Acciaio nei cementi armati

L'acciaio è uno dei materiali più utilizzati nelle costruzioni civili, principalmente come armatura nei cementi armati. La combinazione tra cemento e acciaio offre un materiale composito altamente resistente sia alle sollecitazioni di compressione (gestite dal cemento) che a quelle di trazione (gestite dall'acciaio). Tuttavia, l'acciaio è soggetto a ossidazione, fenomeno che può compromettere gravemente l'integrità strutturale delle opere in cemento armato.

L'ossidazione dell'acciaio è una reazione elettrochimica che si verifica quando il metallo viene esposto a umidità e ossigeno. Nel contesto del cemento armato, l'acciaio è incorporato in una matrice di cemento, che inizialmente lo protegge da agenti esterni grazie al pH alcalino elevato (pH > 12.5). In queste condizioni, sulla superficie dell'acciaio si forma uno strato di ossido passivo (Fe₂O₃), che agisce come barriera contro ulteriori attacchi corrosivi.

Tuttavia, con il tempo, vari fattori possono rompere questo equilibrio:

1. Carbonatazione del calcestruzzo: È un processo in cui l'anidride carbonica (CO₂) presente nell'aria penetra nel cemento armato e riduce il pH della matrice cementizia. Quando il pH scende sotto un valore critico (circa 9-10), lo strato passivo sull'acciaio si destabilizza, permettendo alla corrosione di avanzare.
2. Cloruri: Un altro importante fattore che induce la corrosione è la presenza di cloruri, spesso derivati da ambienti marini o dall'uso di sali antigelo. I cloruri possono penetrare attraverso i pori del calcestruzzo e raggiungere l'acciaio, dove rompono il film passivante anche a pH elevato, innescando rapidamente il processo di ossidazione.
3. Porosità del calcestruzzo: Un calcestruzzo con alta porosità permette una maggiore penetrazione di agenti aggressivi come acqua, ossigeno e cloruri, favorendo la corrosione dell'acciaio.
4. Cracking: Fessurazioni nel calcestruzzo, dovute a carichi strutturali o a ritiro, possono esporre l'acciaio direttamente all'ambiente esterno, accelerando il processo di corrosione.

La corrosione dell'acciaio porta alla formazione di prodotti di corrosione (ruggine) che occupano un volume maggiore rispetto al metallo originale. Questo aumento di volume genera pressioni interne che possono provocare fessurazioni e delaminazioni nel calcestruzzo, compromettendo l'adesione tra l'acciaio e il cemento. Nei casi più gravi, la perdita di sezione dell'acciaio dovuta alla corrosione riduce la capacità portante dell'elemento strutturale, mettendo a rischio la stabilità della struttura.

Tecniche di Mitigazione della Corrosione

Esistono diverse strategie per prevenire o ridurre l'ossidazione dell'acciaio nei cementi armati, che possono essere suddivise in misure preventive e tecniche di protezione attiva:

1. Aumento della copertura di calcestruzzo: Uno spessore maggiore di calcestruzzo attorno all'armatura offre una maggiore protezione contro la penetrazione di agenti esterni. Inoltre, un calcestruzzo con bassa permeabilità riduce l'accesso di ossigeno e umidità all'acciaio.
2. Uso di cementi pozzolanici o additivi: Materiali come le pozzolane o le ceneri volanti migliorano la densità del calcestruzzo e la sua resistenza alla penetrazione di agenti aggressivi. Alcuni additivi come gli inibitori di corrosione possono essere utilizzati per interrompere il processo ossidativo direttamente a contatto con l'acciaio.
3. Trattamenti superficiali: Applicare rivestimenti protettivi sulle superfici del calcestruzzo, come vernici idrofobiche o sigillanti, aiuta a prevenire l'ingresso di umidità e agenti aggressivi. L'uso di membrane impermeabilizzanti, specialmente in ambienti marini o aggressivi, è una tecnica efficace per limitare l'esposizione del calcestruzzo agli agenti corrosivi.
4. Acciaio inossidabile o galvanizzato: In situazioni particolarmente aggressive, come quelle esposte a cloruri, l'uso di acciaio inossidabile può essere una soluzione. L'acciaio inossidabile ha una resistenza molto elevata alla corrosione grazie all'elevato contenuto di cromo, che forma un ossido protettivo. Alternativamente, l'acciaio galvanizzato, rivestito con uno strato di zinco, può offrire protezione grazie alla natura anodica dello zinco rispetto al ferro, che si corrode preferenzialmente.
5. Catodi sacrificali e protezione catodica: Questa tecnica consiste nell'utilizzare un metallo meno nobile, come lo zinco o il magnesio, che si ossida al posto dell'acciaio. La protezione catodica a corrente impressa è un'altra tecnica utilizzata nelle grandi strutture, dove una corrente elettrica viene applicata per impedire la corrosione dell'acciaio.
6. Utilizzo di calcestruzzo ad alte prestazioni: I calcestruzzi ad alte prestazioni (HPC) con ridotto rapporto acqua-cemento e l'uso di microsilica migliorano significativamente la durabilità e la resistenza alla penetrazione di sostanze aggressive.

