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CORROSIONE DELL’ACCIAIO NEGLI AMBIENTI NATURALI
Negli ambienti naturali, cui sono esposte la maggior parte delle
infrastrutture e costruzioni civili le reazioni di corrosione seguono un
meccanismo elettrochimico.
L’acciaio si corrode quando viene a contatto con acqua contenente
ossigeno disciolto.
Sono situazioni caratteristiche:
– le strutture posate nel terreno, dove l’acqua è presente come acqua
capillare o di falda;
– le strutture immerse in acque naturali – dolci, salmastre o di mare;
– le strutture esposte all’atmosfera, in presenza di condensa o di pioggia;
– le armature nelle strutture in calcestruzzo, dove l’acqua è presente nelle
porosità del cemento.
La corrosione è invece nulla per esposizione in atmosfere secche o a fluidi
anidri, come ad esempio il gas metano nelle reti di trasporto e distribuzione.
Ruolo dell’ossigeno
L’ossigeno disciolto nell’acqua è la specie chimica che causa
la corrosione degli acciai negli ambienti naturali. L’ossigeno
presente nell’atmosfera si scioglie in piccola quantità nella
soluzione acquosa.
Se il sistema è chiuso l’eventuale ossigeno disciolto
nell’acqua viene consumato per corrosione fino a quando la
reazione si arresta e non procede più perché manca
l’ossigeno!
La corrosione del Ferro in ambiente umido
La corrosione ha inizio quando un conduttore metallico (Ferro) si trova a contatto
con una soluzione acquosa oppure in un mezzo poroso (terreno o calcestruzzo)
permeato d’acqua contenente Sali disciolti.
A causa della presenza di eterogeneità chimiche o fisiche sul metallo o nella
soluzione acquosa a contatto con esso si possono generare delle differenze di
potenziale elettrico tra le diverse parti del sistema. Si forma quindi una cella
elettrochimica costituita da zone anodiche e catodiche che iniziano a funzionare
come una o più pile.
Avviene una reazione di ossidoriduzione:
Zona anodica - Reazione anodica (-):
Fe → Fe2+ + 2eZona catodica - Reazione catodica (+):
½O2 + H2O + 2e- → 2OH-
La corrosione del Ferro in ambiente umido
Il meccanismo consiste nella dissoluzione del ferro (area anodica) e formazione di OHsull’area catodica. Gli ioni che si sono formati migrano attraverso la soluzione e reagiscono
tra loro formando idrossido di ferro Fe(OH)2 . Questo in presenza di ossigeno dell’aria si
ossida a Fe(OH)3 che poi si decompone formando anche Fe2O3
Il processo di corrosione è di tipo spontaneo e si verifica se il potenziale di equilibrio della
reazione catodica è maggiore del potenziale di equilibrio della reazione anodica.
Si genera un flusso di elettroni nel metallo ed una migrazione di ioni
nella soluzione.
Eterogeneità nel metallo
I fenomeni di corrosione si innescano in corrispondenza
di eterogeneità della superficie metallica, ad esempio:
zone deformate (piegatura di un ferro dell’armatura) o in
cui sono presenti dei difetti, zone di saldatura di parti
diverse dell’armatura.
In corrispondenza di queste eterogeneità si può
innescare la corrosione in quanto queste zone avranno
un comportamento anodico rispetto al resto della
superficie che sarà catodica. Quindi si crea una
differenza di potenziale fra area anodica e area
catodica.
Eterogeneità nel metallo: corrosione fra due fasi (galvanica)
Si creano processi di corrosione anche in presenza di fasi metalliche
diverse nello stesso acciaio (eterogeneità). Ad es. l’acciaio del tondo di
un cemento armato se osservato al microscopio ottico è costituito da
due fasi diverse: la ferrite e la cementite (es: perlite). La cementite è più
nobile (ha un potenziale maggiore) della ferrite e quindi,in presenza di
umidità sulla superficie del tondo, quest’ultima diventa anodica, e si
corrode (corrosione galvanica).
