Corrosión de Acero en El Concreto

  • 1 CORROSIN DEL ACERO EN EL CONCRETOIng. Qco. Rafael RosadoENSAYO DE CORROSIN; Ensayo de corrosin; la probeta dedimensiones conocidas (plana) se somete a las condicionescorrosivas de servicio. Se mide la prdida de espesor (una sola carao sea se divide el medido por dos) y se expresa como dx/dt. Mascomn y exacto es registrar por pesada, la prdida de masa de laprobeta (utilizando la densidad se puede calcular la prdida deespesor en cm). Este ensayo solo es til si la corrosin esgeneralizada, si hay picaduras no representa nada.VELOCIDAD DE CORROSIN Y DENSIDAD DE CORRIENTE; Una velocidad decorrosin que produzca una prdida de espesor de 1 mm sobre 1 m2expuesto durante un ao (mm /m2 ao) en acero (densidad 7,8 g/cm3)representar una prdida volumen de 1000 cm3 y de masa de: 7800 g/m2ao = 2,5 * 10-5 mg/seg cm2 ( 1 ao = 31,536 * 106 seg) Si se expresaesa velocidad en unidades elctricas se llama densidad de corriente.Para la reaccin Fe0 = Fe2+ + 2e- , la oxidacin de un mol (55,85 g)demanda 2*96500 coulombs (en adelante C). Para: 2,5 * 10-5 mg/segcm2 se necesitarn 8,64 * 10-2 microC/ seg cm2 o sea 8,64 * 10-2microA/cm2 (ya que A * seg = C) De esta manera, es posible (y deuso generalizado) expresar velocidad de corrosin como densidad decorriente en microA/cm2. De esta manera es fcil comprender que anuna baja velocidad de corrosin concentrada en un punto, puedeprovocar un dao muy grande. Por otra parte un nodo de gransuperficie ser conveniente ya que la densidad de corriente sersiempre pequea.POLARIZACIN DEL ELECTRODO En un metal, sumergido en una solucinde sus propios iones, se dansimultneamente estos procesos: Ionizacin: M0 = M+ + e-(oxidacin, disolucin, provisin de electrones ganancia cargas +)Descarga: M+ + e- = M0 (reduccin, precipitacin, captura deelectrones, prdida de cargas positivas)Si ambos procesos tienen la misma velocidad, se alcanza unequilibrio y no habr pasaje neto de corriente, pero si uno de losdos tiene diferente velocidad el electrodo resultar polarizado(polarizacin espontnea). Mas frecuentemente la polarizacin seproduce porque la velocidad de difusin de los iones (hacia o desdeel electrolito) es menor a la de ionizacin-descarga. Esto resultaren que los iones positivos se acumularn en la interfase del nodopolarizndolo. Por otra parte en el ctodo habr un dficit de losiones que se descargan lo que tambin producir polarizacin. Unasustancia que reduzca la polarizacin se llama despolarizante. Porejemplo la reaccin catdica (reduccin del hidrgeno): 2H+ (solucin) +2 e- = 2H0 = H2 (de hidrgeno atmico a gas molecular) se verretardada por la presencia de oxidantes (el que oxida se reduce)que competirn con el hidrgeno por los electrones, por lo tantoactuarn como despolarizantes.El mismo efecto se consigue aplicando una fem exterior (o seacreando una celda electroltica). Si se conectan por separado elctodo y el nodo a un electrodo de referencia (de potencialconstante y conocido), se pueden medir las densidades de corrientecorrespondientes. El proceso andico que es proveedor de electronesse dar en el sentido de los potenciales de reduccin crecientesmientras que en el ctodo, donde se consumen electrones, el procesose dar en el sentido de los potenciales de reduccindecrecientes.
