Quasi trecento configurazioni di prova, livelli tensionali compresi tra 200 e 1.200 MPa e una domanda precisa: la diffrattometria a raggi X (XRD) può stimare con attendibilità la tensione nei fili e nei trefoli di precompressione? Lo studio presentato da Silvia Manarin a FABRE 2026 affronta il tema con una campagna sperimentale estesa, muovendosi su un terreno che la diagnostica dei ponti esistenti lascia da tempo scoperto: la quantificazione della precompressione residua con tecniche non distruttive.
La rilevanza del tema è diretta. Nel corso della vita utile di un ponte in calcestruzzo precompresso lo stato tensionale delle armature si discosta da quello iniziale per effetto di perdite, rilassamento dell’acciaio, ritiro e viscosità del calcestruzzo, fino ai processi degradativi nei casi più critici. Ne cambia il comportamento resistente e con esso il margine di sicurezza valutabile negli stati limite. Quando la documentazione di progetto o costruttiva è incompleta, come accade spesso sulle infrastrutture datate, una misura diretta e poco invasiva diventa un’esigenza operativa concreta.
Il principio di misura: dalla legge di Bragg alla tensione nell’acciaio
La XRD è una tecnica consolidata nell’ingegneria dei materiali, tradizionalmente impiegata per caratterizzare la struttura cristallina e identificare le fasi presenti in un materiale. Il principio sfrutta l’interazione tra una radiazione X e i piani atomici del reticolo, le cui distanze interplanari determinano gli angoli ai quali la radiazione viene diffratta. La relazione che governa il fenomeno è la legge di Bragg:
[ n\lambda = 2d\sin\theta ]
dove λ è la lunghezza d’onda della radiazione incidente, d la distanza interplanare, θ l’angolo di Bragg e n l’ordine della diffrazione.
L’aspetto interessante per le applicazioni strutturali è che una sollecitazione meccanica deforma elasticamente il reticolo, variando le distanze tra i piani atomici. Dalla misura di queste variazioni si risalgono le deformazioni elastiche e, note le proprietà del materiale, lo stato tensionale. Per le armature di precompressione ciò significa poter stimare la tensione nell’acciaio a partire dalle deformazioni reticolari rilevate.
Il limite fisico sta nella profondità di penetrazione: i raggi X impiegati nelle misure investono soltanto poche decine di micrometri di materiale. Il risultato riflette quindi lo stato tensionale degli strati superficiali e ne eredita le condizioni, un aspetto che la sperimentazione ha messo in primo piano.
La campagna sperimentale: 96 fili e 200 trefoli sotto trazione
Il programma di prova ha riguardato 96 configurazioni su filo singolo e 200 su trefoli a sette fili, per un totale vicino alle trecento prove. I campioni sono stati sottoposti a trazione con una macchina universale, applicando cicli di carico a gradini crescenti con tensioni da 200 a 1.200 MPa. Il confronto tra la tensione imposta e quella stimata mediante XRD ha permesso di quantificare l’accuratezza del metodo ai vari livelli di carico.
In parallelo sono stati variati i parametri di acquisizione: diametro del collimatore, tempo di acquisizione per ciascun punto, angolo di incidenza della radiazione, numero di punti misurati e procedure di elaborazione. Anche le condizioni superficiali sono entrate tra le variabili, confrontando elementi puliti con elementi portatori di uno strato ossidativo. L’accuratezza è stata infine valutata mediante un parametro adimensionale di confronto tra tensione effettiva e tensione stimata, indicato nella relazione con il simbolo θ e da non confondere con l’angolo di diffrazione della legge di Bragg.
Superfici, ossidazione e preparazione dei campioni
Sui fili singoli la tecnica restituisce nel complesso stime attendibili della tensione applicata, ma la presenza di ossidazione superficiale condiziona in modo marcato l’accuratezza. La ragione risiede nella limitata profondità di indagine: il volume di materiale effettivamente esplorato è minimo e uno strato di ossidi altera sensibilmente il segnale registrato, compromettendo la corrispondenza tra tensione stimata e tensione reale.
La preparazione superficiale diventa così una fase determinante del protocollo. Le operazioni di pulizia incidono direttamente sulla qualità del risultato e vanno eseguite con procedure che non modifichino lo stato tensionale superficiale che si intende misurare. Il punto è tutt’altro che secondario in prospettiva applicativa: sulle opere esistenti le condizioni delle armature variano con l’età della struttura, l’ambiente di esposizione e i degradi intervenuti.
Elaborazione dei dati e gestione degli outlier
La stima della tensione richiede l’interpretazione dei segnali diffrattometrici attraverso specifici metodi matematici. Il confronto tra diverse procedure di interpolazione ha mostrato che i metodi indicati con le sigle GNRR, PV e P7, oltre all’interpolazione parabolica, offrono prestazioni superiori a quelle del metodo disponibile di serie nel software della strumentazione impiegata.
