Corrosione dei metalli negli edifici: la ruggine costa cara
Dalle opere architettoniche del secolo ai cartelli stradali, il nostro ambiente costruito è esposto al vento e alle intemperie. Ma quali sono gli agenti atmosferici dai quali occorre proteggere i nuovi edifici? E come si può rallentare il «passare del tempo» sul patrimonio culturale mondiale? I ricercatori dell’Empa analizzano la corrosione degli elementi costruttivi in metallo e lavorano a una gestione economica e sostenibile del fenomeno della ruggine.
Iniziamo con la buona notizia: oggi le cose vanno meglio. Almeno per quanto riguarda la corrosione. Ciò che negli anni ’80 si arrugginiva e si deteriorava, oggi dura più a lungo. Tuttavia, le sfide per arginare la corrosione su larga scala rimangono enormi: anche oggi, ogni secondo nel mondo diverse tonnellate di acciaio subiscono il destino di tutte le cose terrene e – consumando preziose materie prime – devono essere sostituite. Si stima che la corrosione costi dal tre al quattro per cento del prodotto interno lordo di un paese industrializzato, con danni economici a ponti, tetti e binari che si contano in miliardi.
Uno di coloro che studiano l’entità e le cause della corrosione e lavorano per rendere l’ambiente costruito sostenibile è il ricercatore dell’Empa Ulrik Hans, del Laboratorio di «Tecnologie di giunzione e corrosione» di Dübendorf. E poiché la corrosione non conosce confini, è impegnato nell«»ICP Materials«, acronimo di »International Co-operative Program on Effects on Materials including Historic and Cultural Monuments«, una rete con oltre 60 sedi in Europa e oltre. Nel suo ultimo rapporto, la rete ha evidenziato il notevole calo della corrosione sulla base di esperimenti a lungo termine e ha pubblicato i risultati sulla rivista specializzata »Corrosion and Materials Degradation».
La Svizzera: un modello da seguire
Al fine di individuare le cause e garantire una protezione duratura degli edifici destinati a rimanere in piedi anche in futuro, Ulrik Hans, in collaborazione con l’Ufficio federale dell’ambiente (UFAM), fornisce dati sulla velocità di corrosione alla rete «ICP Materials». In questo modo, in ogni sito della rete vengono esposti campioni metallici standardizzati, ad esempio in acciaio resistente alle intemperie o in zinco-titanio, uno dei principali materiali utilizzati per la copertura dei tetti. «Il zinco-titanio è molto apprezzato nel settore edile perché è completamente riciclabile. Per la conservazione degli edifici, fa una notevole differenza se il tetto metallico e le grondaie devono essere sostituiti dopo 40 anni o solo dopo 80», afferma Hans.
La sede svizzera sul Chaumont, la montagna che domina la città di Neuchâtel, rappresenta praticamente l’esempio per eccellenza all’interno della rete «ICP Materials»: I campioni «esposti all’ambiente» si corrodono praticamente senza influenze nocive provenienti dall’ambiente, ma esclusivamente a causa della reazione redox puramente naturale tra metallo, acqua e ossigeno. All’altra estremità della scala, all’inizio delle misurazioni, si trovavano siti industriali come quello tedesco di Bottrop e quello ceco di Kopisty. A Kopisty, nel 1987, i ricercatori sulla corrosione riuscirono a raschiare mezzo chilo di ruggine da un metro quadrato di acciaio. Oggi, tuttavia, la situazione è migliorata in tutti i siti. Nelle aree industriali si perdono ogni anno tra i 100 e i 150 grammi di acciaio per metro quadrato. Sul Chaumont, nello stesso periodo, si formano appena 30 grammi di ruggine. Lo zinco, che si corrode meno rapidamente, 40 anni fa perdeva ancora circa 15 grammi per metro quadrato nei siti industriali; oggi, in tutti i siti, la perdita è scesa a soli 7 grammi circa.
