Corrosione. Memorie >> L. Bertolini, E. Redaelli

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1 Memorie >> Corroione VALUTAZIONE DEL POTERE PENETRANTE DELLA PREVENZIONE CATODICA APPLICATA MEDIANTE ANODI SACRIFIZIALI A COLONNE IN CALCESTRUZZO ARMATO PARZIALMENTE IMMERSE IN ACQUA DI MARE L. Bertolini, E. Redaelli Si ono effettuate imulazioni numeriche finalizzate alla determinazione della ditribuzione del potenziale e della corrente in elementi in calcetruzzo armato parzialmente immeri in acqua di mare con lo copo di prevedere il potere penetrante della prevenzione catodica applicata con anodi acrifiziali. Si ono coniderati modelli bidimenionali di colonne in calcetruzzo armato contenenti armature di acciaio a divere altezze protette con anodi acrifiziali poti nell acqua in cui erano parzialmente immere. Le condizioni al contorno per la decrizione del comportamento elettrochimico delle armature e i valori della reitività elettrica del calcetruzzo alle divere altezze dal livello dell acqua ono tati ricavati da prove perimentali di laboratorio effettuate u provini in calcetruzzo armato. Nelle imulazioni i ono coniderate divere condizioni di comportamento elettrochimico delle armature, dimenioni dell elemento e poizione degli anodi acrifiziali. La nota riporta i riultati ottenuti dai modelli e confronta il potere penetrante che può eere raggiunto uando anodi acrifiziali immeri in acqua di mare per proteggere le armature nella parte emera di elementi in calcetruzzo. PAROLE CHIAVE: corroione, imulazione numerica, calcetruzzo, prevenzione e protezione catodica INTRODUZIONE La corroione da cloruri, come è noto, è uno dei principali fenomeni di degrado delle trutture in calcetruzzo armato epote ad ambienti marini. I cloruri penetrano nel copriferro e, quando la loro concentrazione nel calcetruzzo a contatto con le armature raggiunge un valore critico, cauano l inneco della corroione per pitting. Queto valore critico dipende da diveri fattori, come il ph del calcetruzzo, il potenziale dell acciaio e la preenza di microvuoti nella pata cementizia [1]. La prevenzione catodica è una tecnica elettrochimica che conente di ritardare l inneco della corroione in trutture in calcetruzzo ar- Luca Bertolini, Elena Redaelli Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica G. Natta mato oggette a penetrazione di cloruri; è applicata nello teo modo della protezione catodica, cioè applicando una corrente (catodica) all armatura attravero un anodo eterno, ma, diveramente dalla protezione catodica, è applicata quando i cloruri non hanno ancora raggiunto il tenore critico in corripondenza delle armature, che quindi ono ancora paive [2,3]. La prevenzione catodica i baa ull aumento del tenore critico per l inneco della corroione in eguito alla polarizzazione catodica dell acciaio. Di coneguenza, il tempo neceario ai cloruri per penetrare il calcetruzzo e raggiungere il tenore critico alla uperficie dell acciaio aumenta e la vita di ervizio della truttura è più lunga. La prevenzione catodica lavora a denità di corrente molto più bae (circa 1-2 ma/m 2 riferiti alla uperficie di armatura) ripetto alla protezione catodica (10-20 ma/m 2 ). Grazie al uo elevato potere penetrante [4] e quindi al minore richio di ovraprotezione, può eere applicata anche a trutture precompree enza richio di infragilimento da la metallurgia italiana >> maggio

2 Corroione << Memorie divere altezze nei due cai di protezione catodica e prevenzione catodica. Per etendere queti riultati a elementi con geometria e dimenioni più realitiche i ono effettuate imulazioni numeriche di ditribuzione del potenziale e della corrente in modelli rappreentativi di colonne in calcetruzzo contenenti armature a divere altezze, protetti con anodi acrifiziali poti in acqua e collegati alle armature. Le condizioni al contorno per decrivere il comportamento elettrochimico dell acciaio e i valori di reitività elettrica del calcetruzzo ono tati ricavati dalle prove perimentali [7]. Si ono coniderate divere condizioni che differicono nel comportamento elettrochimico delle armature, nella forma e dimenione degli elementi, nella poizione degli anodi, in modo da evidenziare i poibili benefici che poono eere raggiunti con la prevenzione catodica. Fig. 1 Confronto della depolarizzazione a 4 ore in funzione dell altezza nei provini in calcetruzzo armato oggetti a prevenzione e protezione catodica [7]. Comparion of four-hour-decay