Il dato conferma che l’affidabilità della misura non dipende soltanto dallo strumento né dallo stato del campione, perché anche l’algoritmo di elaborazione pesa sul risultato finale. Ne deriva l’esigenza di protocolli di acquisizione e trattamento dei dati controllati e riproducibili, condizione preliminare per un eventuale impiego sistematico della tecnica nella diagnostica delle strutture esistenti.
Conta anche la gestione statistica. Su ogni campione sono state effettuate in genere da 9 a 11 acquisizioni, un numero sufficiente a isolare i valori anomali. L’esclusione degli outlier, condotta con criteri statistici appropriati, ha migliorato sensibilmente la stima delle tensioni senza nemmeno introdurre una correzione esplicita dello stato tensionale residuo iniziale. La rimozione dei dati anomali non è però una scorciatoia automatica: i criteri di selezione devono essere oggettivi e riproducibili, per non scartare misure che riflettono caratteristiche reali del campione.
Trefoli a sette fili: geometria elicoidale e tensioni residue di produzione
Sui trefoli a sette fili, provati con superfici già pulite per limitare l’influenza degli ossidi, l’accuratezza risulta comunque inferiore a quella registrata sui fili singoli. A pesare è la geometria: un elemento centrale circondato da sei fili esterni disposti elicoidalmente, con curvature e orientamenti locali che modificano le condizioni di incidenza della radiazione e la precisione della stima.
Il secondo fattore riguarda le tensioni residue preesistenti. A carico nullo sono state rilevate tensioni superficiali di compressione dell’ordine di 100 MPa, attribuibili ai trattamenti termici e ai processi produttivi delle armature. Poiché la XRD legge gli strati più esterni del materiale, la tensione rilevata riflette la sovrapposizione tra lo stato indotto dal carico applicato e quello già presente nel trefolo, con una conseguente fonte di errore nella ricostruzione della tensione effettiva. L’interpretazione dei risultati deve quindi tenere conto anche delle caratteristiche produttive degli elementi.
Affidabilità alle tensioni di esercizio e limiti del metodo
Il comportamento della tecnica cambia con il livello tensionale. Le stime risultano sufficientemente accurate soprattutto sopra gli 800 MPa, valori considerati rappresentativi di condizioni plausibili di esercizio per le armature analizzate. È la fascia che conta per le applicazioni reali, dove l’obiettivo è stimare la precompressione residua in condizioni operative e non in laboratorio.
Ai livelli tensionali più bassi il quadro si complica. Perdite importanti di precompressione si accompagnano spesso ad altri fenomeni di degrado del calcestruzzo, che entrano a pieno titolo nella valutazione dell’opera: in queste situazioni una misura puntuale sul trefolo non basta a caratterizzare il comportamento strutturale. La XRD va quindi letta come strumento diagnostico complementare alle altre indagini, capace di contribuire alla conoscenza dello stato tensionale ma non di sostituire una valutazione complessiva della sicurezza del ponte. Resta inoltre che la misura restituisce lo stato tensionale superficiale dell’acciaio: il passaggio dalla misura locale alla precompressione effettiva dell’elemento richiede interpretazioni e verifiche aggiuntive.
Le attività in corso e le prospettive per le armature esistenti
La ricerca prosegue. In collaborazione con l’Università di Pisa sono in corso approfondimenti sulla caratterizzazione delle tensioni residue indotte dai trattamenti termici e dai processi produttivi, con attenzione particolare alle differenze tra trefoli di diverse generazioni. L’obiettivo è mettere in relazione l’anno di produzione, le caratteristiche del materiale e la presenza di tensioni superficiali residue.
Per la diagnostica dei ponti esistenti la questione è pratica: nelle opere datate coesistono armature prodotte in periodi differenti, con tecnologie non coincidenti con quelle attuali. Riconoscere e quantificare gli effetti dei trattamenti produttivi permetterebbe di separare con maggiore affidabilità le tensioni legate alle caratteristiche originarie del materiale da quelle derivanti dallo stato di carico, aumentando la robustezza dell’intero procedimento di misura.
Quella presentata a FABRE 2026 non costituisce ancora la validazione generalizzata della tecnica per l’uso diretto su qualsiasi opera: il passaggio dal laboratorio al campo passerà attraverso ulteriori verifiche, anche in relazione all’accessibilità delle armature, alle condizioni della loro esposizione locale e alla rappresentatività della misura rispetto allo stato tensionale complessivo. La direzione è però definita e coincide con un’esigenza crescente della gestione infrastrutturale: strumenti diagnostici meno invasivi per conoscere lo stato di conservazione e il comportamento dei ponti in calcestruzzo precompresso.
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