Politecnico di Milano
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta”
CONDIZIONI CRITICHE PER L’INNESCO
DELLA CORROSIONE DA CLORURI
DELL’ACCIAIO NEL CALCESTRUZZO
Andrea Della Pergola
Relatore: Prof. Luca Bertolini Tutor: Prof. Chiara Castiglioni
Coordinatrice: Prof. Chiara Castiglioni
Corso di Dottorato in Ingegneria dei Materiali - XXV Ciclo
I
INDICE
ABSTRACT
ENGLISH VERSION Pag.1
ABSTRACT
VERSIONE ITALIANA Pag.3
PREMESSA Pag.5
CAPITOLO 1
CORROSIONE DA CLORURI Pag.7
Paragrafo 1.1 - Aspetti elettrochimici della corrosione per pitting Pag.7
Paragrafo 1.2 - Diagramma di Pedeferri Pag.11
Paragrafo 1.3 - Fattori da cui dipende l’innesco Pag.13
CAPITOLO 2
POTENZIALE DELLE ARMATURE E INNESCO
DELLA CORROSIONE DA CLORURI Pag.15
Paragrafo 2.1 - Potenziale elettrochimico dell’acciaio nel calcestruzzo Pag.16 Paragrafo 2.1.1 - Potenziale elettrochimico dell’acciaio in funzione dell’ambiente
di esposizione del calcestruzzo Pag.16
Paragrafo 2.1.2 - Fattori che possono influenzare il potenziale dell’acciaio Pag.24
Paragrafo 2.2 - Modelli numerici per lo studio della distribuzione del potenziale
in elementi in calcestruzzo armato Pag.26
Paragrafo 2.2.1 - Modello di una struttura cava e parzialmente immersa Pag.29
II
Paragrafo 2.3 - Risultati dei modelli numerici Pag.38
Paragrafo 2.3.1 - Sviluppo di macrocoppie in una struttura parzialmente
immersa in acqua di mare Pag.39
Paragrafo 2.3.2 - Prevenzione e protezione catodica di una struttura
parzialmente immersa in acqua di mare Pag.43
Paragrafo 2.3.3 - Sviluppo di un pit su una barra di acciaio
inglobata nel calcestruzzo Pag.45
CAPITOLO 3
PROPOSTA DI UNA METODOLOGIA PER LA COSTRUZIONE
DEL DIAGRAMMA DI PEDEFERRI Pag.51
Paragrafo 3.1 - Procedure esistenti per la misura del tenore critico Pag.52
Paragrafo 3.1.1 - Prove in soluzione Pag.53
Paragrafo 3.1.2 - Prove in calcestruzzo o in malta Pag.55
Paragrafo 3.1.3 - Determinazione del tenore critico di cloruri Pag.61
Paragrafo 3.2 - Obiettivi e caratteristiche Pag.63
Paragrafo 3.2.1 - Obiettivi Pag.64
Paragrafo 3.2.2 - Caratteristiche Pag.65
Paragrafo 3.3 - Definizione della procedura sperimentale Pag.67
Paragrafo 3.3.1 - Provini e prove Pag.68
Paragrafo 3.3.2 - Effetto dell’aggiunta dei cloruri Pag.76
Paragrafo 3.3.3 - Pre-polarizzazione catodica delle armature Pag.79
Paragrafo 3.3.4 - Prova potenziostatica a gradini Pag.86
Paragrafo 3.3.5 - Prova di ponding Pag.91
Paragrafo 3.3.6 - Trasporto di cloruri Pag.93
Paragrafo 3.3.7 - Variabilità Pag.106
Paragrafo 3.4 - Diagramma di Pedeferri Pag.108
Paragrafo 3.4.1 - Prove con cloruri aggiunti Pag.108
Paragrafo 3.4.2 - Prove con cloruri penetrati Pag.111
III
Paragrafo 3.5 - Procedura proposta Pag.116
Paragrafo 3.6 - Esempi di applicazione Pag.118
CONCLUSIONI Pag.123
1
ABSTRACT
ENGLISH VERSION
During the last years, some model codes, aimed at predicting the duration of the service life of reinforced concrete structure subject to reinforcement corrosion, have been proposed. The service life could be predicted as a function of the environmental loads (for instance the presence of chloride) and of the properties of the materials (for instance the resistance to the penetration of chloride or to the initiation of corrosion). Although many models have been proposed to predict the evolution of the penetration of chloride into concrete, up to now no models are available to predict the “critical” chloride content that causes the initiation of corrosion. Although the chloride threshold level is being studied by an international research group organised by Rilem, many open issues still exist, mainly because the value of this parameter depends on many variables, whose role has not been completely defined yet.
One of the main variables that affect the chloride threshold is the electrochemical potential of reinforcing steel and, in some particular conditions, the initiation of corrosion cannot be simply described through a chloride threshold value, since also the potential plays a major role in the definition of the critical conditions for corrosion initiation. In these cases a “critical combination” of the two parameters should be considered, as first proposed by Pietro Pedeferri in describing the principles of the technique of cathodic prevention.
The aims of this thesis are: to study the particular conditions in which the potential promotes or prevents the initiation of corrosion (e.g. the presence of a macrocell or of a cathodic prevention system); to develop a test method aimed at determining the critical combination of chloride content and potential that causes the initiation of corrosion of reinforcing steel in concrete; to create a diagram that shows the active or passive behaviour of reinforcing steel in concrete, as a function of the parameters that affect it.
Conditions in which the potential of reinforcing steel may have a significant influence on the initiation of corrosion were studied through numerical simulations: reinforced concrete structures with a portion exposed to the atmosphere and a portion submerged in seawater were modelled. The models showed that a macrocell can develop between the two portions of the structures, thus increasing the potential of the reinforcement in the submerged portion. Further models showed that,
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in such structures, a sacrificial anode is an effective system to lower the potential of the reinforcement, thus further changing conditions for corrosion initiation.
In order to study the consequences of potential changes on the initiation of corrosion in different parts of the structures, a test procedure should be implemented which is able to evaluate the critical combination of potential and chloride content. Most of the test methods presented in the literature are aimed at measuring the chloride threshold level and cannot be applied to determine the influence of the steel potential; hence, a new test method has been developed. The method proposed in this thesis is based on: the addition of chloride into fresh concrete (mixed-in chloride); the cathodic polarisation of reinforcing steel during the curing period (pre-polarisation), to avoid the initiation of corrosion in this phase; the stepwise increase of steel potential until the occurrence of the initiation of corrosion.
Through preliminary tests it was determined that:
- the addition of up to 3% chloride (by mass of cement) into fresh concrete has a negligible effect on the properties of hardened concrete (resistance, sorptivity coefficient, absorption);
- a galvanostatic pre-polarisation is an effective way to prevent the initiation of corrosion and does not cause a significant migration of chloride.
Applying this method, a diagram that relates the initiation of corrosion to the chloride content and the potential has been obtained. However, the result of the test depends on the duration of the potential “steps”; hence a compromise should be found, because a short duration of the steps may result in a higher resistance of steel to the initiation of pitting corrosion, but, since during the test the reinforced concrete specimens are immersed in a saturated calcium hydroxide solution, a long duration of the steps may cause a significant leaching of chloride into the solution.
In conclusion, the results of numerical simulations and the diagram obtained by the application of the test method can be applied to determine in which portion of reinforced concrete structures corrosion may initiate.
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ABSTRACT
VERSIONE ITALIANA
Negli ultimi anni sono stati proposti dei modelli di calcolo per stimare la durata della vita di servizio delle strutture in calcestruzzo armato soggette a corrosione delle armature. La vita di servizio può essere stimata in funzione delle caratteristiche dell’ambiente di esposizione (ad esempio la presenza di cloruri) e delle proprietà dei materiali (ad esempio la resistenza del calcestruzzo alla penetrazione dei cloruri). Sebbene siano stati proposti numerosi modelli per stimare la penetrazione dei cloruri nel calcestruzzo, al momento non sono disponibili modelli per stimare il “tenore critico” di cloruri che provoca l’innesco della corrosione. Sebbene il tenore critico sia studiato da un gruppo di ricerca internazionale organizzato dal Rilem, esistono ancora molti problemi aperti, principalmente perché il valore di questo parametro dipende da numerose variabili, il cui ruolo non è ancora stato completamente definito.