  • 2El cero de este grfico es arbitrario, depende del electrodo dereferencia que se use. Si se aplican a un electrodo en equilibriocon el electrolito, diferentes ddp, se obtendrn diferentesvelocidades de corrosin, andica o catdica segn el sentido de lacorriente que se aplique. En escala semilogartmica estas curvassern rectas:El potencial al que se igualan ambas velocidades se llamapotencial de corrosin y vemos que en esa zona pequeas variacionesde potencial producen enormes variaciones de velocidad (la escalade i es logartmica). La lnea punteada que corta al proceso andicoen i y E lmites, representa la reaccin catdica cuando la provisinde oxgeno esta limitada por ejemplo en el caso de estructurassumergidas o simplemente por su velocidad de difusin. En este casola velocidad caer hasta un valor i lmite que no podr ser superado.Esta grfica representa la condicin activa del acero en el concreto,hay corrosin libre, solo limitada por escasez del oxgenodisponible.CORROSIN DEL ACERO PASIVADO: Una capa muy fina de tomos (10 o15) forma xidos adherentes de naturalezacompleja (en el caso del acero el xido negroal que se atribuyela frmula Fe3O4) que protege al metal de ulterior corrosin. En estecaso la recta que representa la reaccin andica cambia:
  • 3Si la recta que representa la reaccin catdica pasa por A o porC, la corrosin ser despreciable pero si se eleva el potencial demodo que pase por B la corrosin ser libre, esto depender de lascaractersticas del sistema y en el caso del concreto de su pH y dela presencia de cloruros (mejor dicho de la relacin Cl-/OH-).POLARIZACIN DEL HIERRO EN PRESENCIA DE CLORURO.En condiciones ideales, el elevado pH del concreto mantiene lapasividad del hierro, pero a la larga la permebilidad del concreto(produciendo el ingreso y la salida del agua por efecto osmtico) ylos efectos de la carbonatacin irn neutralizando el pH y lacorrosin se har evidente entre 50 y 100 aos dependiendo de lacalidad del concreto y de las condiciones ambientales. Sobre ciertaconcentracin (o mejor dicho
  • 4 cuando la relacin entre la concentracin del cloruro y la deloxhidrilo alcanza el umbral) el cloruro que tiene una gran afinidadpor el hierro, destruye la capa pasiva pues desplaza al oxgeno delxido pasivante, el sistema pasa a ser de corrosin libre. El cambiode potencial del hierro puede medirse y as detectar el procesoantes de que empiece a reventar la capa de proteccin, por lastensiones de traccin producidas por el incremento de volumen queacompaa a la formacin del hidrxido frrico .El estado de tensin mecnica de las armaduras comunes influye muypoco, otra cosa es con los pretensados donde adems la falla escatastrfica, no hay aviso como en las estructuras comunes.El mecanismo de corrosin por sulfato es muy diferente. Elsulfato ataca al concreto disgregndolo hasta que se alcanzan lasarmaduras y se las expone a la corrosin, as el ataque es visibledesde que comienza. El cloruro en cambio es mas sutil pues laformacin de herrumbre no es visible hasta que la capa de proteccinestalla por los mencionados esfuerzos de traccin. En otras palabrasel ataque por sulfato comienza desde la superficie y avanza haciael interior, acta sobre la masa del concreto, en cambio el cloruroacta sobre las armaduras y comienza por lo tanto en el intedrior dela estructura, su efecto es dentro hacia fuera. El cloruro no tieneefecto sobre el pH del concreto, que proteger al Fe siempre que semantenga entre 12 y 13 (normalmente lo tiene por el hidrxido decalcio que contiene). Los responsables de bajar ese pH son elataque cido, el dixido de carbono y la lixiviacin del hidrxido decalcio por el efecto osmtico que provocan aguas blandas, lluviaetc.ELECTRODOS DE REFERENCIA (o electrodo de media celda) Elmilivoltmetro se usa para medir ddp, tiene dos bornes, el rojo y elnegro. Si queremos medir el potencial de una barra metlicasumergida en una solucin de sus propios iones y apoyamos el rojosobre el metal y el negro en la solucin, obtendremos una lecturaque no tiene sentido ya que el borne sumergido tambin es una pilade potencial desconocido y la lectura entre dos potencialesdesconocidos no significa nada. Para eliminar toda ambigedad en lalectura, el borne negro es reemplazado por un electrodo dereferencia de potencial conocido, el de Cu/CuSO4
