Protezione delle strutture in acciaio danneggiate dalla ... dalla corrosione... · acciaio...
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Protezione delle strutture in
acciaio danneggiate dalla
corrosione
Strutture esposte all’atmosfera
Corrosione generalizzata
L’aggressività dell’atmosfera
Meccanismo della corrosione
atmosferica
I
O2
O2+4e-+2H2O=4OH-
Strato di elettrolita
(film sottile di acqua condensata)
Fe=Fe+2+2e- e-
Ioni
metallo
Prodotti di corrosione
Alta velocità di corrosione
della corrosione
Conduzione nel
metallo
Conduzione
nell’elettrolita
Processo
anodico M→M+z+ze-
Processo
catodico O2+4e-+H2O→4OH-
I
Tutti i processi possono avvenire velocemente
Bassa velocità di corrosione
della corrosione
Conduzione nel
metallo
Conduzione
nell’elettrolita
Processo
anodico M→M+z+ze-
Processo
catodico O2+4e-+H2O→4OH-
I
Almeno un processo non può avvenire o può
avvenire con difficoltà
Materiali
passivi (materiali
resistenti alla corrosione)
Bassa velocità di corrosione
della corrosione
Conduzione nel
metallo
Conduzione
nell’elettrolita
Processo
anodico M→M+z+ze-
Processo
catodico O2+4e-+H2O→4OH-
I
Almeno un processo non può avvenire o può
avvenire con difficoltà
Atmosfera secca,
soluzioni
ghiacciate (deserto,
ambiente artico)
TdB - classificazione dell’ambiente in base
alla norma ISO 9223
Classi di
bagnamento Ore/anno Esempi di climi
T1 < 10 Microclimi interni a controllo climatico
T2 10 – 250 Microclimi interni non a controllo climatico
T3 250 – 2600 Atmosfere aperte in clima: asciutto, freddo,
temperato
T4 2600 – 5200 Atmosfere aperte in tutti i climi
T5 > 5200 Climi umidi, non ventilati
Clima e tempo di bagnato
CLIMA
VALORE MEDIO DEI VALORI
ESTREMI ANNUI
°C
TdB
CALCOLATO
ore/anno con
HR > 80%
T > 0°C
CATEGORIE
DI
TdB
BASSA T ALTA T MAX T
HR>95%
Molto freddo -65 +32 +20 0 - 100 t1 - t2
Freddo -50 +32 +20 150 - 2500 t2 - t3
Freddo temperato
Caldo temperato
-33
-20
+34
+35
+23
+25 2500 - 4200 t4
Caldo secco
Temperato secco
Molto caldo secco
-20
-5
+3
+40
+40
+55
+27
+27
+28
10 - 1600 t2 - t3
Caldo umido
Caldo umido e omogeneo
+5
+13
+40
+35
+31
+33 4200 - 6000 t4 -t5
Effetto della SO2 sulla velocità di
corrosione dell’acciaio e dello zinco
Velocità di corrosione del ferro e dello zinco al variare del
tenore di SO2 e dell'umidità relativa
Distribuzione
della SO2
http://www.lamiaaria.it
Effetto della
deposizione dei
cloruri sulla
velocità di
corrosione in
atmosfera marina
10 100 1000
2
10
100
Corrosione (micron / mese)
°
° °°
°
° °
°
°
°
°°
°
°
Salinità ( mg / mq giorno)
Deposizione di cloruri in
atmosfere marine Dati ottenuti in 29 punti tipici della
costa europea nell'ambito di un
progetto della Commissione della
Comunità Europea (EUR).
Valutazione aggressività in
accordo a normativa ISO
Tab. 9 Classificazione di inquinamento da zolfo rappresentato da SO2
Deposizione di SO2
mg / (m2 * giorno)
Concentrazione di SO2
g / m3
CATEGORIE
Pd < 10 Pc < 12 P0
10 < Pd < 35 12 < Pc < 40 P1
35 < Pd < 80 40 < Pc < 90 P2
80 < Pd < 200 90 < Pc < 250 P3
Pd 0,8 Pc
Tab.10 Classificazione di inquinamento da spray salino nell'aria rappresentato da cloruri.
