Stop alla corrosione con gli anodi galvanici

L'aumento dei danni indotti dalla corrosione ha aperto nuove prospettive per raggiungere la durabilità e la stabilità delle strutture in calcestruzzo armato, specialmente nelle aree molto aggressive.

Diversi sono i fenomeni che contribuiscono allo sviluppo della corrosione delle armature nel calcestruzzo. In questo articolo ci soffermeremo sulle cause più comuni, con particolare riferimento alla carbonatazione e alla corrosione da cloruri.

Il calcestruzzo, grazie alla sua natura alcalina, crea un ambiente protettivo per l'acciaio, che però non è eterno. Studi dimostrano che i danni legati alla corrosione si verificano quando quantità critiche di agenti aggressivi penetrano attraverso i pori nel calcestruzzo attaccando e distruggendo il film di passivazione protettivo dell’acciaio ed esponendo le armature al processo di corrosione.

Gli agenti aggressivi che possono creare questo fenomeno sono principalmente due:

■    Carbonatazione: l’anidride carbonica e l’umidità presenti nell’aria penetrano all’interno del calcestruzzo attraverso le porosità e abbassano il pH fino a valori prossimi alla neutralità. In queste condizioni le armature possono corrodere;

■    Cloruri: questo tipo di agente aggressivo, penetrando all’interno del calcestruzzo, può rompere puntualmente il film protettivo producendo un tipo di corrosione localizzata (pitting), anche in ambiente alcalino, che può portare alla rottura dell’acciaio di rinforzo.

La corrosione sulle armature, generata da questi fenomeni, sviluppa ossido di ferro (Fe₂O₃). Poiché l’ossido di ferro (ruggine) è molto più voluminoso dell'acciaio solido (5-6 volte maggiore), è sufficiente una piccola perdita di metallo (ad es. ~ 0,1 mm) sulla superficie dell’armatura per creare prodotti di corrosione sufficienti a generare stress interni che fessurano e degradano il calcestruzzo (Figura 1).

Sicuramente, agendo in maniera localizzata e distruttiva, la corrosione da cloruri è quella più aggressiva e pericolosa ai fini della stabilità strutturale di un elemento in calcestruzzo armato.

LA PROTEZIONE CATODICA È LA RISPOSTA PIÙ EFFICACE
Secondo il rapporto redatto dalla Federal Highway Administration, il  Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti d'America, la protezione catodica (PC) ha dimostrato di essere la più efficace tecnica di riabilitazione per arrestare la corrosione in strutture di calcestruzzo armato contaminate da cloruri, indipendentemente dal loro contenuto [1]. Mediante l'applicazione della PC, il potenziale di corrosione viene spostato nella zona di immunità e il processo di corrosione viene interrotto. La PC richiede solo la rimozione del calcestruzzo degradato, mentre quello solido ma contaminato non deve essere per forza rimosso.

L'applicazione di una PC in una struttura in calcestruzzo armato trasforma l'ambiente attorno alle armature producendo alcuni effetti positivi. All'interno del calcestruzzo protetto catodicamente la corrente viene trasportata dagli ioni proporzionalmente alla loro concentrazione e alla loro mobilità. Gli ioni positivi si muovono nella stessa direzione della corrente, cioè dall'anodo al catodo, quelli negativi nella direzione opposta. Pertanto, nel calcestruzzo contaminato da cloruro, la corrente circolante produce una migrazione di cloruri (Cl^-) dal sito catodico (-) a quello anodico (+). In questi casi, la circolazione di corrente determina una riduzione del contenuto di cloruro sulla superficie dell'armatura che è noto come "declorurazione" (Figura 2a).

Inoltre, sulla superficie dell’armatura (zona catodica) vengono consumati ossigeno e acqua che creano ioni ossidrile (2OH^-) secondo l'equazione:

H₂ + ½ O₂ + e^- --> 2OH^- 

Gli ioni ossidrile ripristinano l’alcalinità sulla superficie metallica fino a un valore di pH di circa 12, questo viene chiamato "effetto di rialcalinizzazione" (Figura 2b) inducendo la ri-passivazione dell’armatura.



PREVENZIONE PER LE NUOVE STRUTTURE

Le nuove strutture all'interno di ambienti aggressivi possono essere dotate di un sistema PC che può essere applicato all'inizio della loro vita. Questo tipo di protezione è noto come "prevenzione catodica" e può essere utilizzato per nuove strutture o strutture esistenti in cui il processo di corrosione non è ancora iniziato ma molto probabilmente si verificherà a causa della progressiva penetrazione di agenti aggressivi nel tempo. In questi casi, la prevenzione catodica può essere applicata in modo semplice utilizzando una piccola quantità di corrente continua necessaria per proteggere la struttura garantendo una protezione di lunga durata a costi contenuti, in considerazione dell’esiguo valore di corrente richiesto per armature già in stato di passività [2].