Identificare le sostanze inquinanti del futuro
Quasi in contemporanea con questo incoraggiante sviluppo, come dimostrano i dati, è diminuita la concentrazione di anidride solforosa nell’aria, un inquinante che, all’inizio delle misurazioni negli anni «80, cadeva dal cielo sotto forma di »pioggia acida». Con picchi di 460 µg di anidride solforosa tossica per metro cubo d’aria, anche nella regione della Ruhr è stato attivato il massimo livello di allarme smog. Laddove i gas di scarico industriali vengono filtrati e i sistemi di riscaldamento a lignite sono ormai fuori uso, l’anidride solforosa non rappresenta più un problema. Nelle zone industriali i valori oggi sono inferiori a 10 µg/m³, mentre sul Chaumont oscillano già da 25 anni tra 0 e 1 µg/m³.
Sebbene la correlazione tra la riduzione della corrosione e la diminuzione dell’inquinamento da anidride solforosa sia evidente, i dati raccolti dai ricercatori non seguono sempre questa correlazione. «La corrosione è un fenomeno complesso e multifattoriale che non è ancora stato compreso appieno», afferma Ulrik Hans. «Ora dobbiamo identificare ulteriori sostanze inquinanti che in futuro assumeranno maggiore rilevanza.» Ad esempio, non è ancora del tutto chiaro in che misura livelli elevati di ozono danneggino i moderni materiali polimerici e in che modo le polveri sottili favoriscano la corrosione. Gli ossidi di azoto e gli idrocarburi volatili sono ulteriori parametri che, insieme ai cambiamenti climatici, potrebbero influenzare la durata delle infrastrutture metalliche.
Previsioni all’avanguardia sulla formazione della ruggine
Conoscendo meglio questi meccanismi, è possibile utilizzare leghe, rivestimenti o strati passivi su scala nanometrica adeguati per garantire la durata, ad esempio, di componenti realizzati con la produzione additiva o strutturati al laser. A ciò si aggiunge una nuova sfida per l’odierno settore edile, che non aveva ancora alcun ruolo nella costruzione del Duomo di Colonia o dell’Acropoli: oggi è necessario prestare attenzione a un uso responsabile delle risorse disponibili.
Affinché i processi di sviluppo di prodotti adeguati e orientati al futuro si svolgano in modo efficiente e sostenibile, i ricercatori dell’Empa analizzano i nuovi materiali già nella fase di sviluppo. A tal fine vengono impiegate tecniche di analisi superficiale all’avanguardia, quali la microscopia a forza atomica con sonda di Kelvin o la spettroscopia fotoelettronica a raggi X, in breve HAXPES. L’unico impianto di questo tipo in Svizzera si trova nel laboratorio di «Tecnologia di giunzione e corrosione» dell’Empa. Grazie alla radiazione ad alta energia, l’HAXPES penetra in profondità nel materiale e consente una caratterizzazione precisa dei materiali e delle loro proprietà di corrosione. «Grazie alle significative previsioni sulla corrosione che ne derivano, sarà possibile anche in futuro costruire e mantenere in modo efficiente edifici di lunga durata», afferma convinto Hans, ricercatore dell’Empa.
Patrimonio culturale in stato di degrado
Anche i siti del patrimonio culturale mondiale subiscono l’usura del tempo. Dal 2010, la rete «ICP Materials» monitora quindi 26 siti del patrimonio culturale mondiale dell’UNESCO, come il centro storico di Berna e il quartiere dell’abbazia di San Gallo. Attraverso studi di caso, i ricercatori hanno dimostrato che l’inquinamento atmosferico – e in particolare il traffico stradale – incide fino all’80% dei costi di manutenzione degli edifici. Grazie a valutazioni di rischio, si dovrebbe infine riuscire a stabilire con precisione dove si trova il confine tra l’invecchiamento naturale di un monumento culturale e il degrado imminente, al fine di pianificare gli interventi di restauro secondo criteri economici. A tal fine vengono presi in considerazione dati relativi alla composizione dei materiali, alla corrosione dei metalli, all’alterazione del calcare e al carico inquinante dell’ambiente circostante.
La corrosione dei metalli rappresenta, ad esempio, un rischio per la durata dei tetti in rame della cattedrale di San Gallo, secondo i calcoli dei ricercatori specializzati in corrosione. In primo luogo, però, l’anno prossimo dovrà essere restaurato il tetto in tegole della chiesa, che fa parte del patrimonio mondiale dell’UNESCO. Anche in questo caso la corrosione ha fatto la sua parte: i chiodi della struttura del tetto, lunga 100 metri, sono arrugginiti. Si stima che i costi ammontino a poco meno di otto milioni di franchi.
Fonte: Empa
