Sviluppo di macrocoppie in una struttura parzialmente immersa in acqua di mare

Fase di innesco della corrosione. In questo paragrafo sono presentati i risultati del modello con cui

è stata simulata la macrocoppia che si forma tra le armature passive nella parte di struttura esposta all’acqua di mare e le armature passive nella parte di struttura esposta all’aria. La Fig.2.10 mostra il potenziale delle armature (in ascissa) rispetto all’altezza della struttura sul livello medio del mare (in ordinata) in condizione di alta marea (il livello del mare è pari a +0.5 m rispetto al livello medio ed è indicato dalla linea azzurra). Le linee tratteggiate mostrano il potenziale di libera corrosione delle armature (ossia il potenziale che l’acciaio assumerebbe se non fosse presente la macrocoppia) e le linee continue mostrano come varia il potenziale per effetto della macrocoppia. Le linee rosse mostrano il potenziale delle armature nel lato esterno della struttura (ossia il lato parzialmente immerso in acqua di mare) e le linee nere mostrano il potenziale delle armature nel lato interno della struttura (ossia il lato completamente asciutto).

Il grafico mostra che, in presenza della macrocoppia, il potenziale delle armature nelle zone immersa, delle maree e degli spruzzi assume un valore pressoché uniforme, pari a -0.14 V vs SCE; invece, nella zona esposta all’atmosfera, il potenziale delle armature aumenta progressivamente all’aumentare della altezza della struttura sul livello del mare, fino a portarsi a -0.11 V vs SCE. È possibile osservare che, nella porzione di struttura immersa in acqua di mare, il potenziale delle armature aumenta di oltre 300 mV rispetto alla condizione di libera corrosione (come indicato dalla freccia rossa sotto il livello del mare). Dal momento che, come è stato presentato nel Capitolo 1, un aumento del potenziale delle armature favorisce l’innesco della corrosione per pitting, nella zona immersa della struttura l’acciaio si trova in una condizione molto più critica per quanto riguarda l’innesco della corrosione (rispetto alla condizione in cui si troverebbe se tutte le superfici della struttura fossero immerse in acqua di mare e, dunque, non fosse presente la macrocoppia).

Per completezza, in Fig.2.10 è riportato anche il potenziale delle armature nel lato interno della struttura, sebbene esse non siano direttamente esposte ad ambiente marino, dunque difficilmente possano essere soggette a corrosione da cloruri. È possibile osservare che esso diminuisce rispetto

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alla condizione di libera corrosione e si porta a un valore pressoché uguale al potenziale delle armature nel lato esterno della struttura; infatti, la differenza di potenziale tra i due lati della struttura è sempre inferiore a 0.01 V.

La simulazione relativa alla fase di innesco della corrosione è stata ripetuta in condizione di bassa marea (ossia con il livello dell’acqua pari a -0.5 m rispetto al livello medio del mare); è stato così possibile determinare che, in questa fase, il potenziale delle armature non varia significativamente al variare del livello della marea. La differenza tra il potenziale in condizioni di alta e di bassa marea è sempre inferiore a 0.01 V, dunque si omette di riportare il grafico relativo a questa simulazione.

Il principale risultato di questa simulazione è che, sebbene il potenziale di libera corrosione delle armature possa variare significativamente in funzione dell’ambiente di esposizione, tuttavia in presenza della macrocoppia il potenziale delle armature assume un valore pressoché omogeneo nelle diverse zone della struttura, variabile tra -0.14 e -0.11 V vs SCE. Dal momento che, come è stato presentato nel Capitolo 1, il tenore critico di cloruri che provoca l’innesco della corrosione dipende dal potenziale dell’acciaio, è possibile ipotizzare che il valore di questo parametro sia simile nelle diverse zone della struttura. Di conseguenza, in questa struttura la corrosione può innescarsi nelle zone in cui la penetrazione dei cloruri nel calcestruzzo è più veloce.

Fig.2.10 - Distribuzione del potenziale elettrochimico nella struttura simulata nella fase di innesco della corrosione.

In letteratura è riportato che la penetrazione di cloruri nel calcestruzzo è massima nella zona degli spruzzi [1]: infatti, in questa zona l’alternanza di cicli di asciutto-bagnato provoca un accumulo dei cloruri sulla superficie del calcestruzzo e, di conseguenza, favorisce l’ingresso di cloruri all’interno

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del materiale. Di conseguenza, nella tipologia di struttura simulata, l’innesco della corrosione è atteso nella zona degli spruzzi. Dunque, nel successivo paragrafo, in cui è studiata la macrocoppia tra armature attive e passive, l’armatura attiva è stata posta nella zona degli spruzzi.

