Coroziunea fierului în construcții și amenajări: cum acționează și cum o putem evita

Coroziunea este considerată cel mai mare inamic al metalelor, mai ales al aliajelor din fier, pagubele cauzate de acest fenomen natural fiind, conform estimărilor la nivel mondial, de ordinul trilioanelor de dolari anual. Totuși, fierul este utilizat în continuare, dată fiind prezența sa în natură (al doilea metal cel mai răspândit, după aluminiu), și obținerea relativ accesibilă. Astfel, fierul este omniprezent în construcții, în special sub formă de oțel: oțel beton, tabla pentru acoperișuri, feronerie, confecții metalice, sisteme de fixare și ancorare, structuri pentru gips-carton, mobilier etc.

Fierul și aliajele sale

Varietatea tipurilor de aliaje ale fierului este foarte largă, dar pot fi enumerate câteva categorii. Întâlnim frecvent oțelul carbon (aliaj de fier cu carbon în procent de maxim 2,2%) și fontele (procentul de carbon este mai mare de 2,2%). Când oțelul este aliat și cu alte metale, precum nichel, crom, mangan, molibden, vanadiu etc., care depășesc o proporție de 5%, se numește oțel înalt aliat și este folosit pentru elemente de construcție care au nevoie de proprietăți superioare (durabilitate la uzură, rezistență la temperaturi extreme și medii agresive). Atunci când oțelul este obținut cu un procent mai mic de carbon, dar cu un conținut ridicat de crom (peste 12%), și uneori de nichel, coroziunea survine mult mai greu, chiar deloc, transformarea maximă fiind un strat subțire de oxid care îi reduce strălucirea; acesta este oțelul inoxidabil, cu un aspect plăcut, care se menține în timp, eventual după o șlefuire ușoară. Fonta, un material mai ieftin dar casant, este întâlnită la fabricarea caloriferelor în varianta clasică, masivă, pentru diverse piese de la cazane și sobe, țevi de instalație (în trecut), rigole și capace de canalizare, diverse structuri sau mobilier; și aceasta ruginește dacă nu este protejată corespunzător.

Cum se formează rugina

Rugina, forma comună de coroziune a fierului, este rezultatul apariției de oxizi și oxi-hidroxizi de fier la suprafața metalului, în general în prezența apei, a oxigenului și dioxidului de carbon din atmosferă. Sunt niște procese (nu foarte simple pentru cineva care nu este familiarizat cu chimia), favorizate de faptul că materialul funcționează ca o celulă electrolitică, în care se produc schimburi de electroni. Drept urmare, la suprafața metalului se formează un strat de rugină brun-roșcată, poroasă și friabilă; de fapt, rugina trece în timp prin trei stări, în funcție de procesele chimice care se petrec: rugina albă (apare pentru scurtă durată, apoi se transformă), rugina brună (cea pe care o vedem cel mai des) și rugina neagră (sau magnetita, când materialul corodat ajunge la stabilitate chimică). Există și rugină verde, care se formează de pildă în apa mării, în prezența clorului din sare, dar fără aport de oxigen – este întâlnită la stâlpii subacvatici de adâncime.

Toate aceste fenomene pot slăbi o structură (depinde și de volumul de material existent), iar aspectul nu este chiar plăcut. Totuși, uneori acest aspect ne poate da o imagine falsă despre gradul de coroziune, deoarece rugina capătă un volum mai mare decât cantitatea de material afectat. De aceea, ne putem face o părere corectă doar după ce îndepărtăm rugina. Majoritatea metalelor se oxidează, dar acest proces nu le afectează în masă atât de rapid, limitându-se la suprafața materialului (se formează un strat care poate deveni chiar protector, de exemplu la cupru și aluminiu, respectiv aliajele lor). Apare întrebarea firească: de ce continuăm să folosim aliajele de oțel? Pentru că sunt mai ieftine și au o rezistență optimă, uneori chiar superioară altor metale.

