Cenni storici sull’utilizzo del COR-TEN e delle motivazioni tecniche alla base della
scelta di questo materiale da costruzione: pregi, difetti ed esperienze italiane ed
europee.
Storicamente gli acciai resistenti alla corrosione atmosferica (Weathering Steels) furono
sviluppati negli U.S.A. a partire dai primi anni del ‘900 e commercializzati dalla United
States Steel Corporation con il nome COR-TEN nel 1933. Nel 1964 furono costruiti i primi
ponti in COR-TEN: il New Jersey Turnpike (in New Jersey, appunto) e il Eight Mile Road
Bridge in Michigan.
I presupposti delle ricerche condotte, scaturirono da considerazioni sulle caratteristiche
dello stato di ossidazione e sui ridotti ratei di corrosione riscontarti in alcune tipologie di
acciai strutturali contenenti percentuali di rame maggiori rispetto a quelli allora usualmente
impiegati.
In Europa, i primi studi in merito agli effetti della variazione delle percentuali di alcuni
elementi chimici (principalmente Cu, Cr, Ni, P, Al e Mo) sulla resistenza alla corrosione
furono condotti in Inghilterra e in Germania a partire dal 1920 circa.
Come si può notare nella Tavola 1, nel corso degli anni (gli acciai della serie ASTM A242
risalgono ai primi anni quaranta, mentre gli ASTM A588 risalgono alla fine degli anni
sessanta) le formulazioni degli acciai “patinabili” sono state via via raffinate, da un lato
attraverso un più efficace dosaggio delle percentuali degli elementi caratterizzanti,
dall’altro con una maggiore attenzione verso elementi chimici precedentemente trascurati
(Ni, V, Nb, ecc.).
Tavola1: Composizione chimica di alcuni tipi di COR-TEN
Gli acciai tipo “COR-TEN” sono sostanzialmente acciai ad alta resistenza basso legati,
prodotti principalmente per uso strutturale e per la realizzazione di condotte fumi, non
dissimili in termini di caratteristiche meccaniche dai più noti acciai largamente impiegati
per la costruzione di carpenterie metalliche.
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Foto 1: Viadotto Ululone – Prov. Trento
Dal punto di vista normativo si inquadrano, in ambito italiano (ed europeo), nella norma
UNI EN 10025-5 (l’ultima versione è del 2005) che recita, nel titolo: “Prodotti laminati a
caldo di acciai per impieghi strutturali - Parte 5: Condizioni tecniche di fornitura di acciai
per impieghi strutturali con resistenza migliorata alla corrosione atmosferica”; in ambito
statunitense, come già accennato, il COR-TEN rientra all’interno delle famiglie di acciai
che fanno riferimento alle norme ASTM A242 (COR-TEN – A) e A588 (COR-TEN – B).
Rimanendo in Europa, gli acciai tipo COR-TEN sono parenti stretti degli acciai S235, S355
(UNI EN 10025-2) con i quali si realizzano principalmente ponti stradali e ferroviari, edifici,
strutture metalliche.
Gli acciai inclusi nella UNI EN 10025-5 sono contraddistinti dalle sigle S235J0W,
S235J2W, S355J0W, S355J2W, S355K2W ai quali si aggiungono i COR-TEN al Fosforo –
S355J0WP e S355J2WP.
Dal punto di vista chimico, paragonando i requisiti normativi dei tradizionali acciai
Carbonio-Manganese con quelli degli acciai COR-TEN (Tavole 2 e 3) si possono notare
alcune differenze nelle percentuali previste per i vari elementi di lega:
Prendendo a riferimento, ad esempio, l’acciaio S355 la percentuale massima consentita
per il Carbonio si abbassa, per i COR-TEN (S355J2W) a 0,16% rispetto allo 0,20%
consentito per l’S355J2; altre variazioni (circa 5%) si possono notare per altri elementi
quali il Silicio, il Fosforo, lo Zolfo. Come si può notare, per due elementi particolari
(Manganese e Rame) la UNI EN 10025-5 definisce un range (rispettivamente 0,50÷1,50%
e 0,25÷0,55%) e non semplicemente una percentuale massima come indicato nella UNI
EN 10025-2 (1,60% per il Mn e 0,55% per il Cu).
