1. INSERTI DI ACCIAIO ED EFFETTI DELLA CORROSIONE
Nell’ambito delle murature antiche non è rara la presenza di inserti di acciaio (quali tiranti, catene, cerchiature, ecc.) usati, ad esempio, con lo scopo di migliorare il comportamento strutturale degli edifici o di prevenire la propagazione di fessure. La presenza di tali inserti può essere frutto di scelte progettuali originarie oppure di interventi di restauro successivi alla data di costruzione dell’edificio. Talvolta gli elementi metallici sono applicati esternamente alla struttura, giustapposti alla superficie muraria (è il caso di cerchiature esterne e capo chiavi); più frequentemente essi sono parte integrante della muratura (si pensi, ad esempio, a cerchiature interne e perni), inglobati in materiali quali malta, laterizio o pietra, variabili a seconda delle caratteristiche della compagine muraria. In quest’ultimo caso, tuttavia, la presenza degli inserti d’acciaio, inglobati nella muratura, potrebbe costituire una minaccia per l’intera struttura. La corrosione di tali elementi, infatti, può avere due deleterie conseguenze: la prima riguarda la propagazione di fessure e il distacco dei materiali di ricoprimento degli inserti, fenomeni indotti dagli effetti espansivi conseguenti all’insorgenza dei prodotti di corrosione; la seconda concerne la riduzione della sezione resistente dell’inserto metallico, e dunque la diminuzione della sua capacità portante [1-4].

È dunque importante distinguere tra inserti d’acciaio databili all’epoca della costruzione dell’edificio, solitamente inglobati nei materiali della muratura, e quelli aggiunti in fasi successive, per lo più applicati superficialmente. Infatti, mentre questi ultimi sono direttamente esposti all’azione dell’atmosfera (siano essi posizionati all’interno o all’esterno dell’edificio), gli inserti inglobati nella muratura possono avere un comportamento a corrosione complesso, che dipende dal materiale con cui sono a contatto (laterizi, malte aeree, malte idrauliche, ecc.) e dal contenuto di umidità di questo ultimo; in particolare, la microstruttura di questi materiali e la composizione chimica della soluzione contenuta nei loro pori giocano un ruolo rilevante. Ad esempio, il pH vicino alla neutralità di alcune tipologie di malta può portare all’innesco del processo corrosivo sulla superficie del metallo non appena queste si bagnano. Al contrario, nel caso di malte alcaline (che promuovono la passività dell’acciaio) la corrosione può avere luogo solo una volta che sia avvenuta la carbonatazione dello strato di malta di ricoprimento (copriferro). Una volta innescata, la velocità di corrosione dell’inserto dipende dalla disponibilità di acqua e ossigeno alla superficie del metallo (segnatamente all’interno dei pori del materiale che lo circonda) e dunque dalle condizioni dell’ambiente a cui la muratura è esposta (vale a dire temperatura e umidità relativa). Le condizioni termo-igrometriche dell’ambiente, inoltre, influenzano fortemente la resistività elettrica dei materiali con cui è a contatto l’elemento metallico. Ad esempio, una malta con un contenuto di umidità molto elevato (cioè prossimo al punto di saturazione, situazione questa che si verifica nel caso di bagnamento o condensazione d’acqua) è caratterizzata da una bassa resistività elettrica; tuttavia, se le condizioni di saturazione si protraggono per lungo tempo, diminuisce la disponibilità di ossigeno alla superficie del metallo (a causa della scarsa diffusività dell’ossigeno attraverso i pori pieni d’acqua nella malta). Al contrario, nel caso di una muratura caratterizzata da un basso contenuto d’acqua, nonostante la disponibilità di ossigeno alla superficie del’inserto, la resistività è alta e cresce in ragione inversa al contenuto di umidità.

