Studio di sistemi NMR per applicazioni petrografiche nella verifica strutturale delle opere edili

Riassunto analitico
Il lavoro di tesi presenta i metodi e le tecniche utilizzate al fine di sviluppare un 
dispositivo NMR portatile per eseguire indagini su manufatti di grandi dimensioni. 
L'attività di ricerca è stata svolta presso la facoltà di Ingegneria, l'Istituto di Fisiologia 
Clinica del CNR di Pisa e l'azienda WEST Systems che ha fornito parte della 
strumentazione e la possibilità di frequentare le officine di lavoro. Nella tesi è 
presentato lo studio di sistemi magnetici innovativi, di piccole dimensioni, per la 
generazioni di campi magnetici statici con un elevato grado di omogeneità e forte 
intensità, il progetto di bobine di trasmissione e ricezione a radiofrequenza, inoltre 
vengono affrontate le problematiche relative all'indagine di risonanza allo stato solido.
L'obiettivo della tesi è quello di verificare la possibilità di realizzare un 
dispositivo portatile di risonanza magnetica, e proporre nuove soluzioni a problemi ben 
noti delle indagini di risonanza sui solidi, tra i quali la presenza di disomogeneità dei 
campi magnetici indotti nel campione, la bassa intensità dei segnali rilevati dal 
campione e la difficoltà nel rilevare i segnali per l'indagine di risonanza condotta sui 
solidi porosi.
Nella tesi si parlerà della necessità di verificare le strutture edili realizzate in 
calcestruzzo armato per il controllo degli stati di esercizio degli edifici. Il degrado del 
calcestruzzo, conseguente a diversi fattori di natura ambientale e progettuale oppure 
causato da fenomeni eccezionali (terremoti), mina la funzionalità della struttura, la 
quale deve quindi essere risanata. Prima fra tutte è la degradazione della matrice 
cementizia dovuta alle conseguenze dell'ossidazione dell'armatura, parte integrante del 
calcestruzzo armato. 
Dopo aver approfondito i principi fisici con cui sono sviluppati i dispositivi 
classici di RM ed averne analizzato le limitazioni, viene proposta l'analisi di progetto 
per la realizzazione di uno spettrografo RM trasportabile; adatto alle indagini sui 
materiali solidi eterogenei di tipo poroso.
Sono realizzate e proposte le simulazioni di sistemi magnetici innovativi, utilizzati 
per generare il campo magnetico statico, con la maggiore uniformità possibile. Nella 
preparazione della tesi ci si affida ad alcuni software di simulazione per risolvere le 
mappe di campo magnetico. Questi programmi sono validati attraverso la verifica dei 
risultati con le misure sperimentali e con il confronto di dati noti in letteratura. 
In conclusione alla tesi viene proposto un metodo per valutare lo stato di 
ossidazione delle barre di acciaio interne alla struttura senza modificare l'opera in alcun 
modo. I risultati delle spettrografie ottenute dall'analisi del materiale, sulle specie 
chimiche presenti e le loro interazioni, permette la stima della quantità dei composti 
presenti, dunque si potrà valutare la presenza dei prodotti di ossidazione del ferro che si 
sono accumulati nel tempo e che ne caratterizza la corrosione. 
L'analisi permetterà di individuare le parti di armatura che sono state 
maggiormente attaccate dalla corrosione e che debbono dunque essere risanate.
1
Capitolo 1
LE STRUTTURE EDILI
 
1.1 L'analisi delle strutture edili in calcestruzzo armato
Come ogni opera artificiale o naturale anche il calcestruzzo si degrada con 
l'invecchiamento. L'accelerazione dei processi degradativi è condizionata sia da fattori 
interni (degrado dei materiali) che esterni (condizioni ambientali).
Oggi ogni grande opera edile è progettata e realizzata con il largo impiego del 
calcestruzzo che fino a pochi anni fa si credeva avesse proprietà di grandiosa 
durevolezza stimata nell'ordine dei 500 anni. Nel tempo la stima sulla durata del 
calcestruzzo è stata rivista e corretta ad un solo centinaio di anni.
Affinché sia assicurata la durevolezza ed un sicuro utilizzo dei manufatti in 
calcestruzzo armato (c.a.) sono state introdotte normative e regolamenti per la verifica 
ed il controllo delle strutture.