Una delle principali variabili che influenza il valore del tenore critico è il potenziale elettrochimico delle armature e, in alcune condizioni particolari, l’innesco della corrosione non può semplicemente essere descritto tramite un tenore critico di cloruri, perché anche il potenziale gioca un ruolo determinante nel definire le condizioni critiche per l’innesco della corrosione. In questi casi è opportuno considerare una “combinazione critica” dei due parametri, come proposto da Pietro Pedeferri nel descrivere i principi della tecnica chiamata prevenzione catodica.
Gli scopi di questa tesi sono: studiare le particolari condizioni in cui il potenziale favorisce o contrasta l’innesco della corrosione (ad esempio, la presenza di una macrocoppia o di un sistema di prevenzione catodica); sviluppare una metodologia di prova per determinare la combinazione critica di potenziale e tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione dell’acciaio nel calcestruzzo; tracciare un diagramma che mostri il comportamento attivo o passivo delle armature, in funzione dei parametri che lo influenzano.
Le condizioni in cui il potenziale delle armature può influire sull’innesco della corrosione sono state studiate mediante simulazioni numeriche: sono state modellate delle strutture in calcestruzzo armato con una porzione inferiore immersa in acqua di mare e una porzione superiore esposta all’atmosfera. I modelli hanno mostrato che tra le due porzioni della struttura può svilupparsi una macrocoppia, la quale provoca un aumento del potenziale delle armature nella porzione immersa.
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Ulteriori modelli hanno mostrato che l’installazione di un anodo sacrifiziale è un sistema efficace per abbassare il potenziale dell’acciaio, cambiando le condizioni per l’innesco della corrosione.
Per studiare le conseguenze di una variazione del potenziale delle armature sull’innesco della corrosione nelle diverse porzioni delle strutture, è necessario sviluppare una metodologia di prova che sia in grado di valutare la combinazione critica di potenziale e tenore di cloruri. Molte delle metodologie proposte in letteratura sono volte a determinare il valore del tenore critico di cloruri e non possono essere applicate per determinare l’effetto del potenziale; dunque, è stata sviluppata una nuova metodologia di prova. La metodologia proposta è basata sull’aggiunta di cloruri al calcestruzzo in fase di getto; sull’applicazione di una polarizzazione catodica durante la stagionatura del calcestruzzo (pre-polarizzazione), per prevenire l’innesco della corrosione in questa fase della prova; sull’aumento del potenziale delle armature “a gradini” fino a provocare l’innesco della corrosione.
Mediante prove preliminari è stato determinato che:
- l’aggiunta nel getto di calcestruzzo di un tenore di cloruri fino a 3% (rispetto alla massa di cemento) ha un effetto trascurabile sulle proprietà del calcestruzzo indurito (resistenza a compressione, densità, coefficiente di assorbimento capillare, assorbimento di acqua);
- per prevenire l’innesco della corrosione durante la stagionatura è possibile applicare una pre-polarizzazione galvanostatica, la quale, tra l’altro, non provoca una significativa migrazione dei cloruri contenuti nel calcestruzzo (dunque non altera il contenuto di cloruri).
Applicando questa metodologia è stato ottenuto un diagramma che mette in relazione l’innesco della corrosione con il tenore di cloruri aggiunto nel getto e il potenziale delle armature. Tuttavia, i risultati della metodologia proposta dipendono dalla durata dei gradini di potenziale applicati all’acciaio; dunque, è necessario trovare un compromesso, perché le prove effettuate con gradini di breve durata (ossia un’ora) tendono a sovrastimare la resistenza dell’acciaio all’innesco della corrosione, mentre le prove effettuate con gradini di lunga durata (ossia 24 ore) non solo possono durare più di un mese, ma, se durante la prova i campioni in calcestruzzo armato sono immersi in una soluzione, può avvenire un significativo dilavamento dei cloruri contenuti nel calcestruzzo. Infine, i risultati delle simulazioni numeriche e il diagramma ottenuto applicando la metodologia di prova proposta sono stati applicati per determinare in quali porzioni della struttura in calcestruzzo armato simulata può innescarsi la corrosione da cloruri.
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PREMESSA
Per prevenire il degrado delle strutture in calcestruzzo armato, legato soprattutto alla corrosione delle armature, sono disponibili diversi approcci; le normative europee, ad esempio, propongono un approccio prescrittivo al progetto della durabilità. Tuttavia è opinione diffusa tra gli esperti che le prescrizioni non siano sempre adeguate per le zone più critiche delle strutture (ad esempio, i giunti dei ponti o la zona degli spruzzi delle opere marine), oppure per opere per le quali è richiesta una vita di servizio superiore a 50 anni. In questi casi è necessario il ricorso ad una progettazione di tipo prestazionale. Gli approcci prestazionali sono basati su un vero e proprio progetto della durabilità, che consiste nel modellare gli effetti delle azioni ambientali sulla struttura e nell’individuare i tempi entro cui questi effetti determineranno il raggiungimento di determinati stati limite, ai quali il progettista associa il raggiungimento del termine della vita utile della struttura. L’evoluzione nel tempo del degrado è descritta attraverso un modello matematico che tiene conto dei diversi fattori che influiscono sulla vita di servizio di una struttura, come i fattori ambientali (ad esempio, la penetrazione dei cloruri), le proprietà dei materiali (ad esempio la resistenza alla penetrazione dei cloruri o la quantità di cloruri necessaria per innescare la corrosione) e la geometria della struttura. Quindi, attraverso l’impiego di un modello prestazionale è possibile valutare le diverse opzioni, in termini di materiali e geometria della struttura, che garantiscono una definita vita di servizio della struttura ed è possibile scegliere l’opzione che determina il migliore compromesso fra le esigenze legate ai diversi aspetti della progettazione (come, ad esempio, quelli strutturali ed economici). Nella letteratura scientifica sono stati proposti molti modelli per prevedere l’evoluzione del tempo della penetrazione dei cloruri e per valutare la resistenza alla penetrazione dei cloruri, tuttavia, al momento non sono disponibili strumenti analoghi per prevedere il valore limite del tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione, ossia il cosiddetto “tenore critico di cloruri”, perché non esiste una metodologia di prova standardizzata per la misura di questo parametro. Questo problema è attualmente in fase di studio da parte di un gruppo di lavoro internazionale organizzato dal Rilem, il quale sta sviluppando una metodologia per la determinazione del valore del tenore critico mediante prove di laboratorio. Nonostante ciò, per quanto riguarda il tenore critico di cloruri, esistono ancora molti problemi aperti, perché il suo valore dipende da un elevato numero di variabili, il cui ruolo non è ancora stato definito.
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Tra le variabili che influiscono sul valore del tenore critico, e che di conseguenza influiscono sull’innesco della corrosione delle armature, vi è il potenziale elettrochimico dell’acciaio. Infatti, questa variabile può avere un ruolo determinante nel provocare (o nel prevenire) l’innesco della corrosione da cloruri. Questo fatto è sfruttato da una tecnica elettrochimica proposta da Pietro Pedeferri, la quale, imponendo una polarizzazione catodica (ossia un abbassamento del potenziale) alle armature inglobate nel calcestruzzo, permette di prevenire l’innesco della corrosione; questa tecnica è detta appunto prevenzione catodica. Per spiegare il principio su cui si basa questa tecnica, Pedeferri ha proposto un diagramma che mostra come la condizione di passività o di attività dell’acciaio dipenda da una “combinazione critica” di potenziale e di tenore di cloruri. Tuttavia, il diagramma proposto da Pedeferri è puramente qualitativo e non permette di determinare quali siano le condizioni che provocano l’innesco della corrosione, anche perché tali condizioni possono dipendere dalle proprietà dei materiali utilizzati per il confezionamento delle strutture. Purtroppo, al momento nessuna delle metodologie proposte in letteratura per la determinazione del valore del tenore critico di cloruri può essere utilizzata per stimare il valore della “combinazione critica” di potenziale e tenore di cloruri (anche quella proposta dal Rilem non è adatta a questo scopo), perché molte di esse trascurano l’effetto del potenziale.
