Protezione catodica ICCP per gli edifici

Le strutture in cemento armato, grazie alla loro elevata resistenza, durevolezza ed economicità, sono diventate la forma costruttiva più utilizzata a livello globale. Sono ampiamente utilizzate in ponti, gallerie, grattacieli, porti e banchine. Tuttavia, la corrosione dell'acciaio è un pericolo nascosto fondamentale che minaccia la durata di vita a lungo termine delle strutture in calcestruzzo. Protezione catodica a corrente impressa (ICCP), con i suoi vantaggi di ampia gamma di protezione e applicabilità ad ambienti altamente corrosivi, è diventata la soluzione preferita per la protezione dalla corrosione a lungo termine di strutture in calcestruzzo grandi e complesse.

Gli anodi dei sistemi ICCP degli edifici devono soddisfare requisiti fondamentali quali eccellente conduttività, elevata resistenza alla corrosione, corrente di uscita uniforme, buona compatibilità con il calcestruzzo e facilità di installazione. In base alle differenze di materiale, forma strutturale e installazione, gli anodi tradizionali possono attualmente essere suddivisi nelle seguenti quattro categorie:

(I) Anodi di titanio in ossido di metallo misto (anodi MMO)

Anodi di titanio in ossido di metallo misto Sono attualmente il tipo di anodo più utilizzato nella costruzione di sistemi ICCP. La loro struttura centrale è costituita da un substrato di titanio e da uno strato attivo di ossidi metallici misti rivestito in superficie. Il substrato di titanio è caratterizzato da elevata resistenza, leggerezza e forte resistenza alla corrosione. Lo strato attivo è tipicamente composto da un rapporto specifico di ossido di iridio (IrO₂), ossido di tantalio (Ta₂O₅) e ossido di niobio (Nb₂O₅). Questi materiali presentano sovrapotenziali di evoluzione dell'ossigeno estremamente bassi ed eccellente stabilità elettrochimica.

In base alla loro morfologia, gli anodi MMO possono essere ulteriormente suddivisi in:
* Anodi lineari: Tipicamente di diametro compreso tra 3 e 8 mm, con lunghezze personalizzabili in base alle esigenze ingegneristiche (1-6 m/pezzo). Sono rivestiti uniformemente con uno strato attivo e racchiusi in una guaina in rete intrecciata resistente agli alcali, che ne facilita il posizionamento all'interno o sulla superficie del calcestruzzo. Offrono una buona uniformità di distribuzione della corrente e sono adatti per la protezione strutturale di ampie superfici (ad esempio, impalcati di ponti, rivestimenti di gallerie).

* Anodi a rete: Realizzati in filo di titanio intrecciato a maglia (apertura 50-100 mm), rivestiti con uno strato attivo. Sono sottili (1-2 mm) e possono essere posati direttamente su superfici in calcestruzzo o tra strati di acciaio di rinforzo, adatti per strutture complesse (ad esempio, componenti di forma irregolare, giunti trave-colonna) e per la protezione localizzata di armature.

* Anodi tubolari: Tubi in titanio con diametro esterno di 10-20 mm. La parete interna o esterna è rivestita con uno strato attivo e l'interno può essere riempito con materiale conduttivo. Adatti per strutture in calcestruzzo interrate (ad esempio, diaframmi, fondazioni su pali) o strutture subacquee (ad esempio, cassoni portuali).

I principali vantaggi degli anodi MMO risiedono nella lunga durata (20-30 anni in normali condizioni operative), nell'elevata efficienza di corrente (≥95%), nell'assenza di rilascio di sostanze nocive e nell'eccellente compatibilità con il calcestruzzo. Non innescano reazioni alcali-aggregati né accelerano la carbonatazione del calcestruzzo, il che li rende la tipologia di anodo preferita per la protezione dalla corrosione di strutture edilizie ad alto requisito.

(II) Anodi flessibili

Gli anodi flessibili sono un nuovo tipo di anodo composito, composto principalmente da un nucleo polimerico conduttivo, fili metallici conduttivi (filo di rame o titanio), un rivestimento attivo e una guaina esterna. Le caratteristiche del nucleo sono l'elevata flessibilità, che consente piegature e tagli arbitrari per adattarsi perfettamente a superfici di calcestruzzo complesse. Sono inoltre leggeri (circa 0.5-1.0 kg/m), facili da installare e particolarmente adatti per progetti di rinforzo e ristrutturazione di edifici esistenti.

In base al materiale del nucleo, gli anodi flessibili possono essere suddivisi in anodi flessibili polimerici e anodi flessibili in fibra di carbonio: i primi utilizzano plastica conduttiva come materiale del nucleo, hanno un costo inferiore e sono adatti ad ambienti corrosivi generali; i secondi utilizzano fasci di fibre di carbonio come materiale del nucleo, hanno una conduttività più elevata (resistività ≤0.01Ω・m) e un'elevata resistenza alla trazione (≥3000MPa) e sono adatti per requisiti di corrente elevata o scenari con sollecitazioni di trazione (come la protezione della guaina dei cavi dei ponti strallati).

Gli anodi flessibili sono resistenti all'usura e agli urti e presentano una forte adattabilità in cantieri umidi e polverosi. Sono attualmente ampiamente utilizzati in progetti anticorrosione per strutture come gallerie, stazioni della metropolitana e impianti industriali.

