Appunti Materiali da costruzione, innovazione e sostenibilità

Materiali da costruzione, innovazione e sostenibilità

Sommario

• Acciaio.................................................................................................................1
• Corrosione atmosferica......................................................................................29
• Corrosione atmosferica: prevenzione e protezione...........................................41
• Acciai con migliorata resistenza alla corrosione e acciai inossidabili................49
• Acciai inossidabili..............................................................................................54
• Metalli non ferrosi..............................................................................................63
• Calcestruzzo: costituenti...................................................................................66
• Calcestruzzo: componente 1 - cemento............................................................67
• Calcestruzzo: componente 2 – aggregati...........................................................77
• Calcestruzzo: componente 3 – acqua................................................................80
• Calcestruzzi speciali..........................................................................................85
• Calcestruzzo: Filiera delle costruzioni................................................................97
• Calcestruzzo armato: durabilità delle strutture.................................................98
• Calcestruzzo armato: corrosione delle armature.............................................103
• Calcestruzzo armato: prevenzione..................................................................117
• Protezioni aggiuntive: armature resistenti a corrosione..................................124
• Protezioni aggiuntive: Trattamenti superficiali................................................129
• Protezioni aggiuntive: Inibitori di corrosione....................................................132
• Protezioni aggiuntive: Prevenzione catodica...................................................134
• FRP (fiber reinforced polymers) – Prof. Castaldi...............................................135
• Progetto durabilità...........................................................................................145
• Progetto durabilità: approccio prescrittivo.......................................................148
• Progetto durabilità: approccio prescrittivo 02..................................................149
• Progetto durabilità: approccio prestazionale...................................................150
• Ispezione e monitoraggio................................................................................157
• Restauro delle strutture in calcestruzzo armato..............................................170

26 febbraio 2026

Acciaio

Produzione dell’acciaio – introduzione generale

I maggiori paesi produttori di acciaio sono:

Sulla base dei dati forniti dalle fonti relativi al 2022, la produzione mondiale di acciaio è dominata dall'Asia, che detiene una quota del 73,9% del mercato globale.

I principali paesi produttori a livello mondiale sono:

• Cina: è il leader assoluto con 1.017 milioni di tonnellate, rappresentando il 54% della produzione mondiale.
• India: produce 125,1 milioni di tonnellate (6,6% di quota globale).
• Giappone: con 89,2 milioni di tonnellate (4,7% di quota globale).
• Stati Uniti: producono 80,7 milioni di tonnellate (4,3% di quota globale).

Per quanto riguarda l'Unione Europea (EU27), che nel suo complesso contribuisce per il 7,2% alla produzione mondiale, i maggiori produttori interni sono:

• Germania: 36,8 milioni di tonnellate (27% della produzione UE).
• Italia: 21,6 milioni di tonnellate (15,8% della produzione UE).
• Francia: 12,2 milioni di tonnellate (9% della produzione UE).
• Spagna: 11,5 milioni di tonnellate (8,4% della produzione UE).

Come si produce l’acciaio

La produzione dell'acciaio avviene principalmente attraverso due percorsi tecnologici distinti, definiti siderurgia primaria e secondaria, che si differenziano per le materie prime utilizzate e l'impatto energetico.

- Siderurgia primaria: parte dagli ossidi di ferro, ovvero partiamo da pietre e rocce che hanno ossidi di ferro, questo ossido viene convertito in ferro metallico. Per poter ottenere acciaio dobbiamo utilizzare altoforno (in Italia resta solo in Puglia – un solo sito produttivo. Italia come siderurgia primaria quindi si produce molto poco. Processo che consuma materie prime e con la riduzione dell’ossigeno produce anche molta CO2. Quindi va bene se non sono molte)

La siderurgia primaria produce acciaio a partire dal minerale di ferro. Questo processo è noto come rotta BF-BOF (Blast Furnace - Basic Oxygen Furnace) e rappresenta circa il 73,2% della produzione mondiale. Pagina 1 di 191

• Materie prime: Minerali di ferro (sotto forma di pellet o sinterizzato), carbone (trasformato in coke) e calcare.
• Fasi principali:
  • Altoforno (Blast furnace): Il minerale viene ridotto per ottenere la ghisa liquida.
  • Convertitore (Converter): La ghisa viene trasformata in acciaio riducendo il contenuto di carbonio tramite l'insufflazione di ossigeno.
  • Affinamento in siviera (Ladle refining): Si procede alla pulizia e alla regolazione della composizione chimica dell'acciaio fuso.

