare alcuni limiti dei modelli. Ad esempio, per tenere conto dei benefici connessi con l’utilizzo di protezioni aggiuntive, come ad esempio, armature in acciaio inossidabile e zincate.
Approccio probabilistico per la valutazione della vita di servizio di una struttura in calcestruzzo armato (a) e correlazione tra il coefficiente di carbonatazione misurato con una prova accelerata e con una prova naturale (b)
Tecniche elettrochimiche
Le tecniche elettrochimiche si basano sulla applicazione di una corrente alle armature nel calcestruzzo e contribuiscono ad aumentare la vita di servizio ritardando l’innesco della corrosione su strutture nuove o interrompendo il fenomeno corrosivo in atto su strutture esistenti. Ad esempio, la prevenzione catodica, che è stata introdotta e messa a punto in questo gruppo dal prof. Pietro Pedeferri, consente di aumentare la quantità di cloruri necessaria per innescare la corrosione e viene oggi utilizzata a livello internazionale per prevenire la corrosione su strutture esposte in ambienti molto aggressivi per la presenza di cloruri. La protezione catodica viene invece usata su strutture esistenti e consente di bloccare la corrosione dell’armatura a contatto con il calcestruzzo non più protettivo (carbonatato o contaminato da cloruri). Sono inoltre disponibili tecniche elettrochimiche temporanee che consentono di ripristinare le caratteristiche protettive del calcestruzzo nei confronti dell’armatura. Una di queste tecniche, la rialcalinizzazione elettrochimica, potrebbe essere utilizzata per bloccare il fenomeno corrosivo delle tante strutture esposte all’atmosfera che presentano come principale forma di degrado la corrosione da carbonatazione, almeno quando l’estensione del degrado è limitata. Questa tecnica è stata studiata sperimentalmente e applicata in campo su strutture esistenti, la Chiesa di Santa Maria Annunciata all’Ospedale San Carlo di Milano, progettata da Gio Ponti, e la Chiesa di Sant’Antonio abate a Valmadrera.
Diagramma di Pedeferri con indicazione delle zone di corrosione (A), passività imperfetta (B) e passività perfetta (C) in funzione del potenziale dell’armatura e del contenuto di cloruri (a) e andamento della depolarizzazione a 4 ore di una armatura in calcestruzzo carbonatato per varie densità di corrente catodiche applicate (b)
Prova alla fenolftaleina su calcestruzzo inizialmente carbonatato sottoposto a rialcalinizzazione (a) e andamento nel tempo dei fronti di rialcalinizzazione interno e esterno in calcestruzzi con diverso rapporto a/c (b)
Armature inossidabili
Le armature in acciaio inossidabile possono essere una strategia efficace per garantire la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato esposte in ambienti aggressivi, in particolare in presenza di cloruri, oppure per le quali è richiesta una vita di servizio molto lunga. Grazie agli elementi di lega in esse contenuti, esse presentano infatti una resistenza a corrosione significativamente superiore a quella degli acciai al carbonio.
Da anni il gruppo mCD si occupa dello studio del comportamento a corrosione delle armature in acciaio inossidabile. La ricerca è iniziata considerando soprattutto barre in acciaio inossidabile austenitico, successivamente sono stati indagati gli acciai inossidabili austeno-ferritici (o duplex) e quelli con basso contenuto di nichel. Si sono studiati i fenomeni di accoppiamento galvanico che si possono produrre quando si utilizzano congiuntamente armature ordinarie e in acciaio inossidabile. È in corso una ricerca sperimentale che ha l’obiettivo di proporre una metodologia di prova in grado di valutare la distribuzione di probabilità del contenuto di cloruri critico per l’innesco della corrosione di diversi tipi di acciai inossidabile.
Microstruttura di diversi tipi di acciaio inossidabile:1.4162 (a), 1.4311 (b), 1.4362 (c), 1.4406 (d)
Rappresentazione schematica del campo di applicabilità di differenti tipi di acciai a 20oC (a) e contenuto di cloruri per l’innesco di corrosione per pitting in prove di polarizzazione potenziostatica anodica (+200 mV vs SCE) in soluzione alcalina (pH 12.6) a 20oC (b)
Densità di corrente di macrocoppia tra una barra di acciaio al carbonio in calcestruzzo con 3% di cloruri collegata con barre (in parallelo) passive di: acciaio al carbonio in calcestruzzo privo di cloruri, acciaio inossidabile di tipo 316L in calcestruzzo privo di cloruri e con 3% di cloruri (20oC, 95% U.R.). Sono anche riportati i risultati con barre in acciaio inossidabile con ossidi che simulano quelli prodotti con la saldatura (a) e curve di polarizzazione catodica in soluzione alcalina (pH 12.6) dell’acciaio inossidabile di tipo 316L confrontata con quella dell’acciaio al carbonio. E anche riportata la curva dell’acciaio inossidabile con ossidi che simulano quelli prodotti con la saldatura (b)
Prove per la stima del tenore critico di cloruri per l’innesco della corrosione di armature in acciaio inossidabile in calcestruzzo: armatura con innesco di corrosione localizzata (a) e priva d’innesco (b)
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Conservazione del patrimonio culturale:
Caratterizzazione di calcestruzzi e malte antichi
Gli studi sulla conservazione del patrimonio culturale hanno riguardato sia l’ispezione di strutture, che a causa della loro rilevanza sociale e architettonica rientrano tra i beni appartenenti al patrimonio culturale, sia lo studio dei calcestruzzi e delle malte antichi. Il gruppo mCD è stato coinvolto in vari progetti di restauro che hanno riguardato, ad esempio, la chiesa di San Lorenzo a Milano (costruita fra il IV e XVI secolo) e la chiesa di San Fedele a Milano (risalente al XVI secolo) o l’Abbazia di San Pietro al Monte (risalente al XI secolo) a Civate.
