Anodi galvanici e protezione delle strutture in calcestruzzo armato per allungare la loro vita utile

Metodi efficaci per bloccare la corrosione dei ferri di armatura nel calcestruzzo 

Il degrado del calcestruzzo e la corrosione dei ferri di armatura al suo interno sono un problema enorme e il solo costo della corrosione nel mondo è di diversi miliardi di dollari. 

Formazione di crepe, delaminazione ed espulsione del copriferro: sono questi gli effetti più evidenti della corrosione dei ferri d’armatura. 

Ma quali sono le cause del degrado del calcestruzzo? 

A corrodere in maniera incessante i ferri sono due agenti chimici: 

• l’anidride carbonica presente nell’atmosfera, che genera il processo di carbonatazione
• i cloruri, presenti nell’acqua di mare, nei sali disgelanti e in alcuni terreni.

Il processo di carbonatazione del calcestruzzo

Le barre di armatura, nel calcestruzzo non contaminato, si trovano in una matrice cementizia alcalina con pH superiore a 12,5-13. 

In questa condizione, detta di passività, sull’acciaio si forma un sottile strato di ossido stabile che lo protegge dalla corrosione. 

Negli anni tuttavia, a causa della penetrazione dell’anidride carbonica nel copriferro e della successiva reazione con la calce libera, il pH del calcestruzzo si abbassa a valori inferiori a 11,5, condizione non più sufficiente per impedire la formazione di ruggine; la minore alcalinità della matrice cementizia genera infatti la rottura dello strato di ossido che ricopre il ferro d’armatura e quando questo strato viene distrutto l’acciaio, in presenza di umidità e di ossigeno, si ossida e si corrode, con conseguente formazione di ruggine.

La ruggine provoca un aumento di volume dell’acciaio, che genera forti tensioni all’interno del calcestruzzo: se queste superano la resistenza a trazione del materiale, si formano fessure e si arriva alla delaminazione del materiale, con conseguente distacco del copriferro.

Processo di corrosione delle armature dovuto ai cloruri

I cloruri (cioè i sali formati dallo ione cloro) intervengono nella rottura dello strato di ossido che ricopre il ferro d’armatura, portando alla formazione di ruggine e molto spesso a un processo di corrosione localizzata, detta pitting.

In che modo? Quando gli ioni cloruro penetrano attraverso il copriferro e raggiungono la superficie dell’acciaio, danno il via alla corrosione dei ferri di armatura. 

Il tempo necessario perché inizi la corrosione da cloruri dipende da numerosi fattori. Tra i principali: 

• la concentrazione di cloruri a contatto con le armature (livello critico) 
• lo spessore del copriferro 
• la qualità del calcestruzzo e quindi le proprietà della matrice cementizia. 

Il pericolo derivante dalla presenza di cloruro è che prima del ripristino esso deve essere completamente rimosso, altrimenti il processo di corrosione non si blocca. Anche se il pH è alcalino ma c’è presenza di ossigeno e umidità, la corrosione continua. 

Se il processo è dovuto a pitting, non è detto che si veda e quindi è necessario effettuare un’indagine diagnostica profonda per intraprendere interventi che poco farebbero per allungare la vita utile.  

Per le strutture soggette ad aggressione da cloruri, quello che definisce la vita utile è il solo tempo di ingresso, in quanto il tempo di propagazione può essere talmente veloce da impedire qualsiasi azione efficace. 

Almeno tre sono le tecniche per migliorare la durabilità delle strutture (nuove o che necessitano di ripristino). 

• Protezione Catodica 
• Protezione Catodica Galvanica 
• Protezione della struttura con coating cementizi flessibili, polimero modificati, per impedire la penetrazione degli agenti aggressivi.

Protezione delle Armature: Catodica e Catodica Galvanica 

Nella corrosione intervengono meccanismi elettrochimici, durante i quali le zone dove viene rotto lo strato passivante fungono da anodo (cioè da elettrodo positivo), mentre quelle che rimangono passivate agiscono da catodo (l’elettrodo negativo). 

Questa processo è molto importante ai fini della protezione del calcestruzzo.

Per prevenire la corrosione dei ferri d’armatura in condizioni particolarmente aggressive può essere utilizzata la tecnica della protezione catodica, che è basata su principi elettrochimici. 

Una piccola quantità di corrente continua viene fatta passare da un elettrodo all’acciaio della barra che deve essere protetta. 

Questa corrente abbassa il potenziale elettrico della barra, rallentandone la corrosione.

Possiamo ottenere questo tipo di protezione in due modi: applicando una corrente dall’esterno (Catodica con corrente impressa) oppure tramite un sistema di anodi galvanici.

Nel primo caso, un trasformatore esterno (che funge da anodo) fornisce corrente alla struttura interessata. Strumenti analogici o digitali sono solitamente installati per monitorare il voltaggio e la corrente circolante. 

Questo sistema è usato generalmente in grandi strutture dove gli anodi galvanici non possono fornire in maniera economica una corrente sufficiente per garantire una completa protezione.

In maniera più semplice e anche più funzionale, si possono proteggere i ferri di armatura dalla corrosione mediante l’impiego di anodi sacrificali che vengono connessi alle barre di avviso da proteggere. 