Per quanto concerne le strutture in muratura, va osservato che raramente si raggiungono condizioni di saturazione permanente e che dunque l’ossigeno è in grado di diffondere fino alla superficie dell’inserto; in queste circostanze, la velocità di corrosione dipende principalmente dalla resistività dei materiali a contatto con l’acciaio. In linea di principio si può affermare che maggiore è la resistività elettrica dei materiali a contatto con l’inserto, minore è la velocità di corrosione dello stesso. Tuttavia, accanto alla resistività elettrica, vi sono diversi parametri (connessi sia alle caratteristiche del materiale di ricoprimento dell’inserto, sia all’ambiente circostante) che possono influenzare, in varia misura, il meccanismo elettrochimico. Ciò rende ardua ogni previsione dell’effettivo comportamento a corrosione degli inserti d’acciaio inglobati nei materiali delle murature antiche. In effetti, lo studio della dipendenza della resistività della muratura e della velocità di corrosione degli inserti in essa inglobati dalle condizioni ambientali rappresenta un aspetto di grande rilevanza al fine di ottimizzare i metodi di restauro e promuovere l’approccio durabilistico anche nell’ambito degli edifici storici. Migliorare la comprensione del processo di corrosione di inserti di acciaio nelle murature antiche può portare alla definizione di un valido strumento per il progetto degli interventi di restauro; questi, d’altro canto, devono avere lo scopo non soltanto di rimediare ai danni provocati dalla corrosione, ma anche di controllarne la velocità, in modo da garantire il più possibile la conservazione dei materiali originari.

2. CASO DI STUDIO
La problematica appena delineata coinvolge anche il progetto di restauro dell’Abbazia di San Pietro al Monte, capolavoro dell’architettura romanica lombarda (X sec. d.C.) sito in prossimità della cittadina di Civate (LC). Uno degli elementi artistici più rilevanti della basilica è rappresentato dall’antico ciborio: si tratta di un’edicola sovrastante l’altare maggiore, costituita da quattro colonne di granito che sorreggono altrettanti archi su cui si innesta una copertura a cupola (Figura 1). Il ciborio, costruito durante il X-XI sec. d.C. e successivamente rimaneggiato e consolidato fino al termine del XV sec. d.C., mostra gravi segni di degrado indotto dalla corrosione degli inserti d’acciaio in esso inglobati [5]. Infatti, l’azione espansiva dei prodotti di corrosione ha dato luogo ad ampie fessure, soprattutto in corrispondenza dei capitelli, comportando il danneggiamento e il conseguente distacco di frammenti di malta, ed esponendo all’atmosfera parte degli inserti ossidati (Figura 2).

Durante la fase di ispezione una spaccatura prodotta dalla corrosione in uno dei capitelli ha permesso di rilevare l’esistenza di vari elementi metallici: un perno centrale, che collega la base della colonna alla muratura sovrastante, cerchiature di contenimento, piatti verticali e fili di rinforzo. Inoltre, si è riscontrata la presenza di differenti intonaci, che compongono l’apparato decorativo del capitello, oltre ad una malta all’interno della quale è stato annegato il perno centrale (forse unico elemento metallico originario, mentre cerchiature e piatti verticali sono frutto probabilmente di interventi successivi).

Nell’ambito del progetto di restauro sono stati effettuati il prelievo di alcuni campioni (sia metallici, sia di malta e intonaco) e la loro caratterizzazione.
I campioni sono stati osservati al visore stereoscopico, al microscopio ottico (OM) e al microscopio elettronico a scansione ambientale (SEM), dotato di spettrometro a dispersione di energia (EDS). Su alcuni campioni di malta, intonaco e ossidi superficiali sono state effettuate analisi di diffrazione di raggi X (XRD). Sui soli prelievi di malta e intonaco si sono eseguite analisi termiche (TGA-DTA) e analisi per la determinazione del contenuto di residuo insolubile all’attacco acido (RI). Infine, su una porzione di piatto metallico, si è eseguita un’analisi spettroscopica ad emissione ottica (OES).

