Prove elettrochimiche sulle barre

Tra le prove elettrochimiche esistenti la nostra attenzione si è soffermata sulla misura del potenziale delle armature in condizioni di corrosione, sulla mappatura del potenziale realizzata lungo la direzione delle barre, sulla misura della resistività e sulla valutazione della velocità di corrosione delle armature.

Misure del potenziale di corrosione: la misura del potenziale è una tecnica che

consente di monitorare il potenziale cui volge spontaneamente un metallo a contatto con una soluzione. Il metallo, cui si vuole misurare il potenziale, è collegato al polo positivo di un voltmetro ad alta impedenza, mentre l’elettrodo di riferimento è collegato al polo negativo. Il circuito si chiude attraverso l’ambiente. La tensione letta dal voltmetro rappresenta il potenziale del metallo misurato rispetto all’elettrodo di riferimento. Solitamente la misura è eseguita utilizzando un elettrodo di riferimento al calomelano saturo (SCE), il cui potenziale è +244 mV rispetto all’elettrodo standard ad idrogeno (Standard Hydrogen Electrode). Tale tecnica consente di individuare, prima che il danno diventi evidente, le zone in cui le armature sono prossime al fenomeno di innesco della corrosione, o hanno già iniziato il processo di degrado e quelle invece in cui l’attacco è da escludere. In situ la misura si esegue rilevando il potenziale delle armature rispetto a un elettrodo di riferimento posto a contatto con la superficie del calcestruzzo, tramite una spugna imbevuta di acqua e con elettrodo al rame solfato di rame.

Mappatura del potenziale: spesso è eseguita una “mappatura di potenziale” che

consiste nel rilevare il valore del potenziale delle barre lungo la loro estensione longitudinale e nella rappresentazione dei valori secondo scale cromatiche in relazione al valore rilevato.

Figura 13: rappresentazione schematica della metodologia di misura del potenziale di armature e della mappatura.

Per la misura del potenziale sulle strutture in calcestruzzo armato l’elettrodo di riferimento più utilizzato è l’elettrodo rame/solfato di rame saturo (Cu/CuSO₄). Questo elettrodo è costituito da una barretta di rame immersa in una soluzione satura di solfato di rame; il contatto elettrolitico con l’ambiente esterno avviene attraverso un setto poroso, di legno o materiale ceramico; il suo potenziale è di +318 mV rispetto all’elettrodo ad idrogeno (SHE). Il potenziale delle armature dipende dalle loro condizioni di corrosione. In particolare le armature in condizioni di passività, almeno in calcestruzzo aerato, presentano valori di potenziale di corrosione libera molto più elevati rispetto alle armature che si corrodono. L’interpretazione delle misure deve essere eseguita con cautela, in quanto, ad uno stesso valore di potenziale possono corrispondere condizioni di corrosione diverse, in funzione anche del contenuto di umidità e di cloruri nel calcestruzzo. In presenza di armature passive in calcestruzzo esposto all’atmosfera si misurano potenziali compresi tra +100 e -200 mV rispetto all’elettrodo Cu/CuSO4.

Quando il calcestruzzo è saturo d’acqua (o comunque in qualsiasi altra condizione di ridotto ossigeno) sulle armature passive si misurano potenziali tanto più negativi quanto più è ridotto l’apporto di ossigeno; da valori di -400/-700 mV Cu/CuSO4 si possono raggiungere valori inferiori anche a -800 mV in totale assenza di ossigeno. Nei casi in cui la corrosione è causata della presenza di cloruri, il potenziale si porta a -400/-700 mV vs Cu/CuSO4 nelle aree che si corrodono ed a -200/-300 mV vs Cu/CuSO4 nelle aree passive circostanti. La mappatura del potenziale, a differenza delle misure puntuali, permette di individuare in modo completo le aree di probabile corrosione. >-500 >-585 >-625 >-670 >-710 >-755 m ₀.1⁵ 0 .3 0 0 .4 5 0 .6 0 0 .7 5 0.05 >-625 >-625 >-625 >-625 >-585 0.15 >-625 >-670 >-670 >-625 >-625 0.25 >-625 >-625 >-625 >-670 >-625

Figura 14: tipici intervalli di variazione del potenziale delle armature di acciaio al carbonio in calcestruzzo

Gli intervalli di potenziale riportati in Figura 14 si riferiscono ad armature in acciaio al carbonio in condizioni di libera corrosione, cioè in assenza di fattori esterni in grado di modificare il loro potenziale. Non sono pertanto applicabili a strutture in calcestruzzo contenente inibitori di corrosione o armate con barre zincate o in acciaio inossidabile o a strutture esposte a campi elettrici che provocano scambi di corrente tra armatura e calcestruzzo.