Lo scopo di questa tesi è studiare come il potenziale delle armature possa influire sulle condizioni che portano all’innesco della corrosione, sia mediante lo studio dei fattori che possono influenzare il valore del potenziale dell’acciaio, sia mediante lo sviluppo di una procedura sperimentale che permetta di determinare la “combinazione critica” di potenziale e tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione. Nel corso del dottorato, questi aspetti sono stati studiati sia mediante simulazioni numeriche, sia mediante attività di laboratorio.
L’obiettivo delle simulazioni numeriche è studiare l’effetto di alcuni fattori che possono provocare una variazione del potenziale dell’acciaio nelle strutture in calcestruzzo armato e, dunque, favorire (o contrastare) l’innesco della corrosione da cloruri.
Lo scopo delle prove sperimentali è proporre una metodologia di prova che sia rappresentativa delle condizioni dell’acciaio nelle strutture in calcestruzzo armato reali e che permetta di determinare la “combinazione critica” di potenziale e tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione per pitting.
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CAPITOLO 1
CORROSIONE DA CLORURI
La corrosione da cloruri è una forma di degrado delle strutture in calcestruzzo armato che si manifesta principalmente in ambiente marino o nelle strutture su cui sono utilizzati sali disgelanti a base di cloruri, come ad esempio i viadotti autostradali. Questa forma di corrosione è particolarmente aggressiva nei confronti delle armature di acciaio e influisce negativamente sulla sicurezza strutturale degli elementi in calcestruzzo armato, provocando la riduzione della sezione resistente delle armature; inoltre, la formazione di prodotti di corrosione sulla superficie dell’acciaio ha una azione espansiva che può provocare la fessurazione del calcestruzzo e la perdita di adesione tra acciaio e calcestruzzo. Dunque, è importante studiare sia le condizioni che provocano l’innesco della corrosione delle armature, sia i materiali e i metodi che possono essere utilizzati per prevenire questa forma di degrado.
In questo capitolo sono analizzati gli aspetti elettrochimici relativi alla corrosione da cloruri delle armature nel calcestruzzo e sono brevemente analizzati i parametri da cui dipende l’innesco della corrosione da cloruri.
Paragrafo 1.1 - Aspetti elettrochimici della corrosione per pitting
Nel calcestruzzo alcalino e non contaminato da cloruri, sulla superficie dell’acciaio si forma un film di passività costituito da ossidi protettivi, dello spessore di pochi nanometri, che rende trascurabile la velocità di corrosione dell’acciaio. La corrosione per pitting si innesca quando la presenza di cloruri sulla superficie delle armature provoca la rottura locale del film di passività; la morfologia tipica della corrosione per pitting è mostrata in Fig.1.01 [1]. L’area in cui avviene la rottura del film di passività agisce come anodo e in quest’area avviene la reazione anodica di ossidazione del ferro:
Fe e
Fe 2 2 , mentre nell’area circostante, ancora passiva, avviene la reazione catodica di riduzione dell’ossigeno: 1 2O2H2O2e 2OH. Gli elettroni prodotti dalla reazione anodica circolano nell’acciaio dall’area in cui sono prodotti, ossia l’interno del pit, verso l’area in cui sono consumati, ossia la superficie dell’acciaio passivo. Il circuito elettrico tra l’area anodica e l’area
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catodica è chiuso tramite il trasporto di cariche elettriche nel calcestruzzo, ossia tramite la migrazione degli ioni disciolti nella soluzione acquosa contenuta nei pori del materiale.
In seguito all’innesco della corrosione, all’interno del pit si sviluppano condizioni molto aggressive: infatti, l’idrolisi degli ioni Fe2+
provoca un locale abbassamento del pH (che può raggiungere valori inferiori a 5) e la corrente scambiata tra l’area anodica e l’area catodica provoca la migrazione dei cloruri verso l’interno del pit. In un ambiente così aggressivo la velocità di assottigliamento dell’acciaio può raggiungere valori molto elevati, fino a 1 mm / anno.
Fig.1.01 - Rappresentazione schematica della corrosione per pitting dell’acciaio nel calcestruzzo [1].
Dal momento che le due reazioni, anodica e catodica, sono associate rispettivamente alla produzione e al consumo di elettroni (ossia di cariche elettriche), la velocità con cui avvengono tali reazioni può essere associata alla velocità con cui le cariche elettriche sono prodotte o consumate nel tempo, ossia a una corrente elettrica. La corrente legata alla reazione anodica di ossidazione dell’acciaio è detta corrente anodica (Ia); la corrente legata alla reazione catodica di riduzione di
ossigeno è detta corrente catodica (Ic). Dal momento che, per motivi elettrochimici, non è possibile
l’accumulo di cariche elettriche, le due reazioni, anodica e catodica, devono avvenire con uguale velocità; dunque Ia = Ic. Di conseguenza, la velocità con cui avviene la corrosione dell’acciaio nel
calcestruzzo dipende dalla cinetica della reazione anodica, dalla cinetica della reazione catodica e dalla velocità con cui avviene la migrazione degli ioni disciolti nella soluzione acquosa contenuta nei pori del calcestruzzo: la velocità di corrosione dell’acciaio è limitata dal processo più lento fra i tre sopra citati.
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La cinetica delle due reazioni, anodica e catodica, può essere studiata tramite i diagrammi di Evans, che mostrano come varia la corrente (I) associata alle due reazioni in funzione del potenziale elettrochimico dei due processi (E). La Fig.1.02 mostra, schematicamente, i diagrammi di Evans che descrivono il comportamento elettrochimico dell’acciaio inglobato in calcestruzzo non contaminato da cloruri (a) e in calcestruzzo contaminato da cloruri (b) [1]. In Fig.1.02a è mostrata la curva che descrive la cinetica della reazione anodica di ossidazione dell’acciaio passivo, ossia la curva di polarizzazione anodica dell’acciaio passivo (nel diagramma, il valore in ascissa indica la densità di corrente ia, ossia il rapporto tra la corrente anodica Ia e l’area in cui avviene la reazione
anodica Aa). La figura mostra che, in un intervallo di potenziale compreso tra -500 e +600 mV vs
SCE, la densità di corrente associata alla reazione anodica ha un ordine di grandezza di circa 0.1 mA/m2; tale corrente è detta densità di corrente di passività (ipas). La densità di corrente aumenta
solo quando il potenziale elettrochimico dell’acciaio è superiore al potenziale di transpassività (Etr
≈ +600 mV vs SCE); infatti, quando E > Etr, sulla superficie dell’acciaio avviene la reazione
anodica di sviluppo di ossigeno, la quale provoca un aumento della densità di corrente anodica.
(a) (b)
Fig.1.02 - Diagrammi di Evans dell’acciaio in calcestruzzo non contaminato da cloruri (a) e contaminato da cloruri (b).
Per quanto riguarda la cinetica della reazione catodica di riduzione di ossigeno, essa dipende dalla disponibilità di ossigeno sulla superficie dell’acciaio. Delle due curve catodiche mostrate in Fig.1.02a, quella superiore fa riferimento a un calcestruzzo aerato, in cui la disponibilità di ossigeno è elevata (questa condizione si verifica quando le strutture in calcestruzzo sono esposte
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all’atmosfera): al diminuire del potenziale la densità di corrente catodica aumenta di alcuni ordini di grandezza. In un calcestruzzo molto umido o saturo la diffusione dell’ossigeno attraverso il copriferro è ostacolata dalla presenza di acqua nei pori del materiale, dunque la disponibilità di ossigeno sulla superficie delle armature è molto più modesta che in calcestruzzo aerato (questa condizione si verifica quando le strutture in calcestruzzo armato sono immerse in acqua). In questo caso la cinetica della reazione catodica è limitata dalla diffusione dell’ossigeno ed è possibile definire la densità di corrente limite di diffusione di ossigeno (ilim), che esprime la massima densità
di corrente catodica resa possibile dalla diffusione dell’ossigeno all’interno del calcestruzzo.
