La carbonatazione è il processo di penetrazione di anidride carbonica all’interno del calcestruzzo armato fino alle armature. Ciò provoca fessure che permettono all’aria di entrare in contatto con l’acciaio delle armature,provocandone la corrosione e compromettendo la durabilità strutturale.
IN BREVE
Il cemento armato è un materiale composito costituito da cemento e acciaio che lavorano insieme e permettono alla struttura di sopportare sforzi maggiori piuttosto che se fosse composta di solo calcestruzzo.
Affinchè il mix design (è questo il termine con cui si indica il progetto di strutture in cemento armato) possa essere funzionale bisogna rispettare numerosi parametri dettati prevalentemente dalle norme europee e italiane (EUROCODE e NTC2008).
Il degrado con conseguente danneggiamento della struttura in cemento armato avviene quando si verificano le seguenti condizioni:
- presenza di acqua capace di veicolare gli agenti aggressivi all’interno del calcestruzzo;
- presenza di pori interconnessi per le condizioni di permeabilità degli agenti aggressivi;
- presenza di agenti aggressivi : aria (Ossigeno e CO2), solfati, cloruri, alcali.

Uno dei fenomeni che può portare al degrado delle armature metalliche è la corrosione, ossia la trasformazione dell’acciaio (ferro metallico in prevalenza) in ruggine formata da ossidi ferrici porosi, incoerenti e voluminosi. Tale processo è alimentato dalla presenza di aria umida (O2,H2O) necessaria alla corrosione. Tuttavia, affinché il fenomeno sia pericoloso il processo sopra descritto deve essere attivato da uno dei seguenti meccanismi :
- carbonatazione del calcestruzzo;
- penetrazione del cloruro.
In questa sede tratteremo un aspetto della durabilità del calcestruzzo armato, la carbonatazione.
Corrosione promossa dalla carbonatazione
I costituenti principali dell’aria sono l’ossigeno e l’anidride carbonica,con la concentrazione di quest’ultima influenzata soprattutto dalla combustione di carburanti di origine fossile e da una riduzione progressiva della vegetazione. Nell’ aria mediamente troviamo una concentrazione di CO2 compresa tra 350 e 380 ppm (parti per milione).

La pericolosità dell’anidride carbonica (o biossido di carbonio) sta nel fatto che, allo stato gassoso, è in grado di reagire praticamente con tutti i prodotti di idratazione del cemento poiché la pressione di equilibrio delle reazioni che coinvolgono la CO2 sono inferiori alla pressione alla quale si trova la CO2 atmosferica. In seguito all’idratazione del cemento, inizialmente nel calcestruzzo si stabiliscono per lo sviluppo di Ca(OH)2 (idrossido di calcio) condizioni di forte basicità, ossia con pH maggiore di 13. La formazione dei gruppi ossidrilici con i quali si lega il calcio, è dovuta al processo di idratazione dei silicati presenti nel clincker di cemento Portland. In queste condizioni il ferro risulta ricoperto da un film di ossido di ferro (questo processo prende il nome di passivazione) impermeabile che impedisce all’ossigeno e all’umidità di arrivare al ferro e pertanto impedisce la formazione della ruggine. Quando avviene il fenomeno di carbonatazione la calce idrata viene neutralizzata dall’anidride carbonica penetrata all’interno del calcestruzzo, il pH scende a valori inferiori a 9 ed il ferro perde la sua passività attraverso un processo di depassivazione, ossia il film di ossido di ferro diventa poroso e incoerente e non è in grado di bloccare l’accesso dell’ossigeno e dell’umidità. Quindi è proprio la riduzione del pH che funge da innesco per la corrosione delle barre di acciaio, a patto però che in prossimità dell’interfaccia armatura-calcestruzzo ci siano ossigeno ed acqua a sufficienza affinché la reazione possa avvenire.
A seguito della trasformazione in ruggine, che a parità di peso ha un volume circa 6-7 volte maggiore del ferro, il copriferro viene prima fessurato e poi espulso.La carbonatazione non è un fenomeno pericoloso di per sé, ma crea le condizioni favorevoli al processo corrosivo da parte dell’ossigeno e dell’umidità.

La penetrazione dell’anidride carbonica all’interno del calcestruzzo, integro e non fessurato può essere descritta dalla “legge di Fick” per la quale lo spessore carbonato è direttamente proporzionale al tempo trascorso e alla radice quadrata del coefficiente k, che è una costante che dipende dal rapporto acqua-cemento oltre che dal tipo e classi di cemento e dal valore dell’umidità relativa.

