Durabilità delle barre in acciaio zincate a caldo
Un saggio dedicato a questo importante problema delle strutture in C.A.
Il lavoro presenta i risultati di un’indagine su barre in acciaio zincato a caldo dal punto di vista della resistenza alla corrosione.
L’ambiente corrosivo è stato simulato attraverso una soluzione elettrolitica nella quale sono stati immersi i campioni di barre zincate e si sono determinati i parametri caratterizzanti lo stato degli stessi e la loro variazione all’aumentare dell’esposizione nell’ambiente corrosivo.
Lo studio è esteso ad un set di campioni caratterizzati da uno spessore di zincatura variabile. Per valutare l’influenza della zincatura sulla durabilità delle barre in acciaio, si è operata la stessa caratterizzazione su un campione di acciaio non zincato, mettendo a confronto i risultati ottenuti.
Si è inoltre effettuata un’analisi morfologica del rivestimento di zinco mediante microscopio elettronico a scansione. Infine, sono riportati i risultati di alcune prove di pull-out condotte su barre zincate per valutarne l’aderenza al calcestruzzo.
1 INTRODUZIONE - la durabilità degli elementi in calcestruzzo armato
La durabilità degli elementi costruttivi in calcestruzzo armato è di notevole attualità, in relazione al degrado che presenta il nostro patrimonio edilizio e infrastrutturale.
Proteggere l’acciaio risulta fondamentale per aumentare la vita utile di un manufatto in calcestruzzo armato. La forma di degrado che interessa i materiali metallici è la corrosione.
I metodi di protezione possono essere ricondotti a due grandi categorie: quelli che agiscono con una protezione attiva e quelli che agiscono con protezione passiva. La prima ricorre all’elettricità e/o all’uso di un anodo sacrificale per portare il materiale da proteggere in condizioni di immunità termodinamica; mentre quella passiva è realizzata impiegando strati protettivi ad effetto barriera.
La zincatura esplica entrambe le suddette forme di protezione. La deposizione dello zinco sul substrato di acciaio può avvenire in diversi metodi (zincatura a caldo, spray di zinco, deposizione elettrolitica). Nel presente studio si concentra l’attenzione sulla zincatura a caldo. Inoltre si evidenzia come l’utilizzo delle barre zincate non comporti cambiamenti negativi in termini di aderenza acciaio- calcestruzzo.
2 LA CORROSIONE
2.1 Classificazione del processo corrosivo
Dal punto di vista morfologico la corrosione si può suddividere in: generalizzata, localizzata e selettiva.
La prima può essere uniforme, quando la perdita di materia è omogenea, e non uniforme in caso contrario; la seconda è quella per cui solo in certi punti del pezzo si verifica un attacco incisivo; mentre la corrosione selettiva interessa una parte del metallo che per la sua natura chimica risulta più suscettibile all’attacco corrosivo in un particolare ambiente. In funzione dell’ambiente che provoca la corrosione si distingue la corrosione a secco e a umido. La prima è provocata da atmosfere gassose in assenza di umidità e la seconda si manifesta in ambienti caratterizzati dalla presenza di acqua e/o vapore d’acqua; è il tipo di corrosione più frequente nelle opere civili.
La corrosione ad umido ha un meccanismo di tipo elettrochimico ed è regolata da leggi di tipo termodinamico e cinetico.
L'ambiente corrosivo è costituito da soluzioni acquose, con funzionamento di sistemi galvanici in cui il processo corrosivo è la risultante di un processo anodico di dissoluzione (ossidazione) del materiale metallico in congiunzione a un parallelo processo catodico di riduzione di una specie presente nell’ambiente acquoso (ossigeno, ioni H+, acqua).
L’agente ossidante più presente è l’ossigeno; se si considera un ambiente acido, la semireazione catodica di consumo di elettroni è la riduzione dell’ossigeno che si trova a diretto contatto con la superficie metallica:
dove z indica il numero di elettroni coinvolti nel processo corrosivo.
