Sviluppo di un pit su una barra di acciaio inglobata nel calcestruzzo

In questo paragrafo sono presentati i risultati dei modelli presentati nel Paragrafo 2.2.2. Questi modelli hanno permesso di studiare come vari il potenziale di una barra di acciaio sulla quale è presente un pit, in funzione del rapporto tra la superficie della barra e la superficie del pit. In particolare, sono stati considerati due pit di dimensione diversa, ossia uno microscopico, che rappresenti la nucleazione di un pit, e uno macroscopico, che invece rappresenti una situazione di avanzata propagazione della corrosione. In entrambi i casi è stata effettuata una analisi di sensitività sul valore dei risultati, al variare della lunghezza della barra di acciaio.

Pit microscopico. Prima di presentare i risultati relativi all’analisi di sensitività, a titolo di esempio

inizialmente si presentano i risultati del modello in cui è presente un pit microscopico, di superficie 0.01 mm2 (per motivi di simmetria, nel modello è rappresentato solo mezzo pit), su una armatura di lunghezza 100 mm; in questo modello la superficie dell’armatura è pari a 3.14·103

mm2 e il rapporto tra l’area anodica (Aa, ossia la superficie del pit) e l’area catodica (Ac, ossia la superficie di

acciaio passivo) è pari a 1.6·10-6.

Le immagini in falsi colori di Fig.2.14a e 2.14b mostrano, rispettivamente, la distribuzione del potenziale nell’intero modello e in prossimità del pit. La Fig.2.14a mostra una sezione del modello

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(la striscia grigia centrale mostra la posizione dell’armatura). La figura mostra che, in questa scala di rappresentazione, non è possibile osservare alcun gradiente di potenziale provocato dalla presenza del pit; infatti il potenziale nel modello appare omogeneo. Il valore del potenziale sulla superficie dell’armatura passiva è pari a -0.47 V vs SCE, ossia 0.02 V inferiore rispetto al potenziale di libera corrosione dell’acciaio passivo. Dunque, la differenza tra il potenziale dell’armatura in presenza del pit e il potenziale dell’armatura completamente passiva è molto modesto.

(a) (b)

Fig.2.14 - Distribuzione del potenziale elettrochimico in un elemento in calcestruzzo armato in presenza di un pit microscopico sulla superficie dell’acciaio (a); ingrandimento della porzione di

modello evidenziata nella figura a lato (b).

La Fig.2.14b mostra un ingrandimento dell’area vicina al pit; nella figura si osserva che il gradiente di potenziale provocato dalla presenza del pit è limitato a un’area di pochi decimi di millimetro intorno al pit. Il potenziale del pit è pari a -0.50 V vs SCE e, inserendo questo valore all’interno dell’equazione (4), è possibile stimare che, in questo modello, la densità di corrente anodica sulla superficie del pit è estremamente elevata, pari a quasi 10 A/m2. Questo risultato, apparentemente sorprendente, è provocato dal rapporto Aa/Ac estremamente basso caratteristico della nucleazione di

un pit su una barra di acciaio passivo; in letteratura sono riportati casi in cui la velocità di corrosione dell’acciaio in simili condizioni può essere anche più elevata [69]. Dunque, la presenza

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di un pit microscopico rappresenta una condizione di corrosione estremamente localizzata, in cui un’area molto piccola si corrode con una velocità estremamente elevata.

Come descritto nel Paragrafo 2.2.2, è stata effettuata una analisi di sensitività sulla lunghezza della barra su cui è presente il pit microscopico: questo parametro è stato fatto variare da 1 mm a 1000 mm e, di conseguenza, il rapporto Aa/Ac è variato da 1.6·10-4 a 1.6·10-7. La Fig.2.15 mostra, al

variare del rapporto Aa/Ac, il potenziale del pit e il potenziale dell’acciaio passivo. La figura mostra

che, quando il rapporto Aa/Ac è dell’ordine di 10-6 - 10-7, la presenza di un pit microscopico non ha

praticamente alcuna influenza sul potenziale dell’armatura, che si mantiene molto simile al potenziale di libera corrosione dell’acciaio passivo (ossia -0.45 V vs SCE, come mostrato in Tab.2.04). In queste condizioni il potenziale assunto dal pit è pari a circa -0.50 V vs SCE e la sua velocità di corrosione è estremamente elevata, ossia dell’ordine di circa 10 A/m2

.

Fig.2.15 - Potenziale dell’acciaio passivo e potenziale del pit microscopico, al variare del rapporto Aa/Ac.

È importante osservare che, su una armatura lunga 100 mm o più (ossia in presenza di un rapporto Aa/Ac ≤ 10-6), è praticamente impossibile identificare la presenza di un pit microscopico tramite la

misura del potenziale elettrochimico dell’acciaio; infatti, come mostrato in Fig.2.14, fatta eccezione per una zona molto piccola intorno al pit, la distribuzione di potenziale in qualunque punto del modello (sia sulla superficie dell’armatura, sia sulla superficie esterna dell’elemento in calcestruzzo armato) è omogenea e pari al potenziale di libera corrosione dell’acciaio passivo (la variazione di potenziale provocata dalla presenza di un pit è inferiore a 0.02 V vs SCE). Dunque, le simulazioni effettuate hanno mostrato che è possibile che, sebbene sull’acciaio sia presente un’area anodica che

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si corrode a velocità molto elevata, essa sia difficilmente individuabile tramite una misura del potenziale dell’armatura.

