1. INTRODUZIONE

La corrosione delle armature indotta dalla penetrazione dei cloruri nel copriferro è una causa frequente di degrado delle strutture in calcestruzzo armato esposte in ambienti marini o soggette all’uso di sali disgelanti [1]. I cloruri possono innescare sull’acciaio un attacco localizzato e penetrante, denominato pitting [2]. La Fig. 1 riassume i fattori coinvolti nell’innesco di questo tipo di attacco.

La penetrazione dei cloruri dalla superficie del calcestruzzo determina dei profili di concentrazione dei cloruri, rappresentati dalle linee grigie, che aumentano progressivamente nel tempo. L’innesco della corrosione avviene al tempo ti quando il profilo dei cloruri, mostrato in Fig. 1 dalla linea nera, è tale da determinare il raggiungimento di un tenore critico (Cl_cr) alla superficie delle armature, quindi ad una profondità nel calcestruzzo pari allo spessore di copriferro. Per un progetto prestazionale della durabilità delle strutture in calcestruzzo armato è necessario stimare il tempo di innesco della corrosione e, quindi, conoscere l’andamento nel tempo della penetrazione dei cloruri, lo spessore di copriferro e il contenuto critico di cloruri.

Molti studi sono stati effettuati per valutare la penetrazione dei cloruri nel calcestruzzo in funzione della sua composizione [3,4], mentre sono poche le informazioni disponibili riguardo al tenore critico. In realtà, il tenore critico non è un valore ben preciso, ma è definito come un intervallo di valori entro cui è probabile l’innesco della corrosione, mostrato ad esempio dalla fascia rossa in Fig. 1.

Questo deriva dal fatto che l’innesco della corrosione per pitting è un fenomeno stocastico, in quanto il tenore critico è influenzato da molti fattori: il potenziale elettrochimico delle armature (che dipende principalmente dal contenuto di umidità del calcestruzzo), il pH della soluzione dei pori del calcestruzzo (che dipende principalmente dal tipo di cemento utilizzato), la presenza di vuoti all’interfaccia tra il calcestruzzo e l’armatura (che dipende dalla lavorabilità del calcestruzzo e dalla vibrazione), la temperatura, la composizione della armature e le loro condizioni superficiali (ad esempio la presenza di ossidi di laminazione). Anche se spesso, in prima istanza, per le strutture esposte all’atmosfera si considera come tenore critico un contenuto di cloruri nell’intervallo di 0.4-1% in massa rispetto al cemento, questo valore può cambiare significativamente in funzione dei parametri richiamati in precedenza. Ad esempio in strutture immerse, l’elevato grado di saturazione del calcestruzzo porta a contenuti di ossigeno molto bassi che determinano una forte riduzione del potenziale delle armature e, di conseguenza, un notevole aumento del tenore critico.

Fig. 1 – Fattori coinvolti nell’innesco della corrosione da cloruri sulle armature.

Anche la composizione del calcestruzzo può influire sul contenuto critico di cloruri. L’uso di cementi con aggiunte pozzolaniche, se da un lato può consentire di rallentare l’ingresso dei cloruri nel calcestruzzo grazie all’affinamento della struttura dei pori prodotta dalla reazione pozzolanica [3], dall’altro lato può determinare una riduzione del tenore critico, in seguito alla diminuzione del pH della soluzione dei pori [1]. Di particolare interesse è il caso del fumo di silice; questa aggiunta, grazie alla estrema finezza e alla elevata reattività pozzolanica, consente di ridurre notevolmente la velocità di penetrazione dei cloruri [6, 7], ma determina una significativa riduzione del pH del calcestruzzo [8]. Pertanto i benefici prodotti dal rallentamento della penetrazione dei cloruri potrebbero essere, almeno in parte, ridotti dalla diminuzione del tenore critico.

Questo articolo presenta i risultati di uno studio di laboratorio sull’influenza del fumo di silice sul tenore critico di cloruri.



METODOLOGIA DI PROVA

Le prove sono state effettuate sui provini cilindrici mostrati in Fig. 2, nei quali un’armatura è posta a contatto con calcestruzzo contenente cloruri solo nella parte centrale. Si sono considerati contenuti di cloruri compresi fra 0 e 2% in massa rispetto al cemento, aggiunti come NaCl all’acqua d’impasto. Le prove sono state effettuate con gli impasti descritti in Tab. 1, caratterizzati da un comportam ento reologico di tipo autocompattante. Una serie di calcestruzzi, indicata con OPC, è stata confezionata con un cemento portland, mentre un’altra serie, indicata con 10%SF, è stata confezionata sostituendo il 10% di tale cemento con fumo di silice.