Esiste un’altra possibile semireazione catodica di consumo di elettroni in ambiente acquoso:
Mentre la semireazione anodica è quella di dissoluzione del metallo, che si può genericamente indicare attraverso la seguente relazione:
Il processo di corrosione sarà quindi caratterizzato dalla reazione globale di catena (somma delle due semireazioni):
oppure:
Della corrosione è importante valutarne due aspetti quello termodinamico e quello cinetico.
Il primo consente di fare considerazioni sulla spontaneità del processo corrosivo valutando la variazione di energia libera ΔG della reazione globale di catena.
In termodinamica un processo sarà spontaneo per ΔG 0. La cinetica consente di risalire alla velocità con la quale il processo si evolve.
Il processo di corrosione è costituito da due processi accoppiati: un processo anodico di ossidazione del metallo e un processo catodico di riduzione dell’idrogeno (o dell’ossigeno).
Questi due processi possono essere rappresentati in un grafico potenziale-densità di corrente in cui sono presenti due curve che rappresenteranno rispettivamente le caratteristiche anodiche e catodiche dei processi presi in considerazione. Tale diagramma è noto come Diagramma di Evans; si tratta della rappresentazione, nel piano E-Log i, delle curve di polarizzazione anodica (ossidazione del metallo) e catodica (riduzione di O2, H+, H2O). Il punto di intersezione delle due curve è il punto di funzionamento e dà il valore del potenziale (Ecorr) e del valore di densità di corrente di corrosione(icorr).
Nell’intorno del potenziale di corrosione si può definire una Resistenza di polarizzazione indicata con Rp che è correlata alla densità di corrente di corrosione secondo l’espressione:
Dove i parametri ba e bc sono coefficienti che caratterizzano la pendenza delle curve anodiche e catodiche.
Dalla precedente relazione si ricava:
2.2 Corrosione nelle barre per c.a.
Come è noto, la protezione delle barre di armatura deriva dalla presenza del copriferro, ma la matrice cementizia non è impenetrabile e ha un certo livello di porosità, permettendo l’ingresso di sostanze aggressive che diminuiscono l’alcalinità dell’ambiente in cui si trovano le armature. Una di queste è l’anidride carbonica, responsabile della carbonatazione, che fa perdere al calcestruzzo la condizioni di passività alla superficie delle armature. La carbonatazione consiste in una reazione tra l’anidride carbonica e l’idrossido di calcio presente nell’impasto.
Questo fenomeno produce una diminuzione del pH del calcestruzzo: il calcestruzzo è caratterizzato da un pH compreso tra 12,6 e 13,8 che esplica protezione nei confronti del ferro, il quale si ricopre di un film di ossido di pochi nanometri di spessore.
L’alcalinità del calcestruzzo si riduce progressivamente fino a valori del pH inferiori a 9 e in queste condizioni il film di ossido viene distrutto e si innesca una condizione favorevole alla corrosione.
Inoltre, quando l’acciaio si ossida aumenta di 5 volte il proprio volume; creando fortissime pressioni laterali che tendono a lesionare il calcestruzzo e, con un processo degenerativo, ad espellere il copriferro esponendo sempre di più le armature agli attacchi ambientali.
3 LA ZINCATURA A CALDO
Il metallo scelto per ottenere la protezione attiva deve avere un potenziale elettrochimico più basso dell’acciaio e deve formare composti intermetallici con il ferro dell’acciaio di base, garantendo uniformità e adesione al rivestimento. Lo zinco ha un potenziale di riduzione standard minore rispetto al ferro ed è più vulnerabile all’azione corrosiva.
Avendo lo zinco un potenziale di equilibrio -0.44 V/SHE, mentre l’acciaio -0.76 V/SHE, lo zinco funzionerà spontaneamente da anodo sacrificale.
Un altro parametro fondamentale che caratterizza la durata del rivestimento, una volta fissato lo spessore, è la velocità con cui si corrode.
Lo zinco è un materiale poco nobile che tenderebbe a passare facilmente in soluzione, come dimostra l’elevata densità di corrente di scambio per questo processo i0 = 106 mA /cm2; tuttavia, lo zinco ha pessime proprietà elettro-catalitiche nei confronti della reazione di sviluppo di idrogeno, infatti, la i0 per la riduzione dell’idrogeno su zinco è 10-4 mA/m2 e questo fa sì che la velocità di corrosione sia bassissima.