Vista della chiesa di San Lorenzo a Milano (a) e osservazione di un campione di malta del periodo tardoantico allo stereo-microscopio (b) e al microscopio elettronico a scansione (c)
Vista della chiesa di San Fedele a Milano (a) e osservazioni macroscopiche di alcuni campioni di materiale cementizio decorativo prelevati nel corso dell’ispezione (b-c)
Vista dell’Abbazia di San Pietro al Monte (a) e osservazione di un campione di intonaco di calce e gesso al microscopio elettronico a scansione (b)
Tecniche di conservazione delle costruzioni in calcestruzzo armato
Molte delle opere in calcestruzzo armato costruite intorno alla metà del secolo scorso hanno ormai raggiunto la fine della vita di servizio e richiedono interventi di manutenzione per riparare eventuali danneggiamenti dovuti alla corrosione delle armature. A questi interventi viene richiesto non solo di ripristinare la funzionalità e la sicurezza strutturale, ma anche di preservare l’autenticità del materiale, delle superfici e delle forme. Questo impone la consapevolezza che l’intervento di tipo “convenzionale” basato sulla rimozione del calcestruzzo non protettivo e sostituzione con una nuova malta da ripristino, ancorchè tecnicamente perseguibile, debba essere attentamente ponderato per lasciare spazio a metodologie di intervento meno invasive e più rispettose. Ad esempio, per la Chiesa di Santa Maria Annunciata all’Ospedale San Carlo di Milano, progettata da Gio Ponti, si sono sperimentati interventi di conservazione applicando rivestimenti superficiali idrorepellenti e utilizzando la rialcalinizzazione elettrochimica per la protezione dalla corrosione dei pilastri in calcestruzzo armato.
Vista del campanile della chiesa di Valmadrera e particolare di una colonna (a-b) e applicazione del trattamento di rialcalinizzazione elettrochimica (c)
Vista della chiesa di Santa Maria Annunciata all’Ospedale San Carlo di Milano e particolare di un pilastro (a-b) e applicazione del trattamento di rialcalinizzazione elettrochimica (c)
Corrosione degli inserti metallici nelle murature
Un altro argomento di ricerca del gruppo mCD è quello relativo agli effetti della corrosione degli inserti metallici presenti nelle murature sul degrado degli edifici e manufatti storici. Si è studiato l’effetto della composizione dei materiali che costituiscono la muratura e delle condizioni di umidità e temperatura sulle condizioni di corrosione degli elementi metallici.
Il Ciborio dell’Abbazia medievale di San Pietro al Monte (a), dettagli degli inserti metallici presenti in corrispondenza di una delle colonne del Ciborio e prelievo di campioni (sia metallici, sia di malte e intonaci) (b-c)
Velocità di corrosione degli inserti metalli nei diversi tipi di malte (realizzate con gesso (G), calce e gesso (LG), calce e pozzolana (LP) e calce e cocciopesto (LCP)) in funzione dell’umidità relativa (a) e monitoraggio della conduttanza elettrica della malta a contatto con sonde inserite in una delle colonne del Ciborio durante il restauro e delle condizioni termo-igrometriche presenti all’interno dell’Abbazia (b)
All’interno dell’innvovativo programma sulle infrastrutture ERA-NET Plus Infravation 2014, “Advanced systems, materials and techniques for next generation infrastructure” (http://www.infravation.net/), è in corso il progetto SEACON – Sustainable concrete using seawater, salt-contaminated aggregates, and non-corrosive reinforcement (http://seacon.um-sml.com). Questo progetto, che coinvolge sei partner accademici e industriali, ha l’obiettivo di dimostrare la possibilità di utilizzare acqua di mare e aggregati contaminati da cloruri (artificiali e naturali) per una produzione sostenibile del calcestruzzo quando combinati con armature resistenti alla corrosione per costruire infrastrutture durevoli ed economiche. integrale al progetto la realizzazione di due demo.
L’obiettivo finale del progetto di dimostrare la fattibilità di questo approccio da un punto di vista tecnico e di valutare il suo impatto sulla sostenibilità di strutture in c.a. sulla base di un approccio LCA.