La corrosione delle fibre metalliche

Le potenzialità di misti cementati fibrorinforzati, nonostante i vantaggi illustrati, non sono state sinora adeguatamente approfondite probabilmente a causa della potenziale corrosione delle fibre metalliche. Al fine di verificare le tecnologie necessarie per la posa in opera del materiale e il reale grado di corrosione delle fibre in condizioni operative sono state realizzate due stese sperimentali nella strada statale S.S. n°125, di nuova costruzione nel sud-est della Sardegna.

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Dopo due anni di esercizio, nel marzo 2004 sono state prelevate nel tronco sperimentale una serie di carote, al quale è seguita l’analisi elettrochimica in laboratorio. I risultati hanno messo in evidenza, in modo inatteso, la quasi totale assenza di corrosione e la presenza di fibre praticamente intatte.

Figura 6.6 – Fibra estratta dal tronco sperimentale dopo 2 anni

Per approfondire i motivi di un esito così favorevole sono stati condotti test chimici su fibre integre in differenti ambienti aggressivi. L’ossigeno disciolto nelle acque è considerato l’agente corrosivo più temibile per le fibre d’acciaio. In associazione con esso anche altri fattori incidono fortemente. Per un pH < 2-3 l’attacco corrosivo è estremamente severo e porta alla rapida distruzione dell’armatura metallica. Tuttavia è molto raro che un’acqua in contatto con misto cementato possegga queste concentrazioni acide se non in casi eccezionali. Viceversa per valori di pH >7 il processo corrosivo è fortemente rallentato o represso, con la formazione di un film di ossido aderente e continuo che protegge il metallo sottostante dall’ulteriore attacco corrosivo. Quest’ultimo è l’ambiente tipico in cui si trovano le fibre all’interno di misto cementato. Nelle indagini svolte in laboratorio le fibre sono state esposte per un lungo periodo (sino a 180 giorni) all’azione di tre differenti soluzioni: acqua della rete municipale pH≈7; soluzione acquosa di HCl 10% pH≈3; soluzione acquosa contenente cemento in idratazione pH≈10. L’intensità di corrente erogata consente di stimare la velocità di corrosione dell’elemento d’acciaio. Quest’ultima è tanto maggiore quanto maggiore risulta l’intensità di corrente. È inoltre possibile individuare il processo corrosivo in atto nell’elemento d’acciaio attraverso misure del potenziale della pila (figura 6.7).

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Il grafico di figura 6.8 mostra l’evoluzione del fenomeno nel tempo. I risultati possono essere così sintetizzati:

-in ambiente acido l’intensità di corrente cresce continuamente col tempo, con un andamento rettilineo, con costante sviluppo di H2. Dopo circa 28 giorni, tutta la parte di fibra esposta risulta corrosa e i prodotti della corrosione si ritrovano depositati sul fondo del becker;

-in ambiente circa neutro (acqua di rete, pH ~7,6), l’intensità di corrente cresce lentamente, sino a stabilizzarsi dopo circa 90 giorni. Dopo l’attacco iniziale si ha la formazione di una pellicola di ossido e idrossido, compatta, che rallenta la corrosione fino a bloccarla;

-in ambiente basico, ottenuto ponendo in soluzione cemento Portland, la corrosione progredisce per i primi 40 giorni in modo simile al caso precedente, per poi raggiungere più rapidamente uno stato stabile, con una severità e diffusione inferiori. Questa è la situazione che si verifica all’interno del misto cementato.

Figura 6.8 – Evoluzione dellacorrosione delle fibre in soluzioni a differente PH

La forte basicità dell’ambiente creato all’interno del misto cementato si mantiene immutata per periodi anche molto prolungati, stante le notevoli quantità di Ca(OH)2 liberata dall’ idratazione dei composti del clinker C2S e C3S, e presente nella massa di legante indurito. Le letture fino a circa 60 giorni indicano una crescita della intensità di corrente di corrosione; superato questo periodo di tempo, il fenomeno si stabilizza; proseguendo nel grafico appare chiaro come si verifichi l’arresto del processo corrosivo. In queste condizioni, l’estrapolazione della curva sperimentale consente di stimare una profondità di corrosione di circa 0.15 mm dopo 50 anni si esposizione delle fibre a pH 10. Il tempo si riduce a 4/5 anni in ambiente a pH 7. Tra le differenti miscele studiate non è stata individuata alcuna con prestazioni superiori, tali da avere migliori caratteristiche protettive della fibra d’acciaio. In

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altri termini non si riscontrano significative correlazioni tra la composizione granulometrica e di legante della miscela e la corrosione delle fibre.

6.1.4 Conclusioni

I risultati della ricerca mostrano come le prestazioni dei misti cementati possono essere fortemente migliorate con l’impiego di fibre metalliche. Le funzioni della fibra sono molteplici: incremento della duttilità del misto cementato e dell’allungamento a rottura; ridistribuzione delle sollecitazioni all’interno del materiale; limitazione dell’apertura delle fessure; incremento della vita utile a fatica; limitazione della fessurazione igrotermica iniziale durante il getto e la maturazione.

In particolare è stato dimostrato l’aumento della duttilità in funzione del tenore di fibra. Il lavoro di ricerca viene attualmente esteso con lo sviluppo di un modello di analisi della vita a fatica del misto cementato, in analogia con alcuni modelli comportamentali sviluppati sui calcestruzzi in trazione. La metodologia consentirà di tracciare la curva di fatica di un determinato materiale sulla base della relazione tensione-deformazione ottenuta da una prova a trazione indiretta, tracciando l’evoluzione del comportamento isteretico e della rigidezza fino al cedimento.

La diffusione dei misti cementati fibrorinforzati è stata fortemente condizionata dal rischio di una potenziale corrosione delle fibre. Le sperimentazioni condotte in laboratorio e in situ tuttavia mostrano un’inaspettata integrità delle fibre imputabile alla protezione derivante dall’ambiente fortemente basico creato dalla presenza del legante idraulico. Le analisi chimiche in laboratorio mostrano come in questa situazione la fibra subisce un attacco iniziale con la formazione di una pellicola di ossido e idrossido, compatta, che rallenta la corrosione fino a bloccarla in tempi rapidi.

Anche le carote estratte nel tronco sperimentale evidenziano la presenza di fibre ancora integre, dopo oltre 2 anni dalla stesa del misto cementato. Ulteriore limite alla diffusione di misti cementati fibrorinforzati è rappresentato dal costo elevato. Questo può essere in parte superato con il ricorso a fibre di caratteristiche meccaniche minime, poiché esse non incidono sulle prestazioni finali del materiale composito e riducendo i dosaggi di fibra al di sotto del 1% in peso, senza comprometterne sensibilmente i benefici osservati. Infine, la diffusione della tecnologia passa attraverso la standardizzazione del metodo di prova e il miglioramento delle attuali tecniche di dispersione e miscelazione delle fibre all’interno del misto cementato.

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6.2 Indagine sperimentale sull’impiego dei materiali di riciclo nella confezione di misti