Corrosion monitoring of the reinforced concrete structures of the Giuseppe Meazza stadium in San Siro and prediction of the residual service life

This thesis deals with the monitoring of corrosion in reinforced concrete structures. The phenomenon of corrosion in reinforced concrete is briefly introduced, in particular corrosion induced by carbonation, which is the most frequent cause of the deterioration of buildings consisting of reinforced concrete. When concrete is carbonated, corrosion can spread if the concrete is wet. The measurement of concrete electrical resistivity may provide indications on the humidity conditions of the concrete and therefore estimates the propagation of corrosion. This makes a prediction of the residual life of a structure possible. The continuous monitoring of this and other parameters related to corrosion represents the starting point for evaluating the durability of reinforced concrete structures and the management of maintenance. The thesis proposes and develops the use of probes to determine the concrete electrical resistivity and corrosion potential of the reinforcements, usable for the monitoring of the corrosion parameters. Through experimental tests in laboratory, special probes, to be inserted into existing structures, were created and checked. In particular, a new type of probe developed by the mCD group of the CMIC department of the Politecnico di Milano, which is capable of measuring the resistivity of concrete at different concrete cover depths, was studied. Both, solution- and concrete tests were carried out. Finite element modelling also made it possible to establish how the mortar used for the installation of the probes and the humidity conditions of the concrete/mortar system can influence the experimental electrochemical measurements. The simulations made it possible to evaluate the effect of the mortar and to eliminate it, to obtain the resistivity of the concrete. The use of these probes for monitoring was also evaluated in an existing structure: the Giuseppe Meazza stadium in Milan. In some structural elements of the stadium, resistivity and electrical potential probes have been placed in the previous years. Measurements were carried out on these probes for over a year and the corrosion conditions in different areas of the stadium were evaluated. This made it possible to estimate the residual life of the structures analysed. The study demonstrated, how the use of these probes highlights the areas most at risk of corrosion and shows how, a continuous monitoring system can bring advantages from the point of view of the maintenance program and safety of the structure. The topic represents a major development and innovation from the point of view of the management of reinforced concrete structures and will find widespread diffusion in the coming decades.

La tesi in oggetto si occupa del monitoraggio della corrosione di strutture in calcestruzzo armato. Viene introdotto brevemente il fenomeno della corrosione nel calcestruzzo armato, in particolare quello indotto da carbonatazione, che rappresenta la più frequente causa del degrado degli edifici in calcestruzzo armato. Quando il calcestruzzo è carbonatato, la corrosione può propagare se il calcestruzzo è bagnato. La misura della resistività elettrica del calcestruzzo è in grado di fornire indicazioni sulle condizioni di umidità del calcestruzzo e quindi stimare la propagazione della corrosione. Questo può consentire di attuare una previsione della vita residua di una struttura. Il sistema di monitoraggio continuo di questo ed altri parametri legati alla corrosione rappresenta il punto di partenza per la valutazione della durabilità delle strutture in calcestruzzo armato e per la gestione della manutenzione. La tesi propone e sviluppa l'utilizzo di sonde di resistività elettrica del calcestruzzo e potenziale di corrosione delle armature, da correlare per il monitoraggio dei parametri connessi alla corrosione. Attraverso prove sperimentali in laboratorio si sono realizzate e controllate speciali sonde da inserire nelle strutture esistenti. In particolare, si è studiato un nuovo tipo di sonda sviluppata dal gruppo mCD del dipartimento CMIC del Politecnico di Milano, in grado di misurare la resistività del calcestruzzo a differenti profondità di copriferro. Si sono effettuate sia prove in soluzione, sia prove in calcestruzzo. Una modellazione ad elementi finiti ha permesso inoltre di stabilire come la malta utilizzata per l’installazione delle sonde e le condizioni di umidità del sistema calcestruzzo/malta possano influenzare le misurazioni elettrochimiche sperimentali. Le simulazioni hanno consentito di valutare l’effetto della malta nella misura e di eliminarlo per ottenere la resistività del calcestruzzo. L’impiego di queste sonde per il monitoraggio è stato valutato anche su una struttura esistente: lo stadio Giuseppe Meazza di Milano. In alcuni elementi strutturali dello stadio sono state posizionate sonde di resistività e potenziale elettrico negli anni passati. Sono state effettuate misure su queste sonde per oltre un anno e si sono valutate le condizioni di corrosione in differenti zone dello stadio. Questo ha consentito di effettuare una stima della vita residua delle strutture analizzate. Lo studio ha dimostrato come l'utilizzo di tali sonde metta in luce le zone a più a rischio di corrosione e mostra come un sistema di monitoraggio continuo possa portare vantaggi dal punto di vista del programma di manutenzione e della sicurezza della struttura. Il tema rappresenta un grosso sviluppo e un’innovazione dal punto di vista della gestione delle strutture in calcestruzzo armato e troverà ampia diffusione nei prossimi decenni.