- Metallurgia (Siderurgia) secondaria: si parte dai rottami di ferro, dagli scarti. Non si va più a scavare, ma si riutilizza ferro scartato o derivante da demolizione. Si riducono l’utilizzo di materie prime

La siderurgia secondaria si basa sul riciclo di rottami ferrosi ed è definita rotta Scrap-EAF (Electric Arc Furnace). Costituisce circa il 21,5% della produzione globale ed è molto più efficiente dal punto di vista ambientale.

• Materie prime: Principalmente rottame d'acciaio, a cui possono essere aggiunti pellet o ferro da riduzione diretta (DRI).
• Fasi principali:
  • Forno elettrico ad arco (Electric arc furnace): Il calore generato dall'arco elettrico fonde il rottame.
  • Affinamento in siviera: Come nel processo primario, l'acciaio viene rifinito prima della colata.
• Sostenibilità: Questo processo emette circa 0,3 tonnellate di CO2 per tonnellata di acciaio, contro le 2,2 tonnellate del processo primario, consumando circa un quarto dell'energia.

Produzione continua e discontinua

Il termine produzione continua nella siderurgia moderna si riferisce principalmente alla fase di solidificazione dell'acciaio, che ha sostituito i vecchi metodi batch (discontinui).

• Colata continua (Continuous Casting): Introdotta a partire dal 1955, permette di trasformare direttamente l'acciaio liquido in semilavorati (come bramme, billette o blumi) senza interruzioni. Questo processo ha quasi interamente sostituito la vecchia Colata in Lingotti (Ingot Casting), che era Pagina 2 di 191 un processo discontinuo dove l'acciaio veniva versato in stampi singoli e lasciato raffreddare.
• Processi a valle: Dopo la colata, i semilavorati vengono inviati ai laminatoi (a caldo o a freddo) per ottenere i prodotti finali come lamiere, barre, profilati o tubi.

N.B.

Acciaio: legame ferro + carbonio

• Leghe: legame ferro + carbonio (0% < carbonio < 2,06%)
• Ghise: legame ferro + carbonio (2,06% < % carbonio < 6,67%)

Quando si mixano più acciaio, ovviamente si andranno a mixare acciai con % di carbonio differente, quindi poi bisognerà ridurre o aumentare la % in base a quanta % vogliamo noi nel nostro acciaio.

Campo di applicazione

Acciaio prevalentemente utilizzato nelle costruzioni (anche se vengono utilizzati per componenti meccanici, utensili, ecc ecc): strutture metalliche in acciaio oppure per barre (tondini) oppure costruzioni composte acciaio – cls.

Normative

Normativa italiana

Per progettare dobbiamo fare riferimento alle NTC (norme tecniche delle costruzioni) 2018, e permettono l’utilizzo dell’acciaio nelle costruzioni. Ci dicono che però va zincato o verniciato, ovvero va protetto, perché l’acciaio in ambiente si corrode.

Normativa europea

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Si fa riferimento anche agli Eurocodice 3, che dicono:

A seconda del tipo di azione che influisce sulla durabilità e sulla vita utile prevista, le strutture in acciaio dovrebbero essere progettate contro la corrosione mediante:

• Appropriata protezione superficiale.
• L’uso di acciai con migliorata resistenza alla corrosione (strutture che all’apparenza sembrano corrose, color ruggine. Si chiama corten).
• L’uso di acciai inossidabili.

Corrosione dei materiali metallici

I costi, di varia natura, della corrosione sono molto elevati.

Le infrastrutture e le reti (ponti, condotte del trasporto dei gas liquidi…) rappresentano il 16,4% e noi andiamo ad inserirci in questo ambito.

