PROTEZIONE DEL TONDO DA C.A. CON ZINCATURA

UNIVERSITA’ POLITECNICA DELLE MARCHE

PROTEZIONE DEL TONDO DA C.A. CON ZINCATURA Prof. Romeo Fratesi Dipartimento di Fisica e Ingegneria dei Materiali e del Territorio Università Politecnica delle Marche

A Assssoocciiaazziioonnee IIttaalliiaannaa Z Ziinnccaattuurraa Via Luigi Lilio, 62 – 00142 Roma Tel 06 51964662 – Fax 06 5190771 – e-mail info@aiz.it www.aiz.it

PROTEZIONE DEL TONDO DA C.A. CON ZINCATURA Romeo Fratesi Dipartimento di Fisica e Ingegneria dei Materiali e del Territorio, Università Politecnica delle Marche, Via Brecce Bianche , 60131 Ancona (I)

Sommario Il maggior limite alla durabilità delle strutture in calcestruzzo armato è attualmente costituito dalla corrosione delle armature. Tra i possibili accorgimenti per migliorare la resistenza alla corrosione dei ferri d’armatura nel calcestruzzo, recentemente è stato preso in maggior considerazione l’utilizzo di barre d’acciaio zincate.

Il presente lavoro ha lo scopo di divulgare le conoscenze sul tondino zincato da utilizzare a tale scopo, riportando i risultati di esperienze, di prove di laboratorio e di campo al fine di facilitare la comprensione del meccanismo di protezione della zincatura all’interno del calcestruzzo, di indicare le possibili applicazioni ed i relativi limiti.

Abstract The major limit on the durability of the concrete structures is currently due to the corrosion of the reinforcing steel bars. Among the possible expedients to improve the corrosion resistance of reinforcing in concrete, the use of galvanized bars has recently been given greater consideration.

The goal of the present work is that to spread the knowledge on the galvanized steel bars to use to this aim. This is done showing the results of experiences, of laboratory and field tests to make easy the understanding the mode of action of the zinc coating of the steel bars inside the concrete, to specify the possible applications and the related limits.

1. Introduzione Il calcestruzzo armato è, senza dubbio, il materiale più largamente usato in Europa nel campo delle costruzioni civili a causa del costo relativamente basso, di adeguate proprietà ingegneristiche per molte applicazioni strutturali e della semplicità con cui può essere adattato alle forme più svariate, anche complesse; inoltre è un materiale di facile produzione, trasporto e reperibilità. Nonostante la grande diffusione di questo materiale manca ancora, a livello di progettazione e applicazione, un’adeguata conoscenza delle sue proprietà e quindi dei limiti effettivi nel suo impiego. Uno di questi limiti è senza dubbio la durabilità.

I limiti di durabilità delle opere in calcestruzzo armato hanno determinato un notevole impulso alla ricerca, consentendo di raggiungere un adeguato livello nello sviluppo delle conoscenze sulle proprietà di questo materiale [1,2]. Si può quindi sicuramente affermare che l’attuale livello di conoscenza raggiunto nella tecnologia del calcestruzzo, correttamente applicata, è tale da consentire la progettazione della vita media di una struttura in calcestruzzo armato[3].

Il maggior limite alla durabilità di tali strutture è attualmente costituito dalla corrosione delle armature. Nonostante questo aspetto sia stato ormai ampiamente studiato e documentato [4,5], esso ancor oggi costituisce la forma sicuramente più insidiosa di danneggiamento strutturale che condiziona la vita di un’opera in calcestruzzo armato.

Esistono diversi fattori che sono in grado di creare le condizioni favorevoli all’innesco della propagazione della corrosione delle armature; tra questi, la contaminazione da cloruri e la carbonatazione sono i fattori più critici in quanto compromettono la passività dell’acciaio assicurata, altrimenti, dall’ambiente alcalino creato dal calcestruzzo.

Una corretta tecnologia del calcestruzzo può consentire un aumento della vita media di una struttura, ma non può assicurare una protezione globale dalla corrosione delle armature soprattutto quando si consideri la possibilità di fessurazione del (a) calcestruzzo indipendente dalla tecnologia e posa in opera del calcestruzzo.

Quando, poi, l’aspetto economico, attraverso una contrazione dei tempi di costruzione, l’esasperata ricerca della leggerezza e la riduzione della qualità dei materiali, condiziona la corretta esecuzione del lavoro, allora la durabilità di (b) una struttura può risultare Figura 1 compromessa anche in ambienti Modello proposto per la corrosione delle armature normali (a) non particolarmente aggressivi.

[6] e in acciaio zincato (b) nel calcestruzzo [7].

Il modello tradizionale che consente di predire la vita funzionale di un’armatura di acciaio nel calcestruzzo è basato sul meccanismo riportato in Fig. 1a: la corrosione inizia a propagarsi dopo un periodo di incubazione, durante il quale gli agenti aggressivi raggiungono i valori critici ai fini dell’innesco della corrosione e in seguito al quale avviene la rimozione delle condizioni di passività dell’armatura. La corrosione si propaga, quindi, con una velocità che dipende dall’umidità e dal trasporto di ossigeno alla superficie dell’armatura metallica.

