Characterization studies on cement conglomerates from historic reinforced concrete structures

Brevettato da Joseph Monier nel 1867, il conglomerato cementizio armato (comunemente definito calcestruzzo armato, o cemento armato) è diventato un materiale da costruzione di grandissimo successo nel corso del XX secolo, capace di soddisfare le richieste più impegnative di progettisti e ingegneri. Tuttavia, nonostante la sua introduzione e diffusione abbia spianato la strada a un secolo di continue innovazioni tecnologiche nell'ambito dell'industria delle costruzioni, il comportamento meccanico degli edifici costruiti con tale materiale non è stato compreso a pieno per lungo tempo, con conseguente incidenza di una serie di problemi strutturali interessanti gli edifici costruiti nei primi decenni del XX secolo. Alle radici del problema non vi era soltanto la concezione empirica dei calcoli strutturali, ma anche la mancanza di una tecnologia standardizzata di produzione del calcestruzzo e la scarsa attenzione posta nella scelta delle materie prime e delle strategie di miscelazione. Inoltre, le problematiche relative alla resistenza del conglomerato cementizio armato all'azione degradante di agenti chimico-fisici esterni non sono state considerate per gran parte del XX secolo, a causa dell'errata assunzione di "durabilità infinita" del materiale. Un secolo e mezzo dopo la sua invenzione, il cemento armato è al giorno d'oggi considerato un materiale di interesse culturale, costituendo il nucleo strutturale dell'architettura contemporanea. La caratterizzazione di questo materiale eterogeneo è stata per decenni di competenza esclusiva degli ingegneri strutturali, ma, nel corso degli ultimi quindici anni, è diventata una delle principali tematiche di studio degli scienziati dei materiali, a causa della complessità mineralogica, tessiturale e chimica del calcestruzzo e della sua suscettibilità all'azione di agenti alterativi esterni di natura chimico-fisica. Considerata la complessità del materiale, un approccio analitico combinato e multidisciplinare, comprendente campi sia ingegneristici sia della scienza dei materiali, risulta necessario al fine di ottenere una completa caratterizzazione meccanica e microstrutturale delle strutture in cemento armato e, conseguentemente, di progettare ed eseguire interventi di restauro con materiali adeguati per la riabilitazione e il miglioramento strutturale di questi moderni beni culturali. Tale progetto di ricerca è stato volto alla caratterizzazione multi-analitica di conglomerati cementizi appartenenti a cinque edifici storici in cemento armato, tutti localizzati nell’Italia nordorientale e costruiti tra la fine del XIX secolo e la metà del XX secolo, prestando particolare attenzione alla determinazione dei mix design originari, allo studio del loro stato di conservazione e allo sviluppo di tecniche analitiche innovative di natura mediamente distruttiva. I materiali sono stati anzitutto caratterizzati tramite un approccio multi-analitico; in questa parte dello studio, la classica caratterizzazione petrografica dei conglomerati secondo le linee guida dello standard americano ASTM C856 è stata integrata con i risultati ottenuti tramite analisi mineralogiche in diffrazione ai raggi X delle polveri (XRPD) e analisi microstrutturali e microchimiche in microscopia elettronica a scansione e microfluorescenza ai raggi X a dispersione di energia (SEM-EDS). La metodologia analitica integrata ha permesso un notevole allargamento dello spettro dei risultati ottenuti, consentendo una caratterizzazione completa dei materiali e dei loro costituenti in un ampio intervallo dimensionale, composizionale e tessiturale. I risultati ottenuti, sebbene altamente accurati, sono strettamente qualitativi, in particolare per quanto concerne la determinazione di una serie di parametri fondamentali per la ricostruzione dei mix design originari (quali i rapporti acqua/cemento e cemento/aggregato e la curva di distribuzione granulometrica degli inerti). A tal riguardo, diversi studi hanno recentemente testato procedure di analisi di immagine 2D per lo studio di componenti del calcestruzzo indurito, ottenendo risultati affidabili e oggettivi. Ciononostante, tali procedure analitiche non sono mai state applicate al sistema calcestruzzo nel suo insieme, a causa di limitazioni intrinseche delle tecniche di studio legate sia all'alto grado di polidispersione delle componenti del conglomerato cementizio, sia all'assenza di chiari traccianti colorimetrici in grado di consentire una rapida e chiara discriminazione digitale delle stesse. Al di là di tali problematiche, allo stato dell'arte l'analisi di immagine 2D risulta essere l'unica tecnica analitica in grado, almeno in via teorica, di fornire risultati rapidi, attendibili e oggettivi su un materiale caratterizzato da un grado di polidispersione così elevato. Conseguentemente, uno degli obbiettivi principali di questo progetto di ricerca è consistito nello sviluppo di un valido protocollo multiscala di preparazione dei campioni e acquisizione e analisi delle immagini per ricostruire completamente e quantitativamente i mix design dei calcestruzzi storici studiati. Tale approccio analitico innovativo si è dimostrato estremamente affidabile per l'ottenimento di una caratterizzazione completa di questi materiali eterogenei e poco standardizzati, e i risultati ottenuti sono stati confrontati con successo con quelli ottenuti tramite lo studio multi-analitico. Infine, è stato effettuato uno studio dettagliato dello stato di conservazione e dei fenomeni di degrado agenti sui materiali. I calcestruzzi sono stati studiati con un approccio multi-analitico articolato in uno studio petrografico preliminare, integrato da analisi XRPD di profilo della frazione fine dei materiali e da analisi SEM-EDS sia su campioni massivi che in sezione sottile. I risultati hanno evidenziato l'incidenza nei materiali di molteplici fenomeni di alterazione, strettamente correlati alle loro caratteristiche composizionali e tessiturali e alle condizioni ambientali di esposizione. Oltre all'individuazione di forme comuni di alterazione del calcestruzzo, quali la carbonatazione, l'attacco solfatico, l'attacco da cloruri, le reazioni alcali-aggregato e di ricristallizzazione di sali solubili, una nuova tipologia di degrado è stata per la prima volta osservata e studiata nei campioni di calcestruzzo dell'Area Ex-Agrimont, l'attacco sinergico solfatico-fosfatico. Questa forma di alterazione è stata investigata approfonditamente attraverso un approccio multi-analitico di profilo, consistente in una combinazione di microscopia ottica, micro-XRPD in luce di sincrotrone, microanalisi SEM-EDS, XRPD termica in situ, analisi termogravimetriche e termiche differenziali simultanee (TGA-DTA), spettroscopia di emissione atomica a plasma accoppiato induttivamente (ICP-OES) e modeling termodinamico. Tale forma di alterazione è risultata essere strettamente legata all'interazione tra inquinanti atmosferici ricchi in solfati e soluzioni ricche in fosfati e ioni ammonio rilasciati dall'impianto di produzione di fertilizzanti, e ha causato una grave decalcificazione delle matrici cementizie e la formazione di fosfati e solfati secondari secondo una marcata zonazione mineralogica e tessiturale, con associata stabilizzazione di fasi metastabili a causa dei particolari gradienti di pH e concentrazione degli inquinanti venutisi a stabilire all'interno dei materiali. Inoltre, si sono formate rare fasi in soluzione solida, le quali hanno successivamente subito fenomeni di parziale disidratazione correlati alle condizioni di esposizione.