Deposizione di cloruri
mg / (m2 * giorno)
CATEGORIE
S < 3 S0
3 < S < 60 S1
60 < S < 300 S2
300 < S < 1500 S3
Mappe
Categorie
Velocitá di corrosione
Acciaio
(m/anno)
Zinco
(m/anno)
Rame
(m/anno)
Alluminio
g/(m2anno)
C1 Molto
bassa <1,3 <0,1 <0,1 Trascurabile
C2 Bassa 1,3-25 0,1-0,7 0,1-0,6 <0,6
C3 Media 25-50 0,7-2,1 0,6-1,3 0,6-2
C4 Alta 50-80 2,1-4,2 1,3-2,8 2-5
C5 Molto alta 80-200 4,2-8,4 2,8-5,6 5-10
Classi di aggressività e velocità di corrosione prevista
nel primo anno
Acciaio al
carbonio
Velocità di corrosione
attesa per l’acciaio al
carbonio in atmosfere
di umidità e
temperatura media
italiana
Acciaio
zincato
Velocità di corrosione
attesa per l’acciaio
zincato in atmosfere di
umidità e temperatura media italiana
Acciaio zincato
Metodi di prevenzione e
protezione
• Protezione mediante rivestimenti (pitture/metallici)
• Interventi sull’ambiente (ambienti interni)
– Riduzione dell’umidità (magazzini)
• Scelta di materiali resistenti alla corrosione
– Acciaio zincato
– Acciaio CORTEN
– Acciai inossidabili
– Leghe di alluminio
– Leghe di rame
Acciaio
zincato
Skywalk in Hannover 1997 - 1998
Acciai CORTEN (acciai patinabili o
a resistenza migliorata alla
corrosione atmosferica)
New River Gorge Bridge,WestVirginia, 1977
Acciai a bassa velocità di corrosione per la
formazione di patine protettive (prodotti di
corrosione aderenti e compatti) in
atmosfere di bassa aggressività, non
inquinate o contaminate da cloruri
0,2-0,5% Cu
0,5-1,5% Cr
0,05% P
Patina
protettiva
Ni
Empire State Building, N.Y.
1934 - AISI 302
Acciai
inossidabili
Rame e leghe
Alluminio e leghe
Protezione mediante pitture (cicli di pitturazione)
Azione protettiva dei rivestimenti
• Azione barriera
• Azione in presenza di discontinuità
– Azione attiva
– Proprietà autosigillanti
Protezione “barriera”
acciaio
O2 H2O
rivestimento
Protezione attiva
acciaio
rivestimento
Capacità di autosigillarsi
acciaio
rivestimento
Reazione con:
•Ossigeno
•Acqua (zinco inorganico)
•Tra polimeri
(es.:resine bicomponenti)
Protezione mediante pitture
Pitture
Legante • termoplastici
• termoindurenti
Pigmenti (sostanze di origine naturale)
Cariche (sostanze di sintesi)
Solvente (solventi organici, acqua)
SOLIDIFICAZIONE FISICA
per evaporazione del solvente
SOLIDIFICAZIONE per
reazione CHIMICA
(reticolazione)
Il processo di solidificazione è
reversibile (ad eccezione delle
pitture all’acqua)
Incompatibilità con sostanze
simili al solvente
Facilità di manutenzione
Alta inerzia chimica anche con i solventi
Scarsa adesione di strati successivi
applicati dopo tempi “lunghi”
Ad azione passiva
Ad azione attiva
Innalzano le proprietà di BARRIERA
(scaglie di mica, ossido di titanio,
silicati, polvere e scaglie di
alluminio)
Protezione catodica:
Zn (>95% in peso della pittura)
Passivanti:
(minio, cromati, fosfati, sali di zinco)
Proprietà reologiche
Meglio le pitture ad alto contenuto di
solidi o senza solvente perche più
compatte e a minore impatto
ambientale
•Pitture in solvente
•Pitture all’acqua
Principali pitture
Pitture ad essiccazione fisica
Tipo Tipo di legante
Pitture in solvente
Clorocaucciù
Copolimeri del cloruro di vinile (PVC)
