AREA I - ARTE TECNICO SCIENTIFICA (ATS)
Capitolo ATS.G09: "Proprietà e Metallurgia dell'Acciaio"" - Pagina 10

Gli argomenti di questa pagina sono stati inseriti da Ing. Michele Cuzzoni nel 2012, aggiornati il 21/04/2016, e sono desunti dalla Bibliografia riportata a fondo pagina.

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Acciaio inossidabile e Cemento Armato

 

 

INDICE:

 

 

Acciaio per Cemento Armato: caratteristiche meccaniche e metallurgiche

Sono ormai più di vent’anni che l’acciaio inossidabile viene utilizzato per la produzione di barre di rinforzo del calcestruzzo. Notevoli sono, infatti, i vantaggi dell’impiego di tale materiale per la realizzazione di tondo nervato in sostituzione delle tradizionali barre in acciaio al carbonio, soprattutto dal punto di vista della resistenza alla corrosione e della durabilità della struttura in c.a.

Dopo una breve illustrazione dei problemi relativi alla durabilità delle strutture in c.a., vengono illustrate le peculiari caratteristiche meccaniche e metallurgiche degli acciai inossidabili per questa tipologia di utilizzo.

INDICE

 

Introduzione

L’acciaio al carbonio delle barre di rinforzo è normalmente protetto dalla corrosione poiché il calcestruzzo è un ambiente ad elevata basicità (di solito il livello di pH – parametro che rappresenta il grado di acidità/basicità di una soluzione acquosa - è compreso tra 12 e 13) ed è quindi praticamente inerte nei confronti delle leghe a base ferro: in tale ambiente il ferro di cui è composto l’acciaio delle barre di rinforzo del calcestruzzo è in condizioni di passività [1].

Tuttavia, per effetto delle condizioni d’esercizio, non sempre è possibile garantire l’integrità fisica e strutturale del calcestruzzo. In presenza di fenomeni di carbonatazione, (aggressione chimica dell’anidride carbonica dell’atmosfera verso il calcestruzzo (in particolare la calce del conglomerato), si assiste alla diminuzione del livello di pH (che passa a 10-11) come indicato dalla seguente reazione:

Ca(OH)2 + CO2   →     CaCO3 + H2O

La diminuzione di alcalinità del calcestruzzo permette l’innesco e la propagazione di estesi fenomeni corrosivi sulle barre di rinforzo in acciaio al carbonio, con formazione di ossidi e/o idrossidi di ferro (la tipica “ruggine).

Se a questo, poi, si aggiunge il fatto che, in alcune applicazioni, il calcestruzzo subisce anche contaminazioni più o meno rilevanti da parte di soluzioni saline (tipicamente nelle strutture in cemento armato di ponti e viadotti dove grosse quantità di sale vengonosparse con funzione antigelo), il problema lamentato può diventare assai rilevante nei confronti della resistenza della struttura.

Alcuni esempi in tal senso sono mostrati in figura 1 [2], ove è evidente come i fenomeni corrosivi siano spesso associati alla formazione di ruggine che, avendo un volume specifico fino a 6 volte maggiore rispetto al ferro delle barre, provoca la fessurazione e, in taluni casi, il distacco del copriferro di calcestruzzo.

Figura 1: Esempi tipici di danneggiamento del copriferro di calcestruzzo in elementi strutturali in c.a. [2]

 

In questi casi, la sostituzione dell’acciaio al carbonio con l’acciaio inossidabile permette di risolvere la maggior parte dei problemi connessi col danneggiamento degli elementi di rinforzo e di ridurre drasticamente i problemi e le spese di manutenzione e monitoraggio delle strutture poste in opera [3].

Oltre alla “durabilità” tipica di questo materiale, l’utilizzo dell’acciaio inossidabile offre potenziali vantaggi anche in tutte quelle applicazioni dove possono essere messe in gioco le sue caratteristiche di elevata duttilità e marcata resistenza. Tipicamente questo è il caso delle applicazioni antisismiche, come ben evidenziato in [4]: “In Italy and other seismic areas, austenitic steels are often used in reinforced concrete structures, as their strength and ductility intensify the material’s specific deformation energy”; applicazioni analoghe si segnalano negli Stati Uniti, in Giappone e nelle regioni industrializzate del Sud-Est Asiatico.

Anche gli Eurocodici indicano questo possibile impiego, evidenziando le particolari caratteristiche di duttilità dell’acciaio inossidabile [5].