Per valutare il ruolo del tipo di acciaio e del suo stato superficiale, si sono considerate due tipi di barre d’armatura (Tab. 2): delle armature nervate per calcestruzzo armato prodotte con il processo Tempcore (di seguito indicate con N) e delle armature lisce di acciaio dolce (indicate con L). La Fig. 3 mostra la microstruttura dei due acciai; si osserva, in particolare, per l’acciaio Tempcore la diversa microstruttura per la superficie trattata termicamente (in alto nella figura) e il cuore più duttile. Entrambi i tipi di armature sono stati utilizzati sia nella condizione di fornitura (indicata con f) sia dopo essere state sabbiate a metallo bianco (condizione s).
Dopo lo scassero, i provini sono stati conservati, per tutto il periodo di prova, in sacchetti di plastica avvolti in fogli di alluminio, per evitare l’evaporazione dell’acqua. La temperatura è stata mantenuta a circa 20°C per un periodo di tre mesi; successivamente i provini sono stati esposti per periodi di quindici giorni alle temperature di 35 e di 50°C. Per verificare le condizioni di corrosione delle armature sono state effettuate misure di potenziale di corrosione, con un elettrodo di riferimento esterno al calomelano saturo, e misure di densità di corrente di corrosione, con il metodo della polarizzazione lineare. Si è inoltre rilevata la resistività elettrica del calcestruzzo. I dettagli delle prove sperimentali sono descritti nel riferimento [9].

RISULTATI E DISCUSSIONE

La Fig. 4 mostra l’andamento della resistività elettrica dei calcestruzzi senza cloruri, in funzione della temperatura. A tutte le temperature si osservano valori di resistività elettrica superiori di quasi un ordine di grandezza per il calcestruzzo con fumo di silice (10%SF) rispetto al calcestruzzo di cemento portland (OPC). La più elevata resistività riflette la maggiore impervietà della matrice cementizia prodotta dall’aggiunta del fumo di silice.

La Fig. 5 mostra la densità di corrente di corrosione (I_corr) delle armature inserite nei calcestruzzi senza cloruri. I_corr è una misura della velocità di corrosione delle armature [2]; in genere la velocità corrosione si considera trascurabile quando I_corr è inferiore a 1 mA/m² (valore che, nel caso in cui la corrosione sia uniforme, corrisponde ad una riduzione di spessore delle armature inferiore a 1 µm/anno). Sia per il calcestruzzo di cemento portland (OPC) sia per quello con fumo di silice (10%SF), si osserva un leggero effetto dello stato superficiale delle armature; per entrambi i calcestruzzi si sono misurate densità di corrente inferiori sulle armature non sabbiate, sia nervate (N/f) sia lisce (L/f). Questo effetto potrebbe essere attribuito all’azione protettiva dell’ossido di laminazione presente sulla loro superficie. Sulle armature sabbiate (N/s e L/s) si osserva una minore I_corr nel calcestruzzo con fumo di silice, probabilmente dovuta alla sua maggiore resistività elettrica. In ogni caso, tutte le armature nei calcestruzzi con cloruri sono passive e Icorr è rimasta nettamente inferiore a 1 mA/m² anche alla temperatura di 50°C.

La Fig. 6 riporta la densità di corrente di corrosione delle armature a contatto con i calcestruzzi con 2% di cloruri in massa rispetto al legante. In questo caso la corrosione si è innescata su diverse armature e Icorr aumenta all’aumentare della temperatura. Inoltre, a differenza dei risultati ottenuti sui calcestruzzi senza cloruri, si osservano i valori più elevati di Icorr nel calcestruzzo con fumo di silice e sulle armature in cui non si è rimosso l’ossido di laminazione. Nel caso del calcestruzzo di cemento portland, Icorr ha superato 1-2 mA/m² solo a temperatura elevata, mentre per il calcestruzzo con fumo di silice tali valori si sono superati già a 20°C. Questo risultato suggerisce una maggiore suscettibilità alla corrosione per le armature immerse nel calcestruzzo con 10% di fumo di silice. La maggiore velocità di corrosione osservata sulle armature non sabbiate è da attribuire alla presenza della scaglia di laminazione che, pur avendo caratteristiche protettive, presenta dei difetti in corrispondenza dei quali sono favoriti l’innesco e la propagazione della corrosione localizzata, stimolati dal comportamento catodico della scaglia stessa. La sabbiatura, rimuovendo l’ossido di laminazione, determina quindi un effetto positivo sulla resistenza alla corrosione localizzata.

Per indagare sulle condizioni di innesco della corrosione, in Fig. 7 è stato riportato il legame tra il potenziale di corrosione e I_corr (non si è fatta distinzione tra i diversi tipi di armatura e tra le condizioni di temperatura). Si osserva che, per entrambe le serie di calcestruzzi, i punti rilevati sui provini senza cloruri si collocano nella tipica zona di passività delle armature, caratterizzata da un potenziale di corrosione superiore a -200 mV vs SCE e da Icorr inferiore a 1 mA/m². All’aumentare del tenore di cloruri, l’innesco della corrosione per pitting, porta le armature in una diversa zona (indicata con “corrosione” nella figura), dove il potenziale di corrosione presenta valori inferiori e decrescenti all’aumentare di I_corr. Nel caso dei calcestruzzi di cemento portland, si collocano in questa seconda zona solo i punti relativi a provini con 2% di cloruri, mentre nel caso dei calcestruzzi con fumo di silice vi si trovano anche parte dei risultati rilevati sui provini con 1% di cloruri.

