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Il calcestruzzo
è il materiale ideale per proteggere il comune acciaio d'armatura,
grazie all'azione passivante della soluzione alcalina contenuta nei
pori della pasta cementizia. Le armature possono corrodersi solo quando
l'ambiente è in grado di modificare la composizione del liquido
nei pori, a causa della carbonatazione, che rende praticamente neutra
la soluzione, o della penetrazione di cloruri. La protezione delle
armature nelle strutture in calcestruzzo armato è quindi affidata
al calcestruzzo che le ricopre cioè al copriferro (1).
In condizioni ambientali d'elevata aggressività, soprattutto
legata alla presenza d'acqua di mare o di sali disgelanti, oppure
nei casi in cui, per l'importanza della struttura, sia richiesta una
vita di servizio molto lunga (ad esempio maggiore di 100 anni), la
protezione offerta dal copriferro può non essere sufficiente
a prevenire la corrosione, almeno nei punti più critici di
una struttura. Per garantire la durata richiesta per l'opera possono,
quindi, essere necessarie delle manutenzioni straordinarie. Poiché
gli interventi di recupero effettuati sulle strutture corrose, soprattutto
in presenza di cloruri, sono complessi, costosi e spesso non duraturi,
è buona norma cercare di evitarli. Per questo motivo, fin dagli
anni settanta sono state studiate diverse tecniche di protezione aggiuntiva
(2), destinate ad aumentare la vita di servizio delle strutture in
calcestruzzo armato. Tra queste rientra la sostituzione, integrale
o parziale, delle comuni armature di acciaio al carbonio con barre
di acciaio inossidabile (Fig. 1).
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Fig. 1 - Esempio di impiego delle armature di accaiaio inossidabile. |
In questa
nota sono descritte le principali proprietà delle armature
di acciaio inossidabile; in una nota successiva si discuteranno gli
effetti dell'accoppiamento galvanico con l'acciaio al carbonio e si
analizzeranno le applicazioni e i costi di questa protezione aggiuntiva.
ACCIAI INOSSIDABILI UTILIZZATI PER LE ARMATURE
La famiglia degli acciai inossidabili comprende un numero elevato
di materiali, con la caratteristica comune di contenere un elevato
tenore di cromo (in genere maggiore del 13%) che consente loro di
ricoprirsi spontaneamente di un sottile strato protettivo d'ossido
di cromo (passività). È disponibile un'ampia
varietà di acciai inossidabili per soddisfare diverse esigenze
di proprietà fisiche e meccaniche, costo e resistenza alla
corrosione. Oltre al cromo (Cr), sono anche utilizzati nichel (Ni)
e molibdeno (Mo). In genere, le armature sono realizzate con acciai
inossidabili di microstruttura austenitica o duplex austeno-ferritica
(3,4). I primi contengono 17-18% di Cr e 8-10% di Ni, come l'acciaio
denominato 304 secondo la designazione americana (AISI) o 1.4301 secondo
quella europea (UNI EN 10088), e possono contenere 2-3% di Mo, come
il tipo 316 (1.4401 o 1.4436). Gli acciai inossidabili austenitici
contengono 22-26% di Cr e 4-8% di Ni (il più utilizzato è
il tipo 1.4460 con 22% di Cr e 5% di Ni). La Tabella 1 mostra la composizione
e le proprietà meccaniche di alcune barre per armatura in acciaio
inossidabile.
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Tabella
1 - Esempi di composizione chimica e proprietà meccaniche
di barre di armatura in acciaio inossidabile (Æ
= diametro della barra, fy = carico di snervamento,
A = allungamento a rottura).
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Micro-struttura
|
Designazione
|
Composizione
(*)
|
Lavorazione
(**)
|
Æ
(mm)
|
fy
(MPa)
|
A
(%)
|
|
AISI
|
EN
10088
|
| Austenica |
304L
|
1.4307
|
0,02%C,
18%Cr, 9%Ni
|
D.F.
L.C.
L.C.
|
8
14
20
|
788
772
761
|
22
26
28
|
|
316L
|
1.4404
|
0,02%C,
17%Cr, 12% Ni, 2%Mo
|
D.F.
L.C.
L.C.
|
8
14
40
|
773
853
717
|
23
25
31
|
| Duplex |
22-05
|
1.4462
|
0,02%C,
22%Cr, 5% Ni, 3%Mo, e N
|
-
D.F.
|
8
10
|
518
950
|
32
14
|
*
Valori indicativi del contenuto degli elementi chimici caratteristici.
