Studio sperimentale sulle proprietà meccaniche dinamiche e sui modelli dei meccanismi di danneggiamento del calcestruzzo sotto cicli gelo-disgelo

Perché il freddo è duro per il calcestruzzo

Nelle regioni fredde, ponti, dighe e vie d’acqua devono sopportare anni di congelamento e disgelo dell’acqua all’interno del calcestruzzo. Ogni ciclo invernale può lentamente allargare pori e crepe nascosti, minacciando la sicurezza e la vita utile di grandi opere idrauliche come dighe e scaricatori. Questo studio esamina da vicino come i cicli ripetuti di gelo-disgelo, combinati con condizioni di carico realistiche, indeboliscano gradualmente il calcestruzzo e ne modifichino i modi di rottura, offrendo indicazioni per progettare strutture più resistenti ai climi rigidi.

Osservare il calcestruzzo sotto un freddo intenso

Per riprodurre quanto avviene in sito, i ricercatori hanno preparato provini cilindrici standard di calcestruzzo ed esposti fino a 75 cicli di gelo-disgelo controllati. In ogni ciclo di quattro ore, i campioni saturi d’acqua sono stati raffreddati a circa −20 °C e poi riscaldati a 20 °C, proprio come succede nelle giornate e notti invernali. Tra una serie di cicli e la successiva hanno misurato massa, velocità delle onde ultrasoniche e rigidezza del calcestruzzo. Dopo il trattamento di congelamento, gli stessi campioni sono stati posti in una potente macchina di prova e sottoposti a centinaia di carichi ripetuti e poi schiacciati a diverse velocità di caricamento, rappresentando sollecitazioni lente, il servizio normale e eventi rapidi come impatti o piccoli terremoti.

La resistenza cala, ma le deformazioni aumentano

Il gruppo ha riscontrato un andamento chiaro: con l’aumentare del numero di cicli gelo-disgelo, la resistenza a compressione e la rigidezza del calcestruzzo (la sua resistenza allo schiacciamento e la sua “elasticità”) diminuivano costantemente. Dopo 75 cicli, la resistenza è diminuita di quasi un quinto e la rigidezza di circa la metà sotto il caricamento più lento. Allo stesso tempo, la deformazione residua e la deformazione di picco—quanto restava deformato il materiale e quanto si estendeva prima di rompersi—incrementarono in modo marcato. In termini semplici, il materiale è diventato più morbido e più deformabile. Il caricamento rapido ha in parte mascherato questo danno: quando compresso velocemente, il calcestruzzo manteneva più della sua resistenza apparente, mostrando che un carico rapido può temporaneamente nascondere il deterioramento interno.

Pori nascosti, crepe che crescono e forme di rottura che cambiano

Le immagini della struttura interna hanno rivelato come il danno si accumuli. Inizialmente il calcestruzzo conteneva solo pori molto piccoli e sparsi. Dopo 25 cicli sono comparsi più pori ma erano ancora per lo più isolati. A 50 cicli pori e microfessure si erano espansi e cominciavano a connettersi, e a 75 cicli si era formato una rete densa di cavità grandi e interconnesse. Questa evoluzione microscopica corrispondeva a quanto osservato in superficie quando i campioni venivano frantumati. Il calcestruzzo intatto tendeva a spaccarsi lungo una o due fratture nette, rompendosi in pochi pezzi a forma di cuneo. Dopo molti cicli di gelo-disgelo, i provini fallivano in modo meno netto ma molto più diffuso, con rigonfiamenti, molte fratture fini e abbondante materiale polveroso, indicando che lo scheletro interno aveva perso coesione.

Come interagiscono velocità di caricamento e danno

Testando a diverse velocità di caricamento, i ricercatori hanno quantificato quanto il calcestruzzo danneggiato fosse sensibile alla velocità di deformazione—the strain rate—la velocità con cui viene deformato. Con l’aumentare del danno da gelo-disgelo, la risposta del materiale alla velocità di carico è diventata più marcata. Ad alti strain rate, l’inerzia dell’acqua intrappolata nei pori e il tempo limitato per la crescita delle cricche rallentavano la diffusione del danno, così la resistenza appariva relativamente maggiore e la perdita di rigidezza meno severa rispetto al caricamento lento. Tuttavia, ciò non rappresentava una vera ripresa: la rete di pori e la densità delle fessure peggioravano comunque a ogni ciclo, come mostrato dalle misure ultrasoniche e dalle ricostruzioni tridimensionali dei pori. Le curve sforzo-deformazione catturavano questo cambiamento: i picchi si spostavano verso il basso e verso destra, e l’area ombreggiata sotto la curva—che rappresenta l’energia che il calcestruzzo può assorbire prima della rottura—si restringeva, mostrando che il materiale diventava meno capace di dissipare carichi.

Implicazioni per le strutture reali

Per dighe, scaricatori e altre opere idrauliche in climi freddi, questi risultati evidenziano che il congelamento e il disgelo ripetuti erodono silenziosamente sia la resistenza sia la rigidezza, anche quando la struttura sembra ancora integra. Col tempo il calcestruzzo diventa più flessibile ma meno capace di assorbire carichi improvvisi senza incrinarsi. Lo studio fornisce relazioni matematiche che collegano il numero di cicli gelo-disgelo alle variazioni di resistenza, rigidezza e deformazione, offrendo agli ingegneri strumenti per stimare la vita residua e pianificare la manutenzione. In parole semplici, il lavoro mostra che i danni invernali non sono solo un problema estetico: rimodellano il calcestruzzo dall’interno e comprenderne il processo è fondamentale per mantenere sicure per decenni le infrastrutture idriche critiche.

Citazione: Cao, Y., Zhou, J., Shao, Y. et al. Experimental study on dynamic mechanical properties and damage mechanisms models of concrete under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 7796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39345-2

Parole chiave: danneggiamento da gelo-disgelo, durabilità del calcestruzzo, opere idrauliche, carico dinamico, regioni fredde