Decifrare i processi di corrosione

La velocità con cui l'acciaio si corrode nel calcestruzzo o in un altro materiale poroso è cruciale per un gran numero di applicazioni tecniche, come le condutture nel terreno o i ponti in cemento armato. Da decenni esistono varie ipotesi e modelli, ma in genere non sono in grado di spiegare in modo definitivo i risultati empirici. I ricercatori guidati da Ueli Angst, l'ETH Professor of Durability of Materials, hanno ora risolto questo rompicapo e sviluppato un nuovo modello estremamente semplice, appena pubblicato sulla rivista "Nature Materials".

Ipotesi comune smentita

"La maggior parte dei libri di testo descrive la velocità di corrosione in funzione dell'umidità come una curva a U rovesciata", afferma Angst. In base a ciò, se il calcestruzzo è completamente bagnato, la corrosione procede lentamente perché è difficile per l'ossigeno diffondersi attraverso l'acqua. Se invece il calcestruzzo è completamente asciutto, la corrosione è quasi inesistente perché non c'è acqua. Secondo queste idee, il processo è più rapido a umidità "media", quando sia l'acqua che l'ossigeno sono presenti nei pori del calcestruzzo.

Tuttavia, questa "teoria dell'ossigeno" è spesso poco utile nella realtà. Angst sottolinea che la maggior parte degli edifici è esposta ciclicamente: "A volte sono asciutti, a volte si bagnano di nuovo con la pioggia. Ciò significa che i pori si riempiono di acqua solo periodicamente e di solito c'è abbastanza ossigeno nel sistema".

La consapevolezza che la "teoria dell'ossigeno" da sola non può descrivere il processo di corrosione non è nuova. "Una pubblicazione del 1957 indicava già che doveva esserci un altro fattore oltre all'ossigeno", afferma Angst. Per questo studio su larga scala, migliaia di campioni di acciaio sono stati sepolti nel terreno in tutti gli Stati Uniti negli anni '20 e sono stati disseppelliti e analizzati nuovamente per un periodo di anni. I risultati hanno mostrato che la corrosione era più rapida nei terreni più umidi. Tuttavia, la teoria dell'ossigeno non ha una risposta a questo problema.

Un semplice effetto di superficie

"Ora abbiamo una spiegazione che è sorprendentemente semplice", dice Angst. Si basa sul fatto che il metallo si trova in un mezzo poroso. Ciò significa che in alcune aree è a contatto con solidi come pietra di cemento o granelli di sabbia e in altre con cavità. Dove il metallo è a contatto con i solidi, la corrosione non si verifica. "Tuttavia, dove il metallo è a contatto con i pori, la corrosione può verificarsi se i pori sono pieni d'acqua, ma non se sono pieni d'aria", spiega Angst. "Quindi, più il materiale è umido, più i pori si riempiono d'acqua e questo porta a una corrosione più pronunciata".

I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico che quantifica queste relazioni. Ciò consente di prevedere la velocità di corrosione in base alla struttura dei pori del mezzo e alle condizioni di umidità. "Con questo modello possiamo spiegare non solo le nostre misurazioni, ma anche i dati sperimentali degli ultimi 50 anni", sottolinea Angst, "indipendentemente dal fatto che il mezzo poroso sia calcestruzzo, terreno o legno".

Aiutare i nuovi tipi di cemento a raggiungere una svolta

Questa affermazione è particolarmente importante per quanto riguarda l'uso di tipi di cemento più ecologici. Il calcestruzzo prodotto con il tradizionale cemento Portland ha un'elevata alcalinità. Proprio questa proprietà protegge l'acciaio del calcestruzzo dalla corrosione e ha contribuito in modo significativo al successo delle costruzioni in cemento armato. Tuttavia, la produzione di cemento convenzionale rilascia grandi quantità di CO₂ libero. Il significato di tutto ciò per il clima si può dedurre dal fatto che il calcestruzzo è il materiale più utilizzato al mondo dopo l'acqua.

L'industria del cemento lavora da anni all'utilizzo di materie prime alternative per la produzione di cemento. Nei diversi Paesi vengono utilizzati materiali molto diversi, a seconda delle materie prime disponibili e dei prodotti di scarto di altre industrie. Sebbene questi sforzi siano adatti a ridurre le emissioni di CO₂-I nuovi tipi di cemento hanno un grave svantaggio: hanno una minore riserva di alcali. "Questo significa che i calcestruzzi moderni, rispettosi del clima, perdono più rapidamente il loro effetto anticorrosivo, cioè il loro alto valore di pH", spiega Angst.

Secondo gli standard attuali, il calcestruzzo deve garantire che l'acciaio d'armatura in esso incorporato non inizi a corrodersi per tutta la durata di vita di una struttura - di solito da 50 a 100 anni. ? difficile soddisfare questo requisito con i nuovi tipi di cemento, ad esempio racchiudendo l'acciaio in uno strato di calcestruzzo più spesso, che a sua volta non è ecologico.

Se i nuovi materiali da costruzione più ecologici devono essere utilizzati più frequentemente in una prospettiva olistica, è necessario discostarsi dalla prassi attuale. "La corrosione non deve necessariamente causare danni a un edificio, purché avvenga abbastanza lentamente", è convinto Angst. Una certa, piccola quantità di corrosione delle armature può quindi essere accettata durante la vita utile di una struttura. Finora, tuttavia, non esisteva alcuna base scientifica a sostegno di questa tesi. "Con il nostro modello, ora possiamo fare affermazioni quantitative su come avviene la corrosione in diversi tipi di calcestruzzo e condizioni ambientali", afferma Angst. Questa conoscenza potrebbe portare a edifici più sostenibili".