Eterogeneità nella soluzione elettrolitica di contatto
(aerazione differenziale):
Si verifica quando l’ossigeno disciolto nella soluzione elettrolitica ha
una concentrazione maggiore in una zona del conglomerato più
porosa (l’ossigeno viene più facilmente a contatto con la soluzione
perché la zona è più porosa). Si crea quindi una differenza di
potenziale fra le zone poco porose dove l’ossigeno non arriva
facilmente (zona anodica dove il Fe si corrode) e quelle più porose
dove arriva più facilmente l’O2che quindi si riduce (zona catodica).
Diagramma di Pourbaix del Ferro
La possibilità che il metallo si
corroda dipende, oltre che dal
potenziale del metallo in
quell’ambiente, anche dal pH della
soluzione.
Il Diag. di Pourbaix del ferro indica
al variare del potenziale del ferro e
del pH della soluzione quali
fenomeni si possono verificare sulla
superficie del metallo:
Immunità: il metallo non si corrode.
Attività (corrosione): il metallo si
corrode
Passività (passivazione): il metallo
in queste condizioni si dissolve ma
forma un ossido sulla superficie,
compatto ed impermeabile, che isola
il metallo stesso proteggendolo e
quindi impedendo il proseguire della
corrosione.
L’acqua che normalmente penetra la pasta
di cemento presenta (a indurimento
avvenuto, per effetto della solubilizzazione
degli alcali del clincker e formazione
solfoalluminati) un pH attorno a 13,5
(basico).
Condizione di passività dell’acciaio nel cemento armato
• Il pH della soluzione che penetra è di
13,5.
• Il potenziale dell’acciaio impiegato
per le barre delle armature in questo
ambiente varia da circa -0,1 a circa 0,3 V.
• A queste condizioni di pH e
potenziale l’acciaio è passivo, cioè si
forma un ossido protettivo che
impedisce il proseguire della reazione
di ossidazione del ferro.
• Inoltre se la pasta di cemento è poco
porosa, quindi poco permeabile,
l’ossigeno disciolto arriva con
maggiore difficoltà a contatto con la
superficie metallica, quindi anche la
reazione catodica è inibita.
• Se queste condizioni vengono
mantenute l’acciaio non si corrode.
Perdita di passività dell’acciaio nel cemento armato
Ci sono diversi fattori che possono alterare la condizione di
passività dell’acciaio nel cemento armato. Se questi si verificano da
soli o in concomitanza fra loro avvengono dei fenomeni di
corrosione che, generando la formazione di un ossido di ferro
idrato non protettivo e con elevato volume specifico e quindi che si
espande , si generano delle tensioni di compressione sul
calcestruzzo circostante le barre che portano alla formazione di
fessure in direzione parallela ai ferri che si ampliano e provocano un
progressivo distacco di scaglie di conglomerato cementizio.
I fattori sono:
1) Scarsa impermeabilità del calcestruzzo
2) Variazione del pH della pasta di cemento
3) Presenza di cloruri
4) Presenza di correnti vaganti (ad esempio lungo le linee
ferroviarie)
5) Stati di sollecitazione meccanica delle barre di acciaio
(corrosione sotto tensione).
Andamento della corrosione
Dopo la prima fase di innesco, inizia l’ossidazione del ferro, quindi la fessurazione a cui
segue un aumento della velocità di corrosione (a quel punto la barra è esposta
all’ambiente). La linea tratteggiata indica che il danno è visibile quando la situazione
presenta già un certo stato di degrado.
Prevenzione della carbonatazione
• aumentare lo spessore del copriferro (distanza fra la superficie esterna dell'armatura
più prossima alla superficie del calcestruzzo e la superficie stessa del conglomerato
cementizio)
• ridurre la permeabilità del calcestruzzo
• utilizzare un calcestruzzo ad elevato tenore di idrossido di calcio in modo da
neutralizzare l’effetto dell’anidride carbonica (usare un cemento Portland).
Prevenzione della corrosione….
Oltre ai precedenti punti….
• usare inibitori di corrosione nel impasto del calcestruzzo (es: cromati e nitriti, ma
possibile tossicità da valutare)
• Usare barre zincate o protette con resine polimeriche. Barre in acciaio inossidabile. In
casi particolari (restauro) utilizzo barre di titanio anche se costose.
• Isolare barre con protettivi come vernici.
• protezione catodica
• Evitare il contatto con acqua delle strutture in cemento armato con coperture
• impregnare il calcestruzzo con monomeri che polimerizzano direttamente nel
materiale aumentandone l’impermeabilità.