Pre-polarizzazione catodica delle armature

L’aggiunta di cloruri al getto, tuttavia, può determinare un innesco immediato della corrosione, oppure prevenire la passivazione delle armature. Per comprendere cosa succede in seguito al getto di un calcestruzzo contenente cloruri si può analizzare la variazione del potenziale delle armature nel tempo. La Fig.3.10 mostra, a titolo di esempio, la variazione del potenziale durante la stagionatura di alcuni provini in calcestruzzo confezionati con diversi tenori di cloruri aggiunti in

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fase di getto; tutti i provini sono stati confezionati con la miscela di calcestruzzo (b) mostrata in Tab.3.03.

Fig.3.10 - Variazione del potenziale delle armature inglobate in calcestruzzi confezionati con cloruri aggiunti nel getto durante la stagionatura dei provini.

Nei provini senza cloruri aggiunti in fase di getto (0%), durante la stagionatura del calcestruzzo le armature si passivano e il loro potenziale rimane costantemente pari a un valore compreso tra -250 e -300 mV rispetto all’elettrodo di riferimento di titanio attivato inglobato nel getto (vedi Fig.3.03). Tale elettrodo, indicato nel seguito del testo mediante la sigla MMO, ha un potenziale pari a circa - 100 mV vs SCE, sebbene tali elettrodi mostrino una variabilità di circa ± 30 mV.

Nei provini con 1% di cloruri aggiunti, il potenziale diminuisce nelle prime ore dopo al getto, fino a raggiungere valori compresi tra -400 e -500 mV vs MMO. Dal momento che il contenuto di cloruri aggiunti non è elevato, uno dei provini mostrati in Fig.3.10 riesce comunque a passivarsi durante la stagionatura del calcestruzzo: infatti, al termine della stagionatura, esso ha un potenziale superiore a -300 mV vs MMO e una velocità di corrosione (stimata mediante resistenza di polarizzazione lineare) inferiore a 2 mA/m2. Tuttavia, l’altro provino con 1% di cloruri aggiunti non riesce a passivarsi e, al termine della stagionatura, esso ha un potenziale pari a -450 mV vs MMO e una velocità di corrosione pari a 8 mA/m2.

Nei provini confezionati con 3 e 5% di cloruri aggiunti in fase di getto le armature non riescono a passivarsi e, al termine della stagionatura del calcestruzzo, esse hanno un potenziale compreso tra -

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450 e -500 mV vs MMO. La velocità di corrosione delle armature è pari 5-6 mA/m2 per i provini con 3% di cloruri e pari a 40-50 mA/m2 per i provini con 5% di cloruri.

Un requisito fondamentale della metodologia di prova proposta è che, al termine della stagionatura, l’acciaio sia passivo, così che l’innesco della corrosione avvenga solo nella successiva fase di polarizzazione anodica a gradini. Il diagramma di Pedeferri mostrato nel Paragrafo 1.2 mostra che, per prevenire l’innesco della corrosione in calcestruzzo contenente cloruri, è possibile imporre un potenziale sufficientemente basso alle armature (come avviene nella tecnica della prevenzione catodica). Per analogia con questa tecnica, si è deciso di applicare una polarizzazione catodica alle armature; nel caso specifico, tuttavia, le armature vengono a contatto con il calcestruzzo contaminato da cloruri prima che si siano potute passivare. A differenza della tecnica della prevenzione catodica tradizionale, quindi, è necessario verificare quale polarizzazione catodica è necessaria per consentire non solo di mantenere, ma anche di promuovere la passivazione.

L’abbassamento del potenziale può essere applicato tramite un potenziostato, ossia uno strumento in grado di fissare e mantenere costante il valore del potenziale. L’utilizzo di questo approccio per portare l’acciaio in condizioni di protezione durante la stagionatura dei provini è stato definito pre-

polarizzazione potenziostatica.

In alternativa, i provini possono essere polarizzati mediante un galvanostato, ossia uno strumento che applica alle armature una densità di corrente costante nel tempo. Questa corrente provoca la polarizzazione dell’acciaio e anche questo approccio, definito pre-polarizzazione galvanostatica, può essere utilizzato per abbassare il potenziale dell’acciaio durante la stagionatura dei provini. In questo paragrafo sono presentati e discussi i risultati ottenuti applicando entrambi gli approcci. In particolare sono valutati due aspetti degli approcci analizzati:

- la pre-polarizzazione deve essere uno strumento efficace, che permetta alle armature di tutti i provini di passivarsi, indipendentemente dal tenore di cloruri aggiunti nel getto;

- la pre-polarizzazione non deve provocare una significativa alterazione dell’interfaccia acciaio- calcestruzzo.

