Ri­sa­na­men­to so­ste­ni­bi­le del­le strut­tu­re in cal­ce­struz­zo

L’ambito e le sfide

Il patrimonio in calcestruzzo realizzato tra gli anni Sessanta e Ottanta rappresenta oggi una componente essenziale, ma a volte fragile, dell’infrastruttura europea. In Svizzera, numerosi manufatti realizzati in quel periodo mostrano segni di degrado legati non solo all’età e all’esposizione ambientale, ma anche all’utilizzo di componenti che, col tempo, si sono rivelati critici.¹ Tra i fenomeni più rilevanti, generati dall’uso di aggregati silicei nel calcestruzzo, si annovera la reazione alcali-silice (ASR), un processo espansivo/fessurativo che necessita di umidità per svilupparsi, questo fattore ha compromesso la durabilità di molti manufatti autostradali, imponendo interventi di manutenzione straordinaria.

Nel contesto attuale, la manutenzione delle strutture deve rispondere a sfide multiple: evitare la demolizione, limitare i disagi, e, soprattutto, ridurre in modo significativo le emissioni di CO₂.

In questo contesto si è inserito il progetto promosso dall’Ufficio federale delle strade (USTRA) – sviluppato dall’Istituto Meccanica dei Materiali (IMM SA) di Lugano insieme a DMAT srl – per lo sviluppo di una malta strutturale autoriparante a ridotto impatto ambientale e costi ridotti, per il ripristino di muri ammalorati da ASR. L’obiettivo era di passare da un concetto di demolizione e ricostruzione, ad uno di risanamento con malte performanti, sostenibili ed economiche, producibili direttamente in cantiere in grandi volumi.

Il contesto applicativo: il muro lungo la N13

Il progetto pilota è stato applicato a un muro a gravità in calcestruzzo lungo circa 40 metri usato per proteggere la parete rocciosa adiacente alla carreggiata autostradale della N13 in direzione nord (San Bernardino, GR). L’opera, rea­lizzata negli anni Sessanta, presentava segni di degrado della reazione alcali-silice che ha causato fessure importanti e la generale perdita di impermeabilità del manufatto (fig. 1).

Il muro, non strutturale, svolge un’importante funzione di protezione del pendio roccioso adiacente alla carreggiata, e doveva essere quindi rinforzato con un sistema capace di adattarsi alla struttura esistente. La soluzione classica di demolizione completa e ricostruzione è stata subito abbandonata perché, oltre ai costi elevati, avrebbe comportato disagi al traffico, difficoltà logistiche, e un elevato impatto ambientale dovuto all’impiego di nuove risorse materiali e allo smaltimento dei rifiuti di demolizione.

Di fronte a queste criticità, USTRA ha considerato di applicare tecniche più sostenibili, capaci di rispondere a quattro requisiti fondamentali:

• intervento non invasivo, realizzabile in fasi compatibili con il traffico veicolare;
• compatibilità del materiale con il sottofondo esistente: grazie alla sua flessibilità ed elasticità, il materiale si adatta ai movimenti del supporto, vivendo insieme al muro esistente e contribuendo a preservarne la struttura e a prolungarne la durata;
• elevata lavorabilità del materiale in fase di posa, grazie alle sue proprietà auto-compattanti, che ne facilitano la penetrazione nelle fessure del sottofondo esistente e garantiscono un’applicazione efficace e omogenea;
• riduzione dell’impatto ambientale, in particolare delle emissioni di CO₂ legate ai materiali impiegati.

La soluzione proposta da IMM SA e DMAT srl è stata quella di sfruttare i recenti progressi del gruppo di lavoro nel campo dello studio dei sistemi cementizi romani noti per la loro durabilità ed elevata impermeabilità. Questi progressi hanno portato alla formulazione di una malta strutturale autoriparante per la riprofilatura del muro ispirata ai concetti di tecnologia del calcestruzzo romano. Il progetto ha comportato una prima fase di ricerca e sviluppo e una fase di accompagnamento dell’impresa durante la messa in opera. Infine, il progetto ha compreso anche una fase di monitoraggio dell’opera per raccogliere dati utili per migliorie future.