Conseguenze della corrosione

1. Possibile influenza sulla sicurezza strutturale: nel c.a. si abbassa l’aderenza tra cls e acciaio. La ruggine non crea aderenza, fa scivolare via; nelle strutture in acciaio, corrodendosi diminuisce la sezione, si potrebbe anche rendere la sezione maggiore, ma comunque si potrebbero avere deformazioni e problemi strutturali.
2. Le forature possono causare perdite di liquidi o di gas.
3. Possibili rigonfiamenti e fessurazione, qualora il componente metallico sia inglobato in un altro materiale. Ad esempio, i pali della luce realizzati in conglomerato cementizio, in questo caso la ruggine consuma Pagina 4 di 191 una parte di ferro, e va ad occupare una porzione di volume maggiore rispetto al ferro rimasto. La ruggine quindi si espande e quindi spinge (all’esterno non crea problemi se può espandersi, ma se il volume è vincolato, e la ruggine si espande, potrebbe portare una rottura).
4. Alterazione dell’aspetto estetico.
5. La combinazione con sforzi di trazione può promuovere la rottura dovuta a corrosione sotto sforzo.
6. I prodotti di corrosione possono contaminare l’ambiente.

Meccanismi della corrosione

• Corrosione a secco: ad alte temperature.
• Corrosione a umido: serve un mezzo liquido per far passare la corrente, cioè acqua.

Cosa succede al ferro quanto si corrode?

Il ferro produce elettroni nel processo anodico, nel processo catodico invece noi consumiamo gli elettroni (per avere un bilancio).

Processo anodico: è la fase in cui il metallo "si scioglie" e libera energia sotto forma di elettroni. Gli atomi di ferro solido Fe perdono due elettroni e diventano ioni che passano nella soluzione acquosa.

Processo catodico: riguarda la riduzione di ossigeno, perché riduce gli elettroni. L’ossigeno viene trasformato: per questa trasformazione serve acqua ed elettroni.

Ma come fanno gli elettroni a muoversi?

Attraverso il meccanismo elettrochimico (è un circuito) formato da quattro processi (che devono avere la stessa velocità) parziali:

11 Ciò significa che la velocità massima la decide il circuito più lento. Pagina 5 di 191

1. Processo anodico.
2. Processo catodico.
3. Trasporto di corrente nell’ambiente.
4. Il trasporto di corrente nel metallo.

L’unico processo che non si può mai arrestare dall’esterno e che non si può controllare è trasporto di corrente.

N.B. L’oro è l’unico metallo che non si corrode in natura.

Processi anodici e catodici

La velocità di corrosione

La possiamo esprimere in modi diversi in base a cosa vogliamo studiare.

La velocità di corrosione è una misura della perdita di materiale nel tempo, cioè la velocità di ossidazione del metallo. Può essere espressa in vari modi.

1. Velocità di perdita di massa per unità di superficie (g/m ·s): � = ∆ � /2 m(Area · �)
2. Velocità di assottigliamento (µm/anno): � = � / >> quanto si riduce il p m ferro.

Adatta per corrosione uniforme, mentre per corrosione localizzata andrebbe completata con altri dati (ad esempio l’area corrosa).

∆m = massa iniziale – massa finale (g o mg); t = tempo di esposizione (s o anni); Area = Area del metallo esposto all’atmosfera (m o c m); ρ “ro” = densità (g/cm o kg/m) 2 2 3 3

Densità di corrente vs velocità di corrosione

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Dal momento che la corrosione implica una corrente elettrica, la sua velocità può anche essere espressa (e misurata) in unità elettrochimiche.

1. Densità di corrente (mA/m): � = � / Area2 a a
2. Legge di Faraday (massa vs carica): ∆�= � · �= (� / ��) · �· � ech3.
3. Velocità di assottigliamento (µm/a): � = � · � m ech a

� = densità di corrente anodica (A/m o mA/m); � = equivalente 2 2 a ech elettrochimico, cioè la massa formata o consumata per unità di carica (g/C); M = massa molare (g/mol); F = costante di Faraday = 96500 C/mol; z = valenza, quanti elettroni si staccano.

La densità di 1m/mq del Ferro è uguale a una velocità pari a � = 1,17 µm/anno m

Quesito termodinamico

Due domande:

1. Può un metallo corrodersi in un determinato ambiente?
2. Qual è la velocità di corrosione?

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Risposta al primo quesito

Me: metallo generico

Doppia freccia perché possono avvenire processi avanti e indietro, sono reversibili. Dobbiamo capire noi in quale direzione il processo avviene in maniera spontanea. Possibili direzioni:

• Reagenti costanti = bilancio in equilibrio -fermo-.
• Verso destra: formazione di ossidi.
• Verso sinistra: formazione di metalli.

