NATURALEZA DE LA CORROSION DEL ACERO Y DEL CONCRETO REFORZADO CORROSION DEL ACERO
La corrosión, pues, sería la interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el deterioro de sus propiedades tanto físicas como químicas. Se crean dos zonas, la anódica, donde se produce la disolución del metal (corrosión) y la catódica, donde el metal permanece inmune. Podemos clasificar la corrosión: - Según Medio: química, química, reacciones producidas por la acción del medio ambiente (agua, ambientes marinos, gases industriales...). Las estructuras expuestas a estos ambientes sufren los efectos corro sivos debido a la acción de cloruros, que son arrastrados por el viento y depositados en el acero, que con ciclos alternados de humedad posibilitan la reacción de celdas galvánicas. electroquímica, electroquímica, ya que en un mismo metal hay áreas de diferente potencial eléctrico. La corrosión no se distribuye de manera uniforme sobre la superficie del hierro, sino que queda localizada en determinadas zonas (ánodos) de las que fluye una corriente eléctrica hacia las zonas protegidas (cátodos), al darse corrientes eléctricas entre dos zonas del material con diferentes potenciales. Este tipo de corrosión es la más peligrosa. Según Forma: uniforme: la corrosión química o electroquímica actúa uniformemente sobre toda la Corrosión uniforme: superficie del metal. localizada : se produce en algunos sectores del metal, es la más peligrosa. Corrosión localizada: intergranular : se produce en los límites del metal, ocasiona pérdidas de resistencia del Corrosión intergranular: material. Común en aceros inoxidables. picadura : se producen hoyos o agujeros por agentes químicos, se puede encontrar en la Corrosión por picadura: superficie del metal y se presenta como túneles pequeños y a escala microscópica. esfuerzo: producida por los esfuerzos externos a la que se es sometido el material. Corrosión por esfuerzo: Tambien puede ser causado por esfuerzos internos, producidos por remaches, pernos. fatiga: pérdida de la capacidad del metal para resistir los esfuerzos, rompe la película de Corrosión por fatiga: óxido produciendo una mayor exposición. fricción : se produce por el roce entre dos metales produciendo así un daño material de Corrosión por fricción: los metales. El calor de la friccion elimina el óxido. selectiva: proceso donde es eliminado un elemento debido a una interacción química Corrosión selectiva: (ejemplos más conocidos: desincificación, grafitica) tensión : ocurre cuando el metal es sometido a la acción de tensiones, aparece como Corrosión bajo tensión: fisuras. Corrosión-erosión: causada por un tipo de corrosión y abrasión (causados generalmente por líquidos y Corrosión-erosión: gases). atmosférica. producida por una acción agresiva por el ambiente sobre los metales (efecto Corrosión atmosférica. simultáneo del aire y el agua). galvánica : ocurre cuando metales diferentes entran en contacto, ambos metales poseen Corrosión galvánica: potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición del un metal como ánodo y otro como cátodo, a mayor diferencia de potencial el material con más activo será el ánodo (efectos superficie).
DESCRIPCIÓN Y ORÍGEN DE LOS DAÑOS DESCRIPCIÓN - Coloración, la herrumbre presenta varias coloraciones que van desde el rojo intenso hasta el café rojizo. Inicialmente la herrumbre es un fino granulado, g ranulado, pero a medida que transcurre el tiempo se convierte en pequeñas escamas.
