Controlli non distruttivi su manufatti edili: metodi e campi d’applicazione

Una corretta diagnosi dello stato di conservazione di una struttura costituisce senza dubbio il primo passo per un corretto intervento di recupero; errori di valutazione nella fase di progettazione dell’intervento di ripristino, ri-funzionalizzazione, cambio di destinazione possono tradursi infatti in drammatiche perdite di tempo e risorse in fase di realizzazione.Indice:

• Diagnosi dello stato di conservazione di manufatti edili
• Indagini Ottiche – Elettromagnetiche
• Indagini meccaniche sui manufatti edili
• Indagini sonore
• Indagini elettriche
• Indagini chimiche in sito

Sotto l’etichetta di “prove non distruttive” o “metodi indiretti” rientrano tutte quelle metodologie capaci di fornire informazioni sulle caratteristiche meccaniche, fisiche, chimiche dei materiali, senza dover ricorrere a campionamenti e prove di laboratorio.

La grandezza da misurare (resistenza meccanica, stato corrosivo, permeabilità etc.) viene infatti ottenuta mediante la misura di un parametro (meccanico, elettrico, ottico) direttamente correlato con essa.

Diagnosi dello stato di conservazione di manufatti edili

Per fare un esempio di due metodologie già ampiamente affermate tra gli operatori del settore, la resistenza caratteristica del calcestruzzo può essere valutata mediante la misura dell’entità del rimbalzo di una corpo battente di massa ed energia costante (metodo sclerometrico), ovvero mediante la misura del tempo di transito di un impulso sonoro trasmesso tra due sonde poste sulla superficie dell’elemento (metodo ultrasonico).

Entrambi questi metodi presentano l’evidente vantaggio di consentire indagini speditive e non invasive, permettendo di estendere rapidamente a tutta la struttura l’informazione ottenuta da poche e mirate verifiche dirette.

Questa in sostanza la filosofia alla base di tutti questi tipi di controlli, e questo il motivo della loro crescente popolarità, anche alla luce della recente normativa in materia di adeguamento sismico (Ordinanza Ministeriale N. 3274/03), che sancisce la necessità di livelli di conoscenza approfonditi sulle strutture in esame e riconosce nel contempo la validità di queste metodologie a tale scopo.

Scopo del presente articolo è quindi quello di fornire una panoramica sullo stato dell’arte delle varie metodologie, dei campi di applicazioni e dei risultati ottenibili, riservando i necessari approfondimenti a successive uscite dedicate a specifiche applicazioni.

La classificazione che segue (fra le tante possibili) è basata sulla tipologia del parametro che viene misurato di volta in volta per stimare la grandezza di interesse.

Indagini Ottiche – Elettromagnetiche

Osservazione visiva – fotografia – endoscopia

Al di là dell’apparente banalità, il rilievo critico dello stato di fatto costituisce senza dubbio la prima e spesso la più preziosa fonte di informazione sulle condizioni dell’oggetto investigato.

Non esistono ovviamente “scorciatoie” strumentali in grado di sostituirsi al bagaglio di esperienza del singolo operatore ed è comunque da segnalare che esiste già una linea guida relativa alla nomenclatura e ai criteri da adottare in questa fase dell’indagine (UNI-Normal 1-88 – Lessico per la descrizione delle alterazioni e degradazioni macroscopiche dei materiali)

Termografia

La termografia si basa sull’osservazione dello spettro luminoso a frequenze inferiori a quella del visibile. La misura delle radiazioni infrarosse emesse da un oggetto fornisce in sostanza una mappatura di estremo dettaglio della sua temperatura superficiale.

Tra le varie applicazioni nel campo dell’ingegneria civile citiamo l’individuazione di condotte idriche e canne fumarie all’interno di pareti e solette, nonché la ricerca di ponti termici (punti di dispersione di calore) negli edifici. Nel settore del restauro architettonico è ormai routinario il suo utilizzo per evidenziare la tessitura muraria sotto intonaco, in virtù del calore specifico e conducibilità termica propri dei diversi materiali costituenti il paramento; risultano altresì immediatamente evidenti zone interessate da presenza di umidità o distacchi di intonaco.