Infine, per gli acciai tipo COR-TEN, la UNI EN 10025-5 limita con un range (da 0,40 a 0,80
%) anche la presenza di Cromo, elemento non contemplato per gli acciai della UNI EN
10025-2.
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Tavola 2: Estratto EN 10025-2 - Composizione chimica all’analisi di colata degli acciai C-Mn
Tavola 3: Estratto EN 10025-5 - Composizione chimica all’analisi di colata acciai tipo COR-TEN
Senza entrare troppo nel merito, è evidente quindi come piccole aggiunte e piccole
variazioni percentuali di alcuni elementi di lega (principalmente P, Cu, Cr, Mo, ma anche
Nichel ed altri elementi “secondari”) possano produrre importanti effetti in termini di
autoprotezione degli acciai COR-TEN nei confronti della corrosione atmosferica: lo strato
di ossido superficiale (la “ruggine”) che si crea dopo un certo periodo di esposizione
all’umidità e alle intemperie è così compatto e aderente da creare una barriera che isola
l’acciaio sottostante non ossidato dall’ambiente esterno. Normalmente, il processo di
completa formazione dell’ossido superficiale richiede qualche mese di tempo, in funzione
delle condizioni climatiche in cui si trova ad operare l’acciaio.
Dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche (carico di snervamento, resistenza a
trazione, allungamento percentuale minimo e resilienza), le norme di riferimento sono
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sostanzialmente analoghe (Tavole 4 ÷ 7), con l’unica precisazione che la UNI EN 10025-5
(quella relativa ai COR-TEN) non fornisce dati di snervamento e rottura per spessori
nominali delle lamiere superiori a 150 mm (mentre la UNI EN 10025-2 estende i dati a
lamiere spesse fino a 400 mm).
Tavola 4: Estratto EN 10025-2 – Carichi di snervamento e resistenze a rottura degli acciai C-Mn
Tavola 5: Estratto EN 10025-2 – Resilienze KV degli acciai C-Mn
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Tavola 6: Estratto EN 10025-5 – Carichi di snervamento e resistenze a rottura degli acciai COR-TEN
Tavola 7: Estratto EN 10025-5 – Resilienze KV degli acciai COR-TEN
Per quanto attiene la saldabilità degli acciai tipo COR-TEN, essi, in virtù della loro
formulazione chimica più complessa rispetto agli acciai C-Mn tradizionali, richiedono
maggiore attenzione durante le fasi di saldatura.
Infatti, il Carbonio Equivalente CE (Formula IIW), parametro che viene preso a riferimento
per indicare appunto le doti di saldabilità degli acciai C-Mn e microlegati, cresce nei CORTEN fino a valori massimi accettati dalla UNI EN 10025-5 di 0,52% (rispetto ad un
massimo di 0,45% previsto dalla UNI EN 10025-2 per gli acciai tradizionali); all’aumentare
del CE, cresce la temprabilità dell’acciaio e la sensibilità alla formazione di cricche da
idrogeno (note anche come cricche “a freddo”).
Inoltre, la presenza in alcuni tipi di COR-TEN (le qualità S355J0WP e S355J2WP) di
percentuali di Fosforo più elevate rispetto agli acciai tradizionali fa aumentare il rischio di
formazione di cricche di solidificazione (note anche come cricche “a caldo”).
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Conseguentemente, per saldare gli acciai tipo COR-TEN, gli accorgimenti da adottare per
ottenere giunti esenti da difetti di tipo metallurgico sono generalmente più onerosi (e lo
sono anche dal punto di vista economico) rispetto agli altri acciai di tipo strutturale.