along the height of the column ubjected to cathodic prevention (black ymbol) and cathodic protection (white ymbol) [7]. idrogeno. Le trutture marine parzialmente immere in acqua di mare motrano alcune peculiarità. In genere il maggior richio di corroione i preenta nella parte emera (in particolare nella zona delle maree e degli pruzzi), dove ono preenti ia l oigeno ia i cloruri. Vicevera, le armature d acciaio contenute nel calcetruzzo permanentemente immero generalmente non offrono corroione grazie alla mancanza di oigeno e, quindi, ai bai valori di potenziale tipici delle condizioni di aturazione. Diveri autori hanno tudiato la poibilità di proteggere le armature nella parte emera attravero l uo di anodi acrifiziali immeri nell acqua o inglobati nella truttura [5-7]. In particolare, arebbe molto vantaggioo poter proteggere l armatura attravero anodi acrifiziali emplicemente immeri e collegati elettricamente all armatura. Una poibile limitazione è il potere penetrante della protezione, che raggiunge una altezza di poche decine di centimetri opra il livello dell acqua, in relazione alla reitività del calcetruzzo [5,6]. L uo della prevenzione catodica potrebbe conentire di rimuovere queta limitazione, grazie alla maggiore polarizzabilità dell acciaio paivo ripetto a quello attivo [4]. Infatti, prove perimentali effettuate u colonne in calcetruzzo di dimenioni 0.15 m 0.15 m 1.2 m [7] hanno motrato che, e gli anodi acrifiziali vengono applicati quando il calcetruzzo è privo di cloruri e le armature paive, anche l armatura più alta, pota a 1 m dal livello della oluzione, è in condizioni di polarizzazione tali da prevenire l inneco della corroione (definite da una depolarizzazione a 4 ore uperiore di 100 mv [3]). Vicevera, e le armature i tanno già corrodendo, le condizioni di polarizzazione ufficienti per garantire la protezione vengono raggiunte olo fino a circa 0.6 m dal livello dell acqua. Queto riultato è motrato nella Fig. 1, che motra la depolarizzazione a 4 ore delle armature alle DESCRIZIONE DEI MODELLI NUMERICI I modelli numerici hanno lo copo di determinare la ditribuzione del potenziale e della corrente in un dominio rappreentativo di un elemento in calcetruzzo armato parzialmente immero in acqua di mare e protetto con anodi acrifiziali. In generale, queto problema richiede la oluzione della equazione di Laplace (1) e della legge di Ohm (2): e dove indica la conducibilità (Ω -1.m -1 ), V è il potenziale (V) e i la denità di corrente (A/m 2 ) [8]. In queto lavoro i è utilizzato un programma agli elementi finiti. Le armature e gli anodi ono tati aunti come regioni equipotenziali, grazie alla elevata conducibilità dei metalli ripetto a quella del calcetruzzo e della acqua di mare, e non ono tati coniderati nel dominio di oluzione della equazione di Laplace; il loro comportamento elettrochimico è tato coniderato attravero opportune condizioni al contorno all interfaccia con l elettrolita. Si ono coniderati diveri tipi di condizioni al contorno. All interfaccia armatura/calcetruzzo i ono inerite curve di polarizzazione che decrivono la cinetica delle reazioni elettrochimiche, o nella forma di equazioni di Butler-Volmer: oppure introducendo la corrente limite di diffuione dell oigeno: Nelle equazioni precedenti i 0 è la denità di corrente di corroione (ma/m 2 ), V 0 il potenziale di corroione (V), i lim la denità di corrente limite dell oigeno (ma/m 2 ), b a e b c le pendenze anodica e catodica delle curve di polarizzazione (mv/dec). Per le armature nel calcetruzzo immero i è applicata una emplice condizione di denità di corrente cotante, in virtù delle condizioni limite raggiunte in aenza di oigeno ia in condizioni (1) (2) (4) (3) 44 maggio 2008 << la metallurgia italiana

3 Memorie >> Corroione Tab. 1 Condizioni al contorno uate nei modelli per la calibrazione con i dati perimentali. Boundary condition ued in the model for the calibration with experimental tet. di corroione libera che in preenza di polarizzazione catodica: i = i cot (5) Sulla uperficie dell anodo i è applicata una condizione di potenziale cotante (l anodo è tato aunto come una uperficie non polarizzabile): V = V an (6) Tutte le altre uperfici al contorno, come le uperfici eterne della geometria, ono tate pote iolanti: i = 0 (7) La reitività del calcetruzzo è tata celta coniderando le differenze nel contenuto di acqua e di cloruri lungo l altezza della colonna. La reitività dell acqua di