Resine acriliche
Bitume
Pitture all’acqua
Dispersioni acriliche
Dispersioni viniliche
Dispersioni poliuretaniche
Principali pitture
Pitture ad indurimento per reazione con l’ossigeno
Tipo Tipo di legante
Alchidici
Alchilici uretanici
Esteri epossidici
Pitture ad indurimento per reazione con l’umidità
Tipo Tipo di legante
Poliuretani (monocomponenti)
Alchil-silicati
Silicato di etile (bicomponente)
Silicato di etile (monocomponente)
Principali pitture
Pitture ad indurimento chimico
Tipo Componente base Agente indurente
Epossidiche
bicomponenti
Epossidici Poliammine migliore resistenza agli agenti
chimici
Poliammidi migliore adesione (fondi)
Epossi-vinilici/epossi-acrilici
Combinazioni epossidiche
(es.: epossi-catrame)
Poliuretani
bicomponenti
Poliestere Polisocianati alifatici migliore brillantezza e resistenza al
colore con idoneo componente base
Polisocianati aromatici essiccazione più rapido ma minore
resistenza all’esposizione esterna
(sfarinatura e scolorimento)
Acrilati
Epossidici
Polieteri
Resine florurate
DURATA DELLA PROTEZIONE
Profondità
di attacco
Tempo
Struttura
rivestita
Struttura non
rivestita
Durata del
rivestimento
Massima profondità
ammissibile
Durata del
rivestimento
proprietà dei materiali aggressività
preparazione superficiale
spessore
design della struttura modalità di applicazione
Adesione del
rivestimento
Adesione
Tipo di rivestimento
Processo
applicativo
Preparazione
superficiale
Esempio di adesione
insufficiente del rivestimento su
una superficie di un elemento di
acciaio zincato per cattiva
preparazione del supporto
Esempio di adesione
insufficiente del rivestimento al
primer per cattiva applicazione
e/o scelta del ciclo di
pitturazione
Esempio di perdita di adesione
di una pittura per corrosione
sottopellicolare
Preparazione superficiale
Scopo: Pulizia della superficie e ottenimento della rugosità
necessaria per assicurare l’adesione del rivestimento
Metodo di preparazione
Standard di
riferimento
ISO12944
(ISO 8503)
Specifiche
SSPC
Standard fotografico
ISO 8501
Sgrassaggio -- SP1 --
Pulizia con attrezzi manuali St 2 SP2 B St 2, C St 2, D St 2
Pulizia con attrezzi meccanici St 3 SP3 B St 3, C St 3, D St 3
Decapaggio (acido) Be SP8 --
Sabbiatura di spazzolatura Sa 1 SP7 B Sa 1, C Sa 1, D Sa 1
Sabbiatura commerciale Sa 2 SP6 B Sa 2, C Sa 2, D Sa 2
Sabbiatura a metallo quasi
bianco Sa 2½ SP10 A Sa 2½, B Sa 2½, C Sa 2½, D Sa 2½
Sabbiatura a metallo bianco Sa 3 SP5 A Sa 3, B Sa 3, C Sa 3, D Sa 3
Pulitura alla fiamma Fl -- A Fl, B Fl, C Fl, D Fl
SSPC: Steel Structures Painting Council
B st2 B st3 B sa1
B sa2 B sa2½
Grado di
pulizia di
superfici con
ossidi e
calamina
B sa3
Tipi di sabbiatura
Sabbiatura a secco
• Sabbiatura centrifuga
• Sabbiatura con aria compressa
• Sabbiatura con aria compressa e recupero
• Sabbiatura con aria compressa umida
Sabbiatura ad umido
• Sabbiatura ad aria compressa con abrasivo umido
• Sabbiatura ad umido con abrasivi finissimi dispersi in liquido
• Sabbiatura con liquido sotto pressione
Sabbiatura ad acqua
• Ad alta pressione (70-170 MPa)
• Ad altissima pressione (>170 MPa)
Quando preparare la superficie?
