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La corrosione dell’acciaio

La corrosione
Per corrosione si intende il graduale deterioramento di un materiale, causato dal progressivo decadimento delle sue proprietà intrinseche, per interazione chimico-fisica con l’ ambiente circostante.

Per i metalli e l’ acciaio, la corrosione comporta la progressiva perdita delle caratteristiche meccaniche, funzionali e strutturali, proprie dello stato metallico.

La corrosione coinvolge e condiziona tutte le attività umane.

La pianificazione della protezione e delle manutenzioni
Il compito di arrestare l’ avanzata della degradazione spetta già al progettista che, assieme alla scelta dei materiali adatti per la realizzazione dell’ opera, dovrebbe sempre curarsi della loro protezione

La prevenzione è l’ unica strategia difensiva consigliabile ed efficace dal punto di vista tecnico ed economico. Durante la fase della selezione della protezione con materiali, tecniche e accorgimenti progettuali opportuni, è essenziale pianificare anche le manutenzioni, programmando il momento del primo intervento e la frequenza dei seguenti. Infatti, ogni sistema anticorrosivo è caratterizzato da una sua durata, che dipende dalle caratteristiche intrinseche della protezione, dalle peculiarità progettuali e dalle condizioni ambientali.

Se sono carenti gli interventi di manutenzione programmata, la corrosione può comportare necessità di procedure di ripristino particolarmente onerose, fino a determinare, nei casi estremi, l’ esigenza di totale rifacimento del manufatto. La mancanza o l’ insufficienza delle manutenzioni non sempre sono dovute a mancanza di fondi, ma posso essere semplicemente causate da trascuratezza ed imprevidenza. E quest’ evenienza è per nulla improbabile. D’ altronde, non sono rari i casi in cui sussistono condizioni di impraticabilità delle riparazioni a causa di difficoltà intrinseche, logistiche e tecniche, che limitano l’ efficacia degli interventi. Esemplare è il caso del cemento armato corroso, per cui spesso il recupero strutturale è molto complesso e costoso, e che può, talora, diventare perfino impossibile.

Quando si verificano condizioni di particolari difficoltà applicative, il costo totale della manutenzione può anche superare il costo iniziale della realizzazione.

Alla luce di queste semplici considerazioni, diviene evidente l’ opportunità di scegliere metodi anticorrosivi in grado di assicurare una protezione durevole. La scelta ideale consiste in un sistema in grado di proteggere il manufatto per tutta la sua vita utile, che minimizzi o annulli l’ esigenza di manutenzioni dopo la sua applicazione.

Quindi, la chiave per affrontare il problema connesso alla corrosione, consiste nella scelta di una protezione che non richieda particolare attenzione da parte dei proprietari o dei responsabili della gestione dell’ opera, in grado di conferire una prevenzione totale, che non comporti degradazione alcuna delle resistenze strutturali e non sia caratterizzato da particolari esigenze di manutenzione.

Le conseguenze della corrosione:
il danno economico

Nonostante da tempo si stia assistendo ad un aumento della sensibilità verso il problema della protezione dalla corrosione, comunque l’ ordine di grandezza delle cifre riguardanti i costi, permane molto elevato. Il fenomeno corrosione comporta danni diretti valutabili in decine di miliardi di euro all’ anno (40.000 miliardi delle vecchie lire secondo una ricerca di qualche anno fa) nella sola Italia

il danno sociale
La parte monetizzabile, considerata nel computo, è solo una frazione del totale: ai danni diretti vanno aggiunti i danni per la riduzione dell’ efficienza e della fruibilità delle opere.

Per gli impianti produttivi, anche semplici interventi manutentori possono richiedere lunghi fermi d’ attività con conseguente ingente danneggiamento economico. Evidente è il costo sociale originato dall’ interruzione o anche dalla limitazione di servizio di installazioni civili, quali edifici pubblici e privati, teatri, scuole, strutture sportive e ricreative, opere architettoniche di interesse culturale.

Semplicemente incalcolabili sono le conseguenze sul patrimonio artistico, quando la corrosione provoca letteralmente la dissoluzione delle opere di pregio, come è accaduto alla torcia della Statua della Libertà. L’ opera originaria è stata sostituita negli anni 80

Gli effetti della corrosione sulla sicurezza possono essere drammatici o addirittura tragici: la corrosione implica la riduzione delle resistenze meccaniche dell’ acciaio, con evidente effetto sulla sicurezza ed affidabilità delle strutture realizzate. Particolarmente interessato al fenomeno è l’ acciaio adoperato come struttura portante di costruzioni ed edifici. Casi di grossi cedimenti strutturali con conseguenze tragiche sono piuttosto rari, ma purtroppo non improbabili.