Le soluzioni correntemente proposte per aumentare la resistenza alla corrosione delle armature sono costituite da rivestimenti protettivi della superficie del calcestruzzo o delle

barre di armatura, dalla protezione catodica o dall’impiego di acciaio inossidabile. Anche se è evidente che ciascuna di queste soluzioni aumenta il costo iniziale della struttura, sarebbe errato limitarsi a quest’ultima considerazione, in quanto è necessario riferirsi al costo totale della struttura nell’arco della sua vita, considerando quindi anche i costi di eventuali (per quanto prevedibili) interventi manutentivi, per valutare correttamente e complessivamente l’economicità delle scelte progettuali iniziali.

2. Armature zincate 2.1. Meccanismo di protezione della zincatura Tra i possibili accorgimenti per migliorare la resistenza alla corrosione delle armature nel calcestruzzo, recentemente è stato preso in maggior considerazione l’utilizzo di barre d’armatura zincate.Ciò è dovuto al loro costo moderato rispetto ad altri sistemi di protezione preventiva ed al fatto che i rivestimenti delle barre a base di resine polimeriche hanno dato esiti anche molto negativi in presenza di calcestruzzo contaminato da cloruri [8].

Il modello concettuale che descrive il meccanismo della corrosione delle armature di acciaio zincato nel calcestruzzo è rappresentato in Fig. 1b; si può osservare come, rispetto al precedente modello (Fig. 1a), esista, oltre ad un periodo di incubazione più lungo, un’ulteriore fase, prima della propagazione della corrosione, indicata come protezione, durante la quale il rivestimento di zinco, sacrificandosi, protegge l’acciaio sottostante. L’azione benefica della zincatura si esplica, quindi, anche nella prima fase di incubazione, durante la quale la passività dello zinco viene mantenuta anche in condizioni in cui l’acciaio non protetto perderebbe la capacità di mantenersi passivo o per abbassamento del pH, in seguito a carbonatazione, o per raggiungimento della concentrazione critica dei cloruri.

Confrontando le Fig. 1a e 1b si può osservare come la zincatura delle armature si traduca in un allungamento della vita di una struttura, e quindi come in definitiva contribuisca all’aumento della durabilità del calcestruzzo armato.

Le ragioni per le quali l’utilizzo di barre zincate incrementa la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato risiedono nel fatto che lo zinco all’interno del calcestruzzo si passiva e, al contrario di quanto accade per l’acciaio non zincato, mantiene la sua passività anche quando la pasta di cemento subisce un abbassamento del pH (pH < 11) a causa della carbonatazione o quando il tenore di ioni cloruro supera quello considerato critico per l’acciaio. Riguardo alla concentrazione critica di cloruri all’interfaccia fra armatura zincata e calcestruzzo, necessaria per innescare la corrosione delle armature zincate, non esistono dati assoluti, poiché questo valore dipende da fattori difficilmente standardizzabili, come la microstruttura porosa del calcestruzzo, l’alcalinità della soluzione contenuta nei pori, l’equilibrio termoigrometrico del calcestruzzo con l’ambiente, etc. Tuttavia, prove sperimentali condotte nelle stesse condizioni ambientali indicano che tale concentrazione di soglia in cloruri risulta essere circa 3 volte superiore a quella che provoca l’innesco della corrosione sulle armature di acciaio non zincato [7]. Il ritardo nella corrosione dell’acciaio, nel caso di armature zincate, comunque, non dipende solo dal maggior tempo necessario affinchè le specie aggressive raggiungano i valori critici sulle armature, ma anche dal fatto che lo zinco, pur corrodendosi, esplica la sua funzione protettiva nei confronti dell’acciaio sottostante. In questo periodo, contrariamente a quanto accade alle armature di acciaio non rivestito, i prodotti di corrosione dello zinco non provocano danneggiamenti meccanici al calcestruzzo circostante, non essendo prodotti espansivi (a meno di concentrazioni elevatissime di ioni cloruro [9]). Al contrario, i prodotti di corrosione dello zinco, sigillando i pori ed eventuali microfessurazioni nell’intorno dell’armatura, rallentano la velocità di corrosione. Inoltre, durante questo periodo, lo zinco esercita anche una protezione catodica sull’acciaio che viene progressivamente scoperto dalla graduale corrosione del rivestimento.

Solo ad esaurimento del periodo di protezione, l’acciaio non più protetto, inizierà a corrodersi con velocità simile a quella delle armature non rivestite e la struttura subirà prima il distacco del copriferro conseguente alla forza espansiva dei voluminosi prodotti di corrosione del ferro

e risulterà esposta poi al rischio di severi danneggiamenti meccanici provocati dalla diminuzione della sezione resistente delle barre.

Il modello esposto è ampiamente accettato dalla letteratura internazionale sulla base dell’effettiva maggiore resistenza alla corrosione dell’acciaio zincato rispetto al comune acciaio in presenza di carbonatazione e/o di cloruri nel calcestruzzo [10].

