Il dilemma dell’immagazzinamento e della corrosione del carbonio nel calcestruzzo: approfondimenti sul mortaio CSA-PC in età precoce

Perché rinchiudere il carbonio nel calcestruzzo non è così semplice

Il calcestruzzo è una delle maggiori fonti mondiali di anidride carbonica, ma nel tempo può anche riassorbire CO2 dall’ambiente. Una nuova idea è quella di forzare deliberatamente una quantità aggiuntiva di CO2 nel calcestruzzo fresco per «bloccarla» e persino rendere il materiale più resistente. Questo studio pone una domanda pratica cruciale: se si inietta aggressivamente CO2 in una miscela di cemento a basso impatto molto usata in età precoce, si ottiene davvero una maggiore durabilità — o si aumenta silenziosamente la probabilità che l’armatura in acciaio si arrugginisca?

Il calcestruzzo come spugna nascosta di carbonio

La società moderna getta ogni anno circa 30 miliardi di tonnellate di calcestruzzo, e i materiali a base di cemento assorbono già quasi un gigaton di CO2 all’anno mentre reagiscono lentamente con l’aria. Gli ingegneri stanno ora sperimentando la «carbonatazione forzata», in cui il calcestruzzo fresco o riciclato viene esposto a CO2 concentrata sotto pressione. A questo stadio iniziale il materiale è ancora piuttosto poroso, quindi il gas può penetrare facilmente, accelerando le reazioni chimiche che intrappolano la CO2 come carbonati solidi. Queste reazioni possono anche comprimere i pori e aumentare la resistenza precoce, offrendo una via interessante verso edifici e infrastrutture più verdi e più robusti.

Una miscela di cemento a bassa emissione sotto la lente

Gli autori si sono concentrati su un mortaio ibrido composto per il 75% da cemento calcio-sulfoaluminoso (CSA) e per il 25% da cemento Portland ordinario. Il CSA richiede meno energia e rilascia meno CO2 durante la produzione, ma crea anche un ambiente interno meno alcalino rispetto al cemento standard. Questo è importante perché le barre d’acciaio nel calcestruzzo convenzionale sono normalmente protette da una soluzione di pori molto alcalina che mantiene la loro superficie «passiva» e resistente alla ruggine. In questo lavoro, cilindri sottili di mortaio, ciascuno contenente una sottile asta d’acciaio, sono stati sottoposti o a nessuna carbonatazione artificiale o a 4, 24 o 72 ore di CO2 pura ad alta pressione quando avevano soltanto un giorno di età. Successivamente tutti i campioni sono stati stagionati fino a 28 giorni e poi esposti a cicli ripetuti di immersione in acqua salina seguita da essiccazione per 43 settimane per simulare ambienti aggressivi ricchi di cloruri.

Osservare l’acciaio perdere il suo scudo protettivo

Durante tutta l’esposizione il team ha utilizzato tecniche elettrochimiche per monitorare lo stato di salute dell’acciaio—misurando il potenziale a circuito aperto, la resistenza di polarizzazione e la densità di corrente di corrosione, che insieme indicano quanto attivamente il metallo si sta dissolvendo. Hanno inoltre misurato periodicamente il pH del mortaio. Anche prima dell’esposizione aggressiva al sale, il pH globale in questo mortaio ricco di CSA era al di sotto della soglia convenzionale (circa 11,5) necessaria per un film passivo robusto sull’acciaio. Con il proseguire dei cicli bagnato–asciutto, il pH è sceso ulteriormente, specialmente nei campioni pre-carbonatati. La corrente di corrosione nei mortai carbonatati è rapidamente salita a valori circa dieci volte superiori rispetto al riferimento non carbonatato, corrispondenti a una velocità di corrosione «elevata». In altre parole, pur essendo tutte le barre a rischio, la carbonatazione forzata in età precoce ha chiaramente spinto l’acciaio verso un regime di corrosione più severo.

Ruggine che si diffonde e riempie il calcestruzzo

Per vedere dove e come si sviluppavano i danni, i ricercatori hanno impiegato immagini ad alta risoluzione e analisi chimiche. La tomografia computerizzata a raggi X ha fornito mappe 3D delle zone riempite di ruggine intorno alle armature, mentre la microscopia a elettroni retrodiffusi e le mappature elementari hanno rivelato come i prodotti di corrosione ricchi di ferro si siano migrati nel mortaio circostante. Nei campioni non carbonatati, uno strato sottile di ruggine si attaccava all’acciaio, invadendo il mortaio di poche decine di micrometri. Al contrario, i mortai carbonatati mostravano bande di ruggine molto più spesse e irregolari, con prodotti di corrosione che penetravano fino a circa 2 millimetri nella matrice e formando agglomerati il cui volume medio circa raddoppiava dopo appena 4 ore di trattamento precoce con CO2. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha confermato che la superficie dell’acciaio nei campioni carbonatati conteneva più ossidi e idrossidi di ferro ad alto stato di ossidazione e più acqua legata—segni di uno strato di ruggine più spesso e più attivo, soggetto ad attacchi ulteriori.

Un materiale più denso che tuttavia corrode più in fretta

Paradossalmente, la stessa carbonatazione che accelerava la corrosione ha anche reso la microstruttura del mortaio più densa. L’analisi termica e le misure di adsorbimento dell’azoto hanno mostrato che le regioni esterne dei cilindri hanno sviluppato più carbonato di calcio e uno spostamento da pori più grandi a micro- e mesopori più fini, mentre le regioni interne vicino all’acciaio sono state alterate sia dalla carbonatazione sia dalla crescita interna e migrazione esterna della ruggine. Complessivamente la rete dei pori è diventata più compatta, il che in principio dovrebbe rallentare il movimento di ioni aggressivi come i cloruri e limitare la diffusione dei prodotti di corrosione. Lo studio ha infatti osservato che prolungare la carbonatazione da 4 a 72 ore non ha aumentato molto il volume totale di ruggine, ma ha cambiato principalmente la sua distribuzione—zone di ruggine più numerose e meno profonde piuttosto che poche aree grandi—perché i pori raffinati ostacolavano ulteriori penetrazioni.

Cosa significa per un calcestruzzo più ecologico

Per un non specialista, il messaggio chiave è che iniettare CO2 aggiuntiva nel calcestruzzo armato giovane è una lama a doppio taglio. Aiuta a immagazzinare il carbonio e rende i pori interni del materiale più piccoli e più compatti. Tuttavia, in un sistema a bassa alcalinità come questa miscela CSA–Portland, una carbonatazione precoce profonda rimuove anche gran parte della protezione chimica che normalmente impedisce all’acciaio di arrugginire. Il risultato è un’innesco della corrosione più frequente e una maggiore diffusione della ruggine nel calcestruzzo, anche se la microstruttura densa ne limita la profondità. Gli autori concludono che, sebbene la carbonatazione forzata in età precoce presenti vantaggi ambientali e meccanici evidenti, può compromettere seriamente la durabilità a lungo termine degli elementi armati a meno che la chimica e il progetto non siano controllati con grande attenzione.

Citazione: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

Parole chiave: carbonatazione del calcestruzzo, corrosione dell’acciaio, cemento calcio-sulfoaluminoso, sequestro della CO2, durabilità del calcestruzzo armato