La carbonatazione è l’insieme dei processi in cui il diossido di carbonio reagisce con fasi basiche, idrossidi, ossidi o silicati formando carbonati. Nei sistemi a base di calcio la reazione-guida è:
La stessa parola compare in contesti diversi: indurimento delle malte a calce, alterazione del calcestruzzo armato, precipitazione di carbonati in acqua e mineralizzazione della \mathrm{CO_2}. Il fenomeno comune è l’ingresso della \mathrm{CO_2} in un sistema alcalino e il suo consumo chimico.
Reazione di base
Nel ciclo della calce, la carbonatazione chiude la sequenza calcinazione-spegnimento-indurimento: l’idrossido di calcio torna a carbonato assorbendo \mathrm{CO_2} dall’aria.
| Grandezza | Relazione | Significato |
|---|---|---|
| stechiometria | \displaystyle n_{\mathrm{CO_2}}=n_{\mathrm{Ca(OH)_2}}=n_{\mathrm{CaCO_3}} | una mole di \displaystyle \mathrm{CO_2} produce una mole di carbonato |
| massa molare | \displaystyle M_{\mathrm{CaCO_3}}\simeq 100{,}1\ \mathrm{g/mol} | riferimento per bilanci di massa |
| acqua | \displaystyle \mathrm{H_2O} è prodotto della reazione | il processo richiede umidità ma non pori saturi |
| alcalinità | consumo di \displaystyle \mathrm{OH^-} e fasi basiche | diminuzione del pH nei sistemi cementizi |
Nelle malte aeree tradizionali la carbonatazione è il meccanismo di presa e indurimento: la \mathrm{CO_2} deve diffondere dall’esterno verso l’interno, perciò strati spessi, superfici poco permeabili o ambienti troppo secchi rallentano il processo.
Nel calcestruzzo
Nel calcestruzzo armato la carbonatazione è soprattutto un problema di durabilità. La \mathrm{CO_2} penetra nei pori, si scioglie nell’acqua interstiziale, reagisce con portlandite e altri prodotti idrati della pasta cementizia, e abbassa il pH della soluzione nei pori.
Un pH molto alcalino mantiene passivo l’acciaio d’armatura. Quando il fronte di carbonatazione raggiunge le barre, la passivazione può venire meno; in presenza di umidità e ossigeno cresce il rischio di corrosione.
| Effetto | Conseguenza |
|---|---|
| consumo di \displaystyle \mathrm{Ca(OH)_2} | riduzione dell’alcalinità |
| formazione di \displaystyle \mathrm{CaCO_3} | possibile densificazione locale della matrice |
| abbassamento del pH | rischio di depassivazione delle armature |
| avanzamento del fronte | dipende da porosità, umidità, copriferro, fessure e concentrazione di \displaystyle \mathrm{CO_2} |
La carbonatazione non è quindi sempre negativa: nelle malte a calce è necessaria, mentre nel calcestruzzo armato può diventare critica quando riduce la protezione chimica delle armature.
Equilibri carbonatici
In acqua, la \mathrm{CO_2} partecipa a una catena di equilibri acido-base:
Quando sono presenti ioni calcio, la precipitazione del carbonato può essere descritta da:
Questi equilibri controllano precipitazione e dissoluzione del carbonato di calcio, incrostazioni, durezza dell’acqua, stabilità delle acque naturali e comportamento di materiali porosi a matrice calcica.
Fattori che la controllano
| Fattore | Effetto operativo |
|---|---|
| disponibilità di \displaystyle \mathrm{CO_2} | aumenta la spinta alla carbonatazione se la diffusione non è limitante |
| umidità | serve acqua nei pori, ma la saturazione ostacola la diffusione del gas |
| porosità e fessure | aumentano il trasporto della \displaystyle \mathrm{CO_2} verso l’interno |
| riserva alcalina | più fasi basiche richiedono più \displaystyle \mathrm{CO_2} per abbassare il pH |
| temperatura | modifica velocità di diffusione, solubilità e cinetica di reazione |
Errori comuni
- Confondere carbonatazione e calcinazione: la calcinazione libera \mathrm{CO_2} dal carbonato, la carbonatazione la consuma.
- Considerare la carbonatazione sempre negativa: nelle malte aeree è il meccanismo di indurimento.
- Trascurare il ruolo della diffusione: la reazione può avvenire solo dove la \mathrm{CO_2} riesce ad arrivare.
- Valutare il calcestruzzo armato solo dal carbonato formato, ignorando l’effetto sul pH e sulla passivazione dell’acciaio.
Vedi anche: Ciclo della calce, Fronte di carbonatazione, Metalli alcalino-terrosi, Durezza dell’acqua, pH, Chimica inorganica.