Sviluppo della malta autoriparante a basso impatto ambientale

In questa fase abbiamo messo a punto una malta cementizia innovativa, capace di soddisfare requisiti prestazionali elevati e, al contempo, di rispondere alle esigenze di sostenibilità ambientale.

Abbiamo provato, dopo uno screening di oltre 20 impasti diversi, cinque miscele variando tipo di cemento, filler e additivi. Tra i prodotti usati, il filler proprietario DMAT 2.3-1, prodotto certificato CE secondo norma EN 12620, è il responsabile delle proprietà autorigeneranti e impermeabilizzati della malta nonché l’agente chiave nella riduzione del dosaggio di clinker senza abbattere la resistenza meccanica.

La miscela DMAT A-16-S, con un cemento a basso clinker tipo CEM II/B-M (S-T) 42.5 R, sabbia naturale locale, filler proprietario DMAT, filler calcareo, fibre in polipropilene, è stata infine scelta per l’applicazione. Tale malta, resistente anche al gelo/disgelo, si classifica come R3 secondo SN EN 1504-3.²

Nonostante il contenuto di clinker sia di gran lunga inferiore rispetto alle malte strutturali in commercio, la formulazione con filler DMAT garantisce una resistenza a compressione media di 44.7 MPa e un modulo elastico di circa 30 GPa a 28 giorni. Inoltre, la malta presenta una capacità deformativa a trazione doppia rispetto a un calcestruzzo ordinario: un vantaggio cruciale per la compatibilità con supporti ammalorati e soggetti a piccoli movimenti. Il ritiro idraulico della malta è inferiore rispetto ai valori tipici dichiarati per le malte commerciali ma, come sempre in questi casi, è superiore ai valori tipici del calcestruzzo. È quindi normale avere fessurazione della malta dopo la posa su larghe superfici (decine di m²) e bassi spessori (4-10 cm) come in questo caso, ma la presenza delle fibre serve proprio a distribuire le fessure in modo che esse restino capillari (quindi sigillabili con il fenomeno dell’autoriparazione) e non si aprano troppo. In generale, quando si eseguono lavori di riprofilatura su superfici esistenti irregolari, è normale che insorgano fessure da ritiro vincolato nel sottile strato di ripristino. Per ridurre gli interventi di manutenzione in questo scenario, è richiesto al prodotto di formare fessure capillari (con ampiezza massima inferiore a 0.15 mm) ben distribuite e con capacità autorigenerante. La proprietà autorigenerante, per fessure fino a 0.50 mm di ampiezza, si raggiunge tramite l’impiego dell’aggiuntivo DMAT ed è stata testata con un metodo e apparato sviluppato in IMM SA.³ La prova (fig. 2) consiste nel formare una fessura di apertura controllata (0.40 - 0.50 mm) e di misurare il flusso di acqua attraverso la fessura con un gradiente idraulico fisso di 35 (rapporto tra altezza di caduta dell’acqua e spessore del provino). L’acqua, passando, attiva la matrice cementizia della malta e stimola la crescita di nuovi cristalli coalescenti sulla parete della fessura. Questa crescita riduce l’ampiezza della fessura nel tempo che si tramuta in una riduzione del flusso misurato. La prova si conclude quando il flusso in uscita dal provino è diventato soltanto uno stillicidio e quando sono osservabili nella fessura prodotti di reazione come calcite, aragonite ecc., che indicano la chiusura chimica, quindi stabile, della stessa.

Un altro elemento distintivo di questo progetto è il risultato della valutazione ambientale del materiale. Il GWP (Global Warming Potential) della miscela A-16-S è stato calcolato sulla base delle dichiarazioni ambientali di prodotto (EPD) e dei database europei di settore.⁴ Il valore risultante, pari a 216 kg CO₂ eq/m³, rappresenta una riduzione media del 60% rispetto alle malte strutturali convenzionali, i cui valori tipici si attestano tra 400 e oltre 1000 kg CO₂ eq/m³ (fig. 3).