Magnetometria

La ricerca degli elementi metallici di rinforzo costituisce un’indagine basilare nell’ambito della diagnostica su strutture in calcestruzzo armato. Se da un lato la conoscenza delle carpenterie è di per sé dato essenziale nella valutazione statica da parte dello strutturista, dall’altro qualsiasi intervento di ulteriore analisi sulla struttura (che si tratti di un carotaggio o di una qualsiasi prova non distruttiva) deve tener conto della disposizione dei ferri.

Lo sviluppo attuale della metodologia a induzione elettromagnetica garantisce precisioni fino a pochi anni or sono impensabili nella determinazione di interferro, copriferro e diametro.

Negli strumenti più moderni queste prestazioni di rilievo possono essere affiancate da software dedicati di elaborazione dati in grado di velocizzare tanto il lavoro di acquisizione in cantiere, quanto la fase di restituzione dei risultati in ufficio.

Subsurface Penetrating Radar (Georadar)

Questa metodologia, mutuata dal campo della geofisica, costituisce probabilmente la frontiera più innovativa nel campo delle metodologie non distruttive. L’analisi della riflessione di impulsi elettromagnetici di opportuna frequenza (500MHz – 2GHz) consente di “fotografare” l’interno di strutture a profondità e con definizione inarrivabili per i tradizionali metodi magnetici o sonici.

La versatilità di questi sistemi consente, attraverso la scelta di antenne a diversa frequenza, di adattare il sistema base per svariate applicazioni fra le quali si possono annoverare la mappatura di reti di sottoservizi, la ricerca di rinforzi metallici in strutture armate, la valutazione dello stato conservativo di strutture in muratura, la misura di spessore di rivestimenti di qualsivoglia natura.

Indagini meccaniche sui manufatti edili

Sclerometria

Si basa sulla misura dell’entità del rimbalzo di una corpo battente di massa ed energia costante che colpisce l’oggetto da esaminare. La sua applicazione nell’ambito del calcestruzzo (risale agli anni ’50 il primo Martello di Schmidt) rappresenta storicamente il primo caso di applicazione sistematica di una metodologia non distruttiva nell’ambito del settore civile.

Attualmente costituisce sicuramente il più diffuso sistema speditivo per la valutazione della resistenza caratteristica del calcestruzzo in opera; al classico modello per calcestruzzo si sono col tempo affiancate versioni diverse per energia di impatto e dispositivo di misura, adatte per applicazioni su pietre ornamentali, mattoni, intonaco e malta.

Penetrometria

Consiste nella stima della resistenza meccanica del materiale a partire dalla misura della resistenza alla penetrazione da parte di un punzone, spinto o sparato con energia definita e costante.

Questo tipo di misura costituisce uno standard nel campo della metallurgia, dove è riconosciuta la validità della conversione tra i valori rilevati con questo tipo di determinazione (durezza Rockwell, Vickers e Brinell) e le resistenze meccaniche effettive.

Nel caso dei materiali da costruzione viene meno la possibilità di ricorrere univocamente a tali correlazioni, ciò nondimeno sono stati messi a punto diversi sistemi basati su dispositivi a molla o a cartuccia dedicati a materiali lignei, malte e calcestruzzi.

Prove di adesione – estrazione

Si basano sulla misura della forza necessaria a strappare un ancoraggio o una porzione di rivestimento dal substrato.
Tutti i dispositivi sono caratterizzati da un circuito pneumatico in grado di sviluppare la tensione richiesta, e un manometro che rilevi la pressione corrispondente.

Tra le varie applicazioni vi sono la valutazione dell’adesione di rivestimenti di varia natura (intonaci, guaine, mattonelle), delle caratteristiche superficiali di calcestruzzi da sottoporre a risanamento, delle effettive tenute a strappo di tutti i tipi di ancoraggi metallici.

