233   Gennaio - Febbraio  2021
ISSN 2282-3794
DURABILITÀ DELLE OPERE IN CALCESTRUZZO ARMATO
Giornata di studio Pietro Pedeferri al Politecnico di Milano
di
MariaPia Pedeferri
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria “Giulio Natta”, Politecnico di Milano
mariapia.pedeferri@polimi.it

Questo numero di Structural magazine è dedicato alla Durabilità delle opere in calcestruzzo armato, tema sviluppato nella seconda edizione della Giornata di Studio Pietro Pedeferri che si è svolta il 27 novembre 2020. Le sessioni della giornata sono state dedicate sia a interventi provenienti dal mondo universitario e della ricerca con presentazioni di studiosi di Università di tutto il territorio nazionale, sia a interventi focalizzati sulle applicazioni nelle costruzioni che hanno visto protagonista il comparto industriale.

English version
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DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
Pietro Pedeferri workshop at Politecnico di Milano

This issue of Structural magazine is dedicated to the Durability of reinforced structure; this topic has been developed in the 2nd edition of the Pietro Pedeferri Workshop which took place on 27th November 2020. The sessions of the workshop were dedicated to both interventions from academia from all over the country, and presentations focused on applications in construction that saw the industrial sector as a protagonist.

METODI DI PREVENZIONE E PROTEZIONE AGGIUNTIVA PER LA DURABILITÀ DELLE STRUTTURE IN CALCESTRUZZO ARMATO
di
Matteo Gastaldi, 
Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”, mCD - materiali Cementizi e Durabilità
matteo.gastaldi@polimi.it
Marco Ormellese
Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”, PoliLaPP - Laboratorio di Corrosione dei Materiali “P. Pedeferri”
marco.ormellse@polimi.it

Per un corretto progetto della durabilità di un’opera in calcestruzzo armato, in primo luogo sono fondamentali le prescrizioni sul calcestruzzo (rapporto acqua/cemento, tipo di cemento, stagionatura …), sullo spessore del copriferro e la progettazione dei dettagli costruttivi in funzione delle azioni che agiscono sulla struttura (azioni meccaniche e ambientali). In condizioni ambientali molto aggressive e/o quando sono richieste lunghe vite nominali di progetto (ad es. 100 anni o superiori), può essere opportuno l’impiego di tecniche di prevenzione/protezione aggiuntiva. Questa nota riporta una sintesi dei risultati di alcune delle ricerche su alcuni sistemi di prevenzione aggiuntiva svolte dai gruppi di ricerca del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” del Politecnico di Milano, presentati alla Giornata di studio “Pietro Pedeferri” - seconda edizione svoltasi il 27 novembre 2020. Sarà analizzato l’impiego della prevenzione catodica, di armature in acciaio inossidabile, di inibitori di corrosione e di rivestimenti superficiali del calcestruzzo.

English version
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ADDITIONAL PREVENTION AND PROTECTION METHODS FOR DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES

A correct design of the durability of a reinforced concrete work must start from a correct design of the concrete (water / cement ratio, type of cement, curing ...), of the concrete cover thickness and of the construction details according to the actions which act on the structure (mechanical and environmental actions). In very aggressive environmental conditions and / or when long design working lives are required (e.g. 100 years or more), the use of additional prevention / protection techniques may be required. This paper reports a summary of the results of some research studies on some additional prevention techniques carried out by the research groups of the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering "Giulio Natta" of the Politecnico di Milano, presented at the Giornata di studio “Pietro Pedeferri” - second edition held on November 27, 2020. The use of cathodic prevention, stainless steel reinforcement, corrosion inhibitors and surface coatings of concrete will be analysed.

LA CORROSIONE DELLE ARMATURE NEI LEGANTI TRADIZIONALI E IN QUELLI DI NUOVA CONCEZIONE
Principi e metodi per costruzioni sostenibili e durevoli
di
Sergio Lorenzi, 
Ricercatore, Università degli Studi di Bergamo - Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate, Consorzio INSTM – Firenze, Consorzio CSGI – Firenze
sergio.lorenzi@unibg.it
Marina Cabrini, 
Professore Associato, Università degli Studi di Bergamo - Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate, Consorzio INSTM – Firenze, Consorzio CSGI – Firenze
Marina.cabrini@unibg.it
Tommaso Pastore
Professore Ordinario, Università degli Studi di Bergamo - Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate, Consorzio INSTM – Firenze, Consorzio CSGI – Firenze
tommaso.pastore@unibg.it