mare è tata aunta pari a 0.2 Ω m. CALIBRAZIONE DEL MODELLO CON I DATI SPERIMENTALI Inizialmente i è effettuata una erie di imulazioni per calibrare il modello a partire da dati perimentali di potenziale e corrente u armature pote a divere altezze in un provino di calcetruzzo. Solo l armatura più baa era immera nella oluzione (3.5% NaCl). Le armature erano collegate elettricamente tra loro e con dei dichi di Al-Zn-In immeri nella oluzione. Si ono coniderati due provini: uno in calcetruzzo privo di cloruri (prevenzione catodica) e uno in calcetruzzo contenente 3% di cloruri in maa ripetto al cemento, aggiunti al getto (protezione catodica). I dettagli perimentali ono in [7]. I valori dei parametri ono riportati in Tab. 1. Sull armatura nel calcetruzzo immero i è applicata una condizione al contorno di denità di corrente cotante, in quanto queta armatura riceve una corrente molto baa dall anodo, a caua della baa denità di corrente limite dell oigeno in quete condizioni. Il valore di denità di corrente è quello miurato nelle prove perimentali, che i è mantenuto cotante nel tempo. Le prime barre emere, fino a una altezza h dal livello dell acqua (pari a 0.24 m nel calcetruzzo con cloruri e 0.16 m nel calcetruzzo enza cloruri) ono tate caratterizzate da una condizione al contorno del tipo con corrente limite di diffuione di oigeno, mentre le armature uperiori con curve di polarizzazione di tipo Butler-Volmer. La pendenza del tratto catodico della curva di polarizzazione è tata celta pari a 300 mv/dec, mentre la pendenza del tratto anodico è pari a 75 mv/dec per l acciaio in condizioni di attività e 10 V/dec (cioè praticamente infinita) per l acciaio in condizioni i paività. I valori del potenziale e della corrente di corroione ono quelli miurati ulle armature in condizioni di corroione libera. Il potenziale dell anodo è pari a V/SCE. Per il calcetruzzo immero e fino ad altezza h dal livello della oluzione i ono applicati valori di reitività di 30 Ω m nel calcetruzzo con cloruri e 100 Ω m nel calcetruzzo enza cloruri; per il calcetruzzo ad altezze uperiori i ono applicati valori di 200 Ω m e 1500 Ω m ripettivamente. Con queto modello numerico i ono ottenute ditribuzioni del potenziale e della corrente che hanno motrato un buon accordo con la ditribuzione miurata perimentalmente, ia nel cao della protezione catodica che nel cao della prevenzione catodica; i dettagli ono riportati in [9]. In particolare, analogamente ai riultati perimentali, la oluzione dei modelli ha evidenziato che la polarizzazione catodica dell armatura (cioè la differenza tra il potenziale di corroione libera e quello raggiunto per effetto del collegamento con gli anodi) è maggiore di 100 mv fino a 0.65 m nel cao della protezione catodica e u tutta l altezza del provino nel cao di prevenzione catodica. POTERE PENETRANTE DELLA PREVENZIONE CATODICA SU COLONNE MARINE Per etendere i riultati delle prove perimentali a colonne con geometria e dimenioni più realitiche, i è utilizzato il modello per il calcolo della ditribuzione del la metallurgia italiana >> maggio

4 Corroione << Memorie dello precedente: 30 Ω m fino a 1.16 m per il calcetruzzo con 3% di cloruri e 100 Ω m fino a 1.24 m per il calcetruzzo enza cloruri; la reitività nella parte retante della colonna è di 200 Ω m e 1500 Ω m ripettivamente. Queti valori poono eere ragionevolmente coniderati rappreentativi di mari calmi con bae variazioni delle maree. Il modello è tato riolto con una meh di circa elementi triangolari. La Fig. 3 motra le ditribuzioni del potenziale nella colonna con protezione catodica (a) e in quella con prevenzione catodica (b). Si può oervare che e le armature ono attive la polarizzazione catodica diventa tracurabi Fig. 2 Geometria del modello bidimenionale, dimenioni in m. Geometry of bidimenional model, dimenion in m. Fig. 3 Potenziale delle armature a divere altezze calcolati con il modello numerico nel cao di protezione catodica (a) e prevenzione catodica (b). La linea grigia tratteggiata delimita la zona in cui la polarizzazione è uperiore a 100 mv. Potential of teel bar a a function of height calculated with the numerical model in the cae of cathodic protection (a) and cathodic prevention (b). The grey dotted line repreent potential value at which the polariation i higher than 100 mv. potenziale u colonne in calcetruzzo parzialmente immere in acqua di mare contenenti armature lungo tutta la loro altezza. Si è