In assenza di una caduta ohmica tra l’area anodica e l’area catodica, la condizione di corrosione dell’acciaio in calcestruzzo asciutto è identificata dall’intersezione della curva anodica con la curva catodica, ossia dal punto 1 di Fig.1.02a. La figura mostra che, in questo punto, la condizione Ia = Ic
è rispettata. Le coordinate del punto in cui avviene l’intersezione delle due curve sono la velocità di
corrosione dell’acciaio (icorr), e il potenziale di libera corrosione (Ecorr). La Fig.1.02a mostra che in
calcestruzzo saturo di acqua il potenziale di libera corrosione dell’acciaio è inferiore rispetto al potenziale di libera corrosione in calcestruzzo asciutto (punto 2).
La Fig.1.02b mostra che, in presenza di cloruri sulla superficie delle armature, la densità di corrente anodica non si mantiene costante fino a Etr, ma esiste un potenziale, detto potenziale di pitting (Epit),
in corrispondenza del quale la densità di corrente anodica aumenta di alcuni ordini di grandezza rispetto a ipas. In presenza di cloruri, l’acciaio si mantiene passivo fino a quando il valore di Epit
rimane superiore a Ecorr, viceversa quando Epit ≤ Ecorr l’acciaio si corrode; ad esempio, facendo
riferimento alla Fig.1.02b, in calcestruzzo aerato la corrosione non si innesca se il valore del potenziale di pitting è pari a Epit1, ma solo se il valore del potenziale di pitting è pari a Epit2. In
seguito all’innesco della corrosione, cambiano le condizioni di corrosione dell’acciaio: infatti, come è mostrato schematicamente in Fig.1.02b, l’innesco della corrosione (ossia il passaggio dal punto 1 al punto 3) è associato a un aumento di icorr e a una diminuzione di Ecorr.
Il valore di Epit diminuisce all’aumentare del tenore di cloruri sulla superficie dell’acciaio; in
particolare, esiste un tenore di cloruri tale per cui Epit = Ecorr (ossia un tenore di cloruri che provoca
l’innesco della corrosione per pitting). Tale valore è definito tenore critico di cloruri. Il valore del tenore critico di cloruri aumenta al diminuire di Ecorr: ad esempio, in calcestruzzo saturo di acqua
(punto 2), il tenore critico di cloruri che provoca l’innesco della corrosione è superiore che in calcestruzzo asciutto (punto 1).
Dunque, da un punto di vista elettrochimico, l’innesco della corrosione è un evento che non dipende da un unico parametro, ma da un insieme di parametri, molti dei quali sono legati fra loro: per citare solo quelli analizzati fino ad ora, l’innesco dipende dal tenore di cloruri sulla superficie delle
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armature e dal potenziale dell’acciaio (il quale, a sua volta, dipende dall’ambiente di esposizione delle strutture e dall’umidità del calcestruzzo). L’innesco della corrosione si verifica quando l’insieme di questi parametri assume una “combinazione critica” che provoca la depassivazione dell’acciaio.
Paragrafo 1.2 - Diagramma di Pedeferri
La Fig.1.02b mostra che, per prevenire l’innesco della corrosione, è possibile intervenire sul potenziale delle armature: infatti, abbassando il potenziale dell’acciaio, il tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione aumenta. Questo aspetto è analizzato schematicamente nel diagramma tracciato da Pietro Pedeferri nel 1996 (Fig.1.03 [2]) sulla base di risultati di prove in soluzione effettuate da Cigna et al. [3] e di risultati ottenuti mediante prove in malta e in calcestruzzo: il diagramma di Pedeferri mostra il comportamento dell’acciaio nel calcestruzzo, in funzione del potenziale e del contenuto di cloruri, a una temperatura di circa 20°C. Nella zona (A) del diagramma la corrosione dell’acciaio si può innescare e propagare, dunque l’acciaio si trova in condizione di attività. Nella zona (B) la corrosione non si può innescare, ma se si è già innescata in precedenza può continuare a propagarsi; tale zona è detta di passività imperfetta. Il valore di potenziale che segna il passaggio dalla zona (B) alla zona (A) è il potenziale di pitting (Epit). Nella
zona (C) la corrosione non si può innescare, e se si è già precedentemente innescata, l’acciaio torna a passivarsi; tale zona è detta di passività perfetta. Il potenziale a cui avviene il passaggio dalla zona (B) alla zona (C) è detto potenziale di protezione (Epro). Nelle zone (D) ed (E) può avvenire
l’infragilimento da idrogeno delle armature in presenza di acciai ad alta resistenza. Infine, nella zona (E) può avvenire la perdita di aderenza tra acciaio e calcestruzzo.
Per aumentare la resistenza alla corrosione delle armature nelle strutture esposte in ambienti marini o in presenza di sali disgelanti a base di cloruri può essere applicata un particolare tipo di protezione catodica, chiamata prevenzione catodica. Essa consiste nell’abbassare il potenziale dell’acciaio da prima che la struttura sia contaminata dai cloruri, come mostrato dal percorso (1) → (2) in Fig.1.03. Applicando la prevenzione catodica, l’acciaio mantiene lo stato di passività anche nella zona di passività imperfetta (3).
Al contrario, nel caso in cui la corrosione si sia già innescata (4), l’attacco corrosivo può essere fermato o controllato applicando la protezione catodica e portando il potenziale dell’acciaio nella zona di passività perfetta (5) o imperfetta (6).
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Fig.1.03 - Diagramma di Pedeferri [2].
Nonostante in origine il diagramma di Pedeferri sia stato tracciato solo per descrivere qualitativamente i princìpi della prevenzione e della protezione catodica, a esso può essere data una interpretazione più ampia: infatti, la linea (ideale) che separa la zona di passività imperfetta dalla zona di attività rappresenta la “combinazione critica” di potenziale e tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione. Il diagramma di Fig.1.03, tuttavia, non può essere utilizzato per estrapolare le condizioni che provocano l’innesco della corrosione nelle strutture in calcestruzzo reali, per due motivi:
- innanzitutto, tale diagramma è puramente qualitativo. In particolare, esso tiene conto solo di alcuni dei parametri da cui dipende l’innesco della corrosione, ossia il potenziale e il tenore di cloruri, ma ne trascura altri. Tali parametri, che saranno brevemente analizzati nel Paragrafo 1.3, sono sia di tipo ambientale, come ad esempio la temperatura, sia relativi ai materiali con cui sono confezionate le strutture in calcestruzzo armato, come ad esempio il tipo di calcestruzzo, il tipo e la finitura superficiale dell’acciaio. Sebbene in un caso il diagramma di Pedeferri abbia mostrato una buona corrispondenza con i risultati di prove sperimentali [4], per poter essere applicato a casi reali è necessario che venga tracciato un diagramma di Pedeferri specifico, che sia rappresentativo dei materiali utilizzati per il confezionamento delle strutture;
- inoltre, il diagramma di Pedeferri non tiene conto della variabilità delle “condizioni critiche” per l’innesco della corrosione. Questo aspetto è importante per la progettazione della durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, perché recentemente sono stati proposti dei modelli probabilistici per la previsione della vita di servizio delle strutture in calcestruzzo armato, in cui i dati di ingresso (tra cui il tenore critico di cloruri) sono variabili statistiche [5].
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Paragrafo 1.3 - Fattori da cui dipende l’innesco
Sebbene, come è stato detto, l’innesco della corrosione da cloruri sia provocato da un insieme di fattori, tuttavia, per fini pratici, spesso tale problema è semplificato individuando, tra tutti, un unico parametro che sia rappresentativo delle condizioni critiche per l’innesco della corrosione. In genere, come parametro è scelto il tenore critico di cloruri (che è stato definito nel Paragrafo 1.1). Affinché questa semplificazione sia lecita, è necessario che il valore del tenore critico di cloruri tenga conto di tutti gli altri parametri da cui dipende l’innesco della corrosione. In questo paragrafo sono brevemente analizzati i principali parametri da cui dipende il valore del tenore critico di cloruri, ossia i parametri da cui dipende l’innesco della corrosione (a parte il potenziale, il quale è già stato analizzato nei paragrafi precedenti).
Il tenore critico di cloruri dipende dal tipo e dalla finitura superficiale dell’acciaio. Nel caso in cui le strutture in calcestruzzo armato siano esposte ad ambienti contaminati da cloruri o nel caso in cui siano richieste vite di servizio particolarmente lunghe, le comuni armature di acciaio al carbonio possono essere sostituite da armature di acciaio inossidabile, per le quali il tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione è molto più elevato [6]. Inoltre, anche eventuali trattamenti superficiali, come la zincatura, possono comportare un significativo aumento della resistenza del materiale nei confronti dell’innesco della corrosione [7].
