La resistenza agli ambienti alcalini di barre e materiali compositi fibrorinforzati

Nelle fasi di qualificazione dei materiali compositi in ambito civile, sia attraverso Linea Guida italiana che attraverso ETA europeo, si valutano prevalentemente quattro tipologie di ambienti aggressivi o condizionamenti, questi sono: umidità, gelo/disgelo, ambiente salino ed ambiente alcalino. 

In ciascun caso, si vuole indagare come il materiale composito reagisce a lunghe applicazioni in ambienti che ne possono determinare un progressivo degrado. Soffermandosi in particolare sulla resistenza all’ambiente alcalino, la possibile perdita di resistenza meccanica del composito, non deriva da applicazioni in ambienti chimici speciali in cui si ipotizza di dover applicare il materiale, bensì dall’ambiente acido che si origina all’interno del calcestruzzo. È la presenza appunto di diversi idrossidi a determinare un ambiente con elevato pH, e questo influenza aspetti corrosivi che, per le armature tradizionali in acciaio, si traducono ad esempio nello studio del processo di carbonatazione. 

Nei materiali edili, l’idrossido di calcio contenuto nei leganti cementizi, reagisce con l’anidride carbonica determinando la formazione del carbonato di calcio, secondo la seguente reazione chimica, riportata di seguito:

Entrando più nel dettaglio, nel caso tradizionale di armature in acciaio, i fenomeni corrosivi si innescano quando l’ambiente è neutro o debolmente acido, condizione che si viene a determinare a seguito di più fenomeni, uno tra questi la carbonatazione precedentemente menzionata, dove la riduzione dell’idrossido di calcio abbassa il pH e porta ad uscire dalla zona di passivazione del ferro. 

Figura 1, Diagramma di Pourbaix, identificazione della condizioni di passivazione del ferro al variare del pH [²]

Quindi, con la classica armatura d’acciaio si andranno ad indagare i fenomeni di riduzione del pH, cause dell’innesco del processo di corrosione che successivamente può comportare il degrado della struttura. Nel caso invece dei materiali compositi, si osserva al contrario, la presenza di un ambiente fortemente alcalino, condizione che può andare a definire fenomeni di indebolimento dell’armatura stessa e da lì, una delle modalità di crisi del calcestruzzo. 

Da questa prima analisi delle prove richieste nello studio di compositi fibrorinforzati, come ad esempio le barre pultruse, emerge una sostanziale differenza rispetto ai sistemi di rinforzo classici. Ritornando al percorso di qualificazione, è necessario sottoporre il materiale a soluzioni a pH 12.5 per tempi di 1000 e/o 3000 ore, andando infine a valutare l’eventuale perdita di prestazione del materiale sottoposto ad “ambiente aggressivo”, rispetto al prodotto non condizionato. 

Entrando nel merito della Linea Guida su barre e staffe in composito fibrorinforzato per uso strutturale, i parametri da porre a confronto, a seguito di una verifica della durabilità ambientale sono: eventuale perdita in massa del campione; perdita di resistenza a trazione e modulo elastico. Si pone quindi a confronto il valore medio di carico massimo e modulo elastico a trazione, raggiunti della barra in materiale composito prima e dopo il condizionamento, definendone la percentuale di riduzione degli stessi. A differenza di altre Linee Guida, per le barre d’armatura in materiale composito, non è richiesto di garantire un valore massimo di degrado delle proprietà meccaniche, quando invece solitamente è necessario assicurare valori di resistenza a trazione, post condizionamento, pari ad almeno l’85 e l’80% di quelli non condizionati, rispettivamente a 1000 e 3000h . 

Alla luce di quanto emerso, è importante valutare la capacità di resistenza ad ambienti alcalini delle principali tipologie di tessuti utilizzati nel settore delle costruzioni. Ad esempio la fibra di basalto presenta ottima resistenza nei confronti degli ambienti acidi e da qui il suo largo uso, mentre la fibra di vetro, molto sensibile anche all’ambiente umido, risulta meno resistente e necessita di trattamenti particolari, definendo una classe speciale di fibra di vetro detta “alkali resistant” (AR) glass fiber. 

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1. https://www.stradeeautostrade.it/tecnologie-e-sistemi/la-gestione-dell-invecchiamento-delle-infrastrutture-tecniche/2/
   ↩︎
2. Review on Ammonia as a Potential Fuel: From Synthesis to Economics, A. Valera-Medina, F. Hatem, A. Azad, I. Dedoussi, M. de Joannon, R. Fernandes, et al., Energy & Fuels 2021 ↩︎