In particolare, in funzione dei maggiori valori del Carbonio Equivalente, seguendo quanto
indicato anche nella Appendice C della norma UNI EN 1011-2 (Raccomandazioni per la
saldatura dei materiali metallici – Saldatura ad arco di acciai ferritici) per saldare gli acciai
tipo COR-TEN saranno necessarie maggiori temperature di preriscaldo (a parità di
spessore combinato delle lamiere e degli altri parametri influenti) rispetto a quelle da
applicare per saldare gli acciai tradizionali al C-Mn. In merito ai fenomeni di criccabilità a
caldo, per saldare al meglio i COR-TEN al Fosforo, saranno più indicati i materiali
d’apporto scorificanti di tipo basico, cercando anche di mantenere contenuti gli apporti
termici di saldatura ad esempio privilegiando la tecnica multipass.
Si sottolinea anche come l’omogeneità chimica che si viene a creare tra materiale base e
giunti saldati o giunti bullonati sia altrettanto importante dell’omogeneità del
comportamento meccanico, perché consente di ottenere ratei di corrosione
sostanzialmente uniformi in tutte le aree di una determinata struttura, facilitando la
gestione dello stato di conservazione dell’opera.
Parlando di materiali d’apporto, indipendentemente dal processo di saldatura adottato, per
garantire l’omogeneità meccanica e chimica della Zona Fusa dei giunti è necessario
impiegare fili ed elettrodi compatibili al materiale base sia in termini di prestazioni
meccaniche sia in termini di composizione chimica: tralasciando alcune applicazioni
particolari (saldature single pass e passate di riempimento di giunti multipass) in cui si
possono impiegare materiali d’apporto adatti ai normali acciai C-Mn (Tavola 8), per
conferire ai giunti saldati le stesse caratteristiche di autoprotezione dalla corrosione
atmosferica tipiche del materiale base occorre scegliere materiali d’apporto
espressamente dedicati al COR-TEN.
Tavola 8: Saldatura multipass dell’acciaio COR-TEN
Anche parlando di collegamenti bullonati qualche considerazione va fatta: per garantire
omogeneità di comportamento nei confronti della corrosione, bulloni, rosette e dadi
dovrebbero possedere le stesse caratteristiche di autoprotezione delle lamiere e dei
coprigiunti (ad esempio, materiale Tipo 3 secondo ASTM A325, scegliendo il Grado in
funzione della composizione chimica propria dell’acciaio autopatinabile impiegato).
Tuttavia, occorre sottolineare il fatto che la realizzazione di un collegamento bullonato
passa inevitabilmente attraverso la sovrapposizioni di elementi metallici (il “sandwich”
composto da lamiere, coprigiunti, rosette, dadi e teste dei bulloni), e tale sovrapposizione
genera meati che possono comunque promuovere forme di corrosione di tipo interstiziale.
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In ogni caso, gli acciai tipo COR-TEN restano materiali da costruzione sostanzialmente
facili da impiegare, ed hanno caratteristiche estremamente interessanti non solo dal punto
di vista del comportamento meccanico e della resistenza alla corrosione atmosferica, ma
anche dal punto di vista estetico ed architettonico.
Tuttavia, i presupposti all’impiego del COR-TEN devono essere attentamente valutati,
soprattutto in relazione all’ambiente nel quale tale materiale è destinato ad operare.
Ancora addentrandosi nella UNI EN 10025-5, si trovano (nell’Appendice informativa C) le
seguenti precisazioni:
“La resistenza alla corrosione atmosferica dipende dalle condizioni atmosferiche di periodi
secchi ed umidi successivi per la formazione dello strato auto protettivo di ossido del
metallo base. La protezione accordata dipende dalle condizioni ambientali e dalle altre
condizioni prevalenti nella sede della struttura.” ………. “Si raccomanda una protezione
superficiale convenzionale quando il tenore di particolari sostanze chimiche nell’aria è
considerevole e tale protezione diventa assolutamente necessaria quando la struttura è a
contatto con l’acqua per periodi prolungati, è perennemente esposta all’umidità o deve
essere utilizzata in atmosfera marina.” ………. “Le superfici delle strutture, che non sono
esposte agli elementi, ma che potrebbero essere soggette alla formazione di condensa,
dovrebbero essere ventilate in modo adeguato”.