La resistenza all’innesco della corrosione dell’acciaio dipende anche dalla sua finitura superficiale, infatti la presenza di scaglie di laminazione sulla superficie dell’acciaio favorisce la formazione di difetti all’interfaccia acciaio-calcestruzzo e, quindi, favorisce l’innesco della corrosione [8-9]. Al contrario, quando l’acciaio ha una superficie pulita e liscia, esso mostra una migliore resistenza all’innesco della corrosione [10]. In letteratura non vi è accordo riguardo all’effetto di prodotti di corrosione (ruggine) sulla superficie dell’acciaio: infatti alcuni autori affermano che uno spesso strato di ruggine può impedire la passivazione dell’acciaio [11], mentre altri autori affermano che, in alcuni casi, la presenza di ruggine può migliorare la resistenza all’innesco della corrosione [8]. Oltre che dalle caratteristiche dell’acciaio, l’innesco dipende anche dalla composizione del calcestruzzo. A tale proposito, recentemente il Rilem ha proposto una metodologia di prova che possa essere utilizzata come standard per determinare l’effetto della composizione del calcestruzzo sul valore del tenore critico di cloruri [12]. La principale proprietà del calcestruzzo da cui dipende il valore del tenore critico è il tipo di cemento utilizzato; infatti, questo è uno dei parametri più studiati in letteratura [9,13-19]. Dal tipo di cemento dipendono sia il pH della soluzione acquosa contenuta nei pori del materiale, sia la capacità di legare i cloruri ai costituenti solidi della pasta cementizia (ad esempio sotto forma di sale di Friedel). Questi due aspetti, tuttavia, sono molto
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controversi: sebbene alcuni autori affermino che l’innesco della corrosione sia provocato principalmente dai cloruri liberi, ossia dai cloruri disciolti nella soluzione acquosa contenuta nei pori del calcestruzzo [20], altri autori hanno determinato che anche i cloruri legati contribuiscono a provocare l’innesco della corrosione, perché la nucleazione di un pit può indurre un abbassamento del pH che “libera” i cloruri legati, i quali così contribuiscono a sostenere la crescita del pit e a impedirne la ripassivazione [21-22]. Per quanto riguarda il pH, esso influisce sul rapporto [Cl-]/[OH-], il quale è stato inizialmente utilizzato come “unità di misura” del tenore critico di cloruri da Hausmann [23] e da Gouda [24] e ad oggi continua ad essere utilizzato [20,25]. Tuttavia, anche in questo caso non vi è accordo riguardo al ruolo dello ione OH- nel contrastare l’innesco della corrosione.
Oltre al tipo di cemento, il valore del tenore critico può dipendere anche dalla caratteristiche dell’interfaccia acciaio-calcestruzzo. In particolare, una cattiva compattazione del calcestruzzo (in genere legata a una scarsa lavorabilità del calcestruzzo allo stato fresco) può provocare la presenza di difetti macroscopici, i quali possono essere la sede dell’innesco della corrosione; di conseguenza, una cattiva compattazione comporta la diminuzione del tenore critico di cloruri [18,26].
In ultimo è importante citare un parametro che non dipende dalle proprietà dei materiali utilizzati per il confezionamento del calcestruzzo armato, ma dall’ambiente di esposizione delle strutture, ossia la temperatura: infatti, è dimostrato che un aumento della temperatura provoca una diminuzione del tenore critico [9].
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CAPITOLO 2
POTENZIALE DELLE ARMATURE E INNESCO
DELLA CORROSIONE DA CLORURI
Come è stato analizzato nel Capitolo 1, l’innesco della corrosione da cloruri è un evento che dipende da un elevato numero di parametri. Sebbene in genere sia data importanza principalmente al contenuto di cloruri sulla superficie delle armature, anche il potenziale delle armature (passive) è un importante parametro da cui dipende l’innesco della corrosione [2-3,16]. Dunque, lo studio del potenziale e dei fattori da cui esso dipende è di primaria importanza per definire in quali condizioni può avvenire l’innesco della corrosione.
Come è stato presentato nel Paragrafo 1.1, il potenziale delle armature dipende innanzitutto dalla zona di esposizione delle strutture: a titolo di esempio, la Fig.1.02a mostra che in calcestruzzo saturo il potenziale dell’acciaio è inferiore che in calcestruzzo asciutto. Tuttavia esistono altri fattori, oltre all’ambiente di esposizione, che influiscono sul valore del potenziale. Ovviamente questi fattori, modificando il valore del potenziale, influiscono anche sull’innesco della corrosione delle armature. Alcuni dei fattori da cui dipende il valore del potenziale si manifestano spontaneamente: ad esempio, come sarà analizzato nel seguito di questo capitolo, in alcune strutture possono svilupparsi delle macrocoppie che provocano una polarizzazione delle armature e, dunque, una variazione del potenziale rispetto al valore di libera corrosione (definito nel Paragrafo 1.1). Altri fattori, invece, sono introdotti appositamente per modificare il potenziale delle armature (in genere al fine di aumentare la resistenza all’innesco della corrosione dell’acciaio): questo è il caso dei sistemi di prevenzione catodica, i quali sono applicati al fine di abbassare il potenziale delle armature e prevenire così l’innesco della corrosione (la relazione tra abbassamento del potenziale e prevenzione della corrosione è illustrata in Fig.1.03).
In questo capitolo, nel Paragrafo 2.1 è studiato il potenziale assunto dalle armature nei diversi ambienti di esposizione delle strutture e sono brevemente descritti i principali fattori che possono provocare una variazione del potenziale dell’acciaio rispetto alla condizione di libera corrosione. Nel paragrafi successivi, l’effetto di questi fattori sul potenziale delle armature è stato quantificato mediante simulazioni numeriche: nel Paragrafo 2.2 sono descritti i modelli numerici che sono stati
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realizzati per studiare l’effetto dei fattori sopra citati e nel Paragrafo 2.3 sono presentati i risultati dei modelli.
I risultati dei modelli possono essere utilizzati sia per studiare qualitativamente in che modo i fattori che influenzano il potenziale dell’acciaio possano favorire (o prevenire) l’innesco della corrosione, sia per stimare quantitativamente il tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione nelle diverse zone delle strutture in calcestruzzo armato. Il diagramma di Pedeferri mostrato in Fig.1.03, infatti, mostra che esiste un legame tra il potenziale delle armature, il contenuto di cloruri e l’innesco della corrosione [2]. La stima del tenore critico è effettuata nel Paragrafo 3.6; in quel paragrafo i risultati delle simulazioni numeriche sono ripresi e confrontati con il diagramma di Pedeferri costruito utilizzando la metodologia di prova che sarà proposta nel Capitolo 3.
Paragrafo 2.1 - Potenziale elettrochimico dell’acciaio nel calcestruzzo
Nel Paragrafo 1.1 è stato mostrato, qualitativamente, che esiste un legame tra l’ambiente di esposizione delle strutture in calcestruzzo armato e il potenziale elettrochimico delle armature inglobate nel calcestruzzo. Dal momento che, a sua volta, il potenziale è legato al valore del tenore critico di cloruri, il tenore critico che provoca l’innesco della corrosione può variare in funzione dell’ambiente di esposizione delle strutture in calcestruzzo armato. Tuttavia, per studiare questo aspetto, è necessario disporre di informazioni quantitative riguardo al potenziale delle armature passive nei diversi ambienti.
Dal momento che il potenziale è un parametro elettrochimico molto utilizzato per identificare l’innesco della corrosione, queste informazioni possono essere raccolte tramite una analisi bibliografica dei valori di potenziale misurati durante l’ispezione di strutture in calcestruzzo reali o nel corso di prove di laboratorio che simulano condizioni reali. Il risultato di questa analisi è riportato nel Paragrafo 2.1.1. Nel Paragrafo 2.1.2 sono brevemente analizzati i fattori che, in alcune condizioni particolari (che saranno definite all’interno del paragrafo), possono provocare una variazione del potenziale rispetto ai valori presentati nel Paragrafo 2.1.1.