E’ da segnalare inoltre che qualora il test sia eseguito mediante infissione e strappo di tasselli specifici, secondo il protocollo stabilito dallo standard in questione (UNI 10157, UNI 9536) questo tipo di prova può essere utilizzata per ottenere informazione sulla resistenza meccanica del substrato stesso.

Prove di permeabilità

E’ ormai possibile effettuare in sito quelle prove di permeabilità ai liquidi e ai gas tradizionalmente eseguite solo in ambienti di laboratorio. I sistemi di valutazione della permeabilità ai liquidi si basano in generale sulla misura dell’abbassamento di un battente di acqua applicato su una superficie delimitata mediante un sistema a caduta.

La determinazione della permeabilità ai gas richiede invece un sistema pneumatico in grado di creare una depressione in una porzione di materiale, e di un dispositivo in grado di misurare il tempo con cui viene ripristinata la pressione ambientale.

Quest’ultimo parametro ha assunto un significato molto importante nell’ambito della tecnologia del calcestruzzo, in quanto è ormai stata verificata una relazione inversamente proporzionale tra la permeabilità ai gas di un conglomerato e la sua durabilità.

Indagini sonore

Ultrasuoni

L’impiego della metodologia ultrasonica (o microsismica) costituisce insieme alla sclerometria il metodo di gran lunga più diffuso per la stima della resistenza meccanica del calcestruzzo.

Il sistema si basa essenzialmente sulla misura del tempo di transito di un impulso ultrasonoro che viaggia attraverso due sonde poste a distanza nota sulla superficie dell’elemento da caratterizzare, essendo tale velocità direttamente correlata con modulo elastico e resistenza meccanica del conglomerato.

E’ ormai riconosciuto che proprio l’utilizzo combinato della misura della velocità degli ultrasuoni con l’indice di rimbalzo sclerometrico (metodo Sonreb) costituisca la miglior stima possibile della resistenza caratteristica a compressione nell’ambito delle prove non distruttive. Bisogna segnalare inoltre come mediante una serie di rilievi ultrasonori si possono evidenziare molte difettualità di un conglomerato (fessurazioni, macrocavità, nidi di ghiaia) non investigabili con semplici metodologie superficiali.

Inoltre, in aggiunta alla semplice misura di velocità, ulteriori informazioni circa l’eventuale stato di degrado possono essere ottenute con strumentazioni più sofisticate, che consentano una valutazione dello spettro ultrasonoro in termini di attenuazione del segnale e analisi in frequenza.

Indagini soniche

Rientrano in questa categoria tutte quelle indagini basate sull’analisi di un impulso sonoro a bassa frequenza che attraversa il materiale da caratterizzare. L’impiego di frequenze minori di quelle tipiche degli ultrasuoni garantisce l’applicabilità di tali metodologie su elementi di grande spessore e/o molto eterogenei (che presentano quindi nel complesso un’attenuazione che pregiudica l’impiego degli ultrasuoni).

Le numerose configurazioni dei vari strumenti si differenziano per le diverse frequenze in gioco e le disposizioni geometriche dei punti di energizzazione e rilievo degli impulsi. I campi di applicazione comprendono fra l’altro le indagini sull’integrità dei pali di fondazione, la ricerca di vuoti o delaminazioni su strutture in calcestruzzo di grandi dimensioni, la verifica del riempimento delle guaine di precompressione, la valutazione dello stato materico di elementi in muratura.

Indagini elettriche

Umidimetria

La presenza di umidità all’interno di una struttura è sovente tra le prime cause dirette o costituisce comunque il fattore scatenante di numerose forme di degrado. Esistono diverse metodologie in sito e di laboratorio per quantificare il contenuto di acqua all’interno di un materiale, ma sicuramente tutte le più diffuse e speditive si basano sulla misura di un segnale elettrico a corrente alternata a bassa frequenza che attraversa il materiale in questione.

Tutta questa ampia gamma di strumenti si differenzia sostanzialmente per il tipo e l’arrangiamento geometrico degli elettrodi impiegati (barrette, aghi, piastre di gomma conduttiva).

