Sfortunatamente, il cemento non dura per sempre. Le ingiurie del tempo si ripercuotono anche sulle strutture in cemento armato in Svizzera. Non solo le strutture rinforzate come i ponti sono interessate, ma anche edifici in cemento senza alcun rinforzo, come i muri della diga. Una causa è indicata come reazione alcali-aggregato (AAR). Può interessare tutte le strutture in calcestruzzo a cielo aperto.

Con AAR, gli ingredienti di base nel calcestruzzo sono in realtà il problema:il cemento – il componente principale del calcestruzzo – contiene metalli alcalini come sodio e potassio. L'umidità nel calcestruzzo reagisce con questi metalli alcalini per formare una soluzione alcalina. I componenti principali del calcestruzzo sono sabbia e ghiaia, che a loro volta contengono silicati come quarzo o feldspato. L'acqua alcalina reagisce con questi silicati e forma un cosiddetto idrato di silicato di calcio alcalino. Questo minerale accumula umidità nella sua struttura, che lo fa espandere e rompere gradualmente il calcestruzzo dall'interno.

La cosa sorprendente qui:la stessa reazione chimica avviene in numerosi pezzi di ghiaia all'interno del calcestruzzo; le piccole pietre si spezzano una ad una. La pressione che può essere esercitata su un'intera struttura a causa di questa micro-reazione è enorme:un muro di una diga, ad esempio, può espandersi di qualche decimetro. Ciò può causare danni ai punti di collegamento laterali alla roccia o deformazioni nella zona della chiusa. La reazione avviene gradualmente, con il primo danno che diventa evidente solo nelle strutture colpite dopo 10-15 anni. Però, il continuo rigonfiamento del calcestruzzo può ridurre seriamente la vita utile delle strutture.

Nel 2015 un team di scienziati dell'Empa e del Paul Scherrer Institute (PSI) è riuscito a identificare la struttura del cristallo acquoso che innesca il rigonfiamento nel calcestruzzo. Questa struttura era stata precedentemente oggetto di molte speculazioni.

La scoperta ha ispirato un progetto di ricerca interdisciplinare finanziato dal Fondo nazionale svizzero per la scienza (FNS). Oltre a Empa e PSI, sono coinvolti anche due istituti EPFL. Le attività di ricerca sono coordinate dal ricercatore Empa Andreas Leemann. "Vogliamo studiare e comprendere l'AAR in ogni dimensione, dal livello atomico e le scale di lunghezza nella gamma Angstrom a intere strutture su scala centimetrica e metrica, " spiega Leemann.

Sei progetti coprono tutte le dimensioni

Nell'ambito del progetto SNSF Sinergia sono stati definiti sei sottoprogetti:PSI sta utilizzando la radiazione di sincrotrone per studiare la struttura dei prodotti di reazione al fine di spiegarne le fonti. Presso l'EPFL sono allo studio i parametri chiave per l'innesco dei silicati e la composizione dei prodotti di reazione formatisi all'inizio; Inoltre, simulazioni al computer vengono utilizzate per studiare l'impatto del rigonfiamento sulle strutture.

E all'Empa, presso l'Empa X-Ray Center è in corso di indagine a risoluzione spaziale e temporale mediante tomografia computerizzata la formazione delle crepe nel calcestruzzo, e i cristalli acquosi vengono sintetizzati in laboratorio. Ciò consente ai ricercatori di ottenere quantità maggiori della sostanza che si trova solitamente in crepe di dimensioni da nano a micrometriche in pezzi di ghiaia. Solo con quantità maggiori della sostanza in questione si possono determinare con precisione le proprietà fisiche, però. Non solo i risultati dovrebbero aiutare a comprendere molto meglio l'AAR, dovrebbero anche rivelare modi per evitare danni – e quindi costi. “Siamo già alle prese con la decodifica del fenomeno, che finora è stato compreso solo in frammenti, " afferma Leemann. Il progetto quadriennale è iniziato nel maggio 2017. I primi risultati sono già disponibili. Il prossimo passo prevederà il collegamento più stretto dei singoli gruppi e la costruzione dei risultati dei partner. Alla fine, ciò dovrebbe fornire un quadro più completo dell'AAR che consenta di valutare in modo più efficace lo stato e il rischio delle strutture in calcestruzzo e di monitorare in modo più scientifico il destino degli edifici colpiti.