Condizioni critiche per l'innesco della corrosione da cloruri dell'acciaio nel calcestruzzo

During the last years, some model codes, aimed at predicting the duration of the service life of reinforced concrete structure subject to reinforcement corrosion, have been proposed. The service life could be predicted as a function of the environmental loads (for instance the presence of chloride) and of the properties of the materials (for instance the resistance to the penetration of chloride or to the initiation of corrosion). Although many models have been proposed to predict the evolution of the penetration of chloride into concrete, up to now no models are available to predict the “critical” chloride content that causes the initiation of corrosion. Although the chloride threshold level is being studied by an international research group organised by Rilem, many open issues still exist, mainly because the value of this parameter depends on many variables, whose role has not been completely defined yet. One of the main variables that affect the chloride threshold is the electrochemical potential of reinforcing steel and, in some particular conditions, the initiation of corrosion cannot be simply described through a chloride threshold value, since also the potential plays a major role in the definition of the critical conditions for corrosion initiation. In these cases a “critical combination” of the two parameters should be considered, as first proposed by Pietro Pedeferri in describing the principles of the technique of cathodic prevention. The aims of this thesis are: to study the particular conditions in which the potential promotes or prevents the initiation of corrosion (e.g. the presence of a macrocell or of a cathodic prevention system); to develop a test method aimed at determining the critical combination of chloride content and potential that causes the initiation of corrosion of reinforcing steel in concrete; to create a diagram that shows the active or passive behaviour of reinforcing steel in concrete, as a function of the parameters that affect it. Conditions in which the potential of reinforcing steel may have a significant influence on the initiation of corrosion were studied through numerical simulations: reinforced concrete structures with a portion exposed to the atmosphere and a portion submerged in seawater were modelled. The models showed that a macrocell can develop between the two portions of the structures, thus increasing the potential of the reinforcement in the submerged portion. Further models showed that, in such structures, a sacrificial anode is an effective system to lower the potential of the reinforcement, thus further changing conditions for corrosion initiation. In order to study the consequences of potential changes on the initiation of corrosion in different parts of the structures, a test procedure should be implemented which is able to evaluate the critical combination of potential and chloride content. Most of the test methods presented in the literature are aimed at measuring the chloride threshold level and cannot be applied to determine the influence of the steel potential; hence, a new test method has been developed. The method proposed in this thesis is based on: the addition of chloride into fresh concrete (mixed-in chloride); the cathodic polarisation of reinforcing steel during the curing period (pre-polarisation), to avoid the initiation of corrosion in this phase; the stepwise increase of steel potential until the occurrence of the initiation of corrosion. Through preliminary tests it was determined that: - the addition of up to 3% chloride (by mass of cement) into fresh concrete has a negligible effect on the properties of hardened concrete (resistance, sorptivity coefficient, absorption); - a galvanostatic pre-polarisation is an effective way to prevent the initiation of corrosion and does not cause a significant migration of chloride. Applying this method, a diagram that relates the initiation of corrosion to the chloride content and the potential has been obtained. However, the result of the test depends on the duration of the potential “steps”; hence a compromise should be found, because a short duration of the steps may result in a higher resistance of steel to the initiation of pitting corrosion, but, since during the test the reinforced concrete specimens are immersed in a saturated calcium hydroxide solution, a long duration of the steps may cause a significant leaching of chloride into the solution. In conclusion, the results of numerical simulations and the diagram obtained by the application of the test method can be applied to determine in which portion of reinforced concrete structures corrosion may initiate.