2.2. Ottenimento del rivestimento L’applicazione del rivestimento di zinco, viene effettuato per immersione delle barre di acciaio o delle gabbie d’armatura preformate in un bagno di zinco fuso alla temperatura di circa 450°C. L’immersione delle barre nello zinco fuso deve essere preceduta da una loro preparazione superficiale mediante una serie di passaggi obbligatori quali: sgrassatura, lavaggio,decapaggio acido, lavaggio, flussaggio, essiccamento.

Durante la fase di zincatura, l’acciaio reagisce con lo zinco formando all’interfaccia acciaiozinco dei composti intermetallici detti comunemente leghe Zn-Fe, e così, dopo il raffreddamento, il rivestimento è legato metallurgicamente al substrato di acciaio e la sua microstruttura risulta formata da leghe intermetalliche interne e uno strato esterno di zinco puro (Fig. 2).

In teoria tutti gli acciai sono zincabili, tuttavia ne esistono certi tipi non idonei alla zincatura, poiché danno rivestimenti troppo spessi e fragili; è pertanto utile conoscere come si comporterà l’acciaio prima di sottoporlo a zincatura. Lo spessore del rivestimento di zinco dipende dal tempo di permanenza delle barre nel bagno, dalla temperatura dello zinco e Figura 2 composizione chimica Microstruttura tipica di un rivestimento di zinco ottenuto dalla su una barra d’armatura, t=445°c, t=3 min; (sezione dell’acciaio, in particolare dal trasversale). contenuto di silicio, nonché dal drenaggio dello zinco fuso dalle barre durante la fase di estrazione dal bagno. La Fig. 3 indica, in modo generale, come lo spessore del rivestimento di zinco dipende dal contenuto di silicio nell’acciaio; per valori 0.03%<Si<0.14% e Si>0.25%, la reattività tra acciaio e zinco è alta e lo spessore dello strato di leghe è considerevolmente elevato. Inoltre, i rivestimenti con un elevato spessore di composti intermetallici Zn-Fe risultano fragili e sono responsabili del distacco del rivestimento in fase di piegatura delle barre. Poiché l’acciaio per la produzione delle barre di armatura proviene dai rottami, è praticamente impossibile trovare sul mercato barre di acciaio con un contenuto di silicio inferiore a 0.03%, quindi la miglior scelta, rispetto all’analisi chimica, è quella di usare per la zincatura barre con una percentuale di silicio nell’intervallo 0.16-0.20.

Attualmente la maggior parte delle barre di acciaio per le armature sono prodotte con il metodo Tempcore® che consiste in una laminazione a caldo di acciaio basso legato con raffreddamanto controllato in acqua, e quindi in aria, in uscita dal laminatoio, per creare una struttura ferriticoperlitica al cuore e una struttura martensitica esterna (Fig. 4). Quest’ultima, oltre a conferire maggiore resistenza meccanica alle barre di acciaio, risulta meno reattiva nei confronti dello zinco fuso con conseguente minore sviluppo di composti intermetallici.

Le modalità di zincatura e soprattutto la fase di estrazione delle barre dal bagno di zinco fuso possono influire sulla quantità di zinco che rimane aderito sulle barre. In particolare sulle barre ad aderenza migliorata lo zinco tende a rimanere Figura 3 accumulato alla base delle nervature. Ciò, oltre a Grammatura del rivestimento di zinco in costituire uno spreco di zinco e una grande funzione della percentuale di Si probabilità di distacco del rivestimento in fase di nell’acciaio. piegatura, varia anche la configuarazione geometrica esterna delle barre con possibile influenza sull’aderenza meccanica delle stesse al calcestruzzo.

Nelle Fig. 5 e 6 sono evidenziate rispettivamente la morfologia esterna di una barra zincata dove lo scarso drenaggio dello zinco fuso ha riempito pesantemente le gole delle nervature della parte bassa della barra e la microstruttura del rivestimento di zinco in corrispondenza della base di una nervatura. L’esperienza dimostra che le barre ad aderenza migliorata di diametro più piccolo tendono ad accumulare più Figura 4 Sezione di una barra di acciaio Tempcore (20) zinco puro a ridosso delle nervature e dopo attacco metallografico; in evidenza la questo per due ragioni: primo, le barre di struttura martensitica (esterna) e ferritico- minor diametro si raffreddano più velocemente, secondo esse hanno le perlitica (interna). nervature più ravvicinate.

2.2.1. Immersione delle barre in fasci Questa modalità di operare è la più economica, perché permette di zincare un notevole quantitativo di barre nell’unità di tempo e inoltre richiede relativamente poca manualità; il tempo di permanenza delle barre nel bagno però non è controllato in quanto dipende più che altro dalla quantità del materiale messo di volta in volta a zincare. Questo fatto, oltre a produrre un rivestimento di zinco troppo spesso, che avrà sicuramente problemi di scagliamento in fase di piegatura delle barre, produce anche un rivestimento di zinco con delle pericolose sbavature e delle volte le barre risultano tra loro incollate. Queste ultime difettosità non sono compatibili con la maggior parte delle normative esistenti e quindi il materiale può essere rifiutato dal committente.