Meglio immediatamente prima
dell’applicazione del rivestimento
Se occorre prevedere protezione temporanea
con primer di officina, carte adesive, pellicole
adesive ed altri sistemi che possono essere
rimossi prima della applicazione
(preparazione finale)
Requisiti minimi di
preparazione superficiale
Pitture alchidiche,
oleofenoliche,
bitumi
SSPC-SP6 Sabbiatura
commerciale
Pitture epossidiche,
uretaniche,
allo zinco organico
SSPC-SP10 o 6 Sabbiatura a metallo
quasi bianco o
commerciale
Pitture allo zinco
inorganico
SSPC-SP5 o 10 Sabbiatura a metallo
bianco o quasi bianco
Pitture all’olio di lino SSPC-SP2 o 3 Preparazione
meccanica o manuale
0
50
100
0 500 1000
Are
a d
ifettosa (
%)
Spessore film (m)
Epossicatrame10 anni di esposizione zona degli spruzzi(da Kyuno et al., 1981)
Preparazione manuale
Sabbiatura
Ruolo della preparazione sulla
capacità protettiva di una pittura
Strato intermedio (strato barriera)
Ciclo di pitturazione
acciaio
Fondo (primer)
Finitura
L’applicazione in più mani
permette l’ottenimento di
strati meno difettosi
Protezione attiva (catodica) di primer ad
alto contenuto di zinco
acciaio
O2
reazione catodica
O2+4e-+2H2O4OH-
elettrolita
(fase acquosa)
reazione anodica
ZnZn+++2e-
e-
I rivestimento allo zinco
Protezione attiva (anodica) passivazione
acciaio
OH-, ioni
cromato,
ossido di
zinco, fosfati...
Fe++==> Fe2O3
Corrosione
sottopellicolare
acciaio
Corrosione filiforme su una lega di alluminio
rivestita
Blistering del rivestimento su una struttura in
acciaio
0
50
100
0 10
Are
a d
ifett
osa (
%)
Tempo (anni)
Epossidiche
(da Kyuno et al. 1981)
Epossidica (180 m) + primer
epossidico ricco in Zn (15 m)
Epossidica (180 m)
Mano intermedia (strato barriera)
Ciclo di pitturazione
acciaio
Mano di fondo (primer)
Finitura
L’applicazione in più mani
permette l’ottenimento di
strati meno difettosi
Protezione
mediante pitture (scelta del ciclo di protezione)
Protezione mediante pitture (scelta del ciclo in relazione alla corrosività ambientale)
0
100
200
300
400
C2 C3 C4 C5-(I o M)
classe di corrosività
spes
sore
to
tale
(m
m)
Ciclo di pitturazione:
SA2½ / 80m zincante inorganico / epossidica
Variazione dello spessore totale
della pittura al variare della
corrosività atmosferica previsto
nella norma UNI EN ISO 12944-5
per il ciclo epossidico con primer
zincante inorganico, per
assicurare alta durabilità
La scelta del ciclo di
protezione è in base alla
classe di corrosività
dell’atmosfera.