  • 5La armadura se encuentra toda al mismo potencial. Se suelda unode lostermianles a una barra de la armadura y se va apoyabdo elelectrodo a la superficie del concreto registrndose las ddp, semapea la estructura. Los valores registrados se confrontan con lostabulados para determinar la probabilidad de que exista un procesocorrosivo. Este proceso permite predecir el proceso aos antes deque la estructura haga crisis. El criterio de la astm C 876, quedescribe detalladamente las caractersticas del electrodo, es: Silos potenciales sobre un area son mas positivos que 0,20 V hay unaprobabilidad mayor que el 90% de que no exista un proceso corrosivoen esa rea. Si esos potenciales estn en el rango entre 0,20 y 0,35V la actividad corrosiva en las armaduras es incierta. Si lamedicin arroja valores mas negativos que 0,35 V existe unaprobabilidad mayor que el 90% de que la armadura se estcorroyendo.En los hechos, una barra en contacto con un concreto embebido enNaCl puede dar ddp de 0,4 a 0,5 V. El hierro pasivo en contacto conconcreto no da lecturas mas negativas que 0,1 V.La medicin de potenciales por s sola no da toda la informacinacerca del estado de la armadura. En el caso de estructurassumergidas en agua salada, los potenciales sern muy negativosindicando que el acero est activo (la resistividad del concretosaturado de cloruro es de 10 a 20 veces menor que la del normal) ysin embargo la velocidad de corrosin ser muy baja por escasez deoxgeno. En estructuras off-shore la zona crtica es lasemisumergida. Cuando la marea sube la estructura mas o menospermeable se satura de agua con cloruro, cuando baja se seca elagua dejando la sal en los capilares (el llamado build-up delcloruro), penetra el
  • 6 oxgeno y se cierra un ciclo por el que la concentracin decloruro ser mas elevada que en la zona sumergida y el oxgeno nuncaser escaso.Esta experiencia fue realizada sobre trozos de barradiscontinuos en una columnna a distintas alturas sobre el nivel delmar.La curva 4, en agua sumergida presenta una lenta cada haciavalores mas negativos, en cambio la 2 y la 3, una brusca cada en elmomento que se rompe la capa pasiva, y las ddp caen a valores muynegativos. La 1 corresponde a una altura lejos de la influencia delcloruro. Causas de la presencia del cloruro en el concreto:a) Externas: Ambiente marino, aguas saladas y la sal usada paradescongelar las rutasb) Internas: aguas saladas usadas para la preparacin de lamezcla, el cloruro de calcio usado durante muchos aos (ahora endesuso) como acelerante de frague. Los ridos como la arena demar)Umbral de cloruro El umbral de cloruro, valor apartir del cualcomienza un proceso de corrosinacelerado, es una relacin entre la concentracin de cloruro y lade oxhidrilo (ambas molares) y se considera empricamente que estalrededor del 30% (de Cl- respecto a OH- ) o sea que corresponde auna concentracin bastante alta. Como los oxhidrilos son aportadospor el cemento Portland es comn referirse a masa de cloruro pormasa de hormign o de cemento Prtland y un valor muy empricoutilizado en USA-Canad
  • 7 es 0,7 K de cloruro/m3 de hormign lo que equivaleaproximadamente a 0,2% del peso del cemento incorporado a lamezcla. Transporte del cloruro en el concretoSe considera que en los primeros 1 a 2 cm (dependiendo de laporosidad) el cloruro avanza por presin osmtica. Luego se considerapor difusin simple, un proceso mucho mas lento. Conociendo elcoeficiente de difusin del cloruro en el concreto en cuestin esposible calcular el tiempo en que el cloruro va a llegar hasta lasarmaduras iniciando el proceso corrosivo. Lo que va a pasar despusdepende de la velocidad de corrosin que tiene variaciones muygrandes que van desde 1 mm / ao (valor nunca superado) a un micrnpor ao. Corrosin del acero en el concretoHasta que el Cl- alcanza el umbral, el acero semantiene enestado pasivo, la corrosin siempre est pero con una velocidad menora 1 um por ao puede considererse que no sucede nada, este es elPERODO DE INICIACIN, cuando por el proceso combinado de aumento dela concentracin del cloruro y disminucin de la concentracin deoxhidrilos se llegua al umbral, la velocidad de corrosin aumentabruscamente , con velocidad variable segn la tabla Estasvariaciones dependen de las condiciones en que est el sistema,estado de las barras al inicio, permeabilidad del concreto, pH,humedad ambiente etc. uA/cm2 V. de Corr.mm/ao prdida espesor102 1,0 Mx. intensidad de corrosin conocida 10 10-1 1 10-210-1 10-3Estado Activo (propagacin)1 um por ao, mxima corrosin en estado pasivoEstado pasivoPerodo de iniciacin, desde el punto de vista prctico no haycorrosinLa lnea roja representa el caso de un hormign de elevadapermeabilidad (R a/c), esto influye el un acortamiento del perodode iniciacin pero no en la velocidad de la corrosin (pendiente delas rectas) ya que una vez que se alcanza el umbral esta escontrolada por otros factores como abastecimiento de oxgeno, pH delelectrolito etc.CARBONATACIN El CO2 atmosfrico neutraliza el Ca (OH)2 que saturael agua que llena loscapilares del concreto, su efecto sobre las armaduras es quedespasiva al hierro y en condicin activa comenzar el proceso depropagacin.