Paragrafo 2.1.1 - Potenziale elettrochimico dell’acciaio in funzione dell’ambiente di esposizione del calcestruzzo
Il potenziale elettrochimico è un parametro comunemente misurato per identificare l’innesco della corrosione; di conseguenza, in letteratura sono presentati molti dati relativi a questo parametro. Essi
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derivano sia dall’ispezione di strutture esistenti, sia dal monitoraggio di provini di laboratorio esposti ad ambienti marini simulati.
Mappatura del potenziale di strutture esistenti. La mappatura del potenziale è il metodo
elettrochimico più diffuso per valutare lo stato di corrosione delle armature nelle reali strutture in calcestruzzo armato [27]. Spesso una struttura può essere esposta contemporaneamente a più ambienti diversi: ad esempio, i pilastri dei pontili marini hanno sia una porzione immersa in acqua, sia una porzione esposta ad atmosfera marina. Dunque, dall’ispezione di queste strutture è possibile effettuare un confronto diretto tra i potenziali in ambienti diversi [28-30].
Tuttavia, spesso i dati misurati su strutture reali presentano alcuni inconvenienti. Innanzitutto, raramente il potenziale è monitorato continuamente nel tempo: in genere sono presentati dati di ispezioni effettuate per determinare lo stato di corrosione delle armature in un particolare istante della vita di servizio delle strutture; in questi casi mancano informazioni relative alla variabilità del potenziale nel tempo. La mancanza di queste informazioni può rendere complessa l’interpretazione dei risultati: infatti, è difficile determinare se una variazione del potenziale nelle diverse zone di una struttura sia dovuta a una variazione dell’ambiente di esposizione o, piuttosto, a una variazione della condizione di passività o di attività dell’acciaio [28-29]. Questo aspetto può essere compreso facendo riferimento alla Fig.2.01, la quale mostra, a livello qualitativo, i tipici intervalli di variazione del potenziale delle armature di acciaio al carbonio nel calcestruzzo [31]. La figura mostra che, in alcuni casi, gli intervalli di potenziale tipici di due o più condizioni di corrosione diverse possono essere parzialmente sovrapposti, dunque è possibile che, basandosi solo su misure di potenziale, due condizioni diverse possano essere confuse. Questo si verifica, ad esempio, per gli intervalli tipici dell’acciaio passivo in calcestruzzo molto umido e dell’acciaio attivo in calcestruzzo contaminato da cloruri. In queste situazioni, la sola misura del potenziale non è sufficiente a indicare quali siano le condizioni di corrosione delle armature, ma è necessario misurare altri parametri, come ad esempio la velocità di corrosione delle armature, per confermare (o smentire) che l’acciaio si trovi in condizione di passività.
Inoltre, spesso l’ispezione di strutture reali è effettuata quando compaiono i primi segni visibili di degrado (ad esempio quando il calcestruzzo comincia a fessurarsi), ossia molto tempo dopo l’innesco della corrosione, quando sono presenti contemporaneamente aree attive e aree passive [28-29,32]. In questo caso è difficile determinare se un valore relativamente basso di potenziale sia dovuto all’ambiente di esposizione o alla condizione di attività dell’acciaio.
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Provini esposti ad ambiente marino. In alcuni casi sono studiati dei provini armati esposti ad
ambiente marino, ad esempio a una certa distanza dalla costa o a una certa altezza al di sopra (o al di sotto) del livello del mare [33-35]. In questi lavori sperimentali, per studiare le condizioni di corrosione dei provini è effettuato un monitoraggio continuo del potenziale e, in genere, sono misurati anche altri parametri oltre al potenziale delle armature, ad esempio la velocità di corrosione dell’acciaio. Dunque, questi lavori presentano dati più completi (e di più facile interpretazione) rispetto a quelli raccolti dall’ispezione di strutture reali. Tuttavia, anche in questi casi non sempre i dati riportati sono sufficienti a determinare se una variazione del potenziale sia dovuta all’effetto dell’ambiente o all’effetto della condizione di passività o di attività dell’acciaio.
Fig.2.01 - Tipici intervalli di variazione del potenziale delle armature di acciaio al carbonio nel calcestruzzo [31].
Prove di laboratorio. Nella maggior parte dei casi, invece che prove di esposizione naturale sono
effettuate prove in laboratorio (che saranno discusse nel dettaglio nel Paragrafo 3.1), il cui obiettivo è studiare il comportamento elettrochimico dell’acciaio inglobato in calcestruzzo esposto ad ambienti marini simulati. In letteratura sono proposte diverse condizioni di esposizione (per una descrizione completa si rimanda al Paragrafo 3.1), che simulano la zona immersa, la zona delle maree o la zona degli spruzzi.
Sebbene le prove di laboratorio non siano effettuate in un ambiente reale, ma solo “realistico”, esse presentano alcuni vantaggi rispetto alle strutture reali: innanzitutto, in laboratorio è possibile un monitoraggio frequente del potenziale e della velocità di corrosione dell’acciaio, dunque è più
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semplice interpretare correttamente i risultati delle misure. Inoltre, grazie alle piccole dimensioni dei provini (nella massima parte dei casi la superficie delle armature di acciaio inglobate nel calcestruzzo è inferiore a 100 cm2), è possibile ipotizzare che l’umidità e il contenuto di ossigeno siano omogenei all’interno del calcestruzzo; in questo modo è possibile misurare il potenziale di
libera corrosione dell’acciaio passivo, senza che il potenziale sia influenzato dalla presenza di macrocoppie (che saranno descritte nel Paragrafo 2.1.2).
Tuttavia, le prove di laboratorio presentano anche alcuni inconvenienti: infatti, spesso sono effettuate prove di corrosione accelerate (ossia rispetto alle strutture reali sono utilizzati spessori di copriferro minori e soluzioni di cloruri più concentrate dell’acqua di mare); di conseguenza, l’innesco della corrosione può avvenire in pochi mesi [36-43]. In tutti questi casi, i dati presentati sono rappresentativi di un breve tempo di esposizione e non possono avvenire alcuni fenomeni che possono influenzare il potenziale dell’acciaio, come ad esempio il consumo dell’ossigeno sulla superficie dell’acciaio che, come è stato mostrato nel Paragrafo 1.1, provoca la diminuzione del potenziale dell’acciaio.
Per i motivi precedentemente elencati, l’analisi dei valori di potenziale presentati in letteratura deve essere sostenuta da due informazioni supplementari, ossia:
1) il tempo di esposizione all’ambiente dell’elemento in calcestruzzo armato;
2) la condizione di passività o di attività dell’acciaio. Quest’ultima informazione può essere determinata, ad esempio, tramite la misura della velocità di corrosione dell’acciaio o la verifica dell’assenza di prodotti di corrosione sulla superficie delle armature (che può essere effettuata a campione rimuovendo una porzione di copriferro).
In Tab.2.01 sono sintetizzati gli intervalli di variazione del potenziale delle armature passive determinati da vari autori, relativi sia a ispezioni di strutture reali, sia a prove di laboratorio [28,30,32-47]. I dati presentati in Tab.2.01 sono stati selezionati in base alle informazioni fornite dagli autori dei lavori citati: principalmente sono stati considerati i valori di potenziale misurati su armature con velocità di corrosione inferiore a 1 mA/m2 (dunque ragionevolmente passive); tuttavia, in alcuni casi gli autori hanno fornito altri criteri utili a verificare l’assenza di innesco della corrosione (ad esempio l’osservazione visiva delle armature effettuata rimuovendo una porzione di copriferro). Inoltre, sono stati considerati validi anche i dati misurati su strutture in cui sono presenti contemporaneamente aree attive e passive (selezionando ovviamente solo i potenziali delle aree passive).
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Tab.2.01 - Dati di letteratura inerenti al potenziale elettrochimico dell’acciaio passivo, in funzione dell’ambiente di esposizione del calcestruzzo [28,30,32-47]. (continua)
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Tab.2.01 - (continua) Dati di letteratura inerenti al potenziale elettrochimico dell’acciaio passivo, in funzione dell’ambiente di esposizione del calcestruzzo [28,30,32-47].