I risultati ottenuti hanno mostrato la stratificazione di malte aeree di calce e gesso (con 6-60% di CaCO3 e 32-90% di CaSO4); dall’analisi XRD si deduce, infatti, che la matrice legante è costituita da gesso e calcite (Figura 3a), mentre l’osservazione SEM (Figura 3b) evidenzia la morfologia delle particelle di gesso (EDS1) e calcite (EDS2). Gli inserti, invece, sono costituiti da acciai basso legati (0,01-0,05% di C) con microstruttura non uniforme, ferritica con zone perlitiche (Figura 4a), forse battuti a caldo; si è rilevata la presenza di prodotti di corrosione quali goethite, akaganeite, lepidocrocite e magnetite (Figura 4b). Per una descrizione di dettaglio dei risultati delle analisi condotte sui materiali del ciborio si rimanda al riferimento [1].

L’esempio dell’abbazia di San Pietro al Monte mostra l’importanza di definire le condizioni di corrosione degli inserti di acciaio all’interno degli elementi costruttivi in muratura, in funzione delle condizioni ambientali e della loro variazione nel tempo. Per valutare il comportamento alla corrosione degli acciai presenti nei capitelli del ciborio è attualmente in corso uno studio sperimentale che ha previsto la realizzazione di diverse tipologie di provini: provini di malta aerea (a base di gesso e di calce e gesso), di malta idraulica (a base di calce e pozzolana e di calce e cocciopesto), provini di laterizio e, infine, provini compositi di laterizio e malta. Nel seguito si descrive brevemente la metodologia sperimentale, limitando la discussione ai risultati ottenuti dai soli provini armati inglobati in malta di calce e gesso.

Per simulare i materiali rilevati nei capitelli del ciborio di Civate, sono stati realizzati provini armati confezionati con malta di calce e gesso. All’interno dei provini (di dimensioni 80x90x30 mm³) sono state inserite due barre di acciaio al carbonio (aventi diametro 6 mm) e due fili di acciaio inossidabile (AISI 304, diametro 2 mm). Lo schema della geometria dei provini è visibile in Figura 5. La malta è stata preparata miscelando: calce (211 kg/m³), gesso (430 kg/m³), sabbia (769 kg/m³) e acqua (404 kg/m³); ne consegue una miscela con rapporto acqua/legante pari a 0.63, avente uno spandimento, misurato mediante tavola a scosse (D_m = 130 mm), pari a 30%. Infine, riguardo alle armature, si è fatto uso di un acciaio al carbonio basso legato (C 0.04%, Si 0.041%, Mn 0.285%, S 0.012% e P 0.012%) avente microstruttura ferritica (con dimensione dei grani pari a 20 µm circa) e piccole inclusioni perlitiche.

Dopo il getto della miscela e la scasseratura dei provini, questi sono stati stagionati per 28 giorni in camera climatica (7 giorni a 95% UR e 21 giorni a 65% UR, 20°C) e successivamente posti in camera di carbonatazione (0.2% CO2, a 65% UR e 20°C), dove sono stati mantenuti per 28 giorni, ovvero fino alla completa carbonatazione della malta. Una volta carbonatati, i provini sono stati esposti a sei diversi ambienti, variando l’umidità relativa (65-80-95%) e la temperatura (5-20-40°C). Inoltre, per valutare il comportamento della malta LG in fase di bagnamento e asciugamento, uno dei provini è stato ulteriormente esposto a tre diverse condizioni di umidità: 95% UR (C1), saturazione (C2), e di nuovo 95% UR (C3), mantenendo costante la temperatura a 20°C. Nella condizione C2, la saturazione è stata ottenuta immergendo i primi 10 mm dei provini in acqua, in modo tale da garantire l’assorbimento d’acqua per capillarità verso le armature. Ogni condizione è stata mantenuta per almeno 28 giorni, eccezion fatta per l’esposizione in acqua (1 giorno).