coniderata inizialmente una geometria di riferimento con diametro di 1 m, altezza opra il livello del mare di 2 m, altezza della zona immera di 1 m. Queta colonna contiene 8 barre verticali (diametro 12 mm) e un taffa a pirale (diametro 10 mm) con paziatura di 0.15 m. Il copriferro è di 30 mm. Tutte le armature ono cortocircuitate e collegate a un anodo acrifiziale poto ulla uperficie della colonna. L anodo è circolare, alto 0.2 m e con peore di 0.05 m, poto attorno alla colonna 0.2 m al di otto del livello dell acqua. Si è cotruito un modello bidimenionale dopo aver verificato con modelli tridimenionali che la preenza delle armature longitudinali poteva eere tracurata ai fini della ditribuzione del potenziale e quindi fruttando la geometria aialimmetrica dell elemento. Il dominio del modello bidimenionale è motrato in Fig. 2. La larghezza del dominio che rappreenta l acqua di mare è pari a 1 m. Le condizioni al contorno ripecchiano quelle utilizzate nella calibrazione del modello: le barre immere hanno una condizione di denità di corrente cotante, quelle nel primo tratto emero con altezza h ( m) hanno una curva di polarizzazione con corrente limitata dalla diffuione dell oigeno e le retanti armature uperiori una curva di polarizzazione tipo Butler-Volmer. Il potenziale impoto all anodo è di V/SCE. Anche i valori di reitività ono tati celti in bae al mo- 46 maggio 2008 << la metallurgia italiana

5 Memorie >> Corroione queto effetto può eere preente anche ad altezze uperiori a 2 m dal livello dell acqua. Oltre al cao di riferimento, i ono coniderati molti altri cai variando parametri quali lo peore di copriferro, il diametro della colonna, la ditanza tra le armature, la profondità dell anodo al di otto del livello del mare. Ad eempio, l effetto del diametro della colonna e della ditanza tra le armature è motrato in Fig. 4. Si ono coniderate protette le armature con valori di polarizzazione uperiori a 100 mv. Il potere penetrante aumenta linearmente in funzione di entrambi i parametri ia per la protezione ia per la prevenzione catodica. Un maggiore diametro conente alla corrente di fluire più facilmente nella parte interna della colonna. Un aumento della ditanza tra le armature i traduce in una diminuzione della uperficie di acciaio da proteggere. Vicevera, non i è evidenziato alcun effetto dello peore di copriferro nell intervallo di valori coniderato ( mm) e della profondità a cui è poto l anodo al di otto della uperficie dell acqua. Tutti i riultati motrano chiaramente i vantaggi di applicare gli anodi acrifiziali prima dell inneco della corroione delle armature (quindi di applicare la prevenzione invece della protezione). Queto è un chiaro eempio dei minori coti e maggiori vantaggi a lungo termine di una tecnica preventiva. CONCLUSIONI Fig. 4 Altezza al di opra del livello del mare a cui la polarizzazione dell armatura è uperiore a 100 mv in funzione del diametro della colonna (a) e della ditanza tra le armature (b). Height above water level where the teel polariation i higher than 100 mv a a function of column diameter (a) and ditance between rebar (b). le ad altezze uperiori a 1.20 m, ed è minore di 100 mv al di opra di 0.8 m; e le armature ono paive, anche la polarizzazione della armatura più in alto è uperiore a 100 mv, anche e la denità di corrente che queta armatura riceve (circa 0.1 ma/m 2 ) è inferiore a quella che riceve l armatura pota alla tea altezza nella colonna con protezione catodica (circa 0.4 ma/m 2 ). Nonotante la maggiore reitività del calcetruzzo privo di cloruri, il potere penetrante della prevenzione catodica è più elevato di quello della protezione catodica, grazie alla migliore polarizzabilità dell acciaio paivo. Mentre la baa polarizzazione delle armature pote nella parte alta della colonna non è ufficiente a proteggerle e i tanno già corrodendo, può avere effetti benefici e ono paive; i riultati ottenuti dal modello uggericono che Si ono riprodotti riultati perimentali u provini di calcetruzzo armato oggetti alla applicazione della protezione catodica e della prevenzione catodica per calibrare un modello numerico adatto a tudiare il potere penetrante della protezione con anodi acrifiziali immeri. Le imulazioni numeriche hanno motrato che l armatura di acciaio di una colonna circolare alta 3 m e con diametro di 1 m era polarizzata più di 100 mv ripetto al potenziale di corroione libera anche a 2 m dal livello dell acqua nel cao