**Trattamento termomeccanico di rafforzamento:D.F.=deformato
a freddo, L.C. lavorato a caldo
|
PROPRIETA'
MECCANICHE
Le barre d'acciaio inossidabile devono garantire le prestazioni meccaniche
richieste alle normali barre d'armatura, in particolare per quanto
riguarda la resistenza allo snervamento e la duttilità. Per
le armature di acciaio inossidabile austenitico sono indispensabili
dei trattamenti di rafforzamento; normalmente le barre di piccolo
diametro sono incrudite a freddo, mentre quelle di diametro maggiore
sono sottoposte a trattamenti termomeccanici sviluppati dai singoli
produttori. Con gli acciai inossidabili duplex, invece, si
possono raggiungere resistenze sufficienti anche senza specifici trattamenti
di rafforzamento. Qualche preoccupazione è stata sollevata
in relazione alla minore duttilità delle barre di acciaio inossidabile
rispetto alle comuni armature, in particolare in relazione al loro
comportamento in presenza di fenomeni sismici. In realtà, anche
se le barre di acciaio inossidabile non manifestano uno snervamento
discontinuo, i trattamenti cui sono sottoposte consentono di adattare
le loro caratteristiche meccaniche ai requisiti normativi. Ad esempio,
le barre utilizzate in Italia soddisfano i requisiti di resistenza
e duttilità del tipo FeB44K secondo il D.M. LL.PP. del 9/1/1996
e la successiva circolare 15/10/1996. Inoltre, in condizioni di elevata
aggressività ambientale, l'impiego di armature di acciaio inossidabile,
prevenendo la corrosione e il danneggiamento del copriferro, può
migliorare il comportamento globale di una struttura anche in occasione
di un evento sismico.
RESISTENZA ALLA CORROSIONE
Nel calcestruzzo non carbonatato e non inquinato da cloruri, le barre
di acciaio inossidabile sono passive come le normali barre di acciaio
al carbonio. Ovviamente i più costosi acciai inossidabili non
dànno alcun vantaggio nel caso in cui non si preveda la carbonatazione
del calcestruzzo e la penetrazione dei cloruri. Il loro impiego è
in genere associato ad ambienti contenenti cloruri. Per strutture
soggette solo a carbonatazione, a meno che non siano richieste vite
di servizio estremamente lunghe (maggiori di 100 anni), la prevenzione
della corrosione può essere ottenuta in modo più economico
attraverso il progetto della composizione del calcestruzzo e dello
spessore di copriferro oppure con protezioni aggiuntive meno costose
(come le barre d'armatura zincate che hanno un buon comportamento
in calcestruzzo carbonatato senza cloruri).
In ambienti contenenti cloruri, le comuni armature subiscono un attacco
localizzato quando il calcestruzzo con cui sono a contatto contiene
un tenore di cloruri superiore a una soglia critica. Per strutture
esposte all'atmosfera questa soglia in genere è compresa fra
0,4% e 1% di cloruri rispetto alla massa del cemento. In calcestruzzo
contaminato da cloruri, anche gli acciai inossidabili potrebbero subire
questo tipo d'attacco ma il contenuto di cloruri richiesto per l'innesco
della corrosione è notevolmente più elevato. Poiché
la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili aumenta all'aumentare
del contenuto di cromo, molibdeno e azoto, il contenuto critico di
cloruri dipende dalla composizione chimica delle barre. Questo può
inoltre essere influenzato da altri fattori: la microstruttura e le
condizioni superficiali dell'acciaio, il pH del calcestruzzo (che
dipende dal tipo di cemento o dalla carbonatazione) e dal potenziale
elettrochimico dell'acciaio (che dipende essenzialmente dall'umidità
del calcestruzzo).
Diversi studi hanno mostrato che nel calcestruzzo non carbonatato,
anche nella condizione peggiore di esposizione (ad esempio la zona
al di sopra di quella interessata dalle maree, come mostrato in Figura
2), per gli acciai austenitici 304L e 316L e l'acciaio duplex
22-05 (Tabella 1) si può considerare un tenore critico di cloruri
superiore al 5% rispetto alla massa di cemento (4). Questo contenuto
di cloruri viene raggiunto solo in casi eccezionali vicino alle armature,
anche con gli usuali spessori di copriferro. Conviene quindi utilizzare
il meno costoso acciaio 304L.
Il contenuto critico di cloruri diminuisce se il calcestruzzo è
carbonatato. Le situazioni in cui il calcestruzzo a contatto con le
armature è sia carbonatato sia contaminato da elevati tenori
di cloruri sono rare; si possono trovare, ad esempio, all'interno
delle gallerie stradali. In queste condizioni sono da preferire gli
acciai con maggiore contenuto d'elementi di lega, come quelli austenitici
con almeno 2.5% di molibdeno (tipo 316L, 1.4436) oppure i duplex.
Gli acciai maggiormente legati sono da preferire anche quando si prospetta
il rischio che il copriferro possa presentare fessure di notevole
apertura.