Le norme che riguardano la zincatura sono le seguenti:
- UNI EN ISO 1461:2009
- UNI EN ISO 14713-1:2010
- UNI EN 1090-1,2:2012
Nella prima vengono definiti gli spessori di rivestimento minimi, in funzione dei differenti spessori del manufatto di acciaio zincato, per diversi tipi di elementi strutturali. Sono inoltre indicati i metodi di prova per le verifiche di tali spessori, dal momento che il rivestimento ottenuto per zincatura a caldo non può essere uniforme.
La seconda norma viene presa come riferimento per prevedere la velocità di corrosione dello strato di zinco e quindi la durata dello stesso.
La UNI EN 1090 descrive i requisiti e le modalità per l’apposizione della Marcatura CE, secondo la Direttiva 89/106/CEE ed il Regolamento Europeo n. 305/2011.
Prima di effettuare l’immersione dell’acciaio nel bagno di zinco occorre trattare le superfici dei pezzi utilizzando le seguenti vasche: vasca di sgrassaggio per eliminare olii e lubrificanti derivanti da lavorazioni dell’acciaio; vasca di decapaggio per eliminare ossidi e ruggine presenti sulla superficie del pezzo; vasca di flussaggio per rivestire la superficie di una pellicola protettiva che impedisca l'ossidazione del pezzo fino all’immersione nello zinco fuso. Terminate le suddette procedure, il manufatto è sottoposto a una fase di essiccamento e preriscaldamento, in cui la pellicola protettiva fornita dal flussaggio viene essiccata.
In tal modo, oltre a eliminare l'umidità superficiale si riduce il salto termico, favorendo la reazione zinco-ferro e abbreviando i tempi di immersione nello zinco fuso.
Nel corso della zincatura si crea, sulla superficie dell'acciaio, uno strato di lega intermetallica ferrozinco, sovrastata da uno strato di zinco. I tempi di immersione variano da 2 minuti fino ad un massimo di 15 minuti; a seconda del tempo di permanenza nello zinco fuso si otterranno spessori diversi, crescenti col tempo di immersione.
4 PROCEDURA SPERIMENTALE
Per valutare la durabilità delle barre zincate a caldo si sono analizzati provini di barre rivestite di zinco e di barre prive di protezione.
Si sono testate barre di acciaio B450C aventi diametro di 20 mm suddivise in cinque classi, caratterizzate da uno spessore di zinco diverso. Le caratteristiche chimiche di questi provini, sono le seguenti:
La variazione dello spessore di rivestimento di zincatura è stata valutata con l’ausilio di un microscopio elettronico a scansione, il quale ha consentito di individuare anche la morfologia del rivestimento; inoltre, effettuando un’analisi elementale si è verificato che la zona indagata fosse proprio quella di rivestimento di zinco. Per l’identificazione dei vari provini si utilizza la dicitura seguente: B450C_n° indicante la classe che ne identifica lo spessore di zincatura. Sintetizzando si riportano di seguito le immagini, con due diversi livelli di ingrandimento, del campione con il più piccolo spessore di rivestimento e di quello con lo spessore più grande. Il provino B450C_1 ha uno strato di zinco ottenuto immergendo le barre nel bagno di zinco fuso per 2.5 minuti. Si è misurato uno spessore di 50 m, rilevando che la morfologia dello strato è caratterizzata da una serie di cilindri microscopici che, se pur vicini tra loro, rendono il rivestimento non perfettamente compatto e omogeneo (Figure 2).
Il provino B450C_5 ha uno strato di zinco ottenuto immergendolo nel bagno di zinco fuso per 11 minuti; si è misurato uno spessore di 470 m con una morfologia di tipo lamellare compatta (Figure 4).
L’analisi ha messo in evidenza che aumentando il tempo di immersione dei provini nel bagno di zinco non si ottiene soltanto un aumento dello spessore ma anche una variazione della morfologia dello stesso,ottenendo strati più compatti e resistenti.
Al fine di indagare sul comportamento delle barre di acciaio in condizioni di corrosione, si è presa come riferimento una soluzione elettrolitica che simuli l’ambiente aggressivo in cui sono stati immersi i provini per un periodo prefissato.
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