ESERCIZIO 1 - DipCIA - Università degli studi di Cagliari.
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Università <strong>degli</strong> Stu<strong>di</strong> <strong>di</strong> <strong>Cagliari</strong> - Facoltà <strong>di</strong> Ingegneria - Corso <strong>di</strong> Laurea in Ingegneria Civile - AA 2010 / 2011<br />
Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata – Esercitazione del 08/06/2011<br />
Prof. Dr. Bernhard Elsener<br />
<strong>ESERCIZIO</strong> 1<br />
Un importante materiale da costruzione nell‘ ingegneria civile è il calcestruzzo<br />
armato.<br />
a) In<strong>di</strong>care quali prodotti si formano durante la presa del cemento portland e<br />
spiegare perché le armature <strong>di</strong> acciaio al carbonio non si corrodono in un<br />
calcestruzzo con questo cemento.<br />
Si formano i prodotti CSH (calcio silicato idratato) e Ca(OH) 2 portlan<strong>di</strong>te. Il pH <strong>di</strong><br />
una soluzione satura <strong>di</strong> portlan<strong>di</strong>te è 12.5, in questo ambiente le armature <strong>di</strong> ferro<br />
sono protetti da un film passivo.<br />
b) Ciò nonostante, spesso si osservano fenomeni <strong>di</strong> corrosione delle armature in<br />
strutture o e<strong>di</strong>fici esposti all’atmosfera a causa della carbonatazione. In<strong>di</strong>care la<br />
reazione chimica della carbonatazione. Spiegare perché le armature nelle zone<br />
carbonatate si possono corrodere.<br />
Durante la carbonatazione tutti i componenti alcalini del CLS reagiscono con il<br />
CO 2 : Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O = CaCO 3 + H 2 O. La soluzione del prodotto che si<br />
forma (calce) ha un pH intorno a 8. In questo ambiente l’acciaio non è pù passivo<br />
e in presenza <strong>di</strong> acqua e ossigeno si può corrodere.<br />
c) Spesso le zone dove si sono verificati fenomeni <strong>di</strong> corrosione vengono ripristinate<br />
rimuovendo localmente il calcestruzzo carbonatato e mettendo una malta<br />
alcalina. Spiegare perché dopo breve tempo si nota nuovamente corrosione<br />
intorno alla zona riparata.<br />
La qualità del CLS e dunque anche la fronte della carbonatazione non è<br />
omogenea. Dovuto alla carbonatazione in certi punti le armature sono de<br />
passivate e in presenza <strong>di</strong> ossigeno e umi<strong>di</strong>tà inizia a formarsi la ruggine. La<br />
ruggine è più voluminoso e l’espansione spacca il copri ferro.<br />
Dal punto <strong>di</strong> visto elettrochimico la zona <strong>di</strong> corrosione è la zona ano<strong>di</strong>ca – la<br />
superficie delle armature a fianco sono cato<strong>di</strong>che (anche se in calcestruzzo<br />
carbonatato). L’anodo esegue una “protezione cato<strong>di</strong>ca”.<br />
Dopo la riparazione della zona <strong>di</strong> corrosione con malta alcalina questa zone in<br />
CLS fresco porta alla passivazione delle armature, si crea un forte catodo. Allora<br />
le zone a fianco (carbonatate) <strong>di</strong>ventano anodo e iniziano a corrodersi.
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Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata – Esercitazione del 08/06/2011<br />
Prof. Dr. Bernhard Elsener<br />
Come consequenza si deve sempre ripristinare tutte le zone carbonatate e non<br />
solo quelli che presentano già fenomeni <strong>di</strong> corrosine.<br />
d) Come si può aumentare il tempo <strong>di</strong> innesco della corrosione (arrivo della zona<br />
carbonatata alle armature) nella progettazione e nella messa in opera del<br />
calcestruzzo <br />
Progettazione: copri ferro adatto secondo le norme, rapporto a/c < 0.45 e tenore<br />
<strong>di</strong> cemento alto (> 300 kg/m3).<br />
Messa in opera: controllo del copri ferro, buona vibrazione (compattazione),<br />
buona stagionatura<br />
<strong>ESERCIZIO</strong> 2<br />
Una tubatura <strong>di</strong> acciaio al carbonio si corrode spontaneamente nel terreno e si forma<br />
la ruggine.<br />
a) Scrivere le reazioni parziali e la reazione complessiva <strong>di</strong> questo processo <strong>di</strong><br />
corrosione e in<strong>di</strong>care la reazione ano<strong>di</strong>ca e cato<strong>di</strong>ca.<br />
Ano<strong>di</strong>ca: 2Fe -> 2Fe 2+ + 4e -<br />
Cato<strong>di</strong>ca O 2 + H 2 O + 4e - -> 4 OH -<br />
Totale 2 Fe + O 2 + H 2 O -> 2 Fe(OH) 2<br />
b) Questo processo <strong>di</strong> corrosione generale è molto lento e le tubature resistono 50 –<br />
80 anni. Spesso invece si osserva che le tubature sono perforate in pochi anni e<br />
sempre vicino a e<strong>di</strong>fici in calcestruzzo armato (ve<strong>di</strong> figura). Spiegare perché si<br />
verifica questo fenomeno <strong>di</strong> accelerazione del processo <strong>di</strong> corrosione.
