Integration of multisensor geophysical methods for reinforced concrete structures

Negli ultimi anni si sta sviluppando un ramo della Geofisica Applicata definito Urban Geophysics, nel quale la comunità scientifica si propone di sviluppare e perfezionare le consuete tecniche di indagine non invasive in un ambiente fortemente eterogeneo, rimaneggiato e strettamente connesso alle opere moderne. Per questo motivo, l’Urban Geophysics può strutturarsi come strumento efficace ed essenziale per fornire supporto alle pubbliche amministrazioni locali nelle attività di programmazione e pianificazione degli interventi in materia urbanistica e alle aziende private del settore nel sviluppare strumentazioni e protocolli idonei per caratterizzare e verificare le condizioni strutturali, di degrado ed alterazione del costruito esistente del quale, nella maggioranza dei casi mancano informazioni progettuali, o se presenti, risultano prive delle informazioni ricercate. In questo contesto, le tecniche di indagine non distruttive (NDT) si collocano come tassello fondamentale dell’Urban Geophysics, infatti si presentano come strumenti necessari e sempre più richiesti nel settore dell’ingegneria civile proprio per caratterizzare e monitorare le strutture in calcestruzzo armato (c.a.). Nell’ambito del progetto di dottorato, alcune di queste tecniche sono state utilizzate ed in particolare sono state definite le potenzialità ed i limiti dell’impiego del GPR (Ground Penetrating Radar), ERT (Electrical Resistivity Tomography) e CH-ERT (Cross-Hole ERTs) per la caratterizzazione di strutture ingegneristiche realizzate in c.a. Durante la prima fase, le sperimentazioni intraprese sono state effettuate su un modello analogo di struttura ingegneristica (pilastri, travi e fondazioni in c.a.) presso il laboratorio Hydrogeosite (CNRIMAA). I risultati delle ricerche effettuate hanno evidenziato come attraverso l’impiego di tecniche di indagine NDT su strutture in calcestruzzo armato sia possibile ottenere informazioni strutturali dell’opera verificandone lo stato di alterazione e di degrado del calcestruzzo, la presenza e la disposizione di barre e di staffe di armatura con particolare riferimento alle aree di nodo e di giunto strutturale le quali rappresentano zone cruciali sottoposte a controllo nella verifica dell’adeguamento sismico delle strutture ingegneristiche. La seconda parte del progetto di ricerca del dottorato ha intrapreso un’attività di sperimentazione nel laboratorio di Geofisica Applicata dell’Università degli Studi di Ferrara. La ricerca ha perseguito l’obbiettivo di monitorare la presenza di fenomeni corrosivi sulle barre di armatura. Per questa sperimentazione sono state applicate diverse tecniche di indagine geofisica NDT quali il georadar, la geoelettrica e metodi elettrochimici del potenziale spontaneo (SP). Le sperimentazioni intraprese sono state effettuate su campioni opportunatamente realizzati in c.a. ai quali è stata applicata una corrosione accelerata attraverso l’immersione in acqua con salinità diverse e l’utilizzo di correnti indotte attraverso alimentatori a corrente continua. Quest’attività è stata condotta con un approccio geofisico multisensore evidenziando concretamente il fenomeno della corrosione attraverso opportune elaborazioni dei segnali elettromagnetici, elettrici ed elettrochimici. I risultati ottenuti hanno permesso di diagnosticare l’innesco della corrosione e la sua propagazione, ottenendo informazioni qualitative e quantitative, opportunamente correlate con le indagini dirette per la stima della perdita in peso della barra di armatura.

In recent years, a branch of Applied Geophysics known as "Urban Geophysics" has been developing. The main of this scientific community is to develop and refine conventional non-invasive survey techniques in a highly heterogeneous, altered environment closely connected to modern structures. For this reason, Urban Geophysics can be structured as an effective and essential tool to provide support to local government authorities in urban planning. It can also assist private companies in the sector in developing suitable instrumentation and protocols for characterizing and verifying the structural conditions, degradation, and alteration of existing buildings. Moreover, in many cases, the engineering project is missing, or if available, lacks the necessary details. In this context, non-destructive testing (NDT) techniques play a fundamental role in Urban Geophysics. They are indeed essential tools and are increasingly demanded in civil engineering for the characterization and monitoring of reinforced concrete (R.C.) structures. During the first part of the PhD project, some of these techniques have been utilized, with a particular focus on defining the potentials and limitations of using GPR (Ground Penetrating Radar), ERT (Electrical Resistivity Tomography), and CH-ERT (Cross-Hole ERTs) for characterizing engineering structures made of reinforced concrete (R.C.).The research results have highlighted how the use of NDT investigation techniques on reinforced concrete structures can provide useful information about the work, verifying the state of alteration and degradation of the concrete, the presence and arrangement of reinforcement bars and stirrups, with particular emphasis on areas of structural nodes and joints. These areas are crucial and subject to control in the assessment of the seismic adequacy of engineering structures. The second part of the PhD research project was involved in an experimental activity defined in the Applied Geophysics Laboratory at the University of Ferrara. This research was specifically aimed at monitoring the presence of corrosive phenomena on the reinforcement bars. For this experimentation, various non-destructive geophysical investigation techniques were applied, including GPR, geoelectrical methods, and electrochemical methods such as self-potential (SP). The experimentation involved a series of applications on specially prepared reinforced concrete samples. These samples were subjected to accelerated corrosion by immersing them in water with varying salinity and the use of induced currents through direct current power supplies. The various phases were monitored using indirect methodologies. This activity was conducted with a multisensor geophysical approach, effectively highlighting the corrosion phenomenon through appropriate processing of electromagnetic, electrical, and electrochemical signals. The results obtained allowed for the diagnosis of the initiation and propagation of corrosion, providing qualitative and quantitative information that was appropriately correlated with direct estimation of the weight loss.