L’uso dell’acciaio inossidabile è prescritto in molte normative internazionali [6-7]; a questo proposito si sottolinea che è proprio il British Standard Institute (BSI, l’ente normatore inglese) ad aver messo a punto una norma specifica che, al momento, sembra essere la più completa in relazione al settore in esame [8].

Di un certo interesse sono anche gli studi relativi alla resistenza al fuoco degli acciai inossidabili rispetto ai tradizionali acciai al carbonio. Studi recenti mostrano che, fino a temperature dell’ordine dei 900°C, gli acciai inossidabili mantengono ancora il 50% della loro resistenza statica a trazione quando, per contro, gli acciai al carbonio vedono ridotta la loro resistenza a valori del 10% (rispetto ai valori di resistenza posseduti a temperatura ambiente).

Tuttavia non sono solo gli aspetti puramente tecnici a far pendere la bilancia verso l’acciaio inossidabile che, per contro, presenta costi iniziali 5 o 6 volte superiori rispetto al tradizionale acciaio al carbonio. Se si considerano, infatti, tutte le voci di costo connesse con un’opera civile - dai costi iniziali a quelli di esecuzione, gestione, manutenzione ed esercizio – ovvero i cosiddetti costi di tutto il ciclo di vita della struttura (LCC – Life Cycle Cost), la sostituzione tra le due tipologie di materiali può risultare, in molti casi, vantaggiosa specialmente nelle grandi opere pubbliche ove i costi di esecuzione sono spesso assai consistenti [9]. La drastica riduzione dei costi di riparazione e di manutenzione collegati con l’introduzione dell’inox, permette, infatti, un notevole risparmio se si considera un orizzonte temporale di valutazione dell’investimento che vada al di là dei puri e semplici costi iniziali.

Un esempio in tal senso è mostrato in figura 2, che si riferisce alla realizzazione di una serie di viadotti autostradali da parte della FHWA - Federal Highway Administration [10].

Come si può osservare, il “limitato”maggior costo dell’acciaio inossidabile utilizzato (valutato tra l’1% e il 15% in relazione alla complessità della costruzione) è ampiamente “ripagato” dalla riduzione dei costi di manutenzione della struttura; se tale valutazione è poi fatta tenendo anche in considerazione i costi di smaltimento, i vantaggi legati all’uso dell’acciaio inossidabile diventano ancora più evidenti.

Figura 2: Life Cycle Cost Analysis di un viadotto autostradale .

 

Oltre alle caratteristiche positive appena citate, molti altri sono i vantaggi degli acciai inossidabili rispetto ai tradizionali acciai al carbonio. Senza anticipare quanto verrà più ampiamente descritto nel seguito di questa memoria, gli acciai inossidabili correntemente utilizzati come barre di rinforzo del calcestruzzo hanno anche buona resistenza meccanica (sia a bassa che ad alta temperatura), ottima duttilità e saldabilità e non necessitano di particolari cautele di manipolazione come avviene ad esempio per le barre di acciaio rivestito.

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Metallurgia e caratteristiche

 

2.1 Caratteristiche chimiche

 

Gli acciai inossidabili sono leghe ferrose in cui il principale elemento di lega è il cromo.

Tale elemento, infatti, se presente in tenori maggiori o uguali al 10,5%, crea un sottilissimo strato di ossido (prevalentemente Cr2O3), ben aderente alla superficie dell’acciaio, che rende il materiale “virtualmente” inerte nei confronti dell’ambiente aggressivo circostante, ovvero resistente alla corrosione [11]. Da sottolineare che il film passivo, qualora venga scalfito per effetto di azioni meccaniche o improprie manipolazioni delle barre, si riforma spontaneamente ripristinando le originali condizioni di resistenza alla corrosione del materiale.

Nell’ambito della famiglia degli acciai inossidabili si possono distinguere almeno quattro grandi classi sulla base della loro struttura cristallina (microstruttura):

acciai inossidabili austenitici;

acciai inossidabili austeno-ferritici (o duplex);

acciai inossidabili martensitici;

acciai inossidabili ferritici.

 

Le prime due classi risultano di particolare interesse per la realizzazione di barre ad aderenza migliorata di rinforzo del calcestruzzo. A queste classi si fa spesso riferimento con designazioni mutuate dalla normativa americana AISI (American Iron and Steel Institute) o con denominazioni commerciali ormai entrate nell’uso comune.

