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Le barre
d'armatura di acciaio inossidabile sono uno strumento per migliorare
la resistenza alla corrosione delle strutture in calcestruzzo armato.
Le loro proprietà sono state illustrate in una precedente nota
[1], dove si è mostrato che gli acciai inossidabili possono
resistere alla corrosione in calcestruzzo con un contenuto di cloruri
molto elevato, anche quando è carbonatato. Tuttavia, l'effettivo
impiego delle armature di acciaio inossidabile è molto limitato,
anche rispetto ad altre tecniche di protezione aggiuntiva che garantiscono
un ben più modesto aumento della resistenza alla corrosione,
come gli inibitori di corrosione o le armature zincate. I progettisti
delle strutture sono spesso intimoriti dal loro costo e da presunti
rischi di accoppiamento galvanico con l'acciaio al carbonio. Per questo
motivo è opportuno approfondire i due aspetti.
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Fig. 1 - Principali fattori che concorrono a determinare la
vita di servizio di una struttura in calcestruzzo armato, in
relazione alla corrosione delle armature. |
ACCOPPIAMENTO
CON L'ACCIAIO AL CARBONIO
In passato si è temuto che le armature di acciaio inossidabile
potessero dar luogo a corrosione per contatto galvanico sulle barre
di acciaio al carbonio e si richiedeva che i due materiali non fossero
in contatto elettrico. In realtà è stato chiarito che
l'accoppiamento con l'acciaio inossidabile non aumenta i rischi di
corrosione per le normali armature [2,3].
Anzitutto si può considerare il caso in cui sia l'acciaio inossidabile
sia l'acciaio al carbonio sono passivi. Un corretto progetto della
struttura dovrebbe portare a questa condizione. Infatti, anche se
i due tipi di armature vengono utilizzati insieme, la loro disposizione
nella struttura dovrebbe essere tale da evitare che su entrambi si
inneschi la corrosione. In questo caso le armature di acciaio inossidabile
non sono causa di innesco della corrosione su quelle di acciaio al
carbonio. Infatti, le armature di acciaio inossidabile in calcestruzzo
esposto all'atmosfera hanno all'incirca lo stesso potenziale di corrosione
libera di quelle di acciaio al carbonio; in realtà hanno persino
un potenziale leggermente inferiore rispetto all'acciaio al carbonio
e quindi si potrebbe anche ipotizzare un effetto benefico. Nonostante
l'accoppiamento, dunque, sia l'acciaio al carbonio sia quello inossidabile
restano passivi.
Anche se la corrosione si innesca sulle barre di acciaio al carbonio,
perché raggiunte dalla carbonatazione o dai cloruri, le conseguenze
dell'accoppiamento tra acciaio al carbonio e acciaio inossidabile
rimangono trascurabili. In effetti, si forma una macrocoppia nella
quale le zone di corrosione sull'acciaio al carbonio si comportano
da anodo, e quindi subiscono un'accelerazione dell'attacco. Il catodo
di questa macrocoppia è però costituito sia dall'acciaio
inossidabile, che rimane passivo in quanto non si corrode in calcestruzzo
carbonatato o in presenza di tenori di cloruri anche elevati, sia
dalle parti di armatura di acciaio al carbonio che sono ancora passive
(ad esempio, le barre poste a profondità maggiore). Poiché
l'acciaio inossidabile è un catodo notevolmente meno efficiente
rispetto all'acciaio al carbonio passivo, la presenza delle barre
di acciaio inossidabile, nella maggior parte dei casi, dà un
contributo trascurabile rispetto alla macrocoppia che comunque si
forma con le armature passive di acciaio al carbonio.
In una pubblicazione della Concrete Society, l'impiego delle
barre di acciaio inossidabile invece del normale acciaio al carbonio
è perfino consigliato nei lavori di ripristino che richiedono
la parziale sostituzione o reintegrazione delle armature corrose.
Infatti, l'acciaio inossidabile può contribuire a rendere minimi
gli effetti di accoppiamento galvanico che spesso portano alla corrosione
delle armature originali rimaste nelle zone circostanti a quella riparata
[3].
COSTI
Le armature di acciaio inossidabile possono avere un rilevante impatto
sul costo di realizzazione di una struttura. In funzione della composizione
chimica, costano da sei a dieci volte in più rispetto alle
armature comuni. I costi di costruzione possono essere notevolmente
ridotti con un uso selettivo degli acciai inossidabili, ad esempio
limitato alle parti più vulnerabili della struttura (come i
giunti dei ponti o la zona delle maree delle opere marine) o alle
zone in cui lo spessore di copriferro deve essere ridotto (come negli
elementi snelli o nei rivestimenti di facciata).