Misure di resistività: avvenuta la de passivazione delle armature, la loro velocità

di corrosione può essere correlata alla resistività del calcestruzzo. I criteri empirici proposti per la stima della velocità di corrosione di una barra sulla base del valore della resistività del calcestruzzo non hanno validità generale. Non valgono, ad esempio, per le armature passive, cioè nel periodo di innesco della corrosione, quando le armature non si corrodono anche se il calcestruzzo è umido e, quindi, la sua resistività è bassa. Si può assumere che nel periodo di propagazione la velocità di corrosione sia trascurabile per resistività maggiore di 1000 Ωm, bassa per 1000-500 Ωm, moderata per 500-100 Ωm ed alta per resistività minore di 100 Ωm. La misura di resistività è utile soprattutto per individuare, all’interno di una struttura, le zone di maggiore corrosione oppure per valutare le variazioni subite dal calcestruzzo nel tempo (ad esempio la penetrazione dei cloruri o la carbonatazione).

Figura 15: disposizione degli elettrodi di acciaio.

La misura di resistività elettrica può essere eseguita dalla superficie della struttura mediante il metodo cosiddetto dei “quattro elettrodi”, o di Wenner. Una corrente di alimentazione, I, è fatta circolare tra l’elettrodo di riferimento (REF) ed il contro-elettrodo (CE), posizionati tra le armature, come mostrati in Figura 15; si rileva poi la differenza di potenziale, E, presente tra i due elettrodi, immersi nel campione in fase di realizzazione. Il rapporto, E/I, consente di ricavare il valore della resistività, a meno di un fattore geometrico che dipende dalla distanza tra gli elettrodi.

Misure di polarizzazione lineare: per la misura della velocità di corrosione

possono essere utilizzati dei metodi elettrochimici (quali ad esempio la misura di polarizzazione lineare) che, con una leggera alterazione delle condizioni di corrosione del metallo attraverso l’applicazione di una corrente esterna, consente di risalire alla velocità di corrosione dell’armatura, senza modificare significativamente il suo potenziale. Questo metodo prevede l’impiego di tre elettrodi: oltre al metallo che si vuole valutare (elettrodo di lavoro, W=working) e all’elettrodo di riferimento (RE=Reference Electrode), si usa un contro-elettrodo (CE=Counter Electrode) che ha la funzione di erogare corrente durante la prova, per polarizzare catodicamente o anodicamente il metallo sotto esame (Figura 16).

Per erogare la corrente si utilizza un potenziostato che, grazie ad un circuito di retroazione, è in grado di imporre un determinato potenziale al metallo, facendo circolare la corrente necessaria per polarizzarlo a tale valore. La prova prevede di polarizzare il metallo in un intervallo molto piccolo (±10 mV) nell’intorno del suo potenziale di corrosione libera.

In questa zona il legame tra potenziale, E, e corrente esterna, iesterna, è pressoché lineare. In base alla teoria formulata da Stern e Geary [27], la pendenza della retta che

lega E ed i nell’intorno di Ecorr (detta resistenza di polarizzazione, Rp, Ωm²) è inversamente proporzionale alla velocità di corrosione [mA/m²] secondo l’equazione:

݅௖௢௥௥ ൌ_ோ^஻

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La costante B [mV] è caratteristica di ogni accoppiamento materiale-ambiente, e può essere in prima approssimazione assunta pari a 26 mV per le armature nel calcestruzzo. Sapendo che per il ferro, ad una densità di corrente nella regione anodica pari a 1,00 mA/m², corrisponde una velocità di corrosione di 1,17 μm/anno, dal valore di i_corr si può ricavare una velocità di penetrazione media della corrosione. Questi valori di velocità sono indicativi e sono da intendersi come valori medi sull’intera superficie dell’armatura analizzata.