Il comportamento a corrosione dei provini è stato valutato monitorando tre diverse grandezze: la resistività elettrica della malta (ρ, Ωm), che può fornire informazioni circa il contenuto d’acqua dei provini e la loro porosità; il potenziale di corrosione (E_corr, mV vs Ag/AgCl) delle armature, misurato rispetto a un elettrodo di riferimento esterno (Ag/AgCl) per mezzo di un voltmetro ad alta impedenza; infine, la velocità di corrosione (i_corr, mA/m²) delle armature, misurata col metodo della resistenza alla polarizzazione lineare (R_p).

La Figura 6 mostra l’andamento nel tempo del potenziale di corrosione (simboli vuoti), della velocità di corrosione (simboli in grassetto) e della resistività elettrica (simboli pieni) di un provino, in diversi ambienti di prova: a 95% UR (C1) e in condizioni di bagnato (C2 e C3), mantenendo la temperatura a 20°C. Valori di potenziale pari a circa -400÷-600 mV vs Ag/AgCl, a indicare cioè uno stato di corrosione in atto, si hanno in tutti gli ambienti di esposizione considerati; in particolare, i valori minori si sono misurati nella condizione di umidità maggiore (C2). Tali considerazioni sono confermate dalle misure di velocità di corrosione: infatti, in tutte le condizioni di esposizione si hanno velocità di corrosione non trascurabili (la soglia di trascurabilità è fissata convenzionalmente a 1 mA/m², pari a 1.17 μm/anno, se si assume che la corrosione sia uniforme); in particolare, si registrano velocità di corrosione moderate nella condizione C1 (pari a circa 2 mA/m²), più elevate nell’ambiente C2 (intorno a 100 mA/m²). La velocità di corrosione dell’acciaio, inoltre, può essere correlata ai risultati delle misure di resistività elettrica. Elevati valori di resistività elettrica sono stati misurati nella condizione C1 (pari a circa 1100 Ωm), mentre in acqua (condizione C2) tali valori diminuiscono di due ordini di grandezza (circa 10 Ωm); infine, nella condizione C3 si ha un progressivo recupero dei valori iniziali. Dal confronto tra la condizione di bagnamento e quella di asciugamento, è possibile fare anche delle considerazioni sulla cinetica di questi meccanismi: nel primo caso (limite C1-C2) si ha un transitorio molto rapido (la condizione stazionaria viene raggiunta in poche ore); al contrario, l’asciugamento (limite C2-C3) è molto più lento (la resistività torna ai valori iniziali dopo oltre 10 giorni).

È utile notare come la resistività elettrica, fornendo un’indicazione circa la porosità e il contenuto d’acqua dei provini, possa essere usata anche come indice dell’aggressività della malta. In linea di principio si può assumere che minore è la resistività elettrica del materiale con cui è a contatto l’acciaio, maggiore è la velocità di corrosione dell’inserto stesso [6-7]. Ciò può essere chiaramente osservato in Figura 7, che mostra la correlazione tra resistività elettrica e velocità di corrosione nei provini, permettendo al contempo di valutare l’influenza di differenti condizioni igrotermiche su tali parametri. In questo caso, ognuno dei tre provini è stato esposto ad un’umidità relativa costante (65-80-95% UR), variando solo la temperatura (5°C curva blu, 20°C curva verde, 40°C curva rossa). Per quanto concerne la velocità di corrosione, essa è inferiore a 1 mA/m² nei provini esposti sia a 65% UR (simboli vuoti), sia a 80% UR (simboli pieni), a prescindere dalla temperatura. Al contrario, a 95% UR (simboli in grassetto) la velocità di corrosione aumenta fino a 10 mA/m². La resistività elettrica, invece, diminuisce al crescere del livello di umidità ambientale; ciò si verifica ad ogni temperatura, per quanto tale effetto sia maggiormente marcato a 40°C. A proposito del ruolo della temperatura, va osservato che in ambienti secchi (65% UR) un aumento di temperatura accelera il processo di asciugamento riducendo quindi la velocità di corrosione degli inserti (meno di 0.01 mA/m²); al crescere dell’umidità relativa (80% UR), tuttavia, questo effetto si riduce fino a scomparire del tutto. Infatti, a 95% UR un aumento di temperatura comporta un aumento della cinetica del processo di corrosione, cosicché la velocità di corrosione è maggiore a 40°C (10 mA/m²) rispetto a 5°C o a 20°C (1÷2 mA/m2).
In linea di principio si può comunque affermare che, nelle malte di calce e gesso considerate in questa nota, gli effetti dell’umidità relativa sulla velocità di corrosione sono preponderanti rispetto a quelli legati alle variazioni di temperatura. A questo proposito, in Figura 8 si propone una mappa tridimensionale che rapporta la velocità di corrosione delle barre di acciaio all’interno della malta LG sia alla temperatura, sia all’umidità relativa.