L’uso di primer con azione
attiva previene la corrosione
sottopellicolare
Esempi di cicli di pitturazione ad alta durabilità
per atmosfere umide in aree industriali e marine (UNI EN ISO 12944: 2000; preparazione grado SA2½)
Fondo Intermedio e finitura
legante tipo strati spessore legante strati spessore
epossidico, poliuretano Zn 1 40
epossidico,
poliuretano1
3-4 280
Misc 1 80 3 200
silicato di etile Zn 1 80 3 200
1 80 2-4 240
epossidico, poliuretano
Misc 1-2 80 3-4 240
1 250 1 250
Zn 1 40 vinil-catrame 3 360
1 40 catrame epossidico 3 360
1Finitura poliuretano alifatico se occorre ritenzione del colore e brillantezza (esterni)
Esempi di cicli di pitturazione ad alta durabilità
per zone immerse o interrate (UNI EN ISO 12944: 2000; preparazione grado SA2½)
Fondo Intermedio e finitura
legante tipo strati spessore legante strati spessore
epossidico, poliuretano Zn 1 40 poliuretano catrame 4 500
epossidico 1 80 epossidico (senza
solvente) 1 400
epossidico (senza solvente) 1 800
catrame epossidico
1 120 catrame epossidico 2 380
1 500
catrame epossidico (senza
solvente) 1 1000
Regole di buon “Design”
Protezione “barriera”
Effetto dello spessore del rivestimento
sulla difettosità
discontinuità nel film
Regole di buon “Design”
• finitura superficiale adeguata (intervallo corretto di rugosità)
• asportazione dei residui di saldatura
• maggiore spessore nelle zone con eccessiva rugosità
Spigoli
UNI EN ISO 12944: 2002
Saldature
UNI EN ISO 12944: 2002
Interstizi
UNI EN ISO 12944: 2002
Ristagni
UNI EN ISO 12944: 2002
Accessibilità della
struttura
UNI EN ISO 12944: 2002
Accessibilità della
struttura
UNI EN ISO 12944: 2002
Accessibilità della
struttura
UNI EN ISO 12944: 2002
Manutenzione
La previsione di un ciclo di manutenzione
programmata permette di assicurare in
modo economico la durata della protezione
e prevenire i danni strutturali al substrato
rilevazione 1994
rilevazione 1988
Pontile zone esposte all’atmosfera
(danneggiamento strutturale delle membrature)
anno di costruzione 1962
n. sezione
dan
neg
gia
men
to (
m l
inea
ri)
La previsione di un ciclo di manutenzione
programmata permette di assicurare in
modo economico la durata della protezione
e prevenire i danni strutturali al substrato
Ciclo di
manutenzione
Ciclo ideale (da Brevoort e Roebuck)
tempo
ritocco
3-5% superficie danneggiata
assenza di prodotti di corrosione
riparazione e ricoprimento
di tutta la superficie
rifacimento dell’intero ciclo
0 P 1.5P 2.25P
Es.: ciclo ad alta durabilità (P15 anni)
Manutenzione programmata: 15 anni 34 anni
Senza manutenzione:
danno strutturale e maggiori costi di rifacimento
Ciclo di
manutenzione
Ciclo pratico (da Brevoort e Roebuck)
tempo
ritocco
10% superficie danneggiata
presenza di ruggine
riparazione e ricoprimento
di tutta la superficie
rifacimento dell’intero ciclo
0 P 1.3P 1.8P
Es.: ciclo ad alta durabilità (P18 anni)
Manutenzione programmata: 18 anni 32 anni
Re 1 (0,05%) Re 3 (1%) Re 5 (8%)
Re 7 (40-50%)
Grado di
arruginimento
Durata del
rivestimento
proprietà dei materiali aggressività
preparazione superficiale
spessore
design della struttura modalità di applicazione
Specifiche (in accordo con fornitore / applicatore)
Contenuto:
• Riferimenti (normative, raccomandazioni...)
• Documentazione (programmazione dei lavori, schede tecniche, ...)
• Ispezioni e controlli (verifica dei lavori, test di accettazione,...)
• Condizioni di garanzia (accettazione definitiva dei lavori)
• Manutenzione programmata / ispezioni periodiche
• Dettaglio delle modalità operative per: preparazione superficiale,
applicazione e riparazione dei difetti
• Materiali (ciclo di pitturazione, spessore, ciclo di riparazione, ...)
• Design
Test di accettazione e di verifica
Visivo
Spessore a secco (metodi magnetici e a ultrasuoni)
Test di adesione (grid test)
Difettosità
Metallizzazione
«Thermal spray»
(Alluminio, Zinco)
saldatura di elementi zincati
(zone di riparazione del rivestimento con
zinco organico o con metallizzazione)