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In Tab.2.01, nelle colonne 1 e 2 sono citati il primo autore e l’anno di pubblicazione dei riferimenti analizzati; la colonna 3 indica la zona (reale o simulata in laboratorio) in cui sono esposti gli elementi in calcestruzzo armato; le colonne 4 e 5 forniscono informazioni riguardo al materiale e alla geometria degli elementi studiati nei diversi casi; le colonne 6 e 7 forniscono informazioni riguardo al luogo (ossia laboratorio o ambiente marino) e alla condizione di esposizione degli elementi; le colonne 8 e 9 indicano l’età delle strutture su cui sono state effettuate le misure e il periodo di monitoraggio; le colonne 10 e 11 indicano l’intervallo di variazione del potenziale riportato nei lavori citati e la colonna 12 indica la velocità di corrosione delle armature. Nel caso in cui le velocità di corrosione indichino la contemporanea presenza di armature passive e armature attive, in tabella è stato riportato solo il valore più elevato del potenziale (che è possibile associare all’acciaio passivo). Nel caso in cui nello stesso lavoro siano riportati dati relativi ad armature esposte a più condizioni ambientali diverse, in Tab.2.01 possono essere presenti più righe per ogni singolo lavoro. Ad ogni riga della Tab.2.01 è associata una colonna del grafico di Fig.2.02, il quale rappresenta graficamente i valori indicati in tabella.
Fig.2.02 - Intervallo di variazione del potenziale dell’acciaio passivo, in funzione dell’ambiente e del tempo di esposizione degli elementi in calcestruzzo armato [28,30,32-47].
Zona atmosferica. Come illustrato in Fig.2.02, i valori di potenziale misurati su elementi in
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calcestruzzo: quando gli elementi sono conservati per lungo tempo in ambiente asciutto, ad esempio in laboratorio o in un deposito coperto, il potenziale può raggiungere valori relativamente elevati, ossia superiori a +100 mV vs SCE (tali valori, indicati con la dicitura Lab. asciutto, sono tipici dell’acciaio attivo in calcestruzzo carbonatato secco, come mostrato indicativamente in Fig.2.01) [28,44]. Al contrario, quando l’umidità dell’ambiente è elevata (Lab. umido), il potenziale diminuisce significativamente e può variare tra 0 e -250 mV vs SCE [39,44-45].
I valori di potenziale misurati su strutture reali esposte all’atmosfera (Atm.) confermano i risultati ottenuti in laboratorio; tuttavia, essi presentano una variabilità più elevata, probabilmente a causa della variabilità delle condizioni climatiche, che possono variare da struttura a struttura [28,33,35].
Zona degli spruzzi e delle maree. Quando il calcestruzzo è sottoposto a cicli di asciutto-bagnato il
periodo di asciutto è troppo breve per permettere il completo asciugamento del calcestruzzo, quindi il potenziale è quasi sempre inferiore a 0 mV vs SCE.
Nelle prove di laboratorio, la durata delle prove spesso coincide con il periodo di innesco della corrosione (perché esse sono interrotte in seguito all’innesco); a sua volta, il periodo di innesco può dipendere da alcune condizioni di prova, come ad esempio la frequenza dei cicli di asciutto-bagnato [13], dalla concentrazione di cloruri nell’ambiente di esposizione, dallo spessore di copriferro e dal valore del tenore critico di cloruri; dunque, il periodo di esposizione può variare da alcuni mesi (corrispondenti a pochi cicli di asciutto-bagnato) a qualche anno. Come illustrato in Fig.2.02, il potenziale dell’acciaio dipende dalla durata del periodo di esposizione: in particolare, quando la corrosione si innesca in pochi mesi esso può variare tra -50 e -350 mV vs SCE (Lab. < 1 anno) [34,40,42-43]; al contrario, in prove di corrosione di lunga durata il potenziale dell’acciaio può diminuire fino a oltre -500 mV vs SCE a causa del consumo di ossigeno al livello delle armature (Lab. > 1 anno) [34-35].
Su strutture reali esposte alla zona delle maree sono stati misurati valori simili a quelli misurati su provini di laboratorio, anche se i dati misurati su strutture reali mostrano una variabilità più elevata (Maree) [28,30]: a titolo di esempio, i dati misurati da Lau et al. [30] nel corso dell’ispezione di un elevato numero di strutture mostrano un intervallo di variabilità di circa 800 mV (vedi Tab.2.01).
Zona immersa. Generalmente, a causa della severità dell’ambiente di esposizione, le prove di
corrosione effettuate su campioni costantemente immersi durano solo alcuni mesi [36-38,41]. Inoltre, in letteratura sono disponibili pochi dati di strutture reali immerse in acqua di mare, probabilmente a causa della difficoltà di effettuare un monitoraggio sotto il livello del mare [30].
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Se il periodo di immersione dura alcuni mesi, il potenziale dell’acciaio è compreso tra 0 e -250 mV vs SCE, ossia è molto simile a quello misurato su elementi esposti a cicli di asciutto-bagnato (probabilmente perché in un tempo così breve non avviene il consumo dell’ossigeno, Lab. < 1
anno). Nelle strutture in calcestruzzo armato reali, nelle quali il tempo di esposizione è più elevato,
il potenziale può variare da -300 a -650 mV vs SCE (Immerso) [30]. I dati presentati in Fig.2.02 mostrano che il minimo valore di potenziale nella zona immersa è simile a quello misurato su elementi esposti a cicli di asciutto-bagnato (ossia circa -600 mV vs SCE), tuttavia il massimo valore di potenziale (e dunque l’intervallo di variazione di questo parametro) è significativamente inferiore per le strutture permanentemente immerse.
L’analisi della letteratura, dunque, mostra che effettivamente il potenziale dell’acciaio passivo assume un valore che è tipico delle diverse zone in cui sono esposte le strutture in calcestruzzo armato, e la conoscenza di questi intervalli di valori può contribuire a definire le condizioni critiche per l’innesco della corrosione da cloruri.
Paragrafo 2.1.2 - Fattori che possono influenzare il potenziale dell’acciaio
In questo paragrafo sono presentate alcune condizioni particolari che possono verificarsi nelle strutture in calcestruzzo armato e che possono provocare una variazione del potenziale delle armature rispetto al potenziale di libera corrosione.
Macrocoppia tra armature passive. Una macrocoppia può svilupparsi ogniqualvolta è presente un
accoppiamento galvanico tra armature di acciaio con potenziale di libera corrosione diverso [1]. Sebbene in letteratura siano studiate principalmente le macrocoppie che si sviluppano tra una armatura passiva e una armatura attiva [16,48-54], la macrocoppia può svilupparsi anche prima dell’innesco della corrosione. Questa condizione si verifica quando due porzioni (elettricamente connesse tra loro) della stessa struttura sono esposte a due ambienti diversi [55]. Questa situazione può verificarsi, ad esempio:
- sui pilastri di infrastrutture marine (ponti, pontili e altri) [56-58]. Mentre la porzione inferiore delle strutture è immersa in acqua di mare, la porzione superiore emerge dal mare ed è esposta all’atmosfera;
- su strutture sottomarine cave (tunnel, parcheggi, frangiflutti) [59-60]. Infatti, sebbene queste strutture possano essere completamente immerse in acqua di mare, presentano al loro interno una cavità aerata (come se fosse esposta all’atmosfera).
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Come discusso nel paragrafo precedente, in tutte queste strutture il potenziale di libera corrosione dell’acciaio varia in funzione dell’ambiente di esposizione delle diverse parti. Poiché in genere le armature sono elettricamente interconnesse, la differenza di potenziale tra le diverse porzioni di una struttura può provocare la circolazione di corrente, dalle zone a potenziale inferiore verso le zone a potenziale superiore, e la conseguente polarizzazione dell’acciaio.
Macrocoppia con armature attive. Dal momento che la corrosione da cloruri è una forma di
corrosione localizzata, in una struttura possono essere presenti contemporaneamente aree di armatura attive e passive. Poiché, come è stato presentato nel Paragrafo 1.1, l’innesco della corrosione provoca una diminuzione del potenziale di libera corrosione dell’acciaio, la differenza di potenziale tra l’area attiva e l’area passiva porta alla formazione di una macrocoppia tra le due parti della struttura. Come sarà presentato nel seguito, il potenziale dell’acciaio può subire una variazione per effetto della macrocoppia che si genera:
- in seguito all’innesco della corrosione, tra un pit e l’area di acciaio passivo circostante;
- durante la fase di propagazione della corrosione, tra una porzione di armature che si stanno corrodendo e una porzione di armature passive.