È importante osservare che gli ossidi colorati prodotti dalla
saldatura sulla superficie delle armature hanno una minore resistenza
alla corrosione rispetto all'ossido di cromo che si forma spontaneamente
a temperatura ambiente. Il tenore critico può quindi ridursi
localmente se le barre vengono saldate e gli ossidi colorati non vengono
rimossi; con prove di laboratorio si è comunque verificato
che, anche in presenza di ossidi di saldatura, la soglia critica è
di almeno 3,5% di cloruri in massa rispetto al cemento.
ALTRE PROPRIETA'
Nella valutazione dell'uso di armature di acciaio inossidabile, oltre
alle proprietà meccaniche e alla resistenza alla corrosione,
si devono considerare altre caratteristiche che possono influire sulle
prestazioni della struttura o sul processo costruttivo.
PROPRIETA' TERMICHE
Gli acciai inossidabili austenitici hanno un coefficiente di dilatazione
lineare di circa 1,8×10-5 °C-1, maggiore
sia di quello del calcestruzzo (circa 10-5 °C-1)
sia di quello delle normali armature (1,2×10-5 °C-1).
Il maggiore coefficiente di dilatazione termica potrebbe creare situazioni
sfavorevoli nel caso di forti escursioni termiche (ad esempio durante
un incendio); tuttavia l'acciaio inossidabile austenitico ha una conducibilità
termica notevolmente inferiore rispetto all'acciaio al carbonio e
quindi tende a scaldarsi di meno in queste condizioni.
PROPRIETA' MAGNETICHE
Gli acciai inossidabili austenitici sono in genere considerati "non
magnetici", sebbene la permeabilità magnetica aumenti
per effetto dell'incrudimento a freddo. Possono essere quindi utili
per particolari applicazioni (e sono apprezzate anche nel campo della
bioarchitettura). Questa proprietà va inoltre tenuta in considerazione
durante l'ispezione delle strutture, perché i comuni misuratori
di copriferro di tipo magnetico non sono in grado di individuare correttamente
le armature inossidabili e la loro posizione. Le armature duplex
hanno invece proprietà magnetiche simili alle armature comuni.
|
|
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| Fig.
2 - Effetti della corrosione in una struttura marina. La zona
atmosferica sopra l'altezza delle maree è la più
critica perchè è bagnata dagli spriuzzi d'acqua
di mare, am il calcestruzzo no è saturo d'acqua e quindi
l'ossigeno può raggiungere le armature. |
ADERENZA
L'aderenza al calcestruzzo delle barre di acciaio inossidabile, come
per le normali armature, è garantita dalle nervature.
SALDABILITA'
La saldabilità degli acciai inossidabili dipende dalla loro
composizione chimica. In genere, grazie alla riduzione del tenore
di carbonio, le barre d'armatura d'acciaio inossidabile sono saldabili.
Tuttavia la saldatura in cantiere è in genere sconsigliata
per i rischi di perdita locale dell'incrudimento nella zona termicamente
alterata e, soprattutto, per la riduzione di resistenza alla corrosione
conseguente alla formazione degli ossidi di saldatura che si formano
sulla superficie e che portano alla formazione di colori d'interferenza.
Nel caso in cui si effettui la saldatura in cantiere, questi ossidi
devono essere rimossi con sabbiatura o decapaggio. Se le condizioni
di saldatura possono essere accuratamente controllate, come durante
la produzione in stabilimento delle reti saldate, la saldatura può
essere effettuata senza conseguenze negative.
PRATICHE DI CANTIERE
A differenza delle armature zincate o rivestite con resine epossidiche,
quelle di acciaio inossidabile non alterano la loro resistenza alla
corrosione quando vengono tagliate, piegate o danneggiate superficialmente.
Non è quindi necessario alcun particolare accorgimento durante
la posa in opera. Naturalmente questo non vale nel caso di armature
placcate, cioè di comuni armature di acciaio al carbonio rivestite
con un sottile strato di acciaio inossidabile, che sono state proposte
come un'alternativa economica alle armature interamente in acciaio
inossidabile.
BIBLIOGRAFIA
- M.Collepardi,
"Il nuovo calcestruzzo", Enco, Spresiano (TV), 2001.
- P.Pedeferri,
L.Bertolini, "La durabilità del calcestruzzo armato",
McGrawHill, Milano, 2000.
- The
Concrete Society, "Guidance on the Use of Stainless Steel Reinforcement",
Technical Report No. 51, 1998.
- The
Institute of Materials, "Stainless Steel in Concrete",
European Federation of Corrosion, Publication No. 18, Ed. U.Nürnberger,
London, 1996.
- L.Bertolini,
P.Pedeferri, "Laboratory and field experience on the use of
stainless steel to improve durability of reinforced concrete",
Corrosion Reviews, Vol. 20, n. 1-2, 2002, pag. 129-152
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