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Prof. Dr. Bernhard Elsener<br />
Il problema è che la tubatura è in contatto elettrico con le armature. Il potenziale<br />
dell’ acciaio nel CLS alcalino è ca. – 0.1 V, il potenziale nel terreno è ca. -0.6 V.<br />
Questa <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong> potenziale crea una corrente che accelera la corrosione: le<br />
armature (potenziale più positivo) <strong>di</strong>ventano il catodo, la tubatura nel terreno<br />
<strong>di</strong>venta l’anodo. La corrosine in questa macro-coppia avviene solamente all’<br />
anodo (tubatura).<br />
c) Per rime<strong>di</strong>are alla situazione sopra descritta è stato proposta una verniciatura<br />
della tubatura. Quale sarebbe il risultato Perché <br />
Una verniciatura dell’ anodo non aiuta, ad<strong>di</strong>rittura è contra produttiva. Ogni<br />
vernice ha sempre <strong>di</strong>fetti e buchi – la corrente nella macrocoppia si concentra<br />
dunque su questi <strong>di</strong>fetti con superficie molto piccolo e la densità della corrente è<br />
maggiore. Allora la velocità della perforazione aumenta.<br />
d) Quale sarebbe la soluzione corretta per evitare la corrosione „accelerata“ della<br />
tubatura vicino a strutture in calcestruzzo armato <br />
La soluzione corretta sarebbe <strong>di</strong> eliminare il contatto elettrico tra tubatura e<br />
armature per eliminare la causa della corrosione accelerata. Tecnicamente<br />
questo è più facile liberando la tubatura vicino all’ e<strong>di</strong>ficio, tagliare la tubatura e<br />
inserire una flangia in polietilene. In questa maniera la tubatura nel terreno è<br />
isolato elettricamente dalla tubatura in contatto con le armature.
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Prof. Dr. Bernhard Elsener<br />
<strong>ESERCIZIO</strong> 3<br />
Il calcestruzzo è un conglomerato prodotto da inerti, acqua e cemento.<br />
a) Scrivere la reazione tra cemento (C 3 S) e acqua. Quali prodotti si formano <br />
Qual’é il „fattore stechiometrico“ della reazione <br />
2 C3S + 6 H2O = C3S2H3 + 3 Ca(OH)2<br />
Il fattore stechiometrico (quando tutto il cemento reagisce con tutto l’aqua) è il<br />
rapporto acqua / cemento 0.4.<br />
b) Le norme richiedono che per ambienti aggressivi (spruzzi <strong>di</strong> acqua <strong>di</strong> mare) un<br />
rapporto acqua/cemento ≤ 0.45. Perché si arriva a questo valore Spiegare<br />
perché non si ottiene un calcestruzzo armato durevole se il rapporto a/c é troppo<br />
alto.<br />
Il rapporto acqua/cemento <strong>di</strong> 0.45 corrisponde ad una porosità capillare minore <strong>di</strong><br />
20%, cioè ad un valore <strong>di</strong> porosità sotto la soglia della percolazione (dove<br />
aumenta la permeabilità della pasta cementizia in maniera esponenziale).<br />
Con un rapporto a/c troppo alto (maggior <strong>di</strong> 0.5) risultano troppi pori capillari, che<br />
sono interconnessi tra <strong>di</strong> loro. Le sostanze aggressive dall’ ambiente possono<br />
penetrare facilmente nel CLS.<br />
c) Spiegare perché la resistenza meccanica <strong>di</strong>minuisce linearmente all’ aumentare<br />
della porosità capillare, la permeabilità del CLS invece no.<br />
La resistenza meccanica a compressione <strong>di</strong>minuisce all’ aumentare del volume<br />
dei pori (questi essendo vuoti non hanno resistenza). Per la resistenza<br />
meccanica è il volume totale dei pori che conta. Per la permeabilità invece non è<br />
solamente il volume dei pori capillari ma anche il fatto se sono interconnessi o<br />
no. Al <strong>di</strong> spora della soglia <strong>di</strong> porosità il CLS <strong>di</strong>venta molto permeabile.<br />
d) Spesso si raccomanda l’utilizzo <strong>di</strong> materiali pozzolanici (silica fume) per<br />
migliorare la qualità (ridurre la porosità) del CLS. Spiegare perché questi<br />
aggiunte riducono la porosità. In<strong>di</strong>care le con<strong>di</strong>zioni necessarie per ottenere il<br />
risultato desiderato. Quale sonno possibili effetti negativi quando si usa questi<br />
materiali
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Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata – Esercitazione del 08/06/2011<br />
Prof. Dr. Bernhard Elsener<br />
Materiali pozzolanici o silicati reagiscono con la soluzione dei pori del CLS con<br />
cemento portland:<br />
3Ca 2+ + SiO 2 + H 2 O = C 3 SH, si forma la pasta cementizia nei pori capillari del<br />
CLS. La microstruttura del CLS viene dunque più desa. Visto che questo<br />
processo avviene solamente dopo che si sia formato la portlan<strong>di</strong>te (che rilascia i<br />
ioni Ca2+) deve essere presente sufficientemente acqua per la reazione. Questo<br />
significa che la stagionatura deve essere fatto con più cura e tempi più lunghi.