La convenienza degli acciai inossidabili può essere valutata
solo se si tiene conto della vita di servizio richiesta alla struttura
e dell'aggressività ambientale. Questo approccio, pur non essendo
ancora una pratica consolidata, sta diventando familiare almeno ai
progettisti più accorti. Per garantire la durata richiesta
alla struttura si individuano adeguate specifiche per la composizione,
la posa in opera e la stagionatura del calcestruzzo e per lo spessore
del copriferro (Fig. 1). Le norme UNI EN 206 ("Calcestruzzo.
Prestazioni, produzione, posa in opera e criteri di conformità"),
UNI ENV 13670-1 ("Esecuzione di strutture in calcestruzzo. Requisiti
comuni") e UNI ENV 1992:1 (Eurocodice 2. Progettazione delle
strutture in calcestruzzo") forniscono un prezioso aiuto. Si
può definire la classe di esposizione ambientale della struttura,
secondo la suddivisione della UNI EN 206, e richiedere il rispetto
delle indicazioni contenute in queste norme, formulate con il presupposto
di garantire una durata prevista della struttura di 50 anni. Le soluzioni
standard proposte dalla norma sono adatte per definire i requisiti
per il calcestruzzo e lo spessore di copriferro sufficienti per le
comuni strutture in calcestruzzo. Possono però non essere sufficienti
per evitare la corrosione nelle parti più critiche delle strutture
soggette a penetrazione di cloruri, nemmeno per vite di servizio di
50 anni.
I progettisti si dovrebbero abituare, almeno per le opere più
importanti, ad analizzare la vulnerabilità alla carbonatazione
e alla penetrazione dei cloruri nei diversi punti della struttura,
come effettuano normalmente l'analisi strutturale per calcolare la
distribuzione degli sforzi. Seguendo le indicazioni dell'Eurocodice
2, nel progetto delle strutture si dovrebbero definire gli stati limite
relativi al degrado prodotto dalla corrosione e quindi garantire che,
con sufficiente probabilità, questi non vengano raggiunti durante
la vita di servizio richiesta (o tradizionalmente attesa) per la struttura.
Per un'opera soggetta a penetrazione di cloruri, ad esempio, si può
assumere come stato limite d'esercizio il momento in cui si innesca
la corrosione, corrispondente al tempo in cui il contenuto di cloruri
alla profondità delle armature raggiunge la soglia critica.
Infatti, l'innesco della corrosione, a causa sia della natura localizzata
dell'attacco da cloruri sia della sua elevata velocità di penetrazione,
porta rapidamente alla necessità di un intervento di ripristino
per evitare che l'evoluzione del degrado possa mettere in pericolo
la sicurezza delle persone (stato limite ultimo). L'analisi è
in realtà complicata dalla variabilità dei fattori considerati,
i quali dovrebbero essere valutati in termini statistici, ad esempio
definendone i valori caratteristici. Una proposta concreta in questo
senso, con un approccio analitico ispirato a quello dell'analisi strutturale,
è stata formulata nell'ambito del progetto di cooperazione
Europea denominato DuraCrete [4].
Fig.
2 - Andamento schematico dei profili di concentrazione dei
cloruri attesi dopo vari anni d'esposizione nella zona più
critica di una struttura marina con calcestruzzo di cemento
portland (CEM I) e rapporto acqua/cemento di 0.4-0.45. Le
fasce azzurre indicano i tenori critici di cloruri per l'innesco
della corrosione sui diversi tipi di armature.
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Ci
vorrà ancora tempo prima che questi metodi analitici siano
disponibili a tutti i progettisti e vengano da loro accettati. Per
realizzare strutture durevoli, comunque, non si può rinunciare
ad un corretto inquadramento, sia pure semplificato, degli effetti
dell'ambiente e del comportamento dei materiali utilizzati. Considerando
le diverse opzioni di Fig. 1 si può valutare concretamente
l'opportunità e la convenienza di scegliere oppure no gli acciai
inossidabili (o qualsiasi altra protezione aggiuntiva) per specifici
elementi o parti della struttura. L'analisi dovrà tenere conto
anche delle peculiarità della struttura, quali: l'estensione
delle zone critiche dal punto di vista della corrosione, la loro accessibilità
e quindi la maggiore o minore semplicità degli eventuali interventi
di manutenzione, la possibilità di prevedere già in
fase di progetto la sostituzione periodica delle parti più
critiche, ecc..