In modo specifico e con riferimento alle classi di interesse per le armature metalliche, si è soliti parlare di:

AISI 304 e AISI 316 per gli acciai inossidabili austenitici (corrispondenti rispettivamente alla designazione europea EN 1.4301 e EN 1.4436) che, di fatto, sono anche i più utilizzati;

2205 e 2507 per gli acciai inossidabili austeno-ferritici (corrispondenti rispettivamente alla designazione europea EN 1.4462 e EN 1.4501).

 

Per queste due classi è necessario sottolineare, inoltre, la peculiarità del nichel come ulteriore elemento di lega oltre al cromo. Il nichel è presente in tenori variabili dal 5% al 10% e garantisce a questi acciai eccellenti caratteristiche di tenacità (resistenza alle fratture fragili) e di deformabilità a freddo [11]. Si segnala, ad esempio, l’impiego dell’acciaio inossidabile austenitico per la realizzazione di serbatoi di stoccaggio per impieghi criogenici (gas liquefatti) [12]

Il dettaglio della composizione chimica nominale per le designazioni sopra indicate è mostrato in tabella 1 e si riferisce a quanto stabilito nella normativa BS 6744 [8] e nella normativa UNI EN 10088-3 [13].

 

Tabella 1: Composizione chimica nominale dei principali acciai inossidabili utilizzati come barre di rinforzo per il calcestruzzo.

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2.2 Caratteristiche metallurgiche e meccaniche

 

a. Acciai inossidabili austenitici

 

A differenza degli acciai al carbonio che presentano una microstruttura ferritico-perlitica costituita da fase α più carburi tipo Fe3C, gli acciai inossidabili austenitici hanno una tipica microstruttura austenitica (da cui deriva la loro denominazione), formata da cristalli omogenei di fase γ con reticolo cubico a facce centrate.

Il comportamento meccanico di questi acciai, assai diverso rispetto agli acciai al carbonio tradizionali, è direttamente collegato con la microstruttura austenitica. Ad essa si associano infatti ottime caratteristiche di deformabilità plastica a caldo e, soprattutto, a freddo, nonché elevatissima tenacità [11, 14].

In figura 1 sono mostrate le microstrutture tipiche di un acciaio inossidabile austenitico allo stato solubilizzato1 (anche chiamato, impropriamente, stato “ricotto”) ed allo stato incrudito (deformato a freddo). Per confronto, in figura 2, sono mostrate le microstrutture di un tradizionale acciaio al carbonio per tondo da cemento armato nelle medesime condizioni di fornitura (ricotto e incrudito) [15-17].

 

1 Lo stato solubilizzato si ottiene sottoponendo il materiale ad un trattamento termico finale di solubilizzazione. Esso consiste in un riscaldamento a 1050°C, con un successivo prolungato mantenimento in temperatura, seguito da un rapido raffreddamento in acqua.

 

Gli acciai inossidabili austenitici hanno un modulo di elasticità E pari a 200.000 N/mm2 ed un coefficiente di dilatazione termica α pari a 16·10-6 m/m°C; a causa del reticolo cubico a facce centrate, questi materiali sono amagnetici.

Per quanto riguarda il loro comportamento meccanico, gli acciai inossidabili austenitici mostrano una resistenza statica a trazione assai variabile in relazione alle condizione di lavorazione e trattamento termico a cui sono stati sottoposti prima di essere posti in esercizio.

In Tabella 2 sono mostrate le caratteristiche meccaniche indicative dei due acciai inossidabili austenitici tipo AISI 304 e AISI 316 allo stato solubilizzato e allo stato incrudito (deformato plasticamente a freddo) [14].

 

 

In figura 3 è mostrato, per maggior completezza, l’andamento delle caratteristiche resistenziali (carico unitario di rottura, Rm e carico unitario di scostamento dalla proporzionalità lineare, Rp0.2) e di duttilità (allungamento percentuale su 5 diametri, A5) per un acciaio inossidabile austenitico tipo AISI 304 sottoposto a differenti livelli di incrudimento [11]. Si noti come, anche per un valore di Rm dell’ordine dei 900 N/mm2, l’allungamento A5 resta superiore al 20%: questo risultato è particolarmente significativo se si pensa che un normale acciaio al carbonio per tondo da c.a. in FeB44K, ha un valore di Rm dell’ordine dei 550 N/mm2 con un allungamento a rottura A5 soltanto del 15% circa.

 

Figura 3: Andamento delle caratteristiche meccaniche (Rm, Rp0.2 e A%) per un acciaio AISI 304 in relazione al grado di incrudimento [11].