Insidie gravi possono essere presenti anche in installazioni meno pesanti come, ad esempio, arredi, pali per illuminazione, recinzioni, etc. etc. in cui il danneggiamento della corrosione può progredire in maniera molto meno vistosa e controllabile, fino a comportarne il crollo.

Tutto ciò rende necessario che il progettista o chiunque abbia potere decisionale sul futuro dell’ opera, possegga un bagaglio culturale di conoscenza delle cause e dei meccanismi con cui i processi corrosivi evolvono. Solo in questo modo è possibile distinguere la più adatta tra le soluzioni tecnologiche a disposizione per combattere la corrosione e ridurne il rischio.

Le cause ed il meccanismo della corrosione
L’ acciaio, lega di ferro e carbonio, si ottiene dall’ estrazione siderurgica del metallo da specie ossidate quali minerali naturali o rottame arrugginito. Questo processo richiede energia, fornita al sistema sotto forma di calore.

L’ acciaio è, dunque, in uno stato in cui l’ energia libera è maggiore rispetto ai materiali da cui è ottenuto. Questa condizione genera instabilità termodinamica: il metallo tende spontaneamente a tornare alla forma ossidata di origine.

La corrosione corrisponde alla dissipazione dell’ energia accumulata dall’ acciaio durante il processo siderurgico e avviene con reazioni spontanee con danni irreversibili.

Il fenomeno, oltre ad essere favorito dalla termodinamica, presenta una cinetica comunemente veloce negli ambienti normali di utilizzo, a causa di condizioni favorevoli di temperatura e presenza di sostanze attivanti quali acidi ed inquinanti.

La corrosione progredisce con meccanismi di tipo elettrochimico.

Dal punto di vista concettuale, il processo di corrosione coincide con il funzionamento di un elemento galvanico in corto circuito, in cui si differenziano aree destinate alla ossidazione ed aree in cui avviene la riduzione. Perché la reazione possa avere luogo occorre la presenza contemporanea di un agente ossidante (l’ ossigeno dell’ aria) e di una soluzione conduttiva formata da elettroliti (sali) ed inquinanti (acidi od alcali, composti inorganici o organici). Condizioni queste normalmente riscontrate, data la presenza comune di condensa di vapor acqueo (in aggiunta agli aerosol salmastri in prossimità del mare), in cui si sciolgono le parti solubili di pulviscolo e specie chimiche prodotte dall’ inquinamento.

In ambiente neutro, la semi-reazione catodica di consumo di elettroni è data dalla riduzione dell’ ossigeno disciolto nella condensa che si forma sulla superficie del metallo.
H2O+½ O2+2e-®2(OH-) semi-reazione di riduzione catodica

La semi-reazione di dissoluzione del metallo è schematizzabile semplicemente con
Me®Me+++2e-semi-reazione di dissoluzione anodica

Nei processi corrosivi, differenti aree della stessa superficie metallica possono comportarsi da anodi – con ossidazione del metallo a ioni M++ e contestuale cessione di elettroni – oppure da catodi – sedi della reazione di riduzione, in cui l’ ambiente aggressivo acquisisce elettroni.

Osserviamo quello che accade quando una goccia di acqua cade sull’ acciaio: in presenza degli inquinanti comunemente presenti in atmosfera (come SO2 ed NOx), si innescano reazioni che comportano deposizione di ruggine al centro della goccia, mentre ai bordi la corrosione è meno evidente. L’ ossigeno presente nell’ aria si diffonde all’ interno della goccia incontrando in soluzione la superficie metallica che, nella zona più esterna, funge da catodo, fornisce elettroni per la reazione di riduzione e resta immune dalla corrosione. Contemporaneamente, al centro della goccia, dove l’ ossigeno presenta una concentrazione molto minore, si crea una zona anodica dove il metallo rilascia ioni ferro Fe++ in soluzione ed assicura l’ apporto di elettroni al processo.

In sintesi le due semi reazioni anodica e catodica, coinvolte nella corrosione dell’ acciaio, possono essere riassunte nella reazione globale:
H2O+½ O2+Fe®Fe(OH)2Per azione di altro ossigeno, l’ idrossido ferroso Fe(OH)2 si ossida a ferrico Fe(OH)3 che precipita nell’ intorno della zona anodica.