Come esempio, in Fig. 2 sono tracciati dei profili di concentrazione
che si possono attendere dopo diversi periodi di esposizione nella
zona più critica di una struttura marina per un calcestruzzo
di cemento Portland (CEM I) con un basso rapporto acqua/cemento (0.4-0.45).
I profili di cloruri sono confrontati con i tenori critici per l'innesco
della corrosione sulle armature comuni, zincate o inossidabili (indicati
dalle fasce orizzontali). Considerando come stato limite d'esercizio
per le normali armature di acciaio al carbonio il raggiungimento del
tenore di cloruri di 0.4% in massa di cemento, si osserva che, a meno
di considerare un irrealizzabile spessore di copriferro superiore
a 6 cm, questo si verifica prima di 25 anni. Se si volesse garantire
una vita di servizio anche di solo 25 anni, sarebbero quindi necessari
uno o più ripristini intermedi. Per evitare questi interventi,
pur essendo possibile ricorrere anche alle armature di acciaio inossidabile,
in questo caso sono disponibili soluzioni più economiche. Ad
esempio, uno spessore di copriferro di 3 cm sarebbe già sufficiente
per prevenire la corrosione se si potesse utilizzare un cemento d'altoforno,
che consente un notevole rallentamento delle penetrazione dei cloruri
nel calcestruzzo rispetto al cemento portland (Fig. 3). Il ricorso
ad armature zincate, per le quali il tenore critico di cloruri è
di circa 1.5%, non è invece sufficiente a prevenire la corrosione
se si utilizza il calcestruzzo di cemento portland (Fig. 2). Se la
durata richiesta alla struttura aumenta verso valori più ragionevoli
di 50 o più anni, il numero di interventi straordinari necessari
nell'arco della vita della struttura aumenta, mentre si riducono le
opzioni possibili per evitarli. Nelle Figure 3 e 4 si osserva che
utilizzando armature di acciaio inossidabile, per le quali si può
considerare un tenore critico di cloruri superiore al 5% rispetto
alla massa del cemento [1], la corrosione non è attesa nemmeno
dopo 100 anni, purché il copriferro sia almeno di 2 cm.
Fig. 3 - Andamento schematico dei profili di concentrazione
dei cloruri attesi dopo vari anni d'esposizione nella zona più
critica di una struttura marina con calcestruzzo di cemento
d'altoforno (CEM III/B) e rapporto acqua/cemento di 0.4-0.45.
Le fasce azzurre indicano i tenori critici di cloruri per l'innesco
della corrosione sui diversi tipi di armature. |
Con
schematizzazioni di questo tipo si possono evidenziare le combinazioni
dei diversi fattori (tipo di cemento, rapporto a/c, spessore
di copriferro, tipo di protezione aggiuntiva, ecc.) che ragionevolmente
garantiscono la vita di servizio richiesta. Si può così
individuare la soluzione più economica. Naturalmente, a fronte
del maggior costo iniziale delle protezioni aggiuntive si devono confrontare
i loro benefici futuri. La valutazione può essere effettuata
sulla base di tutti i costi stimati durante la vita della struttura,
compresi quelli diretti e indiretti per gli interventi di ripristino.
In questo modo si possono distinguere i casi in cui l'uso di barre
di acciaio inossidabile è uno sperpero da quelli in cui è
invece un risparmio. Ovviamente, finché ci si concentrerà
solo sul "risparmio" nei costi di costruzione, gli acciai
inossidabili continueranno ad essere considerati uno spreco.
BIBLIOGRAFIA
- L.Bertolini,
"Armature di acciaio inossidabile - I. Proprietà",
Enco Journal, n. 19, Spresiano, 2001.
- L.Bertolini,
M.Gastaldi, T.Pastore, M.P.Pedeferri, P.Pedeferri, "Effects
of Galvanic Coupling between Carbon Steel and Stainless Steel Reinforcement
in Concrete", Int. Conf. on "Corrosion and Rehabilitation
of Reinforced Concrete Structures", Federal Highway Administration,
Orlando, 7-11 December 1998.
- The
Concrete Society, "Guidance on the Use of Stainless Steel Reinforcement",
Technical Report No. 51, 1998.
- Unione
Europea, Progetto Brite EuRam III, "DuraCrete - Probabilistic
Performance based on Durability Design of Concrete Structures",
Relazione tecnica finale, documento BE95-1347/R17, Maggio 2000.
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