CORROSIONE DELL ACCIAIO NEGLI AMBIENTI NATURALI

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1 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.

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3 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!

4 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 Fe e - Zona catodica - Reazione catodica (+): ½O 2 + H 2 O + 2e - 2OH -

5 La corrosione del Ferro in ambiente umido Il meccanismo consiste nella dissoluzione del ferro (area anodica) e formazione di OH - sull 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 Fe 2 O 3 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.

6 Si genera un flusso di elettroni nel metallo ed una migrazione di ioni nella soluzione.

7 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.

8 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).

9 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).

10 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).

11 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.

12 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).

13 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.

14 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). Oltre ai precedenti punti. Prevenzione della corrosione. 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.