ORIGEN Los factores que intervienen en la corrosión del acero y que van a provocar y/o agravar la misma, son: - Aire y humedad: causantes de la oxidación y posterior corrosión del acero. Presencia de ácidos diluidos y soluciones salinas: aumentan la velocidad de oxidación. o Compuestos sulfurados de los humos procedentes de la combustión: intensifican la oxidación. - Deshechos animales: se considera un tipo especial de ataque químico que puede llegar a ser muy severo. - Algunos materiales, como el mortero de cal tierno y el mortero de yeso atacan vivamente al hierro. - Por la diferencia de potencial en áreas de un mismo metal, debido a la capa de óxido remanente propia del proceso de laminación del acero o por las diferencias en el oxígeno disuelto en el agua u otro electrolito. PREVENCIÓN Y REPARACIÓN DE DAÑOS PREVENCIÓN Algunas medidas utilizadas industrialmente para combatir la corrosión son: - uso de materiales de gran pureza - presencia de elementos de adición de aleaciones (ej. Aceros inoxidables) - tratamientos térmicos especiales para homogeneizar soluciones sólidas, como el alivio de tensiones - inhibidores que se adicionan a soluciones corrosivas para disminuir sus efectos - recubrimiento superficial: pinturas, capas de óxido, recubrimientos metálicos protección catódica La protección contra la corrosión no sólo deberá evitar posibles corrosiones (presencia de pares galvánicos, medios agresivos específicos, etc.) que habrá que analizar durante la fase de proyecto, sino que deberá reducir también las velocidades de corrosión. Para proteger el acero contra la corrosión habrá que recubrirlo con una capa protectora, que puede ser de distintos materiales. Se deberá cumplir: preparación de la base: para asegurar la no existencia de polvo, hollín y óxido se ha de realizar una correcta limpieza de la estructura de acero antes de aplicar el material de recubrimiento: a) Eliminar la cascarilla y óxido por medios manuales, mecánicos, neumáticos o térmicos de manera que se asegure la limpieza sin daño de los elementos estructurales. b) Eliminar, mediante cepillado, los restos de la operación anterior. c) La limpieza se considera asegurada, en condiciones normales, con el transcurso de doce horas a partir de su realización. - materiales de recubrimiento. Los revestimientos más corrientes son: Pintura. Mano de imprimación a base de minio de plomo, terminado con una o dos capas de esmalte, dependiendo del grado de exposición de la estructura. El fabricante de las pinturas para recubrimiento debe garantizar sus propiedades antióxidas. Se podrán emplear aditivos para mejorar la trabajabilidad o la velocidad de secado debiendo el fabricante asegurar que no se modifican las propiedades del recubrimiento. Revestimiento de cemento. Para elementos constructivos que van a quedar ocultos; se aplican varias capas de cemento Portland que va a preservar el hierro a la vez que, por proceso químico, es capaz de absorber las capas delgadas de oxidación que se hubieran formado en un principio. Metalización. Se emplea, principalmente, en elementos no estructurales. El material más empleado es el zinc, recibiendo el producto terminado el nombre de hierro galvanizado (chapas para cubiertas, tubos, alambres y algunos perfiles). El plomo forma un revestimiento eficaz contra los ácidos, y el estaño se emplea en chapas delgadas de hierro (hojalata). ejecución del recubrimiento: Se debe realizar en tiempo seco, con temperaturas superiores a 5°C e inferiores a 50°C y con condiciones ambientales exentas de polvo o gases corrosivos. Con la aparición de condiciones meteorológicas (lluvia, niebla, rocío, temperaturas fuera del intervalo anterior) o artificiales (polvo de obra, gases de fábrica, etc.) diferentes a las indicadas se deben suspender los trabajos de pintura hasta el retorno de las condiciones favorables.
REPARACIÓN Las reparaciones por oxidación o corrosión se realizarán mediante la sustitución de elementos que han tenido pérdidas en el área de su sección, mediante reemplazo de remaches y pernos, en su caso, o eliminación de las zonas deterioradas del recubrimiento mediante la preparación de la base y una
adecuada ejecución del recubrimiento, de esta forma se evitará el contacto de las estructuras de acero con el oxígeno y la humedad, y la entrada de agua al interior. utilizar un método que ha demostrado gran efectividad en estructuras la protección catódica. El principio del funcionamiento es una pila galvánica en la que se hace pasar una corriente eléctrica a una pieza metálica para que se comporte como cátodo; al comportarse como cátodo, una estructura queda protegida contra la corrosión. Existen dos métodos de aplicación de la protección catódica: por ánodos de sacrificio y por corriente impresa. En éste último método, la corriente es aplicada mediante rectificadores que introducen un flujo de corriente necesario para mantener el sistema en un estado termodinámico que impide que se desarrolle la corrosión. Con este método se tiene la ventaja de aplicar la corriente suficiente para la protección, pero se requiere de un mantenimiento constante. La protección catódica por ánodo de sacrificio implica el utilizar un metal más activo electroquímicamente que el que se va a proteger, provocando que el ánodo se corroa y se sacrifique, de ahí su nombre .
CORROSION DE ELEMENTOS DE CONCRETO REFORZADO.