4. CONCLUSIONI

Lo studio del comportamento alla corrosione degli inserti metallici, in funzione delle condizioni ambientali e dei materiali nelle murature, è necessario per la valutazione dello stato di conservazione di molti edifici di rilevanza per il patrimonio culturale e per la definizione degli interventi di restauro. Un esempio di tale necessità è emerso nell’ambito del progetto di restauro del ciborio romanico dell’Abbazia di San Pietro al Monte Sopra Civate (LC), che mostra gravi segni di degrado causato dalla corrosione degli inserti d’acciaio inglobati al suo interno. Le analisi degli intonaci e degli inserti metallici prelevati da un capitello durante l’ispezione del ciborio hanno evidenziato in primo luogo la presenza di malte aere, prevalentemente a base di calce e gesso; inoltre, gli inserti metallici si sono rilevati essere di acciaio al carbonio basso legato, probabilmente battuto a caldo, con una spessa stratificazione di ossidi.

Per valutare il comportamento alla corrosione degli acciai presenti nei capitelli del ciborio è attualmente in corso uno studio sperimentale. Esso ha mostrato il ruolo chiave della temperatura, dell’umidità relativa e dell’acqua sul comportamento a corrosione di armature di acciaio al carbonio inglobate in malta di calce e gesso (LG). Le prove effettuate hanno mostrato che la velocità di corrosione degli inserti metallici è strettamente connessa al contenuto d’acqua dei materiali ricoprimento con cui sono a contatto. In particolare, la velocità di corrosione si mantiene trascurabile nei provini esposti in ambienti con 65% e 80% UR, anche a temperatura elevata (40°C); al contrario, in ambienti umidi o in presenza di suzione d’acqua, la velocità di corrosione mostra valori elevati (sino a 100 mA/m²). Inoltre, si è osservata una chiara correlazione tra resistività elettrica dei materiali di ricoprimento degli inserti e velocità di corrosione degli stessi.

BIBLIOGRAFIA

[1] L. Bertolini, M. Carsana, E. Marra, 2009, Degradation of mortars and steel inserts from the ciborium of the medieval abbey of San Pietro al Monte, in Special Topics on Materials Science and Technology – An Italian Panorama, Brill Publisher, 2009.

[2] P.B. Lourenco, Recommendations for restoration of ancient buildings and the survival of a masonry chimney, Construction & Building Materials, 20 (2006) 239-251.

[3] J. Straube, C. Schumacher, Assessing the durability impacts of energy efficient enclosure upgrades using hygrothermal modelling, WTA-Journal, 2 (2006) 197-222.

[4] L. Bertolini, M. Carsana, M. Gastaldi, F. Lollini and E. Redaelli, “Corrosion assessment and restoration strategies of reinforced concrete buildings of the cultural heritage”, Materials and corrosion, Vol. 62, N. 2 (2011) 146-154.

[5] V. Gatti, Il Ciborio di San Pietro al Monte, Bergamo, 1977.

[6] P. Pedeferri, Corrosione e protezione dei materiali metallici, Polipress, Milano, 2007.

[7] L. Bertolini, B. Elsener, P. Pedeferri, R. Polder, Corrosion of steel in concrete, Wiley-VCH, 2004.