L’articolo affronta il tema del comportamento a corrosione delle barre d’armatura in acciaio al carbonio in matrici cementizie a base di leganti tradizionali e innovativi. Il lavoro mette in luce le peculiarità di questi nuovi leganti rispetto a quelli tradizionali, in termini di sviluppo delle condizioni di passività e di mantenimento della stessa nel tempo.  Analizza il ruolo dell'alcalinità e del suo mantenimento sul comportamento alla corrosione dell'acciaio al carbonio. L'azione protettiva del cemento Portland e le cinetiche di passivazione sono strettamente dipendenti dal pH della soluzione dei pori e dal contenuto di ossigeno fin dai primi periodi di esposizione, immediatamente dopo il getto. Anche la riserva di alcalinità, presente nei leganti tradizionali a base di cemento portland, gioca un ruolo fondamentale per la qualificazione dei nuovi leganti per l'edilizia, in quanto incide sulla velocità di carbonatazione e concorre a mitigare in modo determinante l'effetto depassivante ad opera dei cloruri che, diffondendo all’interno della matrice cementizia possono promuovere l’innesco della corrosione localizzata. Sono proposte nuove metodologie per la valutazione del pH della matrice cementizia, basate su indicatori colorimetrici diversi rispetto alla fenolftaleina, capaci di individuare in modo più immediato l’effettiva azione protettiva della matrice cementizia verso le armature in acciaio al carbonio. Lo studio evidenzia che le cinetiche di passivazione sono diverse passando dai leganti tradizionali a quelli innovativi e meritevoli di essere approfondite nella formulazione di prodotti innovativi speciali formulati con questi leganti alternativi.

English version
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CORROSION OF REINFORCEMENTS IN TRADITIONAL AND INNOVATIVE BINDERS
PRINCIPLES AND METHODS FOR SUSTAINABLE AND DURABLE CONSTRUCTIONS

The paper focus on the study of the corrosion behaviour of carbon steel in cementitious mixtures manufactured with traditional and innovative binders. The work highlights the peculiarities of these new binders compared to traditional ones in terms of promoting carbon steel passivation and its preservation over time. It analyses the role of alkalinity and alkalinity reservoir on the corrosion behaviour of carbon steel. The protective action of Portland cement and the passivation kinetics are strictly dependent upon the pH of the pore solution and on the oxygen content since very early exposures, immediately after concrete pouring. The alkalinity reservoir promoted by hydration reaction in traditional binders based on Portland cement plays a fundamental role in the qualification of new binders for the building industry as it affects the carbonation rate and it contributes to mitigate the depassivating action of chlorides present directly in contact with the carbon steel bar, thus preventing localised corrosion onset. New methods are proposed for the assessment of the pH of the cement matrix, based on colorimetric indicators different from phenolphthalein, capable of identifying in a more immediate way the effective protective action of the cement matrix respect to carbon steel reinforcements. The study highlights that the passivation kinetics in traditional binders are different compared to innovative ones and worthy of investigation in the formulation of special innovative products.

IL FUTURO DEL CALCESTRUZZO
Molteplici strategie con un obiettivo comune: la sostenibilità
di
Denny Coffetti, 
Dipartimento di Ingegneria e Scienza Applicate – Università degli Studi di Bergamo
denny.coffetti@unibg.it
Luigi Coppola, 
Dipartimento di Ingegneria e Scienza Applicate – Università degli Studi di Bergamo
luigi.coppola@unibg.it
Elena Crotti, 
Dipartimento di Ingegneria e Scienza Applicate – Università degli Studi di Bergamo
elena.crotti@unibg.it
Gabriele Gazzaniga
Dipartimento di Ingegneria e Scienza Applicate – Università degli Studi di Bergamo
gabriele.gazzaniga@guest.unibg.it