1.2 La vita di una struttura
Le opere edili sono suddivise in tre categorie come segue:
1. opere provvisorie (struttura in fase costruttiva)  durata < 10 anni
2. opera ordinaria (ponti, strade, infrastrutture) durata > 50 anni
3. grandi opere (ponti lunghi, grandi infrastrutture, dighe)  durata > 100 anni
6
l'affidabilità richiesta per la struttura è conseguita con una progettazione in accordo alle 
norme europee (EN) da EN1990 a EN1999.
Nella scelta del livello di affidabilità di una struttura si tiene conto di:
1. possibili cause al raggiungimento dello stato limite
2. possibili conseguenze e rischi per la vita
3. spese e procedure per ridurre il rischio al collasso
Lo stato limite di esercizio è la situazione in cui la struttura perde i requisiti 
funzionali di alcune parti e non sono più soddisfatte le esigenze di comportamento per 
le quali è stata progettata.
Gli stati limite si riferiscono a cedimenti strutturali, dividendosi in ultimi e di 
esercizio.
Gli stati limite ultimi sono quelli che precedono il collasso della struttura, mentre 
gli stati limite di esercizio sono associati a danni sull'opera; di tipo reversibile o 
irreversibile.
Una struttura definita funzionale e durevole deve essere:
• Idonea all'esercizio  →  la struttura deve sopportare i carichi previsti
• Resistente  →   ogni parte dovrà esiste all'applicazione di forze varie
• Stabile  →  l'opera deve essere equilibrata in ogni sua parte
• Funzionante nel tempo
Durante il progetto si devono analizzare e coprire tutte le situazioni che possono 
verificarsi ragionevolmente al momento della costruzione e durante l'uso della struttura. 
Ci si riferisce a situazioni preesistenti, transitorie, eccezionali e sismiche. Durante il 
manifestarsi di tali fenomeni si determina la presenza di un azione di tipo permanente, 
variabile o eccezionale (non prevedibile) che agirà sulla struttura. 
Al fine di realizzare una struttura durevole, resistente meccanicamente, ma 
7
lavorabile, deve essere effettuato lo studio della miscela del calcestruzzo, detto progetto 
di miscela. 
Il progetto di miscela cambierà in base al tipo di inerti, alla classe del cemento ed 
al rapporto acqua-cemento (A/C) del conglomerato. Per capire l'importanza del rapporto 
tra acqua e cemento viene proposta la seguente tabella T.1 che mostra per i vari rapporti 
A/C e dimensioni del copriferro, c (espresso in mm), il tempo espresso in anni che 
impiega la carbonatazione per attaccare i ferri delle armature.
A/C - c 5 10 15 20 25 30
0,45 19 75 >100 >100 >100 >100
0,5 6 25 56 99 >100 >100
0,55 3 12 27 49 76 >100
0,6 1,8 7 16 29 45 65
0,65 1,5 6 13 23 36 52
0,7 1,2 3 11 19 30 43
Tabella T.1 – Intervalli di tempo che intercorrono prima dell'attacco della carbonatazione 
nel c.a. (calcestruzzo armato)
Il parametro principale del progetto della miscela è proprio il rapporto 
acqua/cemento. Infatti la porosità del calcestruzzo è direttamente proporzionata 
all’acqua di impasto, basse prestazioni meccaniche sono generalmente sinonimo di 
scarsa durabilità.
Per aumentare la lavorabilità, senza l'utilizzo di additivi, bisogna aumentare la 
quantità di acqua, quindi proporzionalmente anche il cemento per mantenere costante il 
rapporto A/C.
Queste considerazioni fanno capire che il progetto di miscela deve essere accurato 
e specifico per il tipo di struttura che si intende realizzare secondo le proprietà 
meccaniche che deve soddisfare.