Gli inibitori di corrosione sono sostanze chimiche aggiunte al calcestruzzo che rallentano o impediscono il processo corrosivo dell'acciaio all'interno del cemento armato. Questi inibitori agiscono creando una barriera protettiva sulla superficie dell'acciaio o alterando l'ambiente chimico attorno ad esso, prevenendo così l'inizio della corrosione o rallentandone il progresso. Tra i più utilizzati per il cemento armato troviamo:

1. Nitriti di calcio: Il nitrito di calcio (Ca(NO₂)₂) è uno degli inibitori più comuni e largamente utilizzati. Agisce come inibitore anodico, prevenendo la formazione di ossidi sulla superficie dell'acciaio. Il nitrito di calcio è particolarmente efficace contro la corrosione indotta dai cloruri, neutralizzando l'effetto dei cloruri che altrimenti promuoverebbero la corrosione. Inoltre, non riduce le prestazioni meccaniche del calcestruzzo, rendendolo una scelta popolare in ambienti aggressivi, come quelli marini o esposti a sali antigelo.
2. Inibitori organici: Sono composti chimici a base di ammine o composti polari che formano un film protettivo sulla superficie dell'acciaio. Tra questi, gli alchilammine e i composti derivati da ammine sono molto utilizzati. Agiscono riducendo la velocità di reazione dell'acciaio con agenti corrosivi, principalmente formando un sottile strato idrofobo che impedisce l'accesso di umidità e ossigeno.
3. Fosfati: Sono inibitori anodici che, una volta disciolti nella soluzione porosa del calcestruzzo, formano uno strato protettivo di fosfato di ferro sulla superficie dell'acciaio, impedendo così l'avvio della corrosione. Anche se meno comuni rispetto ai nitriti, sono usati in determinate applicazioni dove le condizioni ambientali lo richiedono.
4. Inibitori a base di ammine: Le ammine sono spesso usate come inibitori di corrosione perché possono adsorbirsi sulla superficie dell'acciaio e formare una barriera chimica che rallenta o previene l'attacco corrosivo. Un esempio comune è l'etanolammina, che aiuta a formare una pellicola protettiva sulla superficie dell'acciaio, riducendo l'accesso di acqua e ossigeno, fattori chiave nella corrosione.
5. Inibitori migranti di corrosione (MCI): Sono una classe di additivi che hanno la capacità di diffondersi all'interno della matrice del calcestruzzo e raggiungere l'armatura in profondità. Sono utilizzati spesso in calcestruzzi già induriti, poiché penetrano attraverso i pori del calcestruzzo. Questi inibitori possono essere sia di tipo anodico che catodico e spesso utilizzano sostanze organiche come le ammine. La capacità di migrare verso l'acciaio rende questi inibitori particolarmente utili nei progetti di riparazione e manutenzione di strutture esistenti.
6. Benzoati: I benzoati, come il benzoato di sodio, possono essere usati come inibitori catodici, prevenendo la corrosione nelle zone in cui l'acciaio riceve elettroni durante la reazione di corrosione. Questi inibitori sono efficaci in condizioni di corrosione uniformi, ma sono meno comuni rispetto ai nitriti di calcio e ai fosfati.
7. Inibitori combinati: Alcuni inibitori di corrosione utilizzano una combinazione di più sostanze chimiche per fornire una protezione sinergica. Ad esempio, l'uso combinato di nitriti di calcio e inibitori organici può migliorare l'efficacia complessiva del sistema di protezione contro la corrosione. Questi sistemi combinati offrono vantaggi in termini di prestazioni su un'ampia gamma di condizioni ambientali e sollecitazioni.