(III) Anodi di grafite

Gli anodi in grafite sono un tipo tradizionale di anodo ICCP. Sono realizzati a partire da grafite ad alta purezza (contenuto di carbonio fisso ≥99%) come materiale di base, mediante pressatura e calcinazione, e sono comunemente disponibili in forma di barre, blocchi o piastre. I loro vantaggi includono il basso costo, la buona conduttività (resistività ≤10Ω・m) e l'elevata resistenza, che li rendono adatti per strutture in calcestruzzo interrate (come fondazioni su pali e solette di fondazione) o in scenari con bassi requisiti di corrente.

Tuttavia, gli anodi in grafite presentano notevoli svantaggi: in primo luogo, hanno una scarsa resistenza alla corrosione, subendo facilmente ossidazione e scheggiatura in ambienti altamente ossidanti, con conseguente breve durata (tipicamente 5-10 anni); in secondo luogo, la distribuzione della corrente non è uniforme, portando facilmente a concentrazioni di corrente localizzate; e in terzo luogo, rilasciano prodotti come anidride carbonica e solfati, che possono causare una diminuzione del pH locale del calcestruzzo, compromettendo la durabilità strutturale. Pertanto, gli anodi in grafite sono attualmente utilizzati solo in progetti di costruzione ordinari con requisiti inferiori di resistenza alla corrosione e sensibilità ai costi.

(IV) Anodi in ghisa ad alto contenuto di silicio

Anodi in ghisa ad alto contenuto di silicio (noti anche come anodi in ghisa ad alto contenuto di silicio) sono anodi in lega. I loro componenti principali includono ferro (Fe≥85%), silicio (Si 10%-14%) e piccole quantità di cromo e molibdeno, prodotti tramite fusione e ricottura. I loro vantaggi includono elevata resistenza (resistenza alla trazione ≥350 MPa), resistenza alle alte temperature (possono essere utilizzati in condizioni inferiori a 200 °C) e costi contenuti, che li rendono adatti per strutture in calcestruzzo interrate o scenari soggetti a impatto meccanico (come strade, ponti e gallerie minerarie).

Gli svantaggi degli anodi in ferrosilicio sono la scarsa conduttività (resistività di circa 50-100 Ω·m), che richiede un aumento della superficie (ad esempio trasformandoli in forme tubolari o a rete) per migliorare la capacità di uscita della corrente; inoltre, si corrodono facilmente in ambienti acidi, quindi non sono adatti per strutture che entrano in contatto con pioggia acida in aree o acque reflue industriali acide.

Principio di funzionamento

Il principio fondamentale del sistema ICCP è quello di applicare una corrente catodica all'acciaio di rinforzo protetto tramite un alimentatore esterno a corrente continua. Ciò provoca una polarizzazione catodica sulla superficie dell'acciaio, inibendo così la reazione di corrosione elettrochimica.

La corrosione dell'acciaio di armatura nel calcestruzzo è essenzialmente una reazione elettrochimica spontanea di cella galvanica: nella regione anodica, si verifica l'ossidazione del ferro (Fe – 2e⁻ → Fe²⁺). Fe²⁺ si combina con OH⁻ nel fluido dei pori del calcestruzzo per formare idrossido ferroso (Fe(OH)₂), che viene ulteriormente ossidato a idrossido ferrico (Fe(OH)₃), formando infine ruggine (Fe₂O₃・nH₂O); nella regione catodica, si verifica la riduzione dell'ossigeno (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻), fornendo elettroni per la reazione anodica e accelerando la corrosione.

All'avvio del sistema ICCP, il terminale positivo dell'alimentatore CC esterno è collegato all'anodo e il terminale negativo è collegato all'acciaio di rinforzo (il materiale protetto), formando un circuito chiuso. A questo punto, l'anodo, che funge da anodo della cella elettrolitica, subisce una reazione di ossidazione (principalmente la reazione di sviluppo dell'ossigeno: 2H₂O – 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺), fornendo elettroni al circuito. La barra di acciaio, che funge da catodo della cella elettrolitica, riceve corrente esterna e il suo potenziale di polarizzazione superficiale si sposta in direzione negativa. Quando il potenziale scende al di sotto di -0.85 V (rispetto all'elettrodo a calomelano saturo, SCE), la reazione di ossidazione del ferro nella regione dell'anodo viene soppressa, mentre la reazione di sviluppo dell'idrogeno nella regione del catodo (2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻) sostituisce la reazione di assorbimento dell'ossigeno, formando una pellicola di passivazione stabile sulla superficie della barra d'acciaio, ottenendo così protezione dalla corrosione.

In quanto componente funzionale fondamentale del sistema di protezione catodica a corrente impressa (ICCP), le prestazioni dell'anodo determinano direttamente l'effetto protettivo contro la corrosione e il costo del ciclo di vita delle strutture in cemento armato. Gli anodi a base di titanio a base di ossidi metallici misti (MMO) sono diventati la scelta preferita per la maggior parte delle strutture edilizie grazie ai loro vantaggi di lunga durata, elevata stabilità e buona compatibilità; gli anodi flessibili sono adatti per strutture di forma complessa e per la ristrutturazione di edifici esistenti; gli anodi in grafite e gli anodi in ferrosilicio sono ancora utilizzati in scenari con costi contenuti e requisiti minimi.