Prova potenziostatica a gradin

Per poter tracciare il diagramma di Pedeferri è stato applicato l’approccio mostrato schematicamente in Fig.3.01: i provini in calcestruzzo armato (che durante la stagionatura del calcestruzzo sono stati mantenuti in condizione di passività mediante l’applicazione della pre- polarizzazione) sono stati sottoposti a prova potenziostatica a gradini. Questa prova è consistita nell’applicazione di gradini di potenziale di durata prefissata e di ampiezza costante.

L’ampiezza e la durata dei gradini di potenziale possono influire su vari aspetti della prova potenziostatica a gradini, ossia:

1) banalmente, sulla durata della prova. Infatti, l’applicazione di gradini di potenziale più ampi e di durata minore consente di ridurre significativamente la durata della prova. Indicativamente, applicando gradini di potenziale di 50 mV ogni ora, la durata della prova è al massimo di 3-4 giorni; applicando gradini di potenziale di 50 mV ogni 24 ore, la durata della prova può essere superiore a un mese (ovviamente questi dati sono puramente indicativi, perché la durata della prova dipende anche dal tenore di cloruri aggiunti nel calcestruzzo; infatti i provini confezionati con un maggiore tenore di cloruri si innescano prima di quelli confezionati con un tenore di cloruri inferiore);

2) sulla accuratezza con cui può essere tracciato il diagramma di Pedeferri. Infatti, facendo riferimento alla Fig.3.01, è evidente che utilizzando gradini di ampiezza minore (ossia intervalli di potenziale più piccoli) è possibile stimare meglio il valore del potenziale che provoca l’innesco della corrosione. Viceversa, utilizzando gradini di ampiezza maggiore non è possibile stimare con precisione il valore di Epit;

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3) sulla densità di corrente applicata ai provini. Questo fatto è importante perché, come è stato analizzato nel Paragrafo 3.1.2, nelle prove potenziostatiche la densità di corrente applicata ai provini è il parametro che permette di identificare l’innesco della corrosione. Di conseguenza, al variare della durata dei gradini di potenziale è necessario modificare il criterio utilizzato per identificare l’innesco della corrosione;

4) sul potenziale in corrispondenza del quale avviene l’innesco della corrosione.

In questo paragrafo sono presentati, a titolo di esempio, i risultati di una prova effettuata con gradini di potenziale di 24 ore e di una prova effettuata con gradini di potenziale di un’ora. Tramite questi grafici è possibile analizzare i primi 3 punti, che riguardano gli aspetti operativi della prova (ossia la durata della prova e il criterio per identificare l’innesco della corrosione); il punto 4, invece, non può essere analizzato considerando due singoli risultati, ma è necessario che sia analizzato considerando l’esito di tutte le prove effettuate; dunque, tale aspetto non è discusso in questo paragrafo, ma nel Paragrafo 3.4.1. Tutte le prove mostrate in questo paragrafo sono state effettuate su provini confezionati con la miscela di calcestruzzo (b) riportata in Tab.3.03.

Per quanto riguarda l’ampiezza dei gradini di potenziale, è stato scelto un valore di 50 mV. Infatti, come sarà mostrato nel Paragrafo 3.4.1, tale ampiezza permette di stimare il valore del potenziale in corrispondenza del quale si innesca la corrosione con una accuratezza sufficiente a studiare la variabilità dei risultati. Sebbene siano state effettuate prove preliminari anche con una ampiezza maggiore, pari a 100 mV, tali prove non avrebbero permesso di studiare la variabilità dei risultati. Per studiare l’effetto della durata dei gradini di potenziale, sono state effettuate prove con gradini applicati ogni 24 ore e ogni ora. A titolo di esempio, le Fig.3.15 e 3.16 riportano il potenziale (linea tratteggiata) e la densità di corrente (linea continua) applicati all’acciaio in funzione del tempo. (La prova potenziostatica a gradini è cominciata a 7 giorni dal getto, dunque nei grafici t0 = 7 giorni.)

La Fig.3.15 mostra, a titolo di esempio, l’esito di una delle prove effettuate con gradini di 50 mV ogni 24 ore. Il potenziale è stato incrementato di 50 mV ogni giorno, tranne nei fine settimana durante i quali il potenziale è stato mantenuto costante. In seguito all’applicazione di ogni incremento di potenziale, la densità di corrente applicata all’acciaio aumenta istantaneamente di qualche decina di mA/m2; nel periodo di tempo durante il quale il potenziale è mantenuto costante la densità di corrente applicata all’acciaio tende a diminuire e, dopo 24 ore dall’applicazione dell’incremento di potenziale, essa assume un valore pressoché stabile nel tempo. La Fig.3.15 mostra che la densità di corrente ha subìto un incremento netto e improvviso (non provocato da alcuna variazione del potenziale imposto all’acciaio) nel periodo di tempo durante il quale il potenziale è stato mantenuto a +50 mV rispetto all’elettrodo ad argento-argento cloruro utilizzato come elettrodo di riferimento per effettuare la prova potenziostatica. (Tale elettrodo è indicato con

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la sigla AAC ed ha un potenziale pari a -45 mV vs SCE) Tale incremento è indice dell’avvenuto innesco della corrosione.

Fig.3.15 - Potenziale (linea tratteggiata) e densità di corrente (linea continua) applicati all’acciaio durante una prova potenziostatica a gradini di 50 mV ogni 24 ore.