Il ricorso a materiali sostenibili per le costruzioni future non può prescindere dal prendere in esame non solo i parametri ambientali connessi con la produzione di malte e calcestruzzi, quali il consumo energetico e di risorse naturali non rinnovabili oltre alle emissioni di gas serra, ma anche le caratteristiche prestazionali e di durabilità di un conglomerato destinato alla realizzazione di strutture e di elementi accessori. La tematica è particolarmente complessa e richiede un approccio multidisciplinare che spazia dalla ricerca di nuove soluzioni nella produzione di leganti e aggregati, dall'ottimizzazione dei processi produttivi al miglioramento nella gestione di rifiuti che possono essere valorizzati ed elevati a risorsa sostenibile. L'articolo, quindi, si focalizza sull’impatto ambientale del settore del calcestruzzo e mette in luce le più promettenti strategie finalizzate al miglioramento della sostenibilità del conglomerato cementizio, prendendo in considerazione la riduzione dell’impatto ambientale, l’incremento delle prestazioni e l’allungamento della vita utile degli elementi in calcestruzzo armato. In particolare, sono state indagate le tecnologie in grado di migliorare l’efficienza delle cementerie (compresa la tecnologia di cattura, stoccaggio ed utilizzo dell’anidride carbonica), la sostituzione parziale del cemento Portland con materiali cementizi supplementari, l’utilizzo di clinker alternativi o materiali ad attivazione alcalina, l’uso di aggregati e acqua da riciclo, l’utilizzo di additivi in grado di accrescere la durabilità dei calcestruzzi e lo sviluppo di miscele ad altissime prestazioni.

English version
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FUTURE IN CONCRETE CONSTRUCTION
Multiple strategies with a single goal: the sustainability

The use of building materials defined as “sustainable” cannot be based exclusively on environmental parameters related to the production of mortars and concretes, such as the energy consumption, the natural raw materials consumption and the greenhouse gas emissions, but must also take into account the performance and the durability of the mixtures employed in the construction of structural elements and secondary building components. The topic is particularly complex and requires a multidisciplinary approach that ranges from the development of new solutions for the production of binders and aggregates to the optimization of the production processes and to the improvement of waste management in order to transform slags and industrial by-products into a sustainable resource.
Therefore, this paper deals with the environmental impact of concrete industry and it highlights the best paths to improve the sustainability of cementitious materials, taking into account the reduction of environmental impact, the improvement of performances and the prolonging of service life of reinforced concrete structures. In particular, several strategies have been proposed: from the new technologies to improve the efficiency of cement plants (including the carbon capture, utilization and storage systems) to the partial replacement of Portland cement with supplementary cementitious materials, passing from the use of alternative “green” constituent (binders, aggregates and water) and the addition of admixtures for high durability/high performance concretes.

STUDIO DELL’EFFETTO DELLE FESSURE SULLA DURABILITÀ DEL CALCESTRUZZO ARMATO
di
Nicoletta Russo, 
Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”
nicoletta.russo@polimi.it
Matteo Gastaldi, 
Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”
matteo.gastaldi@polimi.it
Federica Lollini, 
Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”
federica.lollini@polimi.it
Luca Schiavi, 
Istituto per le Tecnologie della Costruzione - Consiglio Nazionale delle Ricerche (ITC-CNR)
luca.schiavi@itc.cnr.it
Alberto Strini
Istituto per le Tecnologie della Costruzione - Consiglio Nazionale delle Ricerche (ITC-CNR)
alberto.strini@itc.cnr.it

La corrosione delle armature – indotta da carbonatazione o dalla penetrazione di cloruri dall’ambiente – è tra le principali cause di degrado delle strutture in calcestruzzo armato. Il progetto della durabilità viene quindi comunemente eseguito mirando alla prevenzione della corrosione delle armature. I modelli di durabilità esistenti permettono di valutare l'evoluzione del processo di corrosione e di stimare la vita di servizio di una struttura in funzione di diversi parametri, legati sia alle caratteristiche dei materiali che alle condizioni di esposizione ambientale. Tutti i modelli più accreditati attualmente disponibili, però, sono caratterizzati da una importante assunzione di base, ovvero considerano che il calcestruzzo sia non fessurato. Questa condizione viene raramente riscontrata nella pratica, ma non vi è ancora una conoscenza tale degli effetti delle fessure sulla durabilità da poter implementare i modelli esistenti. In questa nota vengono riportati i principali aspetti riguardanti lo studio delle fessure nel calcestruzzo e gli effetti sulla durabilità del calcestruzzo armato presenti in letteratura e, successivamente, vengono esposti alcuni risultati preliminari circa l’effetto di micro-fessure indotte da carico sulla resistenza alla penetrazione dei cloruri nel calcestruzzo. Nello studio si sono considerati sei diversi calcestruzzi ottenuti con tre tipi di cemento (Portland, Portland-calcare e pozzolanico) e due rapporti a/c (0.45 e 0.55), sia in condizioni integre che micro-fessurate. Attraverso una prova di esposizione accelerata si è valutato l’effetto delle micro-fessure sulla penetrazione dei cloruri e sul coefficiente di migrazione dei cloruri.