Questa riduzione è frutto di una strategia integrata che coinvolge:

• l’uso di un basso quantitativo di cemento con contenuto ridotto di clinker, a favore di componenti pozzolanici e fillerizzati;
• l’impiego di materiali locali per ridurre il trasporto per la produzione direttamente in sito;
• l’integrazione del filler DMAT, che riduce la necessità di clinker a parità di resistenza meccanica raggiunta, e contribuisce, per quanto detto sopra, alla durabilità dell’intervento.

Il beneficio ambientale non è limitato alla fase iniziale: la durabilità estesa della malta, e in particolare la sua capacità autoriparante, permetteranno di ridurre interventi manutentivi futuri, con ulteriori vantaggi in termini di consumo di risorse, costi e impatto ambientale lungo tutto il ciclo di vita.

Messa in opera e monitoraggio

L’obiettivo era testare sul campo la fattibilità tecnica e operativa della soluzione sviluppata in laboratorio, con particolare attenzione alla logistica di cantiere e alla compatibilità del materiale con un’opera esistente degradata da rea­zione alcali-silice. Prima di procedere con i lavori al muro principale, è stata eseguita una prova preliminare riprofilando un concio di un muro secondario lontano dal tracciato viario principale. Questa prova ha permesso alle maestranze di prendere confidenza con il prodotto e con il procedimento di messa in opera.

I lavori al muro principale sono stati eseguiti nel periodo tra luglio e agosto 2024, in condizioni ambientali favorevoli vista la quota prossima ai 1700 m s.l.m. Inizialmente si è proceduto con la preparazione del supporto, mediante idro-demolizione ad alta pressione, così da rimuovere la parte superficiale ammalorata e garantire una superficie ruvida e pulita per l’adesione della nuova malta. Per favorire l’aggrappo della malta è stata installata una rete in acciaio inossidabile fissata con tasselli sul muro esistente. Le zone da riprofilare sono state delimitate in tappe da circa 20-60 m² ciascuna per uno spessore variabile tra ca. 4 e 10 cm.

La produzione della malta è avvenuta direttamente in cantiere (fig. 4), con una prima miscelazione umida in un miscelatore a vite continua e successiva aggiunta di filler e fibre in autobetoniera, tramite sacchi idrosolubili. Sebbene il mixer a vite continua offra vantaggi logistici per la rapida installazione in zone montuose/impervie, questa procedura ovviamente si discosta di molto dalle condizioni di miscelazione ottimale che si possono ottenere in laboratorio o in una centrale di produzione fissa. Nonostante ciò, usando anche e soprattutto la betoniera come «miscelatore», è stato possibile consegnare un materiale con consistenza fluida (valore medio di Slump flow di 680 mm) e proprietà autocompattanti, ideali per l’applicazione (fig. 5).

Il getto è stato effettuato senza vibrazione meccanica, sfruttando soltanto la reologia controllata della miscela.

Durante tutte le fasi di posa, il materiale si è comportato in modo prevedibile, senza segregazione né essudazione e con un contenuto di aria occlusa, necessario per la resistenza al gelo, mediamente dell’8%. Il disarmo è avvenuto dopo 24–48 ore, senza segni di instabilità o imperfezioni evidenti, e le superfici trattate risultano compatte, uniformi e ben adese al substrato originario.

Il progetto pilota continua, ancora oggi nel 2025, con il monitoraggio visivo del muro nel tempo al fine di verificare le prestazioni della malta in opera. Di particolare interesse è la capacità autorigenerante della malta al comparire di nuove fessure. Nel controllo avvenuto a ca. 6 mesi dalla posa si è notata la presenza di alcune di esse sulla superficie del muro e, quelle con maggiore accesso ad acqua/umidità, hanno già mostrato self-healing risultando visivamente ben cicatrizzate (fig. 6).

