Meccanismi di miglioramento di Cr e terre rare sulla resistenza alla corrosione delle barre d’armatura HRB400 in soluzioni di pori del calcestruzzo contenenti cloruri

Perché le barre arrugginite contano

Nascoste all’interno della maggior parte dei ponti, delle gallerie e degli edifici costieri ci sono barre d’acciaio che sopportano silenziosamente i carichi. Quando quelle barre iniziano a ossidarsi, il calcestruzzo circostante può creparsi, sfaldarsi e infine cedere—talvolta decenni prima del previsto. Questo studio esplora un nuovo modo per rendere quelle barre d’acciaio più resistenti alla corrosione indotta dal sale modificando lo stesso acciaio, invece di limitarsi a impiegare rivestimenti migliori o calcestruzzo più spesso attorno ad esso.

Sale, acciaio e calcestruzzo che si sgretola

In ambienti marini e in strutture esposte agli agenti disgelanti, gli ioni cloruro penetrano gradualmente nel calcestruzzo finché non raggiungono l’acciaio di armatura. In condizioni normali l’acciaio è protetto da un film sottile e stabile formato nel fluido alcalino dei pori del calcestruzzo. Tuttavia il cloruro compromette questo film e innesca attacchi localizzati che cominciano come piccole cavità e possono evolvere in gravi danni da ruggine. Le contromisure convenzionali si concentrano sul calcestruzzo o sui rivestimenti esterni, che migliorano le condizioni attorno all’acciaio ma non cambiano il modo in cui l’acciaio stesso risponde a un ambiente aggressivo e salino.

Progettare acciai più intelligenti

I ricercatori hanno esaminato tre versioni di un acciaio da costruzione comune noto come HRB400: il grado standard, una versione arricchita in cromo e una terza versione contenente sia cromo sia tracce di elementi delle terre rare (cerio e lantanio). Hanno focalizzato l’attenzione sulle inclusioni microscopiche dell’acciaio—piccole particelle non metalliche residue dalla lavorazione che spesso diventano i punti di partenza della corrosione. Nell’acciaio standard queste inclusioni sono ricche di solfuro di manganese e ossidi complessi che si dissolvono facilmente in soluzioni ricche di cloruri, aprendo spazi all’interfaccia inclusione–acciaio e creando microambienti dove le cavità possono formarsi e crescere rapidamente.

Domare i punti deboli all’interno dell’acciaio

L’aggiunta di cromo e terre rare trasforma sia la microstruttura sia le inclusioni. Il cromo riduce la quantità di certe fasi microstrutturali e favorisce la formazione di un film superficiale più protettivo. Le terre rare riorganizzano le inclusioni in ossidi di alluminio e terre rare, spesso avvolti in un sottile involucro di solfuro di manganese, e riducono in modo significativo il numero di particelle di solfuro di manganese esposte. La microscopia elettronica dettagliata mostra che, nell’acciaio modificato con terre rare, gli involucri solfurei si dissolvono per primi, ma i nuclei di ossido di terre rare si dissolvono molto più lentamente. Queste inclusioni più robuste agiscono meno come porte aperte per l’attacco dei cloruri e più come barriere che rallentano la crescita delle cavità attorno a esse, anche quando i livelli di cloruro sono elevati.

Misurare la velocità di diffusione del danno

Per confrontare le prestazioni, il team ha immerso i tre acciai in soluzioni simulate del fluido dei pori del calcestruzzo contenenti diverse quantità di sale e ha utilizzato test elettrochimici per monitorare quanto facilmente si innescava la corrosione. L’acciaio con cromo e terre rare ha mostrato sistematicamente la resistenza più alta: il suo film passivo si rompeva a potenziali più elevati, presentava correnti di corrosione inferiori e archi di impedenza più ampi—segni di una barriera più efficace al movimento di cariche e ioni. Dopo giorni in soluzioni ricche di cloruri, prove di perdita di massa e mappe superficiali 3D hanno rivelato che questo acciaio sviluppava le cavità più superficiali e le aree danneggiate più piccole. In effetti, dopo sette giorni il tasso di corrosione dell’acciaio cromo–terre rare era circa un terzo rispetto all’HRB400 convenzionale, e le sue cavità erano meno acute e meno penetranti.

Come si comporta il film protettivo

L’analisi superficiale della ruggine e degli strati passivi ha confermato che cromo e terre rare vengono incorporati nel film esterno, dove formano ossidi stabili che otturano i difetti e rendono più difficile l’insinuarsi dei cloruri. Misure elettriche del comportamento di tipo semiconduttore del film hanno mostrato che l’acciaio cromo–terre rare aveva la più bassa densità di portatori di carica, indice di uno strato di ossido più ordinato e meno difettoso. Anche con l’aumento della concentrazione salina e con una maggiore vulnerabilità di tutti gli acciai, questa lega modificata manteneva costantemente la barriera più spessa e protettiva e il minor numero di vie di accesso per gli ioni corrosivi.

Cosa significa per le strutture future

In termini semplici, lo studio dimostra che modificare con cura la composizione dell’acciaio di armatura—aggiungendo piccole quantità di cromo ed elementi delle terre rare—può rallentare significativamente il modo in cui il sale aggredisce dall’interno verso l’esterno. Invece di fare affidamento esclusivamente su calcestruzzi migliori o rivestimenti, gli ingegneri possono utilizzare acciai i cui punti deboli interni sono riprogettati in modo che le cavità si formino più tardi e crescano più lentamente. Per ponti, moli ed edifici costieri, tali acciai potrebbero tradursi in vite operative più lunghe, minori interventi di riparazione e strutture più sicure in alcuni degli ambienti più severi che le nostre infrastrutture devono affrontare.

Citazione: Zhu, R., Chen, T., Hao, L. et al. Enhancement mechanisms of Cr and RE on the corrosion resistance of HRB400 rebar in chloride-containing concrete pore solution. npj Mater Degrad 10, 36 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00746-3

Parole chiave: durabilità del calcestruzzo armato, corrosione delle barre d’armatura, attacco da cloruri, acciaio microlegato, leghe con terre rare