La protezione catodica può essere di due tipologie: a corrente impressa (ICCP) oppure galvanica con anodi sacrificali (SACP). Se correttamente progettati, installati e messi in servizio, è dimostrato che entrambi i sistemi possono controllare o mitigare la corrosione fornendo la protezione necessaria. La differenza principale tra i due sistemi consiste nel fatto che la corrente impressa necessita, per il suo funzionamento, di un alimentatore e di una fonte di energia elettrica. Al contrario, il sistema galvanico si basa sull’uso di metalli differenti accoppiati in un ambiente comune che creano energia elettrica simile a quella di una batteria.

RIDURRE I COSTI DI MANUTENZIONE E GLI IMPREVISTI GRAZIE AGLI ANODI SACRIFICALI
Uno dei principali vantaggi della SACP è che richiede una minima manutenzione una volta installata. Non utilizzando fonti di energia elettrica, il sistema è immune alle interruzioni di corrente o a guasti improvvisi dell’alimentatore. I sistemi galvanici inoltre, utilizzano tensioni naturali relativamente basse (differenza di potenziale naturale tra l’anodo sacrificale e l’acciaio da proteggere) che evitano possibili problemi legati all’infragilimento da idrogeno e alla corrosione da stress dell'acciaio precompresso, che invece può verificarsi nei casi di iper-protezione nei sistemi ICCP. La semplicità di progettazione e di manutenzione è quindi vista come uno dei principali vantaggi dei sistemi SACP. In un sistema SACP la corrente si autoregola in base alla velocità di corrosione dell'acciaio di rinforzo, in modo che il sistema funzioni su richiesta e quindi non in maniera forzata e senza sovraccarichi [3].

SACP ha anche i suoi limiti. La principale limitazione operativa è che i sistemi galvanici hanno un potenziale naturale fisso e pertanto in elementi fortemente armati la corrente erogata può non essere sufficiente per garantire la polarizzazione dell’acciaio. In questi casi, aumentare il numero di anodi sacrificali e usare malte a bassa resistività è un aiuto efficace. La durata di vita degli anodi per il sistema SACP è determinata da diversi fattori che possono variare nel tempo. La relazione tra la corrente anodica per il consumo dell'anodo e il tasso di corrosione espresso come perdita di massa nel tempo può essere ottenuta dalla prima legge di Faraday. La massa necessaria di materiale anodico, che include anche fattori di efficienza e utilizzo, viene calcolata mediante questa legge secondo l'equazione:

W = (ARC * CR * L) / (E * U)  

Dove:

■    ARC è la corrente media richiesta (tipicamente da 2 a 20 mA/m² per vecchie strutture e da 0,2 a 2 mA/m² per nuove strutture, secondo ISO 12696:2012 “La protezione catodica dell’acciaio nel calcestruzzo”);

■    CR è il tasso di consumo dell'anodo;

■    L è la durata prevista;

■    E è l’efficienza del metallo utilizzato;

■    U è il fattore di utilizzo dell'anodo usato.

A titolo di esempio, se consideriamo un anodo di zinco che eroga una corrente di 1 mA costante per un anno, avremo un consumo di circa 12-14 g di materiale anodico.

Considerando gli standard della "protezione catodica dell'acciaio nel calcestruzzo" [4, 5], il criterio più comune per la valutazione delle prestazioni del sistema PC applicato ad una struttura è la misurazione della depolarizzazione partendo dal potenziale "Instant OFF".

In termini pratici, si deve misurare il potenziale delle armature con gli anodi collegati (polarizzazione) dopodiché sconnettere gli anodi dalle armature e ripetere la misurazione. Si assisterà al fenomeno della depolarizzazione che consiste in una risalita del potenziale dell’armatura in acciaio verso valori più positivi (es. polarizzazione -450mV; depolarizzazione -285mV). Questo spostamento del potenziale, secondo ISO 12696, deve essere di almeno 100 mV in un lasso di tempo massimo di 24 ore o almeno 150 mV per un periodo superiore.

Un tipico grafico di depolarizzazione è mostrato in figura 3.

La strumentazione per il monitoraggio del potenziale comprende dispositivi manuali, portatili o installati in modo permanente sulla struttura.

L'uso di un sistema di monitoraggio online permanente è preferibile, poiché offre un accesso continuo ai dati, ma anche identifica immediatamente i problemi. Per la maggior parte delle strutture importanti, le ispezioni vengono generalmente eseguite secondo un programma prestabilito che può variare da mesi ad anni, a meno che non si verifichino condizioni particolari che richiedano un controllo più frequente. È auspicabile che nel prossimo futuro le grandi infrastrutture siano dotate di sistemi di questo tipo per risolvere problemi legati alla sicurezza, ma anche per monitorare e meglio intendere i meccanismi legati al degrado delle strutture.

References

1- Scheffy, C. F. (1981). Bridge deck deterioration - A 1981 perspective. FHWA Memorandum, Federal Highway Administration Office of Research.

2- Pedeferri, P. (1996). Cathodic protection and cathodic prevention. Construction and building materials, 10(5), 391-402.

3- Item No. 24224, (2005). Sacrificial cathodic protection of reinforced concrete elements. Houston, TX: NACE International.

4- ISO, B. (2016). 12696 -2016. Cathodic protection of steel in concrete.

5- SP0216 (2016). Sacrificial cathodic protection of reinforcing steel in atmospherically exposed concrete structures. Houston, TX: NACE International.

acustico.