Figura 5 Aspetto morfologico di una barra di acciaio  16 zincata a caldo con scarso drenaggio dello zinco fuso (sotto); ingrandimento della parte della superficie ove è presente l’eccessivo accumulo di zinco (sopra).

Figura 6 Microstruttura del rivestimento di zinco in corrispondenza della base di una nervatura su una barra con diametro di  12 mm; (sezione trsversale).

2.2.2. Immersione delle barre mediante telaio In questo caso le barre di acciaio vengono fissate manualmente a dei telai, inclinate di un certo angolo rispetto all’orizzontale per favorire il drenaggio e nelle fasi di pretrattamento e durante l’estrazione dal bagno di zinco fuso. La zincatura ha luogo come per un normale processo di zincatura di carpenteria. Il rivestimento di zinco che si ottiene è abbastanza elevato e poco controllato dal punto di vista dello spessore poiché le barre non hanno tutte lo stesso tempo di immersione nello zinco fuso e se l’estrazione dal bagno non avviene lentamente rimangono dei sovraspessori di zinco soprattutto alla base delle nervature. Questo processo richiede inoltre una certa dose di manualità per la sistemazione delle barre sul telaio e per la loro rimozione finale.

2.2.3. Immersione delle gabbie d’armatura preformate Questa modalità di operare produce un rivestimento sicuramente sicuramente continuo poiché le armature zincate non vengono più deformate prima di essere poste in opera. Il costo della zincatura è tuttavia elevato perché le gabbie occupando molto spazio impediscono un’elevata produttività oraria; inoltre occorre aggiungere l’elevato costo del trasporto.

2.2.4. Immersione delle barre in modo automatico in impianto semicontinuo Con questo sistema le barre, dopo essere state pretrattate in fascio dino alla fase di flussaggio, vengono separate automaticamente durante la fase di essiccamento e quindi immerse forzatamente e ad una certa velocità nel bagno di zincatura. Il sistema permette di controllare i parametri del processo di zincatura riducendo i tempi di immersione delle barre nel bagno di zinco fuso e quindi di ottenere un rivestimento con grammatura sufficiente e con caratteristiche di deformabilità tali da ridurre fortemente l’indesiderato fenomeno della criccatura e scagliatura del rivestimento durante la piegatura delle barre [11].

Il costo della zincatura in questo caso è più economico rispetto a quello della zincatura delle gabbie preformate, anche se superiore a quello della zincatura delle barre in fasci.

2.3. Qualità del rivestimento Il rivestimento di zinco ottenuto per zincatura a caldo è formato da uno strato interno di leghe Zn-Fe con percentuale di ferro via via decrescente verso l’esterno e da uno strato di zinco puro meno spesso in superficie (Fig. 2). In totale il rivestimento deve avere uno spessore di almeno 80-85 m, corrispondente a una grammatura di 560-600 g/m2. E’ auspicabile che il rivestimento sia omogeneamente distribuito sulla superficie delle barre,

anche se inevitabilmente alla base delle nervature si ha quasi sempre un incremento di spessore più o meno accentuato; ma soprattutto è importante che sia presente uno strato di zinco puro esterno (fase ) di almeno 10 m di spessore, poiché detta fase ha la proprietà di passivarsi bene all’interno del calcestruzzo [12]. Un rivestimento è da considerarsi tanto migliore quanto più basso è lo spessore dello strato dei composti intermetallici e quanto più alto è lo spessore dello strato di zinco puro esterno. Ai fini della resistenza alla corrosione il rivestimento è tanto migliore quanto più elevato è il suo spessore, ma, come sottolineato in precedenza, un elevato spessore è sinonimo di fragilità e di facile distacco dal substrato di acciaio, pertanto non si dovrebbero superare i 150 m totali di spessore.

2.3.1. Passivazione delle barre zincate La possibilità di un trattamento di passivazione delle barre mediante cromati è previsto dalle normative esistenti, come ad esempio la ASTM A767/A 767/M-90. Tale trattamento, opzionale, viene suggerito sia per incrementare la resistenza alla corrosione del rivestimento di zinco, sia per inibire lo sviluppo di idrogeno sulla superficie dell’armatura durante la fase di presa del calcestruzzo, responsabile, secondo alcuni ricercatori, di una diminuzione di aderenza tra armatura e calcestruzzo stesso.

Su questo argomento è aperto il dibattito scientifico, sia per il fatto che è nota l’elevata tossicità dei cromati e la Comunità Europea li sta mettendo al bando, sia per il fatto che la diminuzione di aderenza tra barre zincate e calcestruzzo, dovuta allo sviluppo di idrogeno, è un falso problema dal punto di vista pratico. Infatti, la minore aderenza tra barra zincata e calcestruzzo per il motivo suddetto riguarda la fase di indurimento del calcestruzzo (i primi giorni dal getto [13]), successivamente, come verrà spiegato in seguito, l’aderenza diventa maggiore rispetto a barre di acciaio nero nelle stesse condizioni; in più questa aderenza di tipo chimico-fisico è secondaria rispetto a quella di tipo meccanico generata dalla presenza di nervature sulle barre.

