Effetto della cura con CO2 sulle prestazioni del film di passivazione delle barre d'acciaio nei materiali a base di cemento

Perché conta una protezione del calcestruzzo più ecologica

Le città moderne dipendono dal calcestruzzo armato, dove le barre d'acciaio nascoste all'interno sopportano gran parte dei carichi. Con il tempo queste barre possono arrugginire, mettendo a rischio ponti, edifici e dighe marine. Allo stesso tempo, l'industria del cemento è una fonte significativa di anidride carbonica (CO2). Questo studio esplora una tecnologia chiamata cura con CO2 che potrebbe aiutare su entrambi i fronti: immagazzina CO2 nel calcestruzzo fresco e, come mostra questo lavoro, può effettivamente migliorare la protezione contro la corrosione dell'acciaio interno.

Immettere CO2 per ottenere un calcestruzzo più resistente

Invece di lasciare che il calcestruzzo nuovo indurisca solo in aria umida o a vapore, la cura con CO2 lo espone a una alta concentrazione di anidride carbonica durante le prime fasi. Il gas reagisce con la pasta di cemento formando carbonati solidi che si depositano nei pori vicino alla superficie. Questa reazione sia immagazzina CO2 nel materiale sia crea un involucro esterno più denso. Poiché la maggior parte delle strutture in calcestruzzo è armata con barre d'acciaio, gli autori si sono concentrati su cosa fa questo ambiente modificato al sottile strato protettivo — chiamato film di passivazione — che si forma naturalmente sull'acciaio in calcestruzzi fortemente alcalini e lo protegge dalla ruggine.

Osservare l'acciaio passivarsi e poi perdere protezione

Il gruppo ha gettato piccoli cilindri di malta contenenti barre d'acciaio e ha curato metà di essi con CO2 e l'altra metà in condizioni umide standard. Hanno quindi monitorato come l'acciaio passava da uno stato attivo e non protetto a uno stato passivo e protetto usando diverse tecniche elettrochimiche che rilevano correnti minime sulla superficie dell'acciaio. Queste misure hanno mostrato che nella malta normale l'acciaio impiegava circa tre settimane per raggiungere uno stato passivo stabile, mentre nella malta trattata con CO2 lo faceva in circa la metà del tempo. Gli autori collegano questa accelerazione a una temporanea maggiore concentrazione di ossigeno intorno all'acciaio causata dalla reazione con CO2 e dalla densificazione dello strato esterno di malta, che spinge l'ossigeno disciolto verso l'interno e favorisce una formazione più rapida del film protettivo.

Una pelle protettiva più sottile ma più resistente

A prima vista, il film di passivazione nei provini curati con CO2 potrebbe sembrare peggiore: è leggermente più sottile — circa 4,06 nanometri contro 4,73 nanometri nella cura standard. Ma gli stessi test hanno mostrato che oppone una resistenza al trasferimento di carica maggiore, il che significa che è più difficile per le reazioni corrosive procedere. La microscopia della superficie dell'acciaio ha rivelato il motivo. Nella malta carbonata il film è più uniforme e finemente ordinato, formando un motivo continuo di grani verticali che blocca le vie per gli ioni cloruro e per l'ossigeno. L'analisi chimica tramite spettroscopia fotoelettronica X (XPS) ha inoltre mostrato che questo film ha una percentuale maggiore di ferro in uno stato di ossidazione inferiore (Fe2+) rispetto a Fe3+. Questo equilibrio sembra rendere il film più compatto e conferirgli una maggiore capacità di autoriparare piccoli difetti, riconciliando la sorprendente combinazione di minore spessore e migliore protezione.

Ritardare il danno da sali per molto più tempo

Le strutture reali sono spesso esposte a sali provenienti dall'acqua di mare o dagli agenti antigelo, che possono gradualmente degradare il film di passivazione. Per simulare questo, i ricercatori hanno sottoposto i loro provini a cicli ripetuti di immersione in soluzione salina e asciugatura. L'acciaio nella malta curata in modo standard ha perso lo stato protettivo dopo 18 di questi cicli, con correnti di corrosione che aumentavano bruscamente. Al contrario, l'acciaio nella malta curata con CO2 è rimasto passivo fino a circa 30 cicli, il che significa che l'insorgenza della corrosione seria è stata ritardata di circa due terzi. Questo miglioramento deriva da un doppio vantaggio: lo strato esterno carbonatato rallenta l'arrivo degli ioni cloruro, e il film di passivazione raffinato è più stabile e meno soggetto a difetti sotto attacco.

Cosa significa per le strutture future

Complessivamente, i risultati suggeriscono che la cura con CO2 fa più che intrappolare gas serra nel calcestruzzo; rimodella anche lo scudo microscopico che protegge l'acciaio interno. Accelerando la formazione di un film di passivazione più denso e chimicamente più resistente, e combinandolo con una struttura dei pori superficiale più compatta, il calcestruzzo trattato con CO2 può resistere meglio alla corrosione indotta da sali nel tempo. Per gli ingegneri, questo significa che sostituire la tradizionale cura a vapore degli elementi prefabbricati con la cura con CO2 potrebbe estendere la vita utile di ponti, strutture marine e altre infrastrutture critiche contribuendo allo stesso tempo all'utilizzo della CO2 — offrendo una rara soluzione vantaggiosa sia per la durabilità sia per l'impatto climatico.

Citazione: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

Parole chiave: cura con CO2, calcestruzzo armato, corrosione dell'acciaio, film di passivazione, attacco da cloruri