Corrosione da carbonatazione: fenomeno di degrado e prevenzione

Questa nota riguarda la corrosione delle armature delle strutture in calcestruzzo armato indotta dalla carbonatazione. Inizialmente si descrive il meccanismo di penetrazione della carbonatazione nel calcestruzzo, che porta all’innesco della corrosione, e i principali fattori che influenzano la velocità di ingresso. Successivamente si illustrano i parametri che influenzano la velocità di corrosione una volta che si è innescata. Infine si descrivono le strategie per prevenire questa forma di degrado e garantire la vita di servizio richiesta.

Il fenomeno di corrosione delle armature dovuto a carbonatazione

La causa di degrado più frequente delle opere in calcestruzzo armato è senza dubbio la corrosione delle armature. Inizialmente, in un calcestruzzo privo di cloruri, le barre di armatura in acciaio non si corrodono, perché la soluzione liquida contenuta nei pori del calcestruzzo ha un pH in genere compreso tra 13 e 14 che permette la formazione di un film di ossido protettivo sulle armature (passività).

Purtroppo questa protezione può, nel tempo, venire meno e una delle cause che più frequentemente portano alla distruzione del film di passività è la carbonatazione del calcestruzzo.

La carbonatazione avviene per reazione dell’anidride carbonica presente nell’atmosfera con i costituenti alcalini del calcestruzzo, presenti nella soluzione dei pori (principalmente NaOH e KOH) e nei prodotti di idratazione della matrice cementizia (portlandite, Ca(OH)₂, e silico-alluminati idrati).

La reazione di carbonatazione, che ha luogo in soluzione acquosa, si può sintetizzare come:

 

Come conseguenza si ha un abbassamento del pH del calcestruzzo, da valori in genere superiori a 13 a valori prossimi alla neutralità. In queste condizioni il film di passività si rompe e, in presenza di acqua e ossigeno, le armature possono corrodersi.
Ulteriore conseguenza della carbonatazione è il rilascio nella soluzione dei pori dei cloruri, eventualmente presenti, legati ai prodotti di idratazione del cemento; questo provoca un aumento dell’aggressività dell’ambiente in cui si trovano le armature.
Si definisce periodo di innesco della corrosione il tempo necessario affinché si produca la perdita delle condizioni di protezione sulle armature. Una volta che vengono meno le condizioni di passività, segue un periodo di propagazione che può portare a fessurazioni e successivi distacchi del copriferro (Figura 1).

La corrosione può avere diverse conseguenze che possono comportare il raggiungimento di uno stato limite, ovvero una condizione di degrado non più accettabile, soprattutto legata alla sicurezza, e di conseguenza la fine della vita di servizio della struttura.

Figura 1 – Periodo di innesco e propagazione della corrosione in una struttura in calcestruzzo armato soggetta a degrado causato da corrosione da carbonatazione (diagramma di Tuutti). 

Questa nota descrive il fenomeno della corrosione indotta dalla carbonatazione e si esaminano i fattori da cui dipende la penetrazione della carbonatazione e la velocità di corrosione. Successivamente si descrive l’approccio da normativa per prevenire questa forma di degrado e garantire la vita di servizio richiesta.

Innesco della corrosione da carbonatazione

La Figura 2 mostra l’evoluzione nel tempo della penetrazione della carbonatazione. Inizialmente le armature sono passive, in quanto inglobate in calcestruzzo alcalino, e nessun fenomeno corrosivo è in atto (Figura 2a); tuttavia la carbonatazione inizia a penetrare all’interno del calcestruzzo, a partire dagli strati più superficiali (Figura 2b). Il periodo di innesco, ti, termina quando il fronte di carbonatazione raggiunge la profondità delle armature, ovvero quando lo spessore di carbonatazione eguaglia lo spessore di copriferro (Figura 2c).

Anche se di per se stesso questo fenomeno non influenza la funzionalità o la stabilità della struttura, l’innesco della corrosione è un momento critico nella vita di una struttura. Infatti, le barre depassivate diventano suscettibili alla corrosione.