  • 8 CO2 + Ca (OH)2 = CaCO3 + H2O reaccin que sucede en los poros ycapilares del concreto. El carbonato de calcio es casi insoluble yel proceso es muy lento ya que intervienen la fase slida (elhidrxido esta cristalizado), la gaseosa (el CO2) y el agua quefunciona como vehculo.El CO2 est en una concentracin del orden de las 300 ppm en elaire, con variaciones segn se trate de ambientes urbanos,industriales o rurales. Nunca es demasiado alto pero esconstante.El agua es imprescindible pero el proceso se detiene parahumedad relativa ambiente, mayor al 80% por la dificultad del CO2para difundirse por los capilares llenos de agua. Se ha dicho quela mxima carbonatacin sucede para humedades del 60%. El avance dela carbonatacin puede evaluarse en una probeta extrada de laestructura, por la fenoftalena que toma color rojo para pHsuperiores a 8,3, esto es si no hay color el pH es inferior y eldixido de carbono ha neutralizado el concreto. Para el avance de lacarbonatacin se ha establecido: X = aprox. a Kc * raz cuadrada de tDonde x es el espesor carbonatado y t el tiempo. El problema es porsupuesto el Kc (que puede considerarse un coeficiente de difusin)ya que en esto se conoce menos que en el caso del cloruro.Empricamente se han fijado para Kc los valores: De 0 a 3 mm/ao paraa/c < 0,5 y alto contenido de cemento De 3 a 6 mm/ao a/c de 0,5a 0,7 y menos cemento Y > 6 mm/ao para concretos de malacalidad. Estos valores no deben utilizarse en estructurasexpuestasa la lluvia, solo cuando la humedad es adecuada como debajo de unpuente. Como en el caso de las estructuras semisumergidas en aguasalada, los ciclos de humedad y secado son nefastos.PREVENCIN DE LA CORROSIN A.- Diseo adecuado de la estructura: 1La precaucin mas trivial es prever un buen espesor derecubrimiento. En atmsferas agresivas se debe disponer de por lomenos 5 cm de espesor, hay quienes elevan este espesor a 7 cm y enUSA para carreteras martimas se est usando un recubrimiento de 10cm. INCONVENIENTE; un espesor excesivo puede ser contraproducente,ya que est sujeto a fisuraciones no controladas por la armadura 2Preveer un rgimen de exposicin mnimo, en las juntas entre dos losasse debe prever un correcto sellado y un rpido drenaje de agua yesta no debe caer sobre las columnas (se reproducira el build updel cloruro que provoca el rgimen de mareas) 3 En estructurassemisumergidas, para evitar esa acumulacin del cloruro, lasuperficie en contacto con el nivel del agua debe ser mnima
  • 9El nivel adecuado es el 1 que ofrece menos superficie decontacto que la 2. Adems los pilotes suelen ser pretensados, muchomas sensibles que hormign armado comn. 4 Prever una proteccinadecuada. Lo mas econmico es pinturas en base a siliconas quesellan la superficie del concreto, son efectivas pero no hayexperiencia acerca de su duracin. B.- Diseo del hormign 1 Relacina/c mnima. Recurrir a aditivos fluidificantes y a vibrado.INCONVENIENTE; puede haber problemas para llenar correctamente losmoldes, los aditivos no estn exentos de objeciones y un vibradoexcesivo producir segregacin de los ridos. 2 Seleccin de los ridos,la piedra no debe ser porosa aunque generalmente lo es, el granitoconsiderado una buena piedra suele tener una porosidad semejante aldel hormign preparado con una a/c 0,7 o sea uno muy malo (decualquier manera el gel de cemento lo recubre la relacin a/ctermina siendo la controlante, pero para que esto suceda lacantidad de cemento debe ser suficiente). La arena del lugar aportacloruros por lo que existen especificaciones que limitan lacantidad de cloruros que aportan los ridos. Como ejemplo laespecificacin ACI 318-83 (American Concrete Institute) para elcloruro que puede tener el hormign:a) Donde va a haber contaminacin con cloruro (costas marinas) nodebe contener mas del 0,15% del peso del cemento en el momento deser preparado.b) Para cualquier otro tipo de servicio mximo 0,30 excepto si elhormign va a estar siempre seco (interiores) en este caso se admitehasta el 1% siempre del peso de cemento.c) MUY ESTRICTA para hormign pretensado, mximo 0,06%.INCONVENIENTE: Los materiales de la costa martima son confrecuencia inadecuados y traerlos de otra zona tiene un costoelevado. 