Foto 2 –Aree delle travi soggette a stillicidio di acque meteoriche
Pertanto paiono chiare le limitazioni all’uso del COR-TEN: ambienti molto umidi, ambienti
marini o zone costiere in cui vi sia forte presenza di sali a base Cloro (alcuni Fabbricanti,
indicano come precauzionale una distanza minima delle strutture in COR-TEN dal mare
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pari a 2 km), aree con atmosfere particolarmente ricche di agenti chimici corrosivi e fumi
industriali (specialmente SO2) non consentono al processo di formazione della patina
protettiva di ossido di completarsi, stabilizzarsi e proteggere il materiale sottostante.
Tuttavia, non sempre si tiene conto del fatto che, anche in aree sicuramente idonee all’uso
del COR-TEN, vi possono essere fenomeni localizzati di ristagno di umidità (pensiamo
all’accumulo di polveri, sabbie, sali antigelo, ecc.) quando non di vero e proprio stillicidio di
acqua. Nelle fotografie 2 e 3, ad esempio, che si riferiscono ad un viadotto con struttura
mista acciaio-calcestruzzo e travi realizzate in acciaio tipo COR-TEN, si possono notare gli
effetti della inadeguata canalizzazione delle acque meteoriche, che hanno comportato
forme di corrosione localizzata (e pertanto molto insidiosa) in alcune zone di impalcato.
Si può notare chiaramente (Foto 2) l’alone semicircolare presente nell’anima della trave
del viadotto, in corrispondenza delle aree di proiezione degli schizzi d’acqua provenienti
dalla soletta sovrastante; altrettanto evidenti (Foto 3 e 4) sono le conseguenze del ristagno
delle acque meteoriche nelle zone dei giunti bullonati delle travi e la formazione di spesse
scaglie di ossido all’estradosso delle travi, nelle zone di colatura delle acque (Foto 5).
Foto 3 – Aree delle travi soggette a stillicidio e ristagno di acque meteoriche
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Foto 4 – Aree delle travi soggette a ristagno di acque meteoriche
Foto 5 – Aree delle travi soggette a colatura di acque meteoriche
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In merito al corretto impiego del COR-TEN non protetto, anche le fasi di progettazione
delle opere sono molto importanti: prevedere fori per il drenaggio delle acque meteoriche,
eliminare zone di accumulo di acqua e umidità, favorire una adeguata ventilazione attorno
agli elementi metallici sono tutti aspetti fondamentali per la buona conservazione nel
tempo delle strutture in acciaio patinabile.
Viste le considerazioni fin qui espresse, si ritiene interessante esaminare anche la
questione inerente la protezione superficiale delle opere realizzate con acciai resistenti
alla corrosione atmosferica e delle opere realizzate con acciai tradizionali al C-Mn.
Mentre per gli acciai non patinabili l’unica opzione praticabile per impedire (o meglio, per
ritardare) l’avanzare della corrosione resta quella di proteggere le superfici attraverso vari
metodi (pitturazione, metallizzazione e galvanizzazione a caldo, solo per citarne alcuni),
per gli acciai tipo COR-TEN, già naturalmente autoprotetti, un ulteriore rivestimento
superficiale potrebbe essere pensato come una “riserva di sicurezza” nei confronti della
corrosione.
Forme di stillicidio e di accumulo di umidità come quelle descritte negli esempi sopra
riportati, nel breve periodo avrebbero probabilmente causato meno danni se si fossero
manifestate su strutture metalliche pitturate, visto che ad entrare in crisi sarebbe stata
prima la protezione superficiale e solo successivamente il materiale sottostante. Inoltre, un
evidente degrado delle pitture avrebbe probabilmente costituito un importante “campanello
di allarme” nei confronti dello stato di salute della struttura, mentre, nel caso di strutture in
COR-TEN non protetto, forme di degrado superficiale risultano di solito più difficili da
percepire e sono, pertanto, più insidiose.