8
1.3 Il calcestruzzo
Il calcestruzzo è un materiale artificiale eterogeneo costituito da un conglomerato 
cementizio nel quale vengono inserite le armature metalliche. Nel composto finale il 
calcestruzzo e l'acciaio presentano le seguenti caratteristiche:
Calcestruzzo
• Discreta resistenza a compressione
• Resistenza a trazione praticamente nulla
• Costo contenuto 
• Facilità nel realizzare il materiale 
• Facile messa in opera
Acciaio
• Ottima resistenza alle torsioni
• Ottima resistenza a compressione
• Costo elevato
• Facile posa in opera con mezzi di sollevamento
Composizione del calcestruzzo armato
Il calcestruzzo è una mescola di cemento, sabbia, ghiaia e acqua, con il seguente 
dosaggio medio per ottenere un metro cubo di impasto:
300 daN di cemento
0,400 m
3 
di sabbia
0,800 m
3 
di ghiaia
9
120÷140 litri d’acqua
Il cemento
Dal punto di vista chimico il cemento è una miscela di silicati ed alluminati di 
calcio che in virtù della finissima macinazione, sono in grado di reagire rapidamente 
con l’acqua formando una massa dura, simile alla pietra. I tipi di cementi comuni in 
commercio sono distinti in cinque tipi:
Cemento Portland
Cemento Portland composito
Cemento d’altoforno
Cemento Pozzolanico
Composito
La sabbia
Può essere di fiume o di cava, priva di sostanze organiche o terrose, le dimensioni 
dei granuli variano da 0,5 mm a 5 mm.
La ghiaia
Anch’essa può essere di fiume o di cava, priva di sostanze organiche o terrose, i 
granuli devono essere assortiti da 0,5 cm a 3 cm.
L'acqua
Deve essere pura, priva di sali e di sostanze organiche.
10
1.4 I tipi di acciaio
Per il cemento armato ordinario sono usati acciai al carbonio di sezione circolare 
con diametro tra i 6 ed i 40 mm. Le barre di acciaio sono immerse nel conglomerato 
cementizio sotto forma di: maglie, tralicci, barre piegate, barre singole o gabbie. 
Gli acciai da calcestruzzo sono prodotti con dei risalti sulla superficie, chiamati 
trafili, per aumentarne l’aderenza con il calcestruzzo: questo tipo di barre è detto ad 
aderenza migliorata. L'acciaio per armature deve soddisfare tutti i requisiti contenuti 
nella norma europea EN10080. Tale norma specifica i requisiti generali e le definizioni 
delle caratteristiche prestazionali dell'acciaio d'armatura saldabile per strutture in 
calcestruzzo armato, fornito come prodotto finito in forma di: barre, rotoli, prodotti 
srotolati, fili e tralicci. 
 
Fig.1.1 - Dettaglio di tondini in acciaio di varie sezioni
Solitamente l'armatura è caratterizzata da due serie di barre: le barre longitudinali, 
dette correnti, disposte parallelamente all'asse dell'elemento e le barre trasversali, dette 
staffe, con  diametro inferiore rispetto alle correnti, disposte trasversalmente.
Nelle strutture ordinarie sono impiegati due tipi di acciaio:
11
• Acciaio B450C (laminato a caldo) in barre con diametri compresi 
tra 6 mm e 40 mm
• Acciaio B450A (laminato a freddo) in barre con diametri compresi 
tra 5 mm e 10 mm
Gli acciai hanno un tenore di carbonio <2,06% in cui sono presenti altri elementi, 
tra cui si trovano: elementi volutamente aggiunti (cobalto, rame, alluminio, titanio … ), 
impurezze (solfuri, nitruri, ossidi … ), inclusioni non metalliche (scorie). Mentre le 
impurezze (sempre presenti) e le inclusioni devono essere limitate il più possibile, gli 
elementi aggiunti sono inclusi in quantità controllate al fine di modificare le proprietà 
dell'acciaio (tenacità e resistenza alla corrosione). Acciai di questo tipo sono chiamati 
acciai legati e si suddividono in:
• basso-legati: nessun elemento al di sopra del 5%
• alto-legati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%
Gli acciai scelti per la costruzione saranno lavorati per formare l'armatura che sarà 
inglobata nel calcestruzzo, questa donerà al calcestruzzo la capacità di resistenza a 
trazione.
Le armature metalliche devono essere protette dalla corrosione con un adeguato 
strato di ricoprimento di calcestruzzo che deve assumere uno spessore non inferiore a 
2,5 ÷ 3 cm chiamato copriferro. La dimensione del copriferro è un parametro molto 
importante nella progettazione della struttura e deve essere scelto con cura, poiché 
assicura:
• la protezione dalla corrosione
• la protezione dal fuoco
• la trasmissione degli sforzi tra armatura e cemento 
12