English version
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Durability design for reinforced concrete structures in presence of cracks

Corrosion of embedded steel rebar – due to carbonation or to the penetration of chlorides from the environment – is one of the main causes of degradation of reinforced concrete structures. The durability design is therefore commonly aimed at preventing corrosion of steel reinforcement. Currently available durability models allow to evaluate the evolution in time of corrosion process, and to estimate the service life as a function of several parameters, related both to the materials properties and to the environmental exposure conditions. All the most accredited models available today, however, are based on a significant assumption, i.e. they consider concrete in uncracked condition. This condition rarely occurs in practice, but the knowledge on the effects of cracks on concrete durability is not deep enough to allow an update of the current durability models. In this paper, the main aspects characterizing the literature on cracks in concrete and their effects on reinforced concrete durability are presented, and, afterwards, preliminary results concerning the effects of micro-cracking on concrete chloride penetration resistance are shown. In this study, six different concretes are considered, obtained with three cement types (Ordinary Portland, Portland-Limestone and Pozzolanic) and two w/c ratios (0.45 and 0.55), both in sound and micro-cracked configurations. Through an accelerated testing procedure, the effects of micro-cracking on chloride penetration and chloride migration coefficient are assessed.

CORROSIONE DELLE BARRE DI ARMATURA IN ELEMENTI IN CALCESTRUZZO ARMATO E CALCESTRUZZO FIBRORINFORZATO
di
Bruno Leporace Guimil , 
Dottore di ricerca, Università degli Studi di Brescia
b.leporaceguimil@unibs.it
Antonio Conforti, 
Ricercatore, Università degli Studi di Brescia
antonio.conforti@unibs.it
Raúl Zerbino, 
Professore Associato, Universidad Nacional De La Plata (Argentina)
zerbino@ing.unlp.edu.ar
Giovanni A. Plizzari
Professore ordinario, Università degli Studi di Brescia
giovanni.plizzari@unibs.it

Nelle strutture in calcestruzzo armato (RC) la corrosione delle armature riveste un ruolo fondamentale tra i diversi fattori che ne determinano (o definiscono) la vita utile. Oggigiorno, è noto che l'utilizzo delle fibre nella miscela migliora il comportamento delle strutture in calcestruzzo armato sia allo stato limite di esercizio che agli stati limite ultimi. L'uso di fibre migliora il comportamento fessurativo, portando ad avere fessure più piccole e più ravvicinate. L’ampiezza della fessura è uno dei parametri chiave per controllare la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato. Anche se ad oggi sono stati condotti molti studi di ricerca su questo argomento, il comportamento di elementi in calcestruzzo armato con o senza fibre in fase fessurata e a contatto con ambienti aggressivi non è ancora ben compreso. In questo contesto, l’articolo descrive una procedura di prova sviluppata specificamente per valutare la corrosione indotta da cloruri in elementi in calcestruzzo armato con e senza fibre in condizioni di esercizio (fase fessurata). Provini prismatici 90 x 90 x 830 mm con un'armatura Ø12 mm sono stati sottoposti per 280 giorni ad un carico costante e a cicli di asciutto-bagnato in soluzione acquosa contenente 50 g/L di NaCl. I risultati preliminari ottenuti hanno mostrato che questa innovativa procedura di prova è adatta ad accelerare e valutare la corrosione indotta da cloruri in elementi di calcestruzzo armato e calcestruzzo fibrorinforzato in fase fessurata.

English version
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CHLORIDE-INDUCED CORROSION IN REINFORCED CONCRETE AND FIBRE REINFORCED CONCRETE ELEMENTS

Corrosion of rebars is one of the main issues affecting the service life of reinforced concrete (RC) structures since it reduces their lifespan. Nowadays, it is well-known that the use of fibres enhances the mechanical behaviour of RC structures at Serviceability Limit States (SLS) and Ultimate Limit States (ULS). The use of fibres enhances the cracking pattern, leading to narrower and more closely spaced cracks. The crack width is one of the key parameters for controlling the durability of RC structures. However, even though many research studies have been carried out on this topic, the behaviour of RC elements with and without fibres in both cracked stage and aggressive environments is still not well understood. In this context, this article describes a test procedure specifically developed to evaluate the chloride-induced corrosion in RC elements with and without fibres in service condition (cracked stage). Tension ties specimens of 90 x 90 x 830 mm reinforced by a rebar of Ø12 mm were subjected for 280 days both to a constant load and to wet-dry cycles in a water solution containing 50 g/L of NaCl. Preliminary results showed that the adopted test procedure was suitable to speed up and assess the chloride-induced corrosion in RC and FRC elements in cracked stage.