La "malattia concreta" è oggetto di studio
Quando ponti, dighe e fondazioni in calcestruzzo sviluppano fessure, la causa è spesso l'AAR: la reazione alcali-aggregato. Il calcestruzzo si gonfia e si rende necessaria una ristrutturazione o una nuova costruzione.
Purtroppo il cemento non dura per sempre. Anche in Svizzera le strutture in cemento armato sono state intaccate dalle ingiurie del tempo. Non sono interessate solo le strutture rinforzate in acciaio, come i ponti, ma anche le strutture in calcestruzzo senza armatura, come le pareti delle dighe. Uno dei motivi è la cosiddetta reazione alcali-aggregato (AAR). Può colpire tutte le strutture in calcestruzzo a cielo aperto. In AAR, il problema è rappresentato dagli ingredienti del calcestruzzo stesso: il cemento - la "colla" del calcestruzzo - contiene metalli alcalini come sodio e potassio. Questo trasforma l'umidità del calcestruzzo in un alcali. I componenti principali del calcestruzzo sono la sabbia e la ghiaia. Questi ultimi sono a loro volta costituiti da silicati, ad esempio quarzo o feldspato. L'acqua alcalina reagisce ora con questi silicati e porta alla formazione di silicato di calcio alcalino idrato. Questo minerale deposita sempre più molecole d'acqua nella sua struttura, espandendosi e, nel tempo, fessurando il calcestruzzo dall'interno.
La parete della diga può espandersi
L'aspetto notevole è che la stessa reazione avviene in numerosi grani di ghiaia incastrati nel calcestruzzo; i piccoli sassi vengono sabbiati singolarmente. La pressione che questa microreazione può esercitare su un'intera struttura è enorme: una parete di una diga, ad esempio, può espandersi di diversi decimetri. Questo può portare a danni nei punti di collegamento laterali alla roccia o a deformazioni nella zona delle chiuse. La reazione è lenta, tanto che i primi danni alle strutture colpite si notano solo dopo 10-15 anni. Tuttavia, il continuo rigonfiamento del calcestruzzo può ridurre notevolmente la durata delle strutture.
Nel 2015, un team di scienziati dell'Empa e dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) è riuscito per la prima volta a identificare la struttura del cristallo contenente acqua che innesca il rigonfiamento del calcestruzzo. Prima di allora, la struttura era stata oggetto di molte speculazioni.
Progetto di ricerca interdisciplinare
La scoperta ha dato il via a un progetto di ricerca interdisciplinare finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero (FNS). Oltre all'Empa e al PSI, sono coinvolti due istituti dell'EPFL; il ricercatore dell'Empa Andreas Leemann coordina le attività di ricerca. "Vogliamo studiare e comprendere l'AAR in tutte le dimensioni, dal livello atomico e dalla scala di lunghezza dell'angstrom agli effetti su intere strutture nella scala del centimetro e del metro", spiega Leemann.
Sei sottoprogetti per tutte le dimensioni
A tal fine, nel progetto Synergia del FNS sono stati definiti sei sottoprogetti: Il PSI sta studiando la struttura dei prodotti di reazione con l'aiuto della radiazione di sincrotrone per poterne spiegare le fonti. All'EPFL si studiano le condizioni quadro decisive per la dissoluzione dei silicati e la composizione dei prodotti di reazione inizialmente formati; inoltre, si studiano gli effetti del rigonfiamento sugli edifici con simulazioni al computer. E all'Empa, da un lato, la formazione delle fessure nel calcestruzzo viene registrata con tomografia computerizzata nel centro radiografico dell'Empa, con risoluzione spaziale e temporale; dall'altro, i cristalli contenenti acqua vengono sintetizzati in laboratorio. In questo modo, i ricercatori possono ottenere quantità maggiori della sostanza che di solito si trova in fessure di dimensioni da nano a micrometri nei grani di ghiaia. Solo con quantità maggiori della sostanza in questione, tuttavia, è possibile determinare con precisione le proprietà fisiche. Le conoscenze così acquisite non solo dovrebbero servire a comprendere meglio l'AAR, ma anche a indicare i modi per evitare i danni, e quindi i costi.
"Siamo già nel bel mezzo della decifrazione del fenomeno, che finora è stato conosciuto solo in parte", afferma Leemann. Il progetto di ricerca quadriennale è iniziato nel maggio 2017. I primi risultati sono già disponibili. Il prossimo passo sarà quello di mettere in rete i singoli gruppi di lavoro e di basarsi sui risultati dei gruppi partner. Alla fine, dovrebbe emergere un quadro completo dell'AAR che consentirà di valutare meglio le condizioni e il rischio delle strutture in calcestruzzo e di fornire un supporto scientificamente valido per il destino degli edifici sotto attacco.