Fig.3.16 - Potenziale (linea tratteggiata) e densità di corrente (linea continua) applicati all’acciaio durante una prova potenziostatica a gradini di 50 mV ogni ora.

La Fig.3.16 mostra, a titolo di esempio, l’esito di una delle prove effettuate con gradini di 50 mV applicati ogni ora. La figura mostra alcune analogie e alcune differenze rispetto alla Fig.3.15:

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innanzitutto, a differenza del caso precedente, in questo caso gli incrementi di potenziale sono frequenti e la densità di corrente applicata alle armature non può stabilizzarsi nel tempo. Dunque, la densità di corrente rimane sempre superiore rispetto al caso precedente. Questo fatto causa alcune differenze rispetto al caso precedente, che saranno analizzate nel seguito di questo paragrafo.

Le Fig.3.15 e 3.16 mostrano che la prova con gradini di potenziale di 24 ore è durata oltre 2 settimane (dal momento dell’inizio della prova potenziostatica a gradini), mentre la prova con gradini di potenziale di un’ora è durata meno di un giorno. Per questo motivo, le prove con gradini di 24 ore sono state definite prove di lunga durata, mentre le prove con gradini di un’ora sono state definite prove di breve durata.

Le Fig.3.17 e 3.18 mostrano le curve di polarizzazione ottenute mediante le prove descritte nelle Fig.3.15 e 3.16. Le curve sono state costruite selezionando i valori di densità di corrente applicati alle armature al termine di ogni gradino di potenziale (ossia subito prima dell’applicazione dell’incremento di potenziale successivo). La Fig.3.17 fa riferimento alla prova di lunga durata: la figura mostra che, per potenziali inferiori a -200 mV vs AAC, la densità di corrente tende a stabilizzarsi su valori negativi (gli indicatori bianchi in Fig.3.17), dunque l’acciaio è polarizzato catodicamente. La curva di polarizzazione catodica dell’acciaio termina in corrispondenza del potenziale -200 mV vs AAC, dunque è possibile stimare che il potenziale di libera corrosione dell’acciaio sia compreso tra -200 e -150 mV vs AAC.

Fig.3.17 - Curva di polarizzazione catodica (indicatori bianchi) e anodica (indicatori neri) dell’acciaio durante una prova potenziostatica con gradini di 50 mV ogni 24 ore.

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Fig.3.18 - Curva di polarizzazione catodica (indicatori bianchi) e anodica (indicatori neri) dell’acciaio durante una prova potenziostatica con gradini di 50 mV ogni ora.

Per valori di potenziale superiori a -200 mV vs AAC la densità di corrente si stabilizza su un valore anodico (gli indicatori neri in Fig.3.17). La figura mostra che, per i valori di potenziale compresi tra -150 e 0 mV vs AAC, la densità di corrente applicata alle armature è inferiore a 1 mA/m2 e si mantiene pressoché costante, indipendentemente dal potenziale imposto all’acciaio. Questo comportamento è tipico dell’acciaio passivo. Quando all’armatura è applicato il potenziale +50 mV vs AAC, la densità di corrente aumenta di oltre 3 ordini di grandezza e questo comportamento indica l’innesco della corrosione dell’acciaio. Come mostrato in Fig.3.17, nelle prove di lunga durata come criterio per l’identificazione dell’innesco della corrosione può essere assunto il superamento di una densità di corrente limite, pari a 1 mA/m2.

La Fig.3.18 fa riferimento alla prova di breve durata e presenta alcune differenze rispetto alla curva di polarizzazione mostrata in Fig.3.17: rispetto al caso precedente, il comportamento dell’acciaio passa da catodico ad anodico in corrispondenza di un potenziale inferiore, compreso tra -300 e -250 mV vs AAC. Per valori di potenziale superiori a -300 mV vs AAC l’acciaio è polarizzato anodicamente ed esso si mantiene passivo fino a -150 mV vs AAC. Tuttavia, rispetto alla curva di polarizzazione anodica mostrata in Fig.3.17, la densità di corrente applicata alle armature non rimane costante, ma aumenta all’aumentare del potenziale dell’acciaio. Inoltre, in Fig.3.18 si osserva che la densità di corrente applicata alle armature può essere significativamente superiore a 1 mA/m2. Questi fenomeni fanno sì che, nelle prove di breve durata, l’identificazione dell’innesco della corrosione sia più difficile che nelle prove di lunga durata.

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Analizzando i risultati di tutte le prove di breve durata effettuate, sono stati sviluppati i seguenti criteri: l’identificazione dell’innesco può essere effettuata analizzando le Fig.3.16 e 3.18. Nelle prove di breve durata (ossia nelle prove con gradini di potenziale applicati ogni ora) l’acciaio si mantiene passivo se la densità di corrente applicata diminuisce nel tempo (come mostrato in Fig.3.16 per i potenziali inferiori a -100 mV vs AAC) e se, prima dell’applicazione dell’incremento di potenziale successivo, essa è inferiore a 10 mA/m2; viceversa, l’innesco della corrosione è avvenuto se la densità di corrente applicata all’acciaio aumenta nel tempo (come mostrato in Fig.3.16 per il potenziale -100 mV vs AAC) e se avviene il superamento del valore limite di 10 mA/m2.