Potenziale spontaneo

La misura del potenziale spontaneo di corrosione è ancora una metodologia di derivazione eminentemente geoelettrica. L’applicazione su strutture in calcestruzzo armato è mirata al riconoscimento di quelle zone dove vi è un innesco di corrosione nel rinforzo metallico.

Il ferro immerso nel calcestruzzo sano si trova infatti in uno stato protetto (passivato) e presenta un potenziale elettrico di interfaccia prossimo allo zero; la depassivazione del metallo che segna l’inizio del fenomeno corrosivo comporta un drastico spostamento del potenziale verso valori più negativi.

Operativamente questo tipo di indagine consiste in una serie di misure puntuali della differenza di potenziale tra l’armatura stessa (scoperta in un punto per il contatto elettrico) e la superficie della struttura da caratterizzare; indagini su ampie superfici possono essere condotte in alternativa mediante l’impiego di sistemi dotati di elettrodi a ruota.

Resistività

E’ misura complementare a quella del potenziale spontaneo, mirata alla diagnostica della corrosione.
Con un particolare arrangiamento di elettrodi (quadripolo Wenner) posti a contatto della superficie del calcestruzzo è possibile evidenziare aree dove la corrosione può progredire con maggiore probabilità e in maniera più rapida.

Indagini chimiche in sito

Profondità di carbonatazione

Il calcestruzzo è un materiale caratterizzato da un pH estremamente basico, in virtù del forte quantitativo di idrossido di calcio (Portlandite) che lo costituisce. L’interazione con l’anidride carbonica atmosferica provoca la sua trasformazione in carbonato di calcio, abbassandone di conseguenza il pH.

Tale aggressione avviene fisiologicamente nel corso degli anni, ed è condizionata essenzialmente dal grado di porosità del conglomerato; accade quindi che calcestruzzi di buona qualità presentino profondità di carbonatazione di pochi millimetri anche dopo varie decine di anni, mentre strutture più porose vengano permeate rapidamente dall’anidride carbonica per diversi centimetri.

La misura della profondità di tale trasformazione è possibile mediante la spruzzatura di una carota estratta o di una superficie di frattura fresca con un indicatore di pH (fenolftaleina) che colora in viola le zone basiche non carbonatate, lasciando inalterate quelle affette da carbonatazione.

Normalmente il valore misurato della profondità di carbonatazione viene rapportato a quello dello spessore di copriferro; è bene ricordare infatti che questo fenomeno, pur non costituendo di per se’ un degrado del calcestruzzo, può essere deleterio per le armature metalliche, che al venir meno della protezione fornita da un intorno basico possono andare incontro a fenomeni corrosivi.

Analisi dei cloruri: la presenza di cloruri solubili in strutture di calcestruzzo provviste di rinforzi metallici può essere tra le principali cause di corrosione. Questi sali possono provenire dall’esterno (ambiente marino, utilizzo di sali disgelanti) ovvero essere accidentalmente introdotti nella miscela insieme ai costituenti di base (acqua, inerti, additivi acceleranti di indurimento).

L’individuazione di questi sali può essere eseguita in sito sia qualitativamente (reazione colorimetrica con il nitrato d’argento) sia quantitativamente, ricorrendo a strumentazioni portatili di analisi dei sali.

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Questo articolo è stato stilato dal dott. Guido Tronca della Pasi S.r.l..

La PASI srl, vanta ben cinquanta anni di attività nel settore nonché l’esclusiva nazionale del marchio PROCEQ, l’azienda Svizzera che con l’invenzione del cosiddetto Martello di Schmidt ha aperto le porte all’applicazione delle metodologie non distruttive nel campo dell’ingegneria civile.
Con il suo staff di tecnici specializzati PASI si propone a studi professionali, società di ingegneria, enti pubblici e istituti non solo assistendo il cliente nella scelta della strumentazione più adatta alle specifiche esigenze, ma anche per offrire servizi di consulenza e guida alla stesura di offerte e capitolati, training e formazione personalizzati, bibliografia tecnica e normativa di settore.

Per scaricare la scheda in PDF con le principali tipologie di controlli non distruttivi, divisi per principio di misura e campo di applicazione clicca qui

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