L’utilità di una passivazione superficiale del rivestimento di zinco, comunque, oltre ad incrementare la resistenza alla corrosione dello zinco all’interno del calcestruzzo, ha importanza per la pratica di cantiere che è tale da non permettere l’utilizzo immediato delle armature zincate. Lo stoccaggio delle barre in fasci, magari all’aperto, potrebbe stimolare la formazione della “ruggine bianca” in assenza di passivazione; ciò anche se non provoca una perdita di caratteristiche funzionali del rivestimento, tuttavia può essere causa di scetticismo nei confronti del materiale zincato.

2.4. Aderenza del rivestimento di zinco al calcestruzzo Una buona aderenza tra l’armatura ed il calcestruzzo è essenziale nelle strutture di calcestruzzo armato. Nel caso di barre zincate la valutazione dei dati riportati, già da tempo, in bibliografia [14,15] porta a concludere che: - per le barre lisce le tensioni di aderenza nel caso di acciaio zincato sono fino al 50% più elevate rispetto alle stesse barre non zincate; - per le barre ad aderenza migliorata le tensioni delle barre zincate non differiscono dalle analoghe non zincate.

Il comportamento sopra riportato d’altra parte non deve sorprendere, infatti, nel caso di barre non nervate l’aderenza è dovuta soprattutto ad un’interazione chimico-fisica tra materiale metallico e pasta cementizia, mentre nel caso di barre nervate l’aderenza è soprattutto dovuta all’interazione meccanica generata dalla geometria delle barre.

Una conferma empirica della diversa interazione chimico-fisica tra barre di acciaio e barre di acciaio zincate con il calcestruzzo la si può avere dall’esame autoptico della superficie dei due tipi di barre rimosse dal Figura 7 calcestruzzo dopo la rottura di Aspetto superficiale delle barre di acciaio (a) e di acciaio quest’ultimo. La superficie delle zincato (b) dopo la rimozione dal calcestruzzo a 15 giorni barre di acciaio risulta per la dal getto; in (c) particolare al macroscopio della maggior parte priva di residui di superficie di una barra della zincata di cui alla foto (b). pasta di cemento aderita (Fig. 7a), al contrario della superficie delle

Figura 8 Figura 9 Forza di trazione applicata nei test di pull-out Cristalli di idrossizincato di calcio formati in funzione dello scorrimento relativo tra barra all’interfaccia barra zincata/calcestruzzo. e calcestruzzo rilevato su barre lisce di acciaio zincato, zincato cromatato e acciaio non ricoperto, dopo 60 giorni di stagionatura all’aria del calcestruzzo. barre zincate che rimane, invece, completamente ricoperta di uno strato di pasta di cemento ben aderente (Fig. 7b). La foto di Fig. 7c evidenzia bene la morfologia della pasta di cemento rimasta aderente alla barra zincata.

Recentemente, spiegazioni scientifiche che confermano quanto sopra esposto sono state ottenute da un programma di sperimentazione condotto presso l’Univeristà di Ancona che comprendeva prove di durabilità su campioni in calcestruzzo armato immersi in acqua di mare e test di aderenza tra calcestruzzo e barre zincate. Queste ultime sono state realizzate secondo la norma RILEM/CEB/FIP RC 6. Dai risultati ottenuti è stato possibile spiegare che le cause responsabili della maggiore aderenza tra barre zincate e calcestruzzo sono dovute ai

prodotti di reazione dello zinco con gli alcali del cemento che diffondendo e solidificando nelle porosità della pasta cementizia circostante la densificano ed la ancorano meglio all’armatura zincata [16,17]. Nelle Fig. 8 e 9 sono riportate rispettivamente le tensioni di aderenza ottenute mediante prove di pull-out su barre non nervate zincate, zincate cromatate e di acciaio nero e la microstruttura dei prodotti di reazione dello zinco che agiscono da ponte tra barra zincata e pasta cementizia.

2.5. Discontinuità del rivestimento di zinco Le lavorazioni che subiscono delle barre zincate durante la preparazione delle gabbie di armatura, come il taglio, la piegatura e la saldatura, possono creare delle discontinuità nel rivestimento e quindi scoprire l’acciaio sottostante. Le discontinuità derivanti dalla piegatura dipendono soprattutto da un eccessivo spessore del rivestimento di zinco e dalla sua microstruttura che a loro volta dipendono dal tipo di acciaio (soprattutto dal suo contenuto di Si) e dal tempo di permanenza delle barre nel bagno di zincatura. Pertanto il fenomeno del distacco locale derivato da piegatura potrebbe essere evitato utilizzando barre zincate che abbiano l’opportuno rivestimento di zinco. La Figura 20 mostra due barre del diametro di 16 mm, piegate con lo stesso mandrino da 50 mm, una zincata in modo tradizionale (immersione in un bagno di zinco per 5 min; Fig. 10a) e l’altra con un processo industriale (Fig. 10b), che consente un miglior controllo dello spessore del rivestimento di zinco. Il mandrino da 50 mm, di diametro inferiore al minimo richiesto dalla normativa (M.LL.PP., 1996), è stato utilizzato per verificare il comportamento della barra nelle condizioni molto sfavorevoli che potrebbero verificarsi in cantiere. La figura mostra chiaramente che la barra con spessore di zinco controllato, al contrario della barra zincata in modo tradizionale, non evidenzia alcun danneggiamento superficiale. (a)

(b)

Figura 10. Particolare di una barra zincata con tecnologia di zincatura non controllata (a) e controllata (b), piegata con un mandrino di 50 mm.