El deterioro por corrosión de las estructuras de concreto armado es de gran magnitud debido a su impacto económico, por lo cual es importante conocer las causas de su origen y desarrollo para controlarlo a fin de prolongar la vida útil de las obras civiles. El concreto reforzado con varillas de acero es uno de los materiales de construcción más usado en todo el mundo, sin embargo presentan el inconveniente de ser susceptibles a fallar por corrosión. Se describe el funcionamiento de la celda electroquímica como fundamento básico para la explicación del proceso de corrosión. Se hace mención de la presencia de un ánodo, un cátodo, un conductor eléctrico, un conductor iónico (electrolito) y una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo y sus características electroquímicas, como elementos indispensables de la celda electroquímica. La electroquímica de la corrosión La corrosión metálica en medio ambiente húmedo es un proceso de naturaleza electroquímica que involucra reacciones de oxidación y reducción, ocasionando el deterioro del material metálico y de sus propiedades. El origen del fenómeno es la presencia de heterogeneidades en la superficie de los metales, que producen zonas de diferentes niveles de energía y propician la formación de la celda electroquímica
Figura No. 1. Celda electroquí mica
ánodo. Porción de una superficie metálica en donde se lleva a cabo la reacción de oxidación (proceso de
corrosión). En este proceso hay una pérdida o liberación de electrones como consecuencia del paso del metal a su forma iónica, que se representa con la siguiente reacción: M → M
n+
+ ne-
[1]
Cátodo. Porción de la superficie metálica donde se lleva a cabo la reacción de reducción, en la cual los
electrones producidos en el ánodo se combinan con determinados iones presentes en el electrolito. En este proceso hay una ganancia de electrones. n+ M + ne- → M [2] Durante el proceso de corrosión en estructuras de concreto, la zona anódica y la zona catódica están localizadas en la superficie del acero de refuerzo. Serie Galvánica.
La serie galvánica es una lista de metales y aleaciones ordenadas de acuerdo a su potencial de corrosión relativo en un medio ambiente dado. La serie galvánica
Figura No. 4 Diagrama de Pourbaix para el fierro De acuerdo a la Figura No. 4, estos diagramas definen zonas en las que las especies químicas pueden estar como sólidos insolubles (Fe, Fe(OH)2 y Fe(OH)3) y solubles, como iones (Fe2+ y F e3+). Las zonas se dividen en: zona de pasivación, de inmunidad y de corrosión. Zona de pasividad . Los hidróxidos de fierro forman una capa protectora en la superficie del metal, que reduce su actividad química y por lo tanto su velocidad de corrosión, por ello se le denomina zona de pasividad. Zona de inmunidad. En esta región del diagrama la especie termodinámicamente estable es el Fe0, por lo tanto el metal es inmune y no sufre corrosión. Zona de corrosión. Las especies estables del fierro se encuentran como iones, por lo tanto es una condición propicia para la disolución del metal.
Figura No. 5 Medición de Potencial de corrosión de diferentes estructuras Cinética electroquímica .
La cinética estudia la velocidad con que ocurre un proceso de corrosión, es decir qué cantidad de un metal por unidad de tiempo se está disolviendo en un medio dado. En electroquímica, al flujo de electrones generado en las reacciones de disolución (oxidación), que es igual al flujo de electrones consumidos en la reacción de reducción, se le llama densidad de corriente de intercambio io( A/cm2), siendo ésta una característica de un metal en equilibrio.
Cu 2+ + 2e-
⇔
Cu
Figura No. 6 Equilibrio de las reacciones anódica y catódica Aún cuando el cobre se encuentra en equilibrio (no existe corrosión) es importante hacer notar que el sistema no permanece estático, sino dinámico, existen reacciones de oxidación donde el cobre se disuelve y reacciones de reducción donde los iones Cu2+ se depositan como metal. Cuando el concreto se prepara correctamente, debido a su elevado pH (12.5 a 13.5 aproximadamente) mantiene a las armaduras en estado pasivo, garantizando una protección química que prolonga su vida útil. Por otro lado, el concreto supone un impedimento físico a la penetración por difusión de oxígeno, humedad, cloruros, anhídrido carbónico y otras sustancias agresivas hasta la superficie del acero. Cuando estas condiciones no se satisfacen, el concreto se hace más permeable a agentes agresivos que ocasionan problemas de corrosión y causan su pronto deterioro. Los poros de mayor tamaño son los que influyen en la durabilidad del concreto, porque a su través acceden agentes agresivos que pueden iniciar un ataque al elemento metálico embebido y causar corrosión.