Sistemi di prevenzione e protezione catodica. Per prevenire l’innesco della corrosione, o per
limitarne gli effetti qualora essa si sia già innescata, è possibile applicare alle strutture in calcestruzzo armato un sistema di prevenzione o di protezione catodica. Il principio su cui si basano queste tecniche è stato illustrato da Pietro Pedeferri nel 1996 [2] ed è spiegato nel Paragrafo 1.2. Sia la protezione che la prevenzione catodica sono basate su un abbassamento del potenziale delle armature e tale effetto può essere ottenuto mediante l’applicazione di tecnologie simili; tuttavia, le conseguenze della diminuzione del potenziale possono essere diverse a seconda che il sistema sia applicato prima (prevenzione catodica) o dopo (protezione catodica) l’innesco della corrosione: come è mostrato in Fig.1.03, lo scopo della prevenzione catodica è mantenere lo stato di passività dell’acciaio, mentre quello della protezione catodica è controllare, o fermare, un attacco corrosivo già in atto.
La prevenzione e la protezione catodica possono essere ottenute applicando alle armature una corrente catodica erogata da un generatore il cui polo negativo è collegato alle armature e il polo positivo è collegato a un anodo, generalmente posto sulla superficie dell’elemento in calcestruzzo da proteggere [2]. In alternativa, la prevenzione e la protezione catodica possono essere ottenute collegando alle armature un anodo sacrifiziale, il quale, corrodendosi, eroga la corrente necessaria a
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proteggere le armature. Quando le strutture sono immerse in acqua di mare, l’anodo può essere semplicemente immerso in acqua.
Difficilmente gli effetti di una macrocoppia possono essere studiati su strutture in calcestruzzo armato reali: innanzitutto, i sistemi per il monitoraggio della corrosione comunemente installati su strutture esposte all’atmosfera mostrano diverse prestazioni se installati su strutture immerse in acqua di mare [61]; inoltre, per studiare l’effetto di una macrocoppia sul potenziale e sulla velocità di corrosione dell’acciaio, sarebbe necessario il confronto con una situazione di riferimento “senza macrocoppia”, operazione praticamente impossibile in strutture reali.
Per questi motivi, in questo capitolo il potenziale assunto dall’acciaio in presenza di una macrocoppia o di un anodo sacrifiziale è stato studiato mediante modellazione numerica; infatti, in letteratura è dimostrato che questo strumento è efficace nel simulare il reale comportamento elettrochimico dell’acciaio nel calcestruzzo [52,54,58,62].
Paragrafo 2.2 - Modelli numerici per lo studio della distribuzione
del potenziale in elementi in calcestruzzo armato
In questa tesi sono stati studiati tre fattori che possono provocare una variazione del potenziale delle armature rispetto al valore di libera corrosione. Il primo fattore analizzato è lo sviluppo di una macrocoppia tra le diverse parti di una struttura in calcestruzzo armato esposta contemporaneamente a più ambienti diversi. Questo fattore è stato studiato realizzando il modello di una struttura caratterizzata da una condizione di esposizione ambientale complessa, schematicamente illustrata in Fig.2.03: la struttura simulata è cava e parzialmente immersa in acqua di mare. Questa tipologia di struttura permette di studiare gli ambienti di esposizione tipici di alcune infrastrutture realizzate in zone costiere, si vedano ad esempio il frangiflutti galleggiante di Monaco [63] o i parcheggi sottomarini di Oslo [60] mostrati, rispettivamente, in Fig.2.04a e in Fig.2.04b. Tutte queste strutture presentano una parte inferiore immersa in acqua di mare e una parte superiore esposta all’atmosfera; inoltre, al loro interno, le strutture presentano una cavità aerata. In queste strutture possono formarsi sia una macrocoppia tra la parte esterna e la parte interna, sia una macrocoppia tra la parte superiore e la parte inferiore. Dunque, questa tipologia di struttura si presta a studiare alcune situazioni comuni nelle opere in calcestruzzo armato esposte ad ambiente marino: ad esempio, la macrocoppia tra la parte superiore e la parte inferiore è tipica delle strutture
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parzialmente immerse in acqua di mare, come ad esempio i pilastri che reggono i pontili marini [56,58], mentre la macrocoppia tra la parte interna e la parte esterna è tipica dei tunnel sottomarini, come ad esempio quello di Bjorvika [59].
Fig.2.03 - Struttura in calcestruzzo armato parzialmente immersa in acqua di mare.
Fig.2.04a - Frangiflutti galleggiante di Monaco [63].
Fig.2.04b - Parcheggi sottomarini di Oslo [60].
Mediante il modello della struttura mostrata in Fig.2.03 è stata studiata sia la macrocoppia che si forma tra le varie parti della struttura quando tutte le armature sono passive (ossia nella fase di
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innesco della corrosione), sia la macrocoppia che si forma quando si innesca la corrosione in una parte della struttura (ossia durante la fase di propagazione della corrosione).
Il secondo fattore che è stato studiato mediante le simulazioni numeriche è la presenza di un sistema di prevenzione o di protezione catodica. Sebbene sia la prevenzione che la protezione catodica possano essere applicate utilizzando le stesse tecnologie, esse differiscono per il momento in cui sono applicate alla struttura: infatti, come è stato brevemente descritto nel Paragrafo 1.2, la prevenzione catodica è applicata quando le armature sono ancora passive, ossia prima dell’innesco della corrosione, mentre la protezione catodica è applicata dopo l’innesco della corrosione.
In questa tesi è stato studiato un sistema di prevenzione e di protezione catodica basato sull’utilizzo di anodi sacrifiziali di zinco. Tale sistema è stato applicato alla struttura cava e parzialmente immersa in acqua di mare mostrata in Fig.2.03, per verificare se la prevenzione catodica sia efficace nell’annullare gli effetti della macrocoppia che si forma tra le diverse zone della struttura durante la fase di innesco della corrosione e per verificare se la protezione catodica sia efficace nel fermare l’attacco corrosivo qualora esso si sia già innescato.
L’ultimo fattore che è stato analizzato mediante le simulazioni numeriche è la presenza di un pit (ossia di una piccola area attiva) su una barra di acciaio passivo inglobata nel calcestruzzo. I modelli numerici hanno permesso di simulare due fasi della crescita di un pit, ossia la nucleazione e lo sviluppo. Tramite la realizzazione di modelli tridimensionali di barre di lunghezza diversa sulle quali sono presenti dei pit di superficie diversa, è stato possibile effettuare una analisi di sensitività sull’effetto del rapporto tra area depassivata (ossia la superficie del pit) e area passiva (ossia la superficie della barra di acciaio passivo) sul potenziale dell’acciaio. Queste simulazioni numeriche hanno permesso di determinare quali sono le condizioni che permettono di identificare l’innesco della corrosione (ossia la presenza di un pit) mediante il monitoraggio del potenziale elettrochimico dell’acciaio. Questo aspetto è difficile da studiare su strutture o provini in calcestruzzo armato reali, proprio a causa della difficoltà di identificare un pit di piccole dimensioni.
Inoltre, le simulazioni numeriche di una barra di acciaio inglobata nel calcestruzzo sulla cui superficie è presente un pit hanno permesso di studiare un altro aspetto relativo alla corrosione per pitting: in genere nei modelli numerici per lo studio della propagazione della corrosione in una struttura in calcestruzzo armato è praticamente impossibile (per motivi di calcolo) simulare la presenza dei singoli pit; dunque, in genere il comportamento elettrochimico dell’armatura è espresso tramite una equazione che sia rappresentativa del comportamento “globale” dell’acciaio. (Questo approccio è stato utilizzato anche in questa tesi per le simulazioni della struttura mostrata in Fig.2.03.) Tuttavia, questo approccio è la schematizzazione di una situazione più complessa, in cui il comportamento “medio” dell’acciaio è dato dalla contemporanea presenza di aree in cui avviene