Relativamente alle discontinuità del rivestimento di zinco occorre sottolineare che le normative prevedono la loro possibile esistenza e consigliano il ripristino del rivestimento mancante mediante ritocchi con vernice contenente di polvere di zinco metallico. Premesso che è sempre meglio non avere discontinuità nel rivestimento di zinco per non creare coppie galvaniche locali, tuttavia, per quanto riguarda il pericolo di corrosione delle parti di acciaio scoperte, all’interno del calcestruzzo, occorre sottolineare che se dette discontinuità sono di dimensioni ridotte (1-3 cm) rispetto all’intera area zincata lo zinco che le circonda riesce a proteggerle catodicamente ritardando comunque l’innesco della corrosione [7,18,19].

2.6. Resistenza alla corrosione delle barre di acciaio zincato La resistenza alla corrosione delle armature zincate inglobate nel calcestruzzo è dovuta soprattutto alla formazione dei prodotti passivanti che hanno origine dalla reazione dello zinco con la calce liberata dall’idratazione del cemento. Poiché questa passivazione sia particolarmente efficace occorre che lo strato di zincatura abbia almeno 10 m di zinco puro esterno. Chi può ostacolare la formazione di un buon strato di passivazione, fin dall’inizio del

getto, sono i cloruri in dosi massicce contenuti nel calcestruzzo o l’utilizzo di un cemento particolarmente ricco di alcali solubili tanto da dare un pH della pasta cementizia maggiore di 13.3. Entrambe le cose sono evitabili poiché l’introduzione dei cloruri già in fase di preparazione del calcestruzzo è possibile solo usando un’acqua di impasto salmastra o degli acceleranti di presa a base di cloruro di calcio o degli inerti prelevati dal mare non lavati, mentre l’uso di un cemento ad elevatissimo contenuto di alcali è evitabile, vista la vasta gamma di cementi disponibili sul mercato, usando soprattutto cementi di miscela.

La preoccupazione, quindi, della resistenza alla corrosione delle armature zincate, così come quelle di acciaio nero, può solo derivare dalle specie aggressive che possono penetrare all’interno delle strutture in calcestruzzo durante la loro vita in servizio.

Riguardo al fenomeno della carbonatazione si può affermare con certezza che, al contrario delle armature di acciaio, le armature zincate non risentono affatto dell’abbassamento del pH della pasta cementizia perché lo zinco rimane allo stato passivo anche a valori di pH raggiunti dal calcestruzzo carbonatato (pH<9). Su questo argomento non esistono contraddizioni poiché tutti i risultati sperimentali e di campo evidenziano il buon comportamento delle armature zincate in calcestruzzo carbonatato.

Con riferimento alla contaminazione da cloruri, di solito viene quantificato il limite massimo di contenuto di cloruro tollerato da un acciaio zincato intorno a 1.2-1.5% contro uno 0.4% dell’acciaio nero, rispetto al peso del cemento [19,20]. Comunque, relativamente alla corrosione dovuta alla contaminazione del calcestruzzo da cloruri i risultati di indagini condotte per oltre 40 anni, sia con test accelerati che mediante prove di campo per esposizioni di lunga durata o su strutture reali, non sono stati sempre convergenti. Infatti, in molte situazioni si sono trovati sostanziali incrementi di longevità delle barre zincate nei confronti di quelle nere, in altre situazioni, invece, non si sono riscontrati benefici nell’uso di armature zincate.

Tabella 1 Risultati di indagini svolte su strutture in calcestruzzo reali armate con acciaio zincato esposte ai cloruri nelle isole Bermuda negli anni ‘70 Struttura Età Ioni ClSpessore medio Rivestimento (anni) (% rispetto al del rivestimento rimasto integro calcestruzzo) (%) corroso (m) St. George Dock 7 0.14 2 98 Bermuda Yacth Club 8 0.16 100 Hamilton Dock 8 0.08 5 95 Hamilton Dock 10 0.14 8 96 St. George Dock 10 0.22 5 99 St. George Dock 12 0.27 13 92 Longbird Bridge 23 0.19 5 98 La maggior parte di queste divergenze deriva dal modo di condurre i test di corrosione; tanto più i test sono accelerati tanto più sono lontani dalle condizioni reali, pertanto occorre prendere i risultati con cautela [21].