Lo spessore carbonato x è determinabile spruzzando una soluzione di fenolftaleina, il cui colore cambia a seconda che il pH sia maggiore o minore di 11, sulla superficie di frattura di un provino in calcestruzzo ( o sulla frattura di una struttura. La zona bassa del provino, con pH maggiore di 11 in quanto non carbonata si colora in rosso, mentre quella a pH minore di 11 si colora in grigio. Facendo più determinazioni di x al tempo t si ricava k.
Tale relazione ha validità limitata e presenta un indice affidabile se e solo se si parla di strutture :
- Che abbiano un’atmosfera con umidità relativa compresa tra 50% e 70% ;
- Non siano esposte direttamente all’azione delle precipitazioni atmosferiche ;
- Non siano interessate al ruscellamento dell’acqua nella fase di smaltimento di quest’ultima.
Nel caso in cui ci si trovi di fronte a U.R. maggiori, ma anche e soprattutto imbibizioni delle strutture causate dalla pioggia, avremmo una riduzione del fronte di avanzamento dell’anidride carbonica causato dal maggiore grado di saturazione dei pori capillari. Lo spessore carbonato ‘x’ è determinabile spruzzando una soluzione di fenolftaleina (cromoreattiva a seconda che il pH sia maggiore o minore di 11) sulla superficie di frattura del provino : a pH maggiore di 11, in quanto non carbonata, si colora in rosso, mentre a pH minore di 11 si colora in grigio. Facendo più determinazioni di x al tempo t è possibile ricavare k. Quando il fronte di carbonatazione giunge in prossimità delle armature, il film passivante diviene instabile e tende a scomparire. In una situazione del genere, con la coadiuvazione dell’acqua e dell’ossigeno l’armatura può iniziare a corrodersi con una velocità tale da ridurre significativamente la vita di servizio di una struttura.
Il processo di corrosione
Una volta che il fronte carbonatato ha raggiunto le armature, depassivandole, la corrosione può aver luogo se sono presenti acqua e ossigeno. Se si escludono solo le condizioni di completa e permanente saturazione del calcestruzzo, l’ossigeno è in grado di raggiungere la superficie delle armature in quantità sufficienti per permettere lo svolgimento del processo corrosivo. In vero la velocità di corrosione è determinata principalmente dalla resistività del calcestruzzo. Il contenuto d’acqua nel calcestruzzo è il parametro più significativo, nel determinarne la resistività, mentre ricoprono un ruolo di secondo piano (pur essendo significativamente importanti nell’intervallo di umidità relativa compreso fra 60 e 90%) le caratteristiche del calcestruzzo e conseguentemente i fattori che le influenzano (tipo di cemento, rapporto a/c, maturazione umida, ecc.) che sono invece importanti nel determinare la velocità di penetrazione della carbonatazione e quindi il tempo di innesco. La situazione è molto più gravosa nel caso in cui nel calcestruzzo siano presenti anche cloruri seppur in piccoli tenori, cioè anche se i valori sono insufficienti per creare di per sé condizioni di corrosione. La presenza di piccole percentuali di cloruri nel calcestruzzo può essere dovuta sia all’impiego di materie prime (acqua, aggregati, additivi) nelle quali siano presenti questi ioni, sia dovuta alla penetrazione di questi ioni dall’ambiente esterno (ambiente marino, sali antigelo). Molte costruzioni erette tra gli anni ’60 e ’70 in zone marine oppure nei paesi freddi, risultano inquinate con piccoli tenori di cloruri per la pratica, molto frequente in quegli anni nei mesi invernali e per le strutture prefabbricate, di aggiungere al calcestruzzo additivi acceleranti a base di cloruro di calcio. La carbonatazione ha come effetto secondario quello di liberare i cloruri e questo rende la soluzione presente nei pori molto più aggressiva(a causa della modificazione della configurazione elettronica del ferro). Nelle strutture le condizioni affinché avvenga la corrosione si verificano soltanto negli elementi strutturali direttamente esposti all’acqua piovana o interessati da fenomeni di ruscellamento dell’acqua causati da errori di progettazione del suo smaltimento oppure ancora a causa di manufatti realizzati con calcestruzzi scadenti.
La reazione chimica del processo di corrosione è la seguente:
2Fe + 2H2O + O2 → 2FE(OH)2
In base a quanto fin’ora esposto per garantire la durabilità delle strutture esposte al degrado promosso dall’anidride carbonica allo stato gassoso, si rendono necessari provvedimenti tanto più restrittivi quanto più grande è il rischio di carbonatazione a cui esse sono esposte. In tale ambito la normativa di riferimento è la UNI 11104:2016 (italiana) e la UNI EN 206-1:2014 (italiana). Entrambe le normative prevedono l’identificazione di una classe di appartenenza del manufatto da realizzare e in funzione di questa poter ricavare i valori di:
- Rapporto acqua-cemento massimo
- Classe minima di resistenza
- Dosaggio minimo di cemento
- Copriferro nominale

Come proteggersi dalla carbonatazione
Ci si può proteggere dalla corrosione promossa dalla carbonatazione attraverso una delle seguenti tecniche:
- riducendo il rapporto acqua-cemento rendendo la matrice cementizia meno porosa e quindi meno penetrabile dagli agenti aggressivi ;
- aumentando lo spessore del copriferro ;
- impiegando acciaio zincato ( l’acciaio più resistente a questo fenomeno).
La variazione di umidità relativa durante l’esposizione all’aria delle strutture in calcestruzzo rende difficile prevedere la penetrazione di carbonatazione. Tuttavia è possibile prevedere, in maniera approssimata, quando la CO2 arriverà ai ferri dopo aver completamente penetrato il copriferro di una struttura in calcestruzzo esposto all’aria in condizioni igrometriche variabili.
Fonte
- “Il nuovo calcestruzzo” – Mario Collepardi, Silvia Collepardi, Roberto Troli – Tintoretto
- “Durabilità del calcestruzzo”
Università degli studi di Bergamo