Ruolo del fosforo come elemento di microlega e suo effetto sulle caratteristiche di corrosione delle armature in acciaio nell'ambiente del calcestruzzo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12449 (2022) Citare questo articolo

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Questa comunicazione riporta l'effetto del fosforo (P) aggiunto in un intervallo di microconcentrazioni nell'acciaio sulla cinetica, il meccanismo e la crescita del film passivo a contatto del calcestruzzo contaminato da cloruro. Per arrivare ai risultati sono state utilizzate la spettroscopia di impedenza elettrochimica, la polarizzazione della corrente continua, la perdita di massa e le tecniche spettroscopiche Raman. I risultati hanno mostrato che un’aggiunta intenzionale di P nell’acciaio (0,064%) lo rende più soggetto a corrosione uniforme e localizzata (circa 1,1 e 1,7 volte) rispetto all’acciaio a basso contenuto di fosforo (< 0,016%, presente come elemento indesiderato) esposto in condizioni umide. /condizioni asciutte in una soluzione di pori simulati addizionata di cloruro e in assenza di questo ione. Un effetto simile si nota anche per le armature annegate nelle malte. L'identificazione dei prodotti della corrosione formati sulla superficie delle armature in acciaio mediante spettroscopia Raman rivela fasi di maghemite e goethite termodinamicamente stabili sulla superficie dell'acciaio a basso contenuto di P. La fase instabile della lepidocrocite è registrata sulla superficie delle armature in acciaio al fosforo superiore. I risultati vengono discussi con prove sperimentali e prendendo indizi dalla letteratura pubblicata per arrivare a un meccanismo plausibile per questo comportamento.

Molti elementi metallici e non metallici, ovvero carbonio, zolfo, manganese, rame, vanadio, niobio, fosforo ecc., vengono aggiunti negli acciai in intervalli di microconcentrazione per ottenere un miglioramento delle loro proprietà. L'indagine della letteratura rivela che i ricercatori in passato avevano scoperto che gli elementi aggiunti miglioravano1,2 o peggioravano3,4,5 le proprietà degli acciai. In letteratura sono disponibili informazioni molto limitate sul loro ruolo nel modificare le caratteristiche di corrosione, soprattutto in ambienti concreti, degli acciai microlegati risultanti6,7,8. Lo è ancora di più per il fosforo aggiunto negli acciai. Questo elemento si segrega nei bordi dei grani degli acciai provocando fragilità e influenzando negativamente la tenacità alla frattura3,4,5. In considerazione di ciò, il contenuto di P negli acciai è mantenuto al livello minimo da alcuni standard internazionali9. Le armature incorporate nel calcestruzzo subiscono carichi statici e dinamici durante la loro vita utile. Alcuni standard internazionali per gli acciai utilizzati per la laminazione delle armature limitano quindi il contenuto massimo di P nella chimica di tali acciai. Quando sono richieste saldabilità e duttilità migliorata, vengono specificate barre d'armatura conformi allo standard ASTM A7069. ASTM A706 limita il contenuto di fosforo allo 0,035%. D'altra parte, negli Stati Uniti e in molti altri paesi, la norma ASTM A61510 è ampiamente utilizzata e tratta le armature per il rinforzo del calcestruzzo senza limitazioni sul contenuto di fosforo. La presente ricerca si concentra su questo tipo di armature che ha un utilizzo molto più ampio nel settore delle costruzioni in calcestruzzo.

È noto che il maggiore contenuto di P nell'acciaio migliora la resistenza alla corrosione atmosferica delle strutture realizzate con tali acciai1,2. Alcuni produttori di armature in alcuni paesi che si aspettano lo stesso effetto aggiungono ulteriore fosforo negli acciai utilizzati per la laminazione delle armature. Anche le armature laminate da rottami di acciaio contengono un contenuto maggiore di fosforo. La defosforizzazione dei rottami di acciaio è un processo costoso ed è difficile raggiungere il limite accettabile di questo elemento. Alla luce di quanto sopra, è importante conoscere l’effetto del contenuto di P nelle armature sulla loro resistenza alla corrosione esposta in ambienti di calcestruzzo contaminati da cloruri. La ricerca in letteratura rivela che l’aggiunta aggiuntiva di P negli acciai generalmente ha un effetto deteriorante sulla loro resistenza alla corrosione esposta in ambienti con elevato contenuto di umidità e acqua. Kim et al.11 hanno riportato un effetto negativo della lega di P nell'acciaio dolce sulla sua resistenza alla corrosione in un sistema di desolforazione del gas e lo hanno attribuito all'aumento della reazione di sviluppo dell'idrogeno. Un effetto simile è stato riportato anche da Uhlig12 e Cleary e Greene13. Windisch et al.14 hanno riscontrato un effetto negativo di questo elemento aggiunto nell'acciaio e testato in una soluzione di nitrato di calcio. Gli autori lo attribuiscono all'effetto destabilizzante del fosfato (generato dalla ionizzazione del P dell'acciaio corrosivo) sulla pellicola semiprotettiva Fe3O4. Krautschick et al.15 hanno riportato l'effetto accelerante di P e lo hanno attribuito alla formazione di una specie Pδ- carica negativamente che ha accelerato l'attacco. P ha mostrato un effetto di aumento sulla tensocorrosione degli acciai in diversi mezzi di prova16,17,18,19,20,21,22.