L'uso di inibitori di corrosione nel cemento armato può aumentare significativamente la vita utile delle strutture, specialmente in ambienti esposti a cloruri, come le strutture marine, i ponti o le strade trattate con sali antigelo. Questi inibitori sono spesso aggiunti durante la fase di miscelazione del calcestruzzo, ma possono anche essere applicati mediante impregnazione o diffusione in strutture già esistenti 

Monitoraggio della Corrosione

Il monitoraggio della corrosione dell'acciaio nel cemento armato è essenziale per garantire la sicurezza e la durabilità delle strutture, poiché permette di individuare precocemente segni di degrado. Tecniche e dispositivi specifici consentono di valutare la progressione della corrosione e di intervenire in modo tempestivo, riducendo costi di riparazione e prolungando la vita utile delle costruzioni.

Tecniche di Monitoraggio della Corrosione

1. Potenziale di corrosione: Questa tecnica misura il potenziale elettrochimico dell'acciaio nel calcestruzzo, rilevando differenze di potenziale che possono indicare l'inizio della corrosione. Viene utilizzato un elettrodo di riferimento, come l'elettrodo di rame/solfato di rame o l'elettrodo di argento/cloruro d'argento. Misurazioni con potenziali negativi rispetto a questi elettrodi possono indicare un rischio elevato di corrosione.
2. Resistenza di polarizzazione lineare (LPR): Con questa tecnica, si applica una corrente controllata all'acciaio e si misura il cambiamento nel potenziale elettrochimico. La LPR consente di determinare il tasso di corrosione dell'acciaio, fornendo informazioni quantitative sul degrado. È considerata una tecnica precisa, ma richiede una buona connessione elettrica all'armatura.
3. Spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS): La EIS è una tecnica avanzata che utilizza una corrente alternata per misurare la resistenza e la capacità del sistema. Fornisce dati dettagliati sulle proprietà elettrochimiche dell'acciaio e del calcestruzzo e può rilevare corrosione in fase iniziale. È ampiamente usata in laboratori, ma può essere applicata anche sul campo con apparecchiature adeguate.
4. Tecnica Galvanostatica Pulsata (GPT): Questa tecnica utilizza impulsi di corrente galvanostatica per determinare la polarizzazione dell'acciaio. I dati raccolti permettono di calcolare la resistenza di polarizzazione e quindi il tasso di corrosione. È una tecnica non distruttiva, adatta per monitorare aree critiche della struttura.
5. Analisi di cloruri e carbonatazione: 

   Oltre alle tecniche elettrochimiche, l'analisi chimica dei cloruri e della carbonatazione nel calcestruzzo è fondamentale per il monitoraggio della corrosione. Campioni di calcestruzzo sono prelevati e analizzati in laboratorio per misurare la concentrazione di cloruri e la profondità della carbonatazione, fornendo dati indiretti ma utili per valutare il rischio di corrosione.

Strumenti di Monitoraggio della Corrosione

1. Half-Cell Potential Meter: Utilizzato per misurare il potenziale elettrochimico, questo dispositivo è composto da un elettrodo di riferimento e un voltmetro per leggere la differenza di potenziale tra l'acciaio e l'elettrodo. Questo strumento è portatile e facile da utilizzare sul campo per una rapida diagnosi dello stato di corrosione.
2. Sonde di corrosione a resistenza di polarizzazione: Sono dispositivi installati nelle strutture per misurare la resistenza di polarizzazione. Le sonde LPR forniscono dati diretti sul tasso di corrosione e possono essere collegate a sistemi di acquisizione per monitoraggi a lungo termine. Vengono spesso utilizzate in ambienti particolarmente aggressivi, come strutture marine o industriali.
3. Analizzatori di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS): Sono apparecchiature avanzate che forniscono dati dettagliati sulle condizioni elettrochimiche. Utilizzati spesso in laboratori per analisi approfondite, sono disponibili anche in versione portatile per monitoraggi sul campo, soprattutto in progetti di ricerca e sviluppo.
4. Sonde galvanostatiche pulsate (GPT): Sono sonde specializzate che applicano impulsi di corrente controllati alla struttura. Queste sonde sono usate per monitorare le variazioni di polarizzazione e calcolare i tassi di corrosione con elevata precisione.
5. Sistemi a fibre ottiche: Sistemi di monitoraggio innovativi utilizzano fibre ottiche sensibili alla corrosione per monitorare il pH, i cloruri e l'umidità all'interno del calcestruzzo. Questi sistemi possono rilevare cambiamenti ambientali critici e sono usati per monitoraggi continui in strutture di alto valore, fornendo dati in tempo reale.
6. Sistemi wireless di monitoraggio della corrosione: 

   Le tecnologie wireless permettono di raccogliere dati da sensori installati nella struttura senza necessità di cavi. Questi sistemi possono trasmettere i dati a una centrale di monitoraggio, facilitando il controllo continuo delle condizioni di corrosione anche in aree difficili da raggiungere.