Particolare importanza a questo proposito rivestono i risultati di un programma di indagine svolto negli anni ‘70 da alcuni enti di ricerca statunitensi per determinare il comportamento dell’armatura zincata in solette e strutture portanti di ponti e moli esposti all’azione aggressiva dell’acqua di mare nelle isole Bermuda. Le conclusioni di tale indagine furono particolarmente positive: anche per le strutture più vecchie (oltre 23 anni al momento del controllo) lo spessore medio del rivestimento di zinco era presente per più del 90% rispetto a quello originario (Tab. 1) [22].

2.6.1. Durabilità La zincatura a caldo delle barre d’armatura costituisce, senza dubbio, un mezzo per estendere la vita in servizio delle strutture in calcestruzzo armato anche se è difficile quantificare l’esatto incremento

In accordo con quanto è stato spiegato sopra, l’estensione della vita di una struttura attribuibile all’uso di barre zincate, sarà certamente molto elevata nel caso della contaminazione del calcestruzzo da anidride carbonica o da sostanze acide tipo l’anidride solforosa o gli ossidi di azoto, mentre stime poco precise si possono fare nei riguardi della contaminazione da parte dei cloruri.

Dalle esperienze pratiche e dai dati ottenuti dalla letteratura specifica sull’argomento, si possono trarre le seguenti conclusioni: - lo stato dell’arte non permette di definire con certezza delle relazioni tra durabilità, tipo di calcestruzzo, spessore del rivestimento di zinco e aggressività dell’ambiente per la mancanza di dati disponibili e di idonei sistemi di monitoraggio sulle strutture reali; infatti le strutture reali in cui sono state utilizzate barre zincate sono relativamente poche nel mondo e tra l’altro mancano le informazioni del loro comportamento negli anni.

- le armature di acciaio zincato sono particolarmente idonee, e quindi raccomandabili, nelle strutture di calcestruzzo soggette a carbonatazione e, in questo caso, l’incremento della loro vita, rispetto all’acciaio non rivestito, può superare facilmente i 50-70 anni.

- Le armature zincate tollerano una concentrazione di cloruri più elevata rispetto l’acciaio nero (circa 3 volte). L’estensione della vita di servizio in questo caso dipende da diversi fattori che includono il tipo di cemento, il “mix design” del calcestruzzo, la presenza di fessurazione nelle nel copriferro, la qualità e lo spessore dello strato di zinco puro e l’umidità contenuta nei pori della pasta cementizia. Comunque, considerando che la percentuale di cloruri necessaria per stimolare la corrosione delle armature zincate è circa 3 volte più elevata rispetto al valore indicato per le armature di acciaio nero, l’uso di armature di acciaio zincato nelle costruzioni lungo le coste, dove la corrosione è attribuita all’azione combinata di moderati livelli di cloruro e alla carbonatazione, ritarderebbe probabilmente di almeno tre volte gli interventi di manutenzione e ripristino sulle strutture ammalorate.

- per le strutture in calcestruzzo fortemente contaminate da cloruri l’incremento della vita di servizio ottenibile con l’uso di armature zincate potrebbe essere troppo breve per giustificare l’extra costo dovuto al loro impiego.

2.6. Costo Il costo delle armature zincate dipende in larga parte dal costo dello zinco, ma anche dalla tecnologia della zincatura. Un ruolo importante riveste anche il diametro delle barre da zincare: a parità di peso di acciaio da zincare, più piccolo è il diametro delle barre, più incide il costo della zincatura, poiché la superficie da rivestire è maggiore.

In Italia l’extra-costo dovuto alla zincatura delle barre di armatura, al momento (2003) può essere valutato mediamente intorno a 200 €/ton.

E’ d’altra parte evidente che l’incremento di costo dovuto alla zincatura delle armature non deve essere visto come incremento del costo della sola armatura, ma come aumento del costo percentuale sull’intera opera finita. Allora l’incidenza della zincatura, pur dipendendo dal tipo di opera, può anche scendere a livelli sicuramente accettabili. Per esempio, nelle opere di civile abitazione o in opere mediamente armate l’incremento del costo dovuto all’uso di armature zincate può essere stimato intorno al 3-5%. Questo incremento del costo iniziale è da considerare trascurabile rispetto ai costi di ripristino e manutenzione il cui peso può arrivare fino a 10 volte l’extra-costo della prevenzione.

2.7. Normative Le normative più seguite nei capitolati di appalto per ile armature zincate sono state quelle americane, comunque, attualmente, quasi tutti i paesi hanno la propria normativa di riferimento.

Di seguito sono riportati alcuni esempi: - ASTM A 767/A 767/M-90 (U.S.A.); - AS 1650-1989 (Australia);

- UNI EN 10348 parte 2 (Europa).

Le varie normative sostanzialmente non differiscono tra di loro; le variazioni che si possono trovare riguardano soprattutto i valori di grammatura e quindi dello spessore del rivestimento di zinco e i test di prova per qualificare, dal punto di vista della qualità, il prodotto finale.

Attualmente è in fase di stesura una nuova Normativa Europea [23].

2.8. Utilizzo I dati di utilizzo del tondino zincato nel mondo, come armatura per il calcestruzzo, attualmente disponibili si riferiscono a circa 15 anni fa.