Negli ultimi anni sono stati proposti dei modelli di calcolo per stimare la durata della vita di servizio delle strutture in calcestruzzo armato soggette a corrosione delle armature. La vita di servizio può essere stimata in funzione delle caratteristiche dell’ambiente di esposizione (ad esempio la presenza di cloruri) e delle proprietà dei materiali (ad esempio la resistenza del calcestruzzo alla penetrazione dei cloruri). Sebbene siano stati proposti numerosi modelli per stimare la penetrazione dei cloruri nel calcestruzzo, al momento non sono disponibili modelli per stimare il “tenore critico” di cloruri che provoca l’innesco della corrosione. Sebbene il tenore critico sia studiato da un gruppo di ricerca internazionale organizzato dal Rilem, esistono ancora molti problemi aperti, principalmente perché il valore di questo parametro dipende da numerose variabili, il cui ruolo non è ancora stato completamente definito. Una delle principali variabili che influenza il valore del tenore critico è il potenziale elettrochimico delle armature e, in alcune condizioni particolari, l’innesco della corrosione non può semplicemente essere descritto tramite un tenore critico di cloruri, perché anche il potenziale gioca un ruolo determinante nel definire le condizioni critiche per l’innesco della corrosione. In questi casi è opportuno considerare una “combinazione critica” dei due parametri, come proposto da Pietro Pedeferri nel descrivere i principi della tecnica chiamata prevenzione catodica. Gli scopi di questa tesi sono: studiare le particolari condizioni in cui il potenziale favorisce o contrasta l’innesco della corrosione (ad esempio, la presenza di una macrocoppia o di un sistema di prevenzione catodica); sviluppare una metodologia di prova per determinare la combinazione critica di potenziale e tenore di cloruri che provoca l’innesco della corrosione dell’acciaio nel calcestruzzo; tracciare un diagramma che mostri il comportamento attivo o passivo delle armature, in funzione dei parametri che lo influenzano. Le condizioni in cui il potenziale delle armature può influire sull’innesco della corrosione sono state studiate mediante simulazioni numeriche: sono state modellate delle strutture in calcestruzzo armato con una porzione inferiore immersa in acqua di mare e una porzione superiore esposta all’atmosfera. I modelli hanno mostrato che tra le due porzioni della struttura può svilupparsi una macrocoppia, la quale provoca un aumento del potenziale delle armature nella porzione immersa. Ulteriori modelli hanno mostrato che l’installazione di un anodo sacrifiziale è un sistema efficace per abbassare il potenziale dell’acciaio, cambiando le condizioni per l’innesco della corrosione. Per studiare le conseguenze di una variazione del potenziale delle armature sull’innesco della corrosione nelle diverse porzioni delle strutture, è necessario sviluppare una metodologia di prova che sia in grado di valutare la combinazione critica di potenziale e tenore di cloruri. Molte delle metodologie proposte in letteratura sono volte a determinare il valore del tenore critico di cloruri e non possono essere applicate per determinare l’effetto del potenziale; dunque, è stata sviluppata una nuova metodologia di prova. La metodologia proposta è basata sull’aggiunta di cloruri al calcestruzzo in fase di getto; sull’applicazione di una polarizzazione catodica durante la stagionatura del calcestruzzo (pre-polarizzazione), per prevenire l’innesco della corrosione in questa fase della prova; sull’aumento del potenziale delle armature “a gradini” fino a provocare l’innesco della corrosione. Mediante prove preliminari è stato determinato che: - l’aggiunta nel getto di calcestruzzo di un tenore di cloruri fino a 3% (rispetto alla massa di cemento) ha un effetto trascurabile sulle proprietà del calcestruzzo indurito (resistenza a compressione, densità, coefficiente di assorbimento capillare, assorbimento di acqua); - per prevenire l’innesco della corrosione durante la stagionatura è possibile applicare una pre-polarizzazione galvanostatica, la quale, tra l’altro, non provoca una significativa migrazione dei cloruri contenuti nel calcestruzzo (dunque non altera il contenuto di cloruri). Applicando questa metodologia è stato ottenuto un diagramma che mette in relazione l’innesco della corrosione con il tenore di cloruri aggiunto nel getto e il potenziale delle armature. Tuttavia, i risultati della metodologia proposta dipendono dalla durata dei gradini di potenziale applicati all’acciaio; dunque, è necessario trovare un compromesso, perché le prove effettuate con gradini di breve durata (ossia un’ora) tendono a sovrastimare la resistenza dell’acciaio all’innesco della corrosione, mentre le prove effettuate con gradini di lunga durata (ossia 24 ore) non solo possono durare più di un mese, ma, se durante la prova i campioni in calcestruzzo armato sono immersi in una soluzione, può avvenire un significativo dilavamento dei cloruri contenuti nel calcestruzzo. Infine, i risultati delle simulazioni numeriche e il diagramma ottenuto applicando la metodologia di prova proposta sono stati applicati per determinare in quali porzioni della struttura in calcestruzzo armato simulata può innescarsi la corrosione da cloruri.