Le condizioni a cui è sottoposta la malta, ovvero un sottofondo non uniforme e in parte ancora soggetto a piccoli assestamenti e le temperature alpine rappresenteranno un campo di prova sicuramente molto significativo per la malta in prospettiva di applicazioni future per situazioni simili. L’intervento ha quindi dimostrato la validità della strategia di riparazione alternativa alla demolizione, confermando che è possibile intervenire in modo mirato, economico, e soprattutto sostenibile su strutture esistenti, senza compromessi su qualità e durabilità. Anche dal punto di vista logistico, la messa in opera si è dimostrata compatibile con le tempistiche e le esigenze del committente, offrendo un modello replicabile per in­terventi futuri su scala territoriale.

Conclusioni e prospettive

L’esperienza maturata nel progetto presentato dimostra come sia possibile coniugare innovazione tecnologica e sostenibilità ambientale nel campo della manutenzione delle infrastrutture in calcestruzzo guardando a soluzioni che sono vecchie di oltre 2000 anni. La malta DMAT A-16-S, sviluppata specificamente per ripristini strutturali durabili, ha mostrato prestazioni meccaniche e reologiche idonee, capacità di self-healing ed impermeabilizzanti in linea con i sistemi cementizi romani altamente durabili, e un impatto ambientale significativamente ridotto rispetto alle soluzioni convenzionali.

L’impiego di questa tecnologia ha permesso di evitare la demolizione di un’opera esistente, contenendo i disagi, riducendo l’uso di nuove risorse materiali e limitando le emissioni di CO₂. L’intervento ha evidenziato la fattibilità tecnica di strategie rigenerative, che puntano alla conservazione anziché alla sostituzione, aprendo la strada a nuovi modelli di intervento per il recupero delle infrastrutture in cemento armato. Tramite il progetto pilota sarà possibile raccogliere dati utili per adattare il concetto di applicazione ad altri casi e apportare le migliorie che si possono scoprire solo tramite un approccio empirico. Nel contesto attuale, in cui le sfide climatiche e ambientali impongono una rivisitazione critica dei processi costruttivi e manutentivi, il progetto rappresenta un esempio concreto di economia (semi)circolare applicata al costruito. Le prospettive future includono l’estensione del concetto a interventi più complessi, nonché l’adozione di criteri prestazionali e ambientali integrati nella fase progettuale.

Riparare anziché demolire, progettare per durare, valorizzare il costruito esistente: sono questi i principi guida di un approccio che unisce l’ingegnerizzazione dei materiali e la consapevolezza ambientale per costruire, o preservare, un patrimonio infrastrutturale più sostenibile.

Note

1 F. Hunkeler, C. Merz, P. Kronenberg, Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) – Grundlagen und Massnahmen bei neuen und bestehenden Kunstbauten. Bundesamt für Strassen ASTRA Abteilung Strassennetze, Standards, Forschung, Sicherheit, Bern 2007.

2 M. Di Tommaso, M. Basaldella, P. Sabatini, P. Tudori, Towards net zero in concrete construction – example of application of a low carbon footprint, self-healing structural mortar for concrete repair in Switzerland. Proceedings of the RILEM Conference on durability of building materials and systems in the transportation infrastructure, Mendrisio (CH), 25-28 marzo 2025.

3 L. M. Seymour et al., Hot mixing: Mechanistic insights into the durability of ancient Roman concrete. Sci. Adv. 9, eadd1602(2023). Doi: 10.1126/sciadv.add1602.

4 M. Di Tommaso, M. Basaldella, P. Sabatini, P. Tudori, Sustainable concrete repair practices in Switzerland –development of a low carbon footprint, self-healing structural mortar. Proceedings of the fib-symposium 2025 Concrete Structures: extend lifespan, limit impacts, Antibes (F), 16-18 giugno 2025