Pre-polarizzazione potenziostatica. La pre-polarizzazione potenziostatica è stata studiata su una

serie di 6 provini in malta con 1% di cloruri aggiunti nel getto. La composizione della malta è mostrata in Tab.3.02 e la forma dei provini è illustrata in Fig.3.03. Le armature dei provini sono state collegate a un potenziostato; come elettrodo di riferimento per la misura del potenziale è stato utilizzato il filo di titanio attivato (MMO) inglobato nella malta e come controelettrodo è stata utilizzata la rete di titanio attivato (vedi Fig.3.03). La pre-polarizzazione è cominciata dopo 30

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minuti dal getto della malta all’interno dei casseri; ossia il tempo necessario per vibrare la malta e collegare le armature al potenziostato.

Il parametro da definire con questa prova è il potenziale da imporre alle armature per raggiungere le condizioni di protezione e, quindi, per permettere all’acciaio di passivarsi; per questo motivo, il potenziale delle armature è stato abbassato progressivamente. La Fig.3.11 mostra la densità di corrente applicata alle armature, in funzione del potenziale imposto all’acciaio: affinché le armature siano protette, è necessario che la corrente applicata sia catodica (ossia di segno negativo).

Fig.3.11 - Densità di corrente applicata alle armature pre-polarizzate con modalità potenziostatica, in funzione del potenziale imposto all’acciaio.

Inizialmente alle armature è stato imposto un valore di tentativo, pari a -300 mV vs MMO, tuttavia la Fig.12 mostra che, in questo caso, la corrente applicata alle armature è di segno anodico. Dunque, il potenziale applicato alle armature è stato abbassato fino a -600 mV vs SCE, ma anche in questo caso solo a 2 dei 6 provini è applicata una corrente catodica. Il potenziale applicato alle armature è stato ulteriormente abbassato fino a -800 mV vs MMO e, in questo caso, tutte le armature sono state polarizzate con una densità di corrente catodica variabile tra 5 e 113 mA/m2; questo potenziale è stato mantenuto costante per tutta la durata della stagionatura.

Sebbene inizialmente all’inizio della stagionatura il massimo valore della densità di corrente catodica applicata alle armature sia circa 100 mA/m2, nel corso della stagionatura la densità di corrente varia nel tempo; la variazione della densità di corrente è mostrata in Fig.3.12 (nelle Fig.3.11 e 3.12, a simbolo uguale corrisponde provino uguale). La figura mostra che la densità di

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corrente tende ad aumentare nel corso della stagionatura: nella maggior parte dei provini essa varia tra 200 e 400 mA/m2, tuttavia in un provino essa aumenta fino a quasi 800 mA/m2.

Fig.3.12 - Variazione della densità di corrente applicata alle armature nel corso della stagionatura.

Questa prova ha permesso di mettere in luce diversi punti critici della pre-polarizzazione potenziostatica:

- la densità di corrente applicata alle armature è elevata e in alcuni casi può raggiungere un valore prossimo a 800 mA/m2. Questo fatto potrebbe determinare variazioni microstrutturali (ossia una maggiore porosità) e chimiche (ossia la riduzione del contenuto di cloruri e un aumento degli ioni OH-) sulla superficie delle armature, alterando così le condizioni di passivazione delle armature; - dal momento che la densità di corrente applicata alle armature è molto variabile (probabilmente anche a causa del fatto che l’elettrodo di riferimento di titanio attivato utilizzato non è perfettamente stabile, ma può variare di qualche decina di milliVolt), l’alterazione delle condizioni di passivazione potrebbe essere significativamente diversa in una stessa serie di provini, i quali non sarebbero più confrontabili tra loro.

Pre-polarizzazione galvanostatica. Visti i problemi connessi con l’utilizzo di una pre-

polarizzazione potenziostatica, si è deciso di passare a una modalità di pre-polarizzazione galvanostatica, nella quale tutti i provini ricevono la stessa densità di corrente. Nel caso di pre- polarizzazione galvanostatica il parametro da determinare è la densità di corrente che permette di portare l’acciaio in condizioni di protezione.