Figura No. 11 Representación de los poros
Mecanismos de corrosión en concreto
La barrera de protección que le proporciona el concreto a la varilla de acero es reforzada por el valor de pH alcalino que se alcanza después de las reacciones de hidratación del cemento, que pasivan al elemento metálico y lo protegen químicamente. Sin embargo, la interacción con el medio ambiente provoca que la protección se vea disminuida. Los principales agentes agresivos son los cloruros en regiones marinas y la carbonatación en zonas rurales e industriales. La combinación de los agentes agresivos tiene un efecto sinérgico, acelerando el proceso de degradación de las estructuras de concreto armado.
Cuando los agentes agresivos no están presentes desde la elaboración del concreto, éstos penetran a través de él cuando la estructura es puesta en servicio. Al llegar a la superficie del metal, provocan que la corrosión se desencadene. Una vez que la corrosión se ha desencadenado, ésta se manifestará bajo tres vertientes25: 1) Sobre el acero, con una disminución de su diámetro inicial y por lo tanto de su capacidad mecánica. 2) Sobre el concreto, debido a que al generarse acumulación de óxidos expansivos en la interfase acero-concreto, provoca fisuras y desprendimientos. 3) Sobre la adherencia acero/concreto. Desde el punto de vista de la corrosión del acero en el concreto, Tutti26 definió un modelo muy sencillo que representa el tiempo que tarda una estructura de concreto proporcionando servicios para los cuales ha sido diseñada. Este modelo se divide en dos periodos. Periodo de iniciación: Tiempo en que tarda el agente agresivo en atravesar el recubrimiento, alcanzar el acero y provocar el rompimiento de la capa de óxido protector. Periodo de propagación: Comprende la acumulación progresiva del deterioro, hasta que alcanza un nivel inaceptable.
Figura No. 12 Tiempo de vida útil de una Estructura 26
Durante el periodo de iniciación los agentes agresivos llegan a la superficie del metal e inician el proceso de corrosión. Los agentes mas comunes son los iones cloruro y la neutralización de la pasta de concreto conocida como carbonatación. Carbonatación
El pH del concreto puede cambiar por el ingreso de diversas sustancias desde el medio ambiente. Estas sustancias son principalmente el CO2 que se encuentra de manera natural en el aire y el SO3 que se produce de la combustión de combustibles fósiles. De estos, el CO2 en el aire es de mayor importancia, de ahí el nombre de carbonatación. Inicialmente el CO2 no es capaz de penetrar profundamente dentro del concreto, debido a que reacciona con el calibre del concreto superficial (Figura No. 13) de acuerdo con la siguiente reacción:
Si el poro está seco, como se muestra en la Figura No. 14, el CO2 difunde fácilmente, pero la carbonatación no puede ocurrir debido a la falta de agua. Si los poros están llenos de agua ( Figura No. 15) hay apenas alguna carbonatación debido a la poca difusión del CO2 en agua, que es el caso de estructuras sumergidas. La carbonatación se presenta comúnmente en medios rurales y con mayor incidencia en zonas urbanas, en las que se alcanzan grandes concentraciones de óxidos sulfurosos (SOx) y nitrosos (NOx), que son combinados con el agua de la humedad ambiental formando los respectivos ácidos sulfurosos y nitrosos. En zonas de alta contaminación ambiental y altas precipitaciones pluviales, el pH llega a tomar valores cercanos a 4, lo que se conoce como lluvia ácida, que afecta las estructuras de concreto de la misma forma que la carbonatación.
Cloruros
La corrosión inducida por cloruro se presenta en nuestro país en estructuras expuestas al medio marino. Los iones cloruro están presentes en el agua de mar, pero es posible que también los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite en estructuras de concreto cercanas a la línea de mar. De acuerdo al modelo de vida útil, también es necesario que los iones cloruro avancen desde el exterior hasta llegar al nivel de la varilla. Una vez que llegan al acero, se acumulan hasta alcanzar una concentración crítica, la cual tiene la capacidad de romper la estabilidad de la película pasiva y dar inicio al proceso de corrosión. Los iones cloruro pueden estar presentes en el concreto de tres maneras: enlazados, adsorbidos y disueltos en el agua que se conserva en los poros, lo que constituye la disolución poro. La Figura No. 17 ilustra los tres casos, e indica los equilibrios que se establecen para los cloruros en el concreto. Los iones cloruro que son dañinos para el acero de refuerzo son los que se hallan disueltos o libres, pero debido a los equilibrios que se presentan es posible que los que están adsorbidos se incorporen a la disolución y se tornen peligrosos.