Il processo si basa sull’uso di metalli più elettronegativi dell’acciaio al carbonio e quindi più facilmente corrodibili che fungono da anodo galvanico nella cella elettrochimica (calcestruzzo). 

Sono questi anodi a corrodersi e a generare un flusso di corrente che si autoregola, permettendo così di proteggere l’acciaio della barra. 

Affinché ci sia protezione galvanica, come detto, l’anodo deve trovarsi a un potenziale inferiore (più negati- vo) rispetto al catodo (l’acciaio che deve essere protetto) e deve essere composto anche da speciali paste elettrolitiche che gli consentano di funzionare fino a consumo totale. 

Gli anodi, di diverse dimensioni e massa, vengono installati nelle zone ad elevata criticità, sia nelle strutture nuove che in quelle danneggiate, posizionandole all’interno o all’esterno delle strutture. 

La durabilità dipende dalla massa di zinco ed è proporzionale alla quantità di corrente che si genera (da 1mA a 20-30mA). 

Normalmente la durabilità può essere compresa tra 30 e 50 anni, trascorsi i quali si possono riposizionare. 

Infine il loro funzionamento può essere periodicamente controllato attraverso un semplice tester da elettricisti secondo la Norma ISO 12696, utilizzata normalmente per la protezione catodica con corrente impressa. 

A questo articolo ha contribuito Mapei, che da anni propone degli anodi interni ed esterni di zinco con gel elettrolitico 

Protezione Catodica Galvanica 

Per la protezione galvanica dei ferri d’armatura nelle strutture nuove o da riparare Mapei propone: 

• MAPESHIELD I, anodo galvanico di zinco puro da connettere alle armature prima di effettuare il getto
  
  • ecco il link alla scheda tecnica
• MAPESHIELD E 25, anodo esterno composto da una lamina di zinco con gel elettrolitico autoadesivo da fissare sulla superficie del calcestruzzo o sulla malta da ripristino e da collegare alle armature per migliorare la durabilità di strutture esistenti e per ripassivare i ferri di armatura.
  
  • ecco il link alla scheda tecnica

MAPESHIELD I e MAPESHIELD E 25, dopo la connessione alle barre d’armatura, fermano la corrosione e ne impediscono la formazione, anche quando l’ambiente circostante è molto aggressivo per la presenza di cloruri.

Inoltre, la corrente generata provoca un aumento del pH che porta a una lenta rialcalinizzazione del calcestruzzo e all’allontanamento degli ioni cloro eventualmente presenti.

Protezione con Coating Polimero Modificato flessibile  

Per impedire l’ingresso di anidride carbonica e cloruri la protezione finale delle superfici esterne di calcestruzzi esistenti, nuovi o ripristinati, viene realizzata da Mapei con MAPELASTIC o MAPELASTIC GUARD, malte cementizie elastiche da applicare a spruzzo. 

I prodotti rispondono ai principi definiti nella norma EN 1504 -9 e ai requisiti minimi richiesti dalla norma EN 1504 - parte 2 per quanto riguarda i coating. 

Grazie a questi sistemi protettivi si può affermare che la giusta e necessaria sensibilità al tema della protezione delle strutture sia nuove (soprattutto se sono soggette a carichi dinamici) che esistenti (se ancora gli agenti chimici non hanno attraversato il copriferro) e il corretto approccio tecnico del processo di recupero del calcestruzzo armato, a partire dalla diagnosi delle cause di degrado, insieme a una progettazione eseguita con cura e a una riparazione realizzata con prodotti certificati, permettono di raggiungere un livello di durabilità elevato in quanto proteggono efficacemente il calcestruzzo dalla penetrazione della CO2 (carbonatazione) e dai cloruri.

L’anidride carbonica (CO2) penetra nel calcestruzzo secondo un andamento parabolico:

x=K·t1/2

dove:

x è lo spessore di calcestruzzo di copriferro 

K è il coefficiente di diffusione della CO2

t è il tempo di esposizione all’atmosfera contenente CO2.

Il  valore del coefficiente K dipende principalmente dalle caratteristiche del calcestruzzo ed è stato determinato attraverso prove sperimentali, confermate da lavori in importanti cantieri.

Applicando queste malte cementizie elastiche sulla superficie del calcestruzzo, è possibile incrementare la durabilità della struttura, contrastando efficacemente la penetrazione della CO2 per un periodo superiore a 50 anni. 

Inserendo i dati ottenuti nella sperimentazione si evidenzia che 2 mm di MAPELASTIC o MAPELASTIC GUARD corrispondono a circa 50 mm di copriferro realizzato con un calcestruzzo il cui rapporto a/c sia pari a 0,5.

Per quanto riguarda le aggressioni da cloruri, secondo la certificazione dell’Istituto danese COWI (Consultancy Within Engineering, Environmental Science and Economics), 2,5 mm di spessore di MAPELASTIC GUARD corrispondono a 30 mm di copriferro realizzato con un calcestruzzo avente rapporto un rapporto a/c pari a 0,45.

Link alla Scheda Tecnica MAPELASTIC GUARD