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Inizialmente è stata effettuata una prova su una serie di 9 provini in malta con 3% di cloruri aggiunti nel getto. Tramite un galvanostato, a 8 provini è stata applicata una densità di corrente catodica costante, pari a 10 mA/m2; al provino numero 9 non è stata applicata alcuna corrente, per poter confrontare il comportamento dell’acciaio pre-polarizzato con quello dell’acciaio non pre- polarizzato. La Fig.3.13 mostra il potenziale dell’acciaio durante la stagionatura dei provini: il potenziale delle armature tende a diminuire nelle prime 3 ore dopo al getto, fino a raggiungere un valore compreso tra -0.54 e -0.48 V vs MMO. In seguito, al procedere della stagionatura, il potenziale aumenta nel tempo, fino a raggiungere un valore compreso tra -0.42 e -0.37 V vs MMO. La figura mostra che il potenziale assunto dai provini pre-polarizzati è sempre confrontabile con quello del provino non pre-polarizzato, dunque la densità di corrente applicata ai provini pre- polarizzati non ha avuto alcun effetto sul potenziale dell’acciaio inglobato nella malta. Di conseguenza, questa modalità di pre-polarizzazione è stata inefficace nel prevenire l’innesco della corrosione durante la stagionatura dei provini; infatti, al termine della stagionatura, i provini sottoposti a prova potenziostatica a gradini hanno mostrato un comportamento elettrochimico tipico dell’acciaio attivo. Di conseguenza, si è deciso di aumentare di un ordine di grandezza la densità di corrente catodica applicata alle armature durante la stagionatura dei provini (da 10 a 100 mA/m2).

Fig.3.13 - Potenziale dell’acciaio in provini pre-polarizzati con una densità di corrente pari a 10 mA/m2 (P1 → P8) e in un provino non pre-polarizzato (P9).

La modalità di pre-polarizzazione galvanostatica con una densità di corrente pari a 100 mA/m2 è stata studiata su una serie di 10 provini in calcestruzzo con 3% di cloruri aggiunti nel getto, dei

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quali 8 sono stati sottoposti a pre-polarizzazione e 2 non sono stati pre-polarizzati (per poter confrontare il comportamento dell’acciaio pre-polarizzato e non pre-polarizzato). La Fig.3.14 mostra il potenziale dell’acciaio durante la stagionatura dei provini: inizialmente tutte le armature hanno un potenziale simile, pari a circa -400 mV vs MMO. Nelle prime ore dopo al getto, mentre il potenziale delle armature non pre-polarizzate diminuisce fino a circa -500 mV vs MMO, il potenziale delle armature polarizzate diminuisce significativamente fino a un valore compreso tra - 900 e -1000 mV vs MMO. Dopo circa un giorno dal getto il potenziale delle armature aumenta e, al termine della stagionatura, esso ha un valore compreso tra -600 e -500 mV vs MMO (ossia inferiore rispetto a quello delle armature dei provini non pre-polarizzati).

Fig.3.14 - Potenziale dell’acciaio in provini pre-polarizzati con una densità di corrente pari a 100 mA/m2 (P1 → P8) e in 2 provini non pre-polarizzati (P9-P10).

Questa modalità di applicazione della pre-polarizzazione si è dimostrata efficace nell’evitare che l’aggiunta di cloruri in fase di getto provochi l’innesco della corrosione durante la stagionatura dei provini in calcestruzzo armato; infatti, come sarà descritto nel Paragrafo 3.3.4, al termine della stagionatura le armature di questi provini hanno mostrato un comportamento elettrochimico tipico dell’acciaio passivo.

Oltre ad essere efficace, la modalità di pre-polarizzazione galvanostatica con densità di corrente di 100 mA/m2 non presenta i punti critici che erano stati riscontrati con la pre-polarizzazione potenziostatica:

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- salvo un periodo iniziale della durata di circa un giorno (durante il quale il potenziale applicato alle armature può scendere fino a -1000 mV vs MMO), durante la stagionatura dei provini il potenziale applicato alle armature è compreso tra -500 e -600 mV vs MMO;

- l’effetto della densità di corrente applicata è simile in tutti i provini soggetti a pre-polarizzazione, dunque non esistono significative differenze tra i provini di una stessa serie;

- per quanto riguarda la possibile migrazione dei cloruri provocata dalla corrente applicata alle armature, questo aspetto è analizzato nel dettaglio nel Paragrafo 3.3.6.

Sulla base dei risultati presentati in questo paragrafo, per portare l’acciaio in condizioni di protezione (e quindi permettere all’acciaio di passivarsi) è stata scelta la modalità di pre- polarizzazione galvanostatica con densità di corrente 100 mA/m2. Questa modalità è stata applicata con successo a tutte le prove che hanno permesso di tracciare il diagramma di Pedeferri, anche in presenza di tenori di cloruri elevati (fino a 5% rispetto alla massa di cemento).