La durata del periodo di innesco è governata dallo spessore del copriferro e dai tutti i fattori che regolano la velocità di penetrazione della carbonatazione nel calcestruzzo: minore è lo spessore di copriferro e maggiore è la velocità di penetrazione, minore sarà la durata del periodo di innesco.

La reazione di carbonatazione inizia sulla superficie esterna e la sua velocità di penetrazione diminuisce nel tempo mano a mano che avanza in profondità.

La profondità di carbonatazione può essere ragionevolmente descritta da una legge proporzionale alla radice quadrata del tempo (andamento parabolico):
dove s è lo spessore (in mm) di calcestruzzo carbonatato, t è il tempo (in anni) e K è il coefficiente di carbonatazione (in mm/anni0.5).

Figura 2 – Evoluzione nel tempo della profondità della carbonatazione di una struttura in calcestruzzo armato. Le zone in rosa indicano il calcestruzzo carbonatato, quelle in grigio il calcestruzzo alcalino.

Il coefficiente di carbonatazione, che esprime la velocità di penetrazione della carbonatazione, dipende da fattori ambientali e dalle proprietà del calcestruzzo.

Per quanto riguarda i fattori ambientali, l’umidità del calcestruzzo ha un ruolo predominante. Essa regola infatti sia lo svolgimento della reazione stessa sia la penetrazione dell’anidride carbonica nel calcestruzzo.

La velocità di carbonatazione è trascurabile sia in calcestruzzo asciutto (in equilibrio con un ambiente con umidità relativa inferiore al 40%), sia in calcestruzzo saturo. In calcestruzzo asciutto la reazione dell’anidride carbonica con i componenti alcalini del calcestruzzo è inibita a causa della mancanza d’acqua. In calcestruzzo saturo, invece, i pori sono saturi d’acqua e la diffusione dell’anidride carbonica è fortemente ostacolata.

La velocità di carbonatazione è maggiore nell’intervallo di umidità compreso tra 60 e 80% come, ad esempio, all’interno di un edificio o nelle zone all’esterno, ma schermate dalla pioggia. La velocità di carbonatazione è inferiore se la struttura è soggetta a cicli di asciutto e bagnato. In questo caso il coefficiente di carbonatazione dipende dal tempo di bagnato, così come dalla frequenza e dalla durata dei cicli di asciutto-bagnato.

Il calcestruzzo, infatti, assorbe l’acqua molto più rapidamente rispetto a quanto la cede e pertanto, una volta che è bagnato tende ad asciugarsi molto lentamente. Di conseguenza la velocità di penetrazione della carbonatazione è ridotta in caso di frequenti anche se brevi periodi di bagnato, rispetto a periodi di bagnato meno frequenti, ma più lunghi. Risulta, quindi, evidente come la carbonatazione penetra con velocità diversa nelle parti della struttura esposte a condizioni microclimatiche differenti. Nelle zone poste all’esterno e non schermate dalla pioggia, e quindi soggette a cicli di asciutto-bagnato, la carbonatazione avanza più lentamente rispetto a quanto avviene nelle zone riparate; all’interno dell’edificio la penetrazione della carbonatazione risulta ancora più rapida.

Altri fattori ambientali che possono influire sulla velocità di penetrazione della carbonatazione, seppure in maniera meno rilevante, sono la concentrazione dell’anidride carbonica e la temperatura. La velocità di carbonatazione aumenta all’aumentare della concentrazione di anidride carbonica: la carbonatazione penetrerà, quindi, più velocemente in ambiente urbano rispetto ad un ambiente rurale, dove la concentrazione di anidride carbonica può essere anche inferiore di un terzo. Ambienti particolari, dove si possono registrare aumenti della concentrazione di anidride carbonica e quindi dove la velocità di carbonatazione sarà più elevata, sono ad esempio gli interni delle gallerie.
Un aumento della temperatura provoca un aumento della velocità di penetrazione della carbonatazione.

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Nell'articolo completo:
- Propagazione della corrosione da carbonatazione
- Vita di servizio di una struttura soggetta a corrosione da carbonatazione
- Norme per il progetto della durabilità
- Bibliografia