Fase di propagazione della corrosione. La Fig.2.11 mostra il potenziale dell’acciaio nel lato esterno

della struttura, in presenza di una armatura attiva nella zona degli spruzzi (ossia a quota +0.72 m sul livello medio del mare). La linea tratteggiata mostra il potenziale di libera corrosione dell’acciaio; le altre due linee mostrano il potenziale delle armature in condizione di alta marea (linea continua) e di bassa marea (linea puntinata). Le due linee azzurre mostrano il livello raggiunto dell’acqua di mare in condizione di alta e di bassa marea.

In condizione di alta marea, il potenziale delle armature nelle zone immersa e delle maree è uniforme, pari a -0.33 V vs SCE. Nella zona degli spruzzi il potenziale è inferiore rispetto alla zona immersa e, in corrispondenza dell’armatura attiva, esso raggiunge il minimo, pari a -0.43 V vs SCE. Nella zona atmosferica il potenziale delle armature aumenta progressivamente all’aumentare dell’altezza della struttura sul livello del mare, fino a raggiungere -0.12 V vs SCE.

Fig.2.11 - Distribuzione del potenziale elettrochimico nella struttura simulata in presenza di una armatura attiva nella zona degli spruzzi.

Confrontando le Fig.2.10 e 2.11 si osserva che la presenza di una armatura attiva nella zona degli spruzzi provoca una significativa diminuzione del potenziale in tutte le zone della struttura. In particolare, nella zona immersa, il potenziale può diminuire di quasi 200 mV rispetto alla fase di innesco della corrosione; inoltre, anche nella zona degli spruzzi avviene una significativa diminuzione del potenziale: infatti, mentre nella fase di innesco della corrosione la macrocoppia

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provoca una polarizzazione anodica delle armature (E > Ecorr), in presenza di una armatura attiva

esse sono polarizzate catodicamente (E < Ecorr); dunque, la presenza di una armatura attiva esercita

un effetto protettivo nei confronti delle armature circostanti.

In condizione di bassa marea, nella zona immersa della struttura il potenziale aumenta di 0.05 V rispetto alla condizione di alta marea; viceversa, nella zona degli spruzzi il potenziale delle armature è leggermente inferiore rispetto alla condizione di alta marea.

Dal momento che, come presentato nel Paragrafo 2.1.2, la formazione di una macrocoppia è legata a una circolazione di corrente tra le armature che si polarizzano anodicamente e le armature che si polarizzano catodicamente, la macrocoppia che si forma tra l’armatura attiva e le armature passive influenza anche la densità di corrente scambiata dall’armatura attiva. Inserendo il potenziale di questa armatura (ossia -0.43 V vs SCE) all’interno dell’equazione (3), è possibile stimare che la densità di corrente anodica sulla superficie dell’armatura attiva è pari a circa 30 mA/m2. Come mostrato nel Capitolo 1, la densità di corrente anodica è una grandezza legata alla velocità con cui avviene la reazione anodica di ossidazione dell’acciaio, ossia alla velocità di corrosione dell’acciaio; in questa simulazione si osserva che, in presenza di una macrocoppia tra l’armatura attiva e le armature passive circostanti, la velocità di corrosione dell’armatura attiva aumenta di circa un ordine di grandezza rispetto alla condizione di libera corrosione (ossia 3 mA/m2, vedi Tab.2.05).

I risultati di questa simulazione hanno mostrato che l’innesco della corrosione in una porzione della struttura provoca un abbassamento del potenziale di tutte le armature presenti nella struttura, e in particolare modo provoca un abbassamento locale del potenziale delle armature presenti nella stessa zona dell’armatura attiva. Tale abbassamento contrasta l’innesco della corrosione nelle altre porzioni di struttura ancora passive.

Sebbene le simulazioni numeriche permettano di stimare qualitativamente in quali zone della struttura è possibile che si inneschi la corrosione, tuttavia esse non forniscono alcuna informazione quantitativa sul tenore di cloruri necessario a provocare effettivamente l’innesco. Questa operazione può essere effettuata solamente se si dispone di un diagramma di Pedeferri che mostri quali sono le condizioni critiche per l’innesco della corrosione da cloruri, in funzione del potenziale dell’acciaio e del contenuto di cloruri nel calcestruzzo. Lo sviluppo del diagramma di Pedeferri, che permetterà di ottenere informazioni quantitative sul tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione, è presentato nel Capitolo 3.

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Paragrafo 2.3.2 - Prevenzione e protezione catodica di una struttura