In merito ai vantaggi ottenibili dall’impiego di COR-TEN pitturato al posto di acciai
tradizionali pitturati, ecco quanto è riportato nell’Appendice informativa C della EN 100255: “Under comparable conditions, the susceptibility to corrosion of steel with improved
atmospheric corrosion resistance under painting is less than that for conventional
structural steels.”
In realtà, l’argomento è controverso: a fronte dei dati storici reperibili in letteratura che non
sembrano enfatizzare i vantaggi nell’uso di COR-TEN pitturato rispetto al normale acciaio
da costruzione pitturato, scegliere un materiale più costoso e sostanzialmente sviluppato
per essere impiegato allo stato non protetto ed utilizzarlo nello stesso modo in cui si
impiegano gli acciai al C-Mn sembra una scelta contraddittoria. Infatti, vista l’analogia dei
comportamenti meccanici degli acciai in questione, il sostanziale vantaggio nell’uso degli
acciai autopatinabili sta proprio nella possibilità di non pitturare le superfici, ottenendo (in
termini di tempi e di costi) sia un risparmio iniziale legato all’eliminazione delle fasi di
pitturazione, sia un risparmio successivo legato all’assenza di manutenzione e
riapplicazione delle pitture. Ed il vantaggio di non dover pitturare le strutture metalliche ed
eseguire onerose manutenzioni ripaga ampiamente nel tempo i maggiori oneri diretti
relativi all’acquisto del materiale base, dei bulloni in materiale omologo e degli adeguati
materiali d’apporto per la saldatura, nonché i costi indiretti (sopra brevemente illustrati)
legati alle maggiori cautele necessarie durante le fasi di saldatura.
Situazione differente, invece, è quella legata all’eventuale pitturazione di strutture in CORTEN già esercite allo stato non protetto, eseguita a posteriori per contrastare gli effetti
dell’esposizione di tale acciaio ad ambienti che nel tempo si siano rivelati non del tutto
idonei ad esso o particolarmente aggressivi: in tali casi, per prolungare la vita delle
strutture si può senz’altro ricorre all’applicazione di cicli di pitturazione sostanzialmente
simili a quelli previsti per gli acciai strutturali tradizionali.
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Foto 6: Viadotto Stura di Demonte – Prov. Cuneo
Peraltro, riguardo alle modalità di preparazione superficiale e di pitturazione, l’acciaio tipo
COR-TEN è del tutto assimilabile agli altri tipi di acciaio: una volta preparate
adeguatamente tutte le zone critiche degli elementi da pitturare (arrotondamento degli
spigoli, eliminazione degli spruzzi di saldatura, molatura di asperità superficiali, ecc.) i
risultati migliori si ottengono con un buon decapaggio con solvente delle zone contaminate
da olio e grasso, seguito una accurata sabbiatura delle superfici (Sa2,5 / Sa3); tipo e
dimensione del profilo superficiale (rugosità) e modalità applicative dei prodotti
dipenderanno, come sempre, dal tipo di Primer e dai tipi di pitture che compongono il ciclo
prescelto.
In conclusione, viste le considerazioni espresse, l’opportunità dell’impiego di acciai tipo
COR-TEN o piuttosto di acciai al C-Mn tradizionali pitturati sembra essere legata
sostanzialmente alla corretta analisi degli ambiente in cui tali acciai andranno ad operare
ed alla corretta progettazione delle opere: il COR-TEN non pitturato resta un ottima
soluzione, senz’altro vantaggiosa in termini economici, per strutture che operano in
ambienti scarsamente interessati da forte umidità, da presenza di cloruri, da particolari
inquinati di tipo industriale; qualora tali presupposti vengano a mancare, la scelta
economicamente più vantaggiosa sembra essere quella di impiegare acciai tradizionali
provvisti di adeguata protezione superficiale.
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