Il potenziale dell’acciaio passivo può essere influenzato dalla presenza di un pit microscopico solo quando il rapporto Aa/Ac è superiore a 10-5; infatti, come mostrato in Fig.2.15, in questo caso

l’acciaio passivo subisce una polarizzazione catodica di oltre 0.05 V vs SCE rispetto alla condizione di libera corrosione. Dunque, la presenza di un pit microscopico può essere identificata solo se la dimensione dell’armatura sulla quale esso si sviluppa è relativamente piccola (ad esempio, nelle simulazioni presentate in questo paragrafo, il pit può essere identificato solo se l’armatura è lunga meno di 100 mm).

Pit macroscopico. In questo paragrafo sono presentati i risultati dei modelli in cui è presente un pit

macroscopico, di superficie pari a 157 mm2, posizionato alla base di una barra di lunghezza variabile tra 0.10 m e 15.7 m; dunque, in queste simulazioni, il rapporto Aa/Ac varia tra 1.6·10-4 e

2.5·10-2. A titolo di esempio, inizialmente si riportano i risultati ottenuti dal modello di lunghezza 1 m (in cui il rapporto Aa/Ac è pari a 2.5·10-3).

Le immagini in falsi colori delle Fig.2.16a e 2.16b mostrano, rispettivamente, la distribuzione del potenziale nell’intero modello e nella zona vicina al pit. La figura di sinistra mostra che, all’aumentare della distanza dal pit, il potenziale dell’armatura varia da -0.63 a -0.59 V vs SCE. Il potenziale del pit è pari a -0.63 V vs SCE e, inserendo questo valore all’interno dell’equazione (4), è possibile stimare che la densità di corrente anodica sulla superficie del pit è pari a circa 60 mA/m2. Sebbene questo valore di velocità di corrosione sia relativamente elevato, esso è rappresentativo di una situazione di corrosione molto meno localizzata rispetto al caso di pit microscopico, in cui la velocità di sviluppo del pit, misurata in termini di densità di corrente, era di 2-3 ordini di grandezza superiore.

Dal momento che la presenza di un pit macroscopico provoca una variazione di potenziale pari a circa 0.15 V rispetto alla condizione di libera corrosione dell’acciaio passivo (Ecorr = -0.45 V vs

SCE), in questo caso è possibile identificare la presenza di un pit tramite il monitoraggio del potenziale elettrochimico dell’acciaio. Questo aspetto può essere analizzato facendo riferimento alla Fig.2.16a: essa mostra che, in presenza di un pit macroscopico, il gradiente di potenziale all’interno della struttura non è concentrato nella zona intorno al pit, ma è distribuito in un’area molto più estesa. Quest’area coinvolge non solo la superficie dell’armatura di acciaio, ma anche la superficie dell’elemento in calcestruzzo armato (dunque la presenza di un pit può essere identificata tramite una mappatura del potenziale sulla superficie dell’elemento in calcestruzzo armato). Inoltre, la Fig.2.16a mostra che, contrariamente al caso di pit microscopico, in presenza di un pit

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macroscopico il potenziale misurato sulla superficie dell’elemento in calcestruzzo non è omogeneo, ma diminuisce all’aumentare della vicinanza al pit. Dunque, effettuando una mappatura del potenziale, è possibile identificare non solo la presenza di un pit, ma anche la posizione in cui esso è situato.

(a) (b)

Fig.2.16 - Distribuzione del potenziale elettrochimico in un elemento in calcestruzzo armato in presenza di un pit macroscopico sulla superficie dell’acciaio (a); ingrandimento della porzione di

modello evidenziata nella figura a lato (b).

In Fig.2.17 sono presentati il potenziale “medio” dell’acciaio passivo (ossia il valore integrale del potenziale su tutta la superficie dell’acciaio passivo) e il potenziale del pit, al variare del rapporto Aa/Ac. Il potenziale medio dell’acciaio passivo rappresenta la capacità, da parte del pit, di

influenzare il potenziale dell’intero elemento in calcestruzzo armato. Quando il rapporto Aa/Ac è

dell’ordine di 10-4_{, il potenziale medio dell’armatura è pari a -0.47 V vs SCE, ossia molto simile}

rispetto al potenziale di libera corrosione dell’acciaio passivo. Questo risultato mostra che, anche in presenza di un pit di dimensione elevata, esso è in grado di polarizzare solo una porzione limitata

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della struttura; la porzione di armatura più lontana dal pit non subisce una significativa variazione di potenziale.

All’aumentare del rapporto Aa/Ac il potenziale medio dell’acciaio passivo diminuisce e, in

corrispondenza del massimo rapporto Aa/Ac simulato (ossia 2.5·10-2), il potenziale dell’acciaio è

pari a -0.69 V vs SCE. Questo risultato è in linea con i valori di potenziale tipici dell’acciaio attivo, ossia di armature con una elevata percentuale di area corrosa (ossia con un elevato rapporto Aa/Ac)

inglobate in calcestruzzo saturo [57,66-67]. In questa condizione la densità di corrente erogata dal singolo pit è inferiore a 10 mA/m2. Questa densità di corrente è circa 3 ordini di grandezza inferiore rispetto a quella erogata da un pit microscopico e rappresenta una condizione di corrosione molto meno localizzata, ossia una condizione in cui si corrode un’area relativamente ampia.

Fig.2.17 - Potenziale medio dell’acciaio passivo e potenziale del pit macroscopico, al variare del rapporto Aa/Ac.

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CAPITOLO 3