 

Si osservi, infine, sia in tabella 2 che in figura 3, come tali acciai abbiano caratteristiche peculiari e del tutto differenti da quelle dei tradizionali acciai al carbonio. Ad esempio, essi evidenziano, sia allo stato solubilizzato che allo stato incrudito, un rapporto tra Rm ed Rp0.2 compreso tra 1,5 e 2, ad ulteriore riprova della grandissima duttilità e tenacità di questi materiali.

 

Con riferimento alla produzione Cogne di acciai inossidabili austenitici per barre di rinforzo del calcestruzzo, i prodotti disponibili e le relative caratteristiche sono indicate in tabella 3 [17].

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b. Acciai inossidabili austeno-ferritici (detti anche duplex o bifasici)

Questo seconda classe di acciai inossidabili ha, invece, una microstruttura mista di grani omogenei di austenite e di ferrite con un rapporto tra le due strutture prossimo ad 1; in figura 4 è mostrata la tipica microstruttura di un acciaio inossidabile bifasico [18] ottenibile dopo un trattamento termico di solubilizzazione3.

 

Ad esempio, la deformabilità e la tenacità di questi materiali mostrano valori intermedi tra quelli degli acciai al carbonio (ferritici) e quelli degli acciai inossidabili (austenitici); un discorso analogo vale per le caratteristiche meccaniche, quali il carico unitario di snervamento e il carico unitario di rottura.

Gli acciai inossidabili bifasici sono ferromagnetici, hanno un coefficiente di dilatazione termica lineare pari a 13·10-6 m/m°C e mostrano un valore del modulo di elasticità leggermente inferiore a 200.000 N/mm2.

2 La lettera L alla fine della designazione (304L o 316L) indica comunque un acciaio inossidabile austenitico tipo 304 o 316 ma con un tenore di carbonio ridotto rispetto alle normali condizioni (C 0,03%). Ciò è particolarmente favorevole nei confronti della resistenza alla corrosione e della duttilità dell’acciaio.

3 Per questi acciai il trattamento di solubilizzazione è effettuato a 1150°C.

 

In tabella 4 sono mostrate le caratteristiche meccaniche indicative dei due acciai inossidabili bifasici 2205 (22% cromo, 5% nichel) e 2507 (25% cromo, 7% nichel) di possibile uso nel settore delle barre di rinforzo per il calcestruzzo [19].

 

Come tutti gli acciai inossidabili, anche i duplex evidenziano una significativa resistenza all’aggressione chimica e, in ambienti contenenti cloruri, hanno una resistenza alla corrosione superiore rispetto agli acciai inossidabili austenitici tipo AISI 304 e AISI 316.

Con riferimento alla produzione Cogne di acciai inossidabili bifasici per barre di rinforzo del calcestruzzo, i prodotti disponibili e le relative caratteristiche sono indicate in tabella 5 [17].

 

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c. Saldabilità degli acciai inossidabili

Sia gli acciai inossidabili austenitici che gli acciai inossidabili bifasici mostrano una saldabilità del tutto confrontabile a quella dei tradizionali acciai al carbonio. Le giunzioni ottenibili hanno caratteristiche meccaniche analoghe a quelle del materiale di base; anche le tecnologie di saldatura impiegate sono simili, essendo possibile sia la saldatura manuale che la saldatura automatica [20]. Contrariamente agli acciai al carbonio tradizionali, gli acciai inossidabili non manifestano mai il fenomeno della formazione di cricche a freddo dopo saldatura.

Nel caso si utilizzino tecniche che prevedono materiali d’apporto, l’unica sostanziale differenza rispetto agli acciai al carbonio è data dall���impiego di elettrodi di saldatura specifici per il particolare acciaio impiegato [21].

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Conclusioni

Da questa breve nota appare evidente come innumerevoli siano i vantaggi dell’uso dell’acciaio inossidabile nelle strutture in cemento armato.

Tra i principali spiccano, prevalentemente, la resistenza alla corrosione e la riduzione del costo del ciclo di vita della struttura; da non trascurare sono poi l’elevata resistenzameccanica, l’ottima duttilità a freddo e la buona saldabilità.

In considerazione di queste eccellenti proprietà, nonchè dell’attività normativa già svolta da alcuni paesi europei ed extraeuropei, si auspica che anche in Italia, l’acciaio inossidabile con le sue peculiari caratteristiche possa venir recepito e contemplato per tutte le opere civili.

 

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Bibliografia


 
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