Allo scopo di confrontare i due tipi di calcestruzzi in relazione al tenore critico di cloruri per l’innesco della corrosione sulle armature, si sono tracciati, nelle Figg. 8 e 9, gli andamenti di Icorr e del potenziale di corrosione E_corr. in funzione del tenore di cloruri aggiunti al calcestruzzo. La linea tratteggiata nel grafico di I_corr., individua il limite superiore dei valori di Icorr riscontrati con le diverse armature e alle diverse temperature. Il tenore critico è stato convenzionalmente individuato come l’intervallo di contenuto di cloruri corrispondente al passaggio, sulla curva tratteggiata, da valori di Icorr inferiori a 1 mA/m² (e quindi tipici di armature passive) a valori superiori a 2 mA/m². Con questa convenzione si è individuato un intervallo pari a 1.1-2% di cloruri in massa rispetto al cemento per i calcestruzzi di cemento portland e pari a 0.6-1.2% in massa rispetto al legante per i calcestruzzi con 10% di fumo di silice. In corrispondenza di questi intervalli, per entrambi i calcestruzzi, l’innesco della corrosione è confermato dalla diminuzione del potenziale di corrosione.

Questi risultati mostrano come l’impiego di un legante con 10% fumo di silice possa portare a una significativa riduzione del tenore critico di cloruri rispetto a un cemento portland. Si deve, tuttavia, osservare come gli intervalli di contenuto di cloruri precedenti possano essere valutati solo in termini relativi e non assoluti, in quanto sono applicabili alle specifiche condizioni di prova. In condizioni reali di esposizione, i valori effettivi di tenore critico di cloruri possono essere inferiori, poiché influenzati dai diversi fattori accennati nell’introduzione. In particolare, nei provini qui considerati si sono mantenute condizioni di umidità elevata, e quindi di potenziale relativamente basso, e si sono ridotte al minimo le bolle d’aria intrappolate all’interfaccia tra armatura e calcestruzzo, grazie all’uso di conglomerati autocompattanti e alla cura con cui sono stati confezionati i provini. Nelle strutture reali, in seguito alla minore cura della messa in opera e alla possibilità che il calcestruzzo sia meno umido e le armature raggiungano potenziali più elevati, è ragionevole ritenere che i valori del tenore critico siano significativamente inferiori.

Peraltro, i risultati qui descritti evidenziano il ruolo del legante e suggeriscono che, nel progetto della durabilità delle strutture in calcestruzzo armato, il suo contributo non venga considerato solo in relazione alla penetrazione dei cloruri, ma anche in merito al tenore critico. Nello specifico, per i calcestruzzi con fumo di silice, è opportuno considerare che il notevole beneficio prodotto da questa aggiunta, in seguito alla drastica riduzione della penetrazione dei cloruri, può essere in parte ridotto da una diminuzione del tenore critico. Questi due effetti dovranno quindi essere valutati in relazione caso per caso, considerando i diversi fattori coinvolti, in particolare: la composizione del calcestruzzo, l’accuratezza della messa in opera, la stagionatura e le effettive condizioni di esposizione dei singoli elementi strutturali.

CONCLUSIONI

Barre d’armatura in calcestruzzi autocompattanti confezionati con un legante con 10% di fumo di silice hanno evidenziato un tenore critico inferiore rispetto a barre in analoghi calcestruzzi confezionati con cemento portland. Su provini di laboratorio ben compattati e mantenuti in condizioni umide, si è stimato un contenuto critico corrispondente all’intervallo di concentrazione di cloruri in cui la densità di corrente di corrosione passa da 1 a 2 mA/m². Tale valore è stato di 1.1-2% rispetto alla massa del cemento per il calcestruzzo con cemento portland e di 0.6-1.2% per il calcestruzzo con 10% di fumo di silice.

La suscettibilità alla corrosione non è significativamente cambiata tra barre d’armatura nervate e barre lisce di acciaio dolce. Per entrambi i tipi di barre si è osservata una minore velocità di corrosione quando è stato rimossa la scaglia di laminazione mediante sabbiatura.


BIBLIOGRAFIA

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[9] M. Manera, Ø. Vennesland, L. Bertolini, “Effect of silica fume on the initiation of chloride induced corrosion in reinforced concrete”, 8th CANMET/ACI Int. Conf. on “Superplasticizers and other chemical admixtures in concrete”, Sorrento, October 29 - November 1, 2006, SP-239 Supplementary papers, pag. 187-200, 2006.