Efectele coroziunii

Un strat subțire de rugină nu este chiar un dezastru. Problema este când moleculele de apă, lichidă sau sub formă de vapori, intră progresiv în gropile microscopice sau fisurile din aliajul de fier, accelerând procesele și efectele, cu aportul atomilor de hidrogen care creează un mediu acid. Rugina este permeabilă la apă și aer, deci coroziunea avansează fără probleme sub suprafața aparentă a materialului. Așa cum am spus, rugina capătă un volum mai mare decât cel al aliajului de fier afectat, ceea ce poate provoca tensiuni și deplasări ale structurilor – au fost cazuri de poduri care s-au prăbușit din această cauză. Un caz clasic a fost Partenonul din Atena: la o restaurare din secolul al XIX-lea, pentru fixarea suplimentară a pieselor de marmură, au fost folosite ancore din oțel (nu din plumb, așa cum se proceda în trecut); oțelul a corodat, a expandat și a provocat daune considerabile monumentului.

Armăturile din oțel pot distruge și betonul prin expandarea lor, atunci când sunt expuse la umiditate și aer, iar aderența dintre cele două componente scade considerabil. De aceea, este obligatoriu ca armăturile din oțel să fie complet acoperite cu beton, care este un material alcalin, protector pentru fier. În timp, însă, betonul își pierde alcalinitatea, prin procesul de carbonatare, ceea ce face ca structurile vechi să devină mai fragile din cauza coroziunii armăturilor.

În cazul apei de mare, cu conținut de sare și oxigen, procesele se petrec și mai rapid, iar prezența dioxidului de carbon provoacă formarea de hidroxizi de fier care se desprind de suprafața metalului și corodează fără a forma rugina clasică, până când materialul se consumă complet. De aceea, structurile metalice din mediul marin trebuie realizate din aliaje mai rezistente, iar inspectarea lor se face frecvent, ca și pentru structurile de beton armat. Aceasta cu atât mai mult cu cât fisurile în metalul corodat sunt mai distructive atunci când apar în materiale aflate în tensiune, sub sarcini mari (tensocoroziunea).

Metode de prevenție

O mare parte din pagubele cauzate de coroziune (specialiștii spun că peste un sfert) pot fi evitate printr-o protejare corespunzătoare. Să vedem care sunt cele uzuale: 

• Galvanizarea – suprafața aliajului de fier este acoperită prin electroliză de un metal mai rezistent la coroziune, precum zincul (e un metal relativ ieftin), cadmiul (pentru umiditate sărată), zinc-aluminiul; este o metodă cu efect limitat în timp, deteriorarea ulterioară producându-se cu circa un micron pe an, ceea ce înseamnă că durata de viață a metalului se poate prelungi până la circa 80 de ani. 

• Zincarea termică – piesa este scufundată într-o baie de zinc topit, metal care se depune și formează un strat protector; este, de asemenea, o metodă care prelungește durata de viață a metalului, dar cu câțiva ani, maximum decenii (în funcție de mediul în care va fi amplasat). 

• Protecția catodică – este o metodă care constă în plasarea în mediul coroziv a unui așa-numit ”anod de sacrificiu” (bară sau placă de magneziu, zinc ori aluminiu), care modifică potențialul electric al metalului care trebuie protejat - de exemplu în boilerele de oțel se introduce un anod de magneziu care întârzie considerabil ruginirea; anodul se va coroda el însuși, sfârșind prin a se consuma complet. Metode electrochimice similare sau cu ajutorul unor cabluri cu curent electric se folosesc pentru protejarea structurilor amplasate în medii corozive, inclusiv pentru anumite sisteme de instalații îngropate. 

• Vopsirea și alte tipuri de acoperiri – sunt metode vechi, cunoscute, care izolează fierul de mediul înconjurător. Important este ca, înainte de aplicarea primului strat, suprafața metalului să fie bine curățată de rugină, murdărie și alte depuneri anterioare – altfel vopseaua nu va găsi un strat suport optim. 

• Controlul umidității – în anumite situații, se poate reduce umiditatea din aer cu produse de tip silicagel. 

• Inhibitori de coroziune – în cazul sistemelor închise, se elimină aerul și se introduc gaze care stopează oxidarea.