3 Extremar las precauciones para asegurar un ptimo curadodel hormign. 4 Prever el agregado de puzzolanas, ahora muyutilizadas las cenizas volantes, cenizas de carbn de centraleselctricas. No son cementicias per-se pero reaccionan lentamente conel Ca(OH)2 que satura el agua retenida por el concreto, produciendomas silicatos de calcio que obturan los capilares incrementando laimpermeabilidad de la masa. El mismo efecto se consigue agregandomicroslica. INCONVENIENTE la neutralizacin del hidrxido con laconsiguiente baja del pH.
  • 10 6 Inhibidores de corrosin; han sido propuesto muchos pero elmas exitoso parece el nitrito de calcio, un poderoso reductor(consume electrones e inhibe la reaccin catdica) que se agrega ensuspensin acuosa ; 2 litros/m3 de hormign, eleva el precio en un 5al 10%. Se ha comprobado en laboratorio que eleva el umbral delcloruro unas 10 veces. INCONVENIENTE; Adems del costo, el problemaes que es parcialmente soluble y nadie sabe cuando tiempo va adurar en una estructura sumergida. 6 Proteccin de las varillas: 6a) Cobertura de epoxi aplicada a 200C, la adherencia entre laresina y el acero es excelente en cambio entre la varillarecubierta y el concreto es un 20% menor que con el acero desnudo yesto exige un solapado doble que con las varillas comunes. Un xitoen laboratorio pero un fracaso en obra pues el transporte, descargay manipulacin de las varillas producen grietas en la cobertura ydonde se forman microceldas corrosivas donde la alta concentracinde densidad de corriente provocar picaduras. 6 b) Galvanizado. EnHA el Zn es econmico y protege por su elevado umbral de cloruro, de2 a 3 veces mas alto que el del acero. Si el Zn de la cobertura esdespasivado por el cloruro, los xidos difunden en las porosidadesdel concreto y no forman lminas que despegan las varillas del Hcomo en el caso del Fe. El inconveniente es que la velocidad decorrosin del Zn aumenta dramticamente a partir de pH 12,5 lo quecondiciona su uso a los concretos puzzolnicos. Otro inconvenientees que las barras deben cincarse despus de dobladas, para evitar eldespegue de la capa. Hasta ahora su uso es experimental y el costode estas varillas es un 30% superior. 6 c) Barras de acerosinoxidables austenticos, son excelentes pero su costo es de 8 a 10veces superior. 7 Proteccin catdica:El potencial de una barra as protegida respectp al electrodoCu/CuSO4 es de 800/-1000 mV (0,8 a 1 V), si estuviera en estadonatural estara corroyndose a gran velocidad. Ahora se est usandocomo nodo el recubrimiento de la zona crtica (entre niveles demareas) una malla de titanio que es a suvez recubierta con una capade proteccin con concreto, muy caro pero hasta ahora no tienealternativas porque otros materiales ensayados duran pocos aos. EnFlorida se est ensayando el Zn termorrociado sobre la zona crtica,costo en obra 60 U$S/m2, mucho mas barato que el Ti que segn suextensin puede llegar a 1000 U$S/m2
  • 11 FINALMENTE; que hacer cuando la estructuraest muydeteriorada?. Emparchar el H es slo una solucin cosmtica que durarno mas de 2 aos, ya que el cloruro est adentro y seguir actuando.Mas realista es analizar hasta donde lleg el cloruro y eliminartodo ese concreto, no solo hasta las barras sino mas adentro yreemplazarlo por H nuevo de baja permeabilidad.
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