Infine, la CO2 atmosferica, disciolta nella goccia, reagisce con una parte di questi idrossidi formando i rispettivi carbonati. Il risultato di questo complesso fenomeno è la ruggine – miscuglio di idrossido, di ossido e di carbonato di ferro.

Nella realtà, la corrosione generalizzata tipica dell’ acciaio è descritta dal modello dell’ elettrodo misto – una superficie metallica in cui avviene, su micro-aree uniformemente disperse, la dissoluzione anodica del metallo e la reazione contemporanea di riduzione catodica dell’ ossigeno. I fenomeni descritti avvengono in scala microscopica e risultano tanto fittamente compenetrati da consentire una deposizione uniforme di prodotti di corrosione. È l’ aspetto tipico di un pezzo di ferro arrugginito.

Lo strato di ruggine che si forma sulla superficie del ferro, non può proteggere il metallo sottostante contro gli agenti aggressivi esterni perché poroso e poco compatto. Pertanto, in assenza di opportune misure protettive, la corrosione una volta iniziata può continuare fino alla completa dissoluzione anodica del ferro.

I processi corrosivi sono, dunque, favoriti dalla presenza di agenti che migliorano la conduttività superficiale o concorrono a determinare l’ esposizione di superfici metalliche attivate.

Ecco perché risulta evidentemente dannosa la presenza di aria umida e sali (presenti nella polvere o in altre sospensioni atmosferiche) ed è manifesta l’ azione distruttiva degli acidi. Anche le condizioni di aerazione differenziata, in cui la concentrazione di ossigeno è differente da punto a punto, favoriscono la corrosione, dal momento che i gradienti di concentrazione di ossigeno realizzano una differenziazione tra aree catodiche ed anodiche. Ne sono esempi la corrosione molto spinta che si riscontra nei punti di affioramento di strutture parzialmente interrate.

Si consideri, inoltre, l’ accelerazione della degradazione che si evidenzia se si sovrappongono due superfici metalliche. In tal caso, infatti, sussiste una differenza di concentrazione di ossigeno tra l’ esterno (parte esposta all’ aria) e l’ interno (parte interrata o intercapedine rispettivamente).

La corrosione galvanica

Interessante è il caso della corrosione galvanica causata dall’ accoppiamento con contatto diretto tra due metalli diversi: i materiali metallici non manifestano tutti la stessa tendenza ad ossidarsi. Ciò dipende dalla maggiore o minore propensione che essi hanno al rilascio di elettroni, ovvero alla loro dissoluzione in soluzione come ioni.
potenziali elettrochimici
Per avere un’ idea più chiara dei fenomeni coinvolti in questo tipo di fenomeni dobbiamo fare necessariamente riferimento ai potenziali standard di riduzione, che sono indicati nella serie riportata in tab. 1.1.

Essi sono il risultato di complesse formalizzazioni delle proprietà elettrochimiche.

Per una lettura molto semplice della tabella, possiamo affermare che metalli che presentano un potenziale più basso, sono caratterizzati da una maggiore spinta alla cessione di elettroni, ovvero all’ ossidazione. Ciò, in termini qualitativi, implica che, se due metalli diversi sono messi a contatto in presenza di condensa conduttiva, quello che è caratterizzato dal potenziale standard di riduzione più basso si corrode, cioè cede elettroni, più velocemente. Ciò si esprime anche dicendo che i metalli a potenziale più alto sono più nobili, nel contatto restano ridotti ovvero non si corrodono. Si evince che il contatto tra due metalli determina una situazione tanto più svantaggiosa per il meno nobile quanto più i metalli sono distanti nella serie, cioè quanto più è grande la differenza tra i potenziali.

L’ effetto di accoppiamento galvanico può riservare brutte sorprese dal momento che può accelerare in maniera critica la corrosione delle parti metalliche meno nobili nel contatto tra due metalli.

Particolarmente dannose sono, inoltre, le dispersioni di corrente – le cosiddette correnti vaganti – che possono determinare potenziali anodici in grado di causare l’ accelerazione della corrosione. Cattivi isolamenti elettrici di strutture interrate in siti industriali od urbani, erronee istallazioni di messa a terra di edifici, l’ uso di talune apparecchiature elettromeccaniche e contatti di vario genere, possono determinare nel terreno le azioni anodiche di correnti elettriche continue, la cui conduzione è favorita dalla presenza di umidità e sali presenti nel terreno.