in cui l acciaio foe paivo, mentre la polarizzazione è diventata praticamente tracurabile al di opra di 1 m e l acciaio i corrodeva, nonotante la minore reitività del calcetruzzo. Il potere penetrante dipende dalla geometria della colonna, in particolare il uo diametro, e dalla quantità di uperficie di acciaio da proteggere; altri parametri come lo peore di copriferro e la poizione degli anodi hanno invece un effetto tracurabile. RINGRAZIAMENTI Gli autori ono grati a S. Malgrati e M. Pozzi per il contributo alle imulazioni numeriche. BIBLIOGRAFIA 1] L. Bertolini, B. Elener, P. Pedeferri, R. Polder, Corroion of teel in concrete. Prevention, diagnoi, repair, Wiley-VCH, Weinheim, ] P. Pedeferri, Contruction and Building Material, 10 (1996) ] EN Standard, Cathodic protection of Steel in Atmopherically Expoed Concrete, March ] T. Patore, P. Pedeferri, L. Bertolini, F. Bolzoni, Current ditribution problem in the cathodic protection of reinforced concrete tructure, in: D.W.S. Ho, F. Collin (Ed.), Proc. of the International RILEM/CSI- la metallurgia italiana >> maggio

6 Corroione << Memorie RO/ACRA Conference on Rehabilitation of Concrete Structure, Melbourne, 31 Augut 2 September, 1992, pp ] O.T. de Rincón, M.F. de Romero, A.R de Carruyo, M. Sanchez, J. Bravo, Material and Structure, 30 (1997) ] A.A. Sagüé, S.C. Kranc, F. Preuel-Moreno, Advanced computational model for acrificial cathodic protection of partially ubmerged reinforced concrete marine footer, in: W.F. Silva-Araya, O.T. de Rincón, L.P. O Neill (Ed.), Repair and rehabilitation of reinforced concrete tructure: the tate-of-the-art, American Society of Civil Engineering, Reton, 1997, pp ] L. Bertolini, M. Gataldi, MP. Pedeferri, E. Redaelli, Corroion Science, 44 (2002) ] J.S. Newman, Electrochemical ytem, Prentice Hall, Englewood Cliff NJ, ] L. Bertolini, E. Redaelli, Numerical imulation of the throwing power of cathodic prevention applied to marine reinforced concrete pile by mean of acrificial anode Eurocorr 2004, Nice (F), September EVALUATION OF THE THROWING POWER OF CATHODIC PREVENTION WITH SACRIFICIAL ANODES APPLIED TO REINFORCED CONCRETE PILES PARTIALLY SUBMERGED IN SEAWATER Keyword: corroion, numerical imulation, concrete, cathodic protection and prevention The paper deal with the determination of current and potential ditribution in reinforced concrete element partially ubmerged in eawater aimed at predicting the throwing power of cathodic prevention applied by mean of acrificial anode. Previou laboratory tudie carried out on reinforced concrete column 0.15 m 0.15 m 1.20 m howed that the ue of acrificial anode placed in the olution at the bottom of the column could provide protection of corroding teel bar in the emerged part of the pile up to about 0.6 m from the water level. However, if acrificial anode were applied when the concrete wa chloride free and teel bar were till paive, even the highet bar, placed at 1 m from the level of water, wa protected. Thee reult are hown in Fig. 1 and they are due to the higher polariability of paive teel, that make the ABSTRACT throwing power of cathodic prevention higher compared to that of cathodic protection. In order to extend the reult obtained on mall-cale pecimen to element of higher dimenion, numerical imulation of current and potential ditribution were carried out. Two-dimenional model were et up of reinforced concrete pile containing teel bar at different height protected with acrificial anode placed in the water in which they were partially ubmerged (the geometry of one of the model i hown in Fig. 2). Boundary condition decribing the electrochemical behaviour of bar were obtained from polariation curve meaured on the previouly mentioned column. Value of concrete conductivity at different height from the water level were alo obtained from thoe tet (Tab. 1). Several cae were conidered, repreentative of condition differing in electrochemical behaviour of teel bar, dimenion of element, poition of acrificial anode. The paper dicue the reult obtained from the model and compare them in term of the throwing power that can be reached by uing acrificial anode immered in the eawater to protect reinforcing teel bar in the emerged part of a pile, in the cae of cathodic protection and cathodic prevention (Fig. 3). In particular, parameter uch a the column diameter and the ditance between the rebar were conidered (Fig. 4). 48 maggio 2008 << la metallurgia italiana