Nel Bulletin d’Information N. 211 del 1992, già citato [19], i dati riportati evidenziano un impiego abbastanza consistente di barre zincate rispetto a quelle di acciaio comune in Australia (circa 5%), negli Stati Uniti e Canada (2.1%), in Europa (1%).

Sicuramente le percentuali date sono destinate a crescere negli anni, poiché ormai è noto che la curabilità si ottiene con minori investimenti soprattutto in fase di prevenzione. Ne è testimonianza la crescita percentuale di utilizzo di barre zincate in Australia passata da 0.3% nel 1985 al 2.5% nel 1997, con un traguardo del 5% nel 1989.

In Italia sono poche le strutture in calcestruzzo realizzate con armature in acciaio zincato di cui si ha notizia: è nota la moschea di Roma e la realizzazione di un molo nel porto di Civitavecchia; recentemente è stata ristrutturata una villa patrizia in provincia di Caserta ed un piccolo viadotto autostradale nei pressi di Genova sul quale è attivo un sistema di monitoraggio della corrosione [24]; si ha poi notizia che per l’ampliamento della variante di valico Bologna-Firenze è previsto dalla Società Autostrade l’utilizzo di 100.000 ton. di armature zincate per la costruzione delle pile dei viadotti.

2.9. Campi di applicazione L’acciaio zincato, quale armatura nel calcestruzzo, può trovare applicazione quando risulti necessario conferire curabilità ed integrità a strutture: - prestigiose; - caratterizzate da particolari soluzioni tecnologiche, come ad esempio strutture sottili dove lo spessore del copriferro non può essere elevato (prefabbricati); - inserite in ambienti aggressivi di particolare entità (urbani, marini, industriali) e in tutti quegli ambienti ritenuti a rischio come i componenti esterni di facciate, gallerie stradali, travi e pile di ponti e viadotti, etc.

Come appendice all’argomento “campi di applicazione” si pensi che l’Italia è circondata dal mare per circa 7500 chilometri e che la maggior parte delle costruzioni lungo le coste, realizzate negli anni 60-80 hanno già subito interventi di manutenzione o ripristino strutturale a causa della corrosione delle armature; l’esperienza indica che gli interventi si sono resi necessari tra i 15 e i 25 anni dalla loro costruzione.

Considerando che la percentuale di cloruri necessaria a innescare la corrosione delle armature zincate è circa 3 volte quella necessaria per indurre corrosione sul comune acciaio, l’utilizzo di armature zincate in ambiente costiero, dove la corrosione è imputabile all’azione combinata dei cloruri e dell’anidride carbonica, probabilmente farebbe ritardare gli interventi di manutenzione di oltre 3 volte i valori indicati.

3.0.

ESEMPI APPLICATIVI

La Sydney Opera House costituisce una delle più significative architetture realizzate nel XX secolo e tale da rappresentare quasi un'icona non solo per la città di Sydney, in cui sorge, quanto per l'Australia stessa. Il progetto è dell'architetto danese Jørn Utzon, affiancato per i calcoli strutturali dalla società di ingegneria londinese Arup.

Inaugurata nel settembre 1973 si distingue per le sue famose “vele” che rappresentarono una vera sfida progettuale. Per alleggerirle al massimo, tra le altre cose, fu ridotto lo spessore del copriferro e, per questa ragione, decisero di proteggere i tondi d’armatura con la zincatura a caldo. Nella restante parte dell’opera, dove i copriferro non erano stati ridotti, ritennero non necessario zincare i tondini. Proprio e solo in queste parti si sono riscontrati estesi fenomeni di spalling che hanno comportato complessi e costosi interventi di manutenzione mentre sulle vele non è stato riscontrato alcun effetto di corrosione delle armature.

La Grande Moschea di Roma fu inaugurata nel 1995 ma i lavori erano iniziati nel 1984. Anche in questo caso c’è stato un largo impiego di zincatura a caldo per le armature, soprattutto dove la finitura esterna delle murature era di colore bianco.

Si voleva infatti evitare che la corrosione delle armature potesse, tra l’altro, macchiare il bianco delle finiture esterne.

Anche in questo caso, dopo svariati decenni, non c’è alcuna traccia di danni provocati dalla corrosione dei tondi d’armatura.

Ponte pedonale a Port Elisabeth (Sud Africa) Questo piccolo ponte pedonale in cemento fu realizzato nel 1964 ed abbattuto nel 2005, anche se ancora in perfette condizioni, perché non aveva più la funzione per cui era stato realizzato.

Si trovava a pochi metri dal mare in un’area mediamente industrializzata e quindi in un ambiente impegnativo sotto l’aspetto corrosivo.

Il motivo per il quale ne parliamo è che fu realizzato utilizzando tondi d’armatura zincati a caldo e, occasione più unica che rara, fu possibile verificare il comportamento della zincatura nel cemento dopo oltre 40 anni di esercizio.

Le foto che seguono mostrano lo stato dei tondini zincati dopo la demolizione.

Si può facilmente constatare che le loro condizioni erano praticamente ancora perfette quasi come se il getto fosse stato effettuato solo pochi giorni prima e non che fossero trascorsi 41 anni.

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