DeltaG = energia libera di sistema. Metallo in equilibrio con se stesso.

Per far sì che avvenga questo però ho bisogno di un aiuto dall’esterno.

Potenziale di equilibrio

E è il potenziale d’equilibrio. eq

Potenziale di un metallo, misurato con un elettrodo di riferimento (SHE), sul quale avviene un solo processo elettrochimico (anodico o catodico). Dipende dal tipo di metallo e dalla concentrazione delle specie che partecipano.

Si calcola con il voltmetro e calcola la differenza di potenziale.

Equazione di Nernst

(Non va imparata a memoria)

L'equazione di Nernst è un concetto fondamentale nello studio della durabilità dei metalli perché permette di calcolare il Potenziale di Equilibrio di una generica reazione di ossido-riduzione.

Ecco i motivi principali per cui questo calcolo è importante:

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• Dipendenza dalle condizioni reali: ci dice che il potenziale di un metallo non è un valore assoluto, ma dipende dal tipo di metallo e dalla concentrazione (attività) delle specie chimiche che partecipano alla reazione.
• Previsione della corrosione (Termodinamica): permette di rispondere al quesito termodinamico, ovvero determinare se un materiale metallico ha la possibilità di corrodersi in un determinato ambiente.
• Condizione necessaria per la reazione: stabilisce il punto di riferimento rispetto al quale un metallo può trovarsi in diverse condizioni:
  • Corrosione: se il potenziale reale (E) è superiore a quello di equilibrio (E > Eeq), la reazione procede in senso anodico (dissoluzione del metallo).
  • Immunità: se il potenziale è inferiore a quello di equilibrio (E < Eeq), il metallo è protetto termodinamicamente.

In sintesi, anche senza impararla a memoria, la sua importanza risiede nel legare le proprietà intrinseche dei materiali alle condizioni ambientali specifiche (come il pH e la presenza di ioni), definendo la tendenza energetica di un metallo a degradarsi.

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02 marzo 2026

(Potenziale di equilibrio: tratteggio in mezzo blu)

• Quando il potenziale è inferiore al potenziale di equilibrio la reazione procede in senso catodico (si sposta verso il basso – consumo elettroni).
• Se il potenziale è più alto dell’equilibrio ho la reazione anodica (produco elettroni).

La domanda che si pone è: il ferro in ambiente da che parte va?

Spontaneamente va verso il basso (catodica) con consumo di elettroni, o va verso l’alto (anodica) e produce elettroni?

Potenziale della cella: E cella = E catodo – E anodo, vado a vedere il potenziale della cella per capire qual è la reazione.

Noto che: Delta G < 0, e E cella = - delta G / zF, E cella > 0 (– per un valore negativo = +)

Allora la condizione necessaria ma non sufficiente è che E catodo > E anodo (E >0)

(La corrosione non può venire se E anodo > Ecatodo)

Con Ferro (anodo) che ha potenziale < del potenziale dell’ossigeno (catodo) avviene reazione nell’ambiente.

-0.44 (Fe) < 0.815 (O2) ⇒ ⇒ ⇒⇒

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L’oro invece in ambiente con pH 7, ha energia potenziale maggiore rispetto all’ossigeno, quindi non si corrode (anodo > catodo)!

È importante anche introdurre la tematica della cinetica – la seconda domanda da porci - perché ci dice dopo quanto tempo avviene una reazione (la cinetica studia la velocità).

Cinetica della corrosione ⇒ qual è la velocità con cui avviene il processo?

Quando la reazione procede (in direzione anodica o catodica), il potenziale si scosta dal suo valore di equilibrio (polarizzazione).

• Al di sopra del potenziale di equilibrio il processo avviene in senso anodico.
• Al di sotto del potenziale di equilibrio il processo avviene in senso catodico.

La cinetica dice qualcosa di più:

• Aumentare il potenziale, oltre quello di equilibrio ⇒ aumentare algebricamente (mi sposto verso l’alto, ovvero ANODICAMENTE).
• Diminuire il potenziale, al di sotto quello di equilibrio, diminuire algebricamente (mi sposto verso il basso, in DIREZIONE CATODICA).

Figura 1 – E