UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ
TESIS
ESTUDIO DEL EFECTO DE LA CORROSIÓN EN EL CONCRETO ARMADO EN LAS EDIFICACIONES DE LA REGIÓN DE PUNO
Autores: Bach. En ing. Civil: Hugo Frank MAMANI QUISPE Bach. En ing. Civil: Rony Iván CONDORI CARRIZALES
JULIACA – PERU PERU 2013
Universidad andina Néstor Cáceres Velásquez
Juliaca – Perú Perú
TESIS DE GRADO:
ESTUDIO DEL EFECTO DE LA CORROSIÓN CORROS IÓN EN EL CONCRETO ARMADO EN LAS EDIFICIONES DE LA REGIÓN DE PUNO.
AUTORES: Bachiller En Ingeniería Civil. Hugo Frank MAMANI QUISPE Bachiller En Ingeniería Civil. Rony Iván CONDORI CARRIZALES ASESOR: ING. HIPOLITO
JURADOS: PRESIDENTE
: Mg. ALFREDO ZEGARRA BUTRON
PRIMER MIEMBRO
: Mg. MILTHON QUISPE HUANCA
SEGUNDO MIEMBRO
: Dr. RONALD MADERA TERÁN
Trabajo de grado, modalidad tesis de grado, presentado como requisito parcial para optar el titulo de ingeniero civil.
JULIACA – PERÚ PERÚ 2013
INTRODUCCIÓN En los inicios del siglo pasado la corrosión en los puentes fue atribuida a la acción o influencia de las líneas o campos eléctricos generados por los vehículos. Fue hasta los años 50’s, en los Estados Unidos, que finalmente se aceptó que los problemas de corrosión en los puentes no eran producidos por líneas eléctricas, pero la sal marina y de deshielo estaban presentes con frecuencia en esas áreas. En la década de los 60’s se hicieron esfuerzos por cuantificar el problema y en los 70’s los primeros sistemas de protección catódica fueron instalados para tratar el problema. En los 60’s en Europa y Medio Oriente, era común y aceptable el uso agua de mar y la
adición de aceleradores de cloruro de calcio para la creación del concreto, y éstos se siguieron usando hasta los 70’s, en una errónea creencia en que la acción de la mayoría de los cloruros era detenida en el cemento y que no causaría corrosión. Este error generó un mantenimiento muy caro para los siguientes 20 años para diversas construcciones, y especialmente en Medio Oriente, donde la poca accesibilidad de agua potable obligaba a usar frecuentemente agua de mar para la creación del concreto. En Reino Unido, el programa de investigación Concrete in the Oceans en los 70’s, hizo mucho por mejorar el entendimiento de los fundamentos de la corrosión del acero en el concreto reforzado, particularmente en ambiente marino. Las primeras pruebas de extracción electroquímica de cloruros fueron realizadas en EEUU desde 1973 a 1975. Después de estas primeras pruebas, la investigación de este método no se siguió durante un tiempo, debido a factores, tales como la seguridad y el voltaje requerido. Después de muchos años se procedió a seguir investigando y en 1990 se realizó el primer estudio bien documentado en Europa por la Swiss Federal Highway Agency en 1990. Se obtuvieron resultados muy satisfactorios logrando extraer cerca del 50% de cloruro, se comprobó que esta técnica podría emplearse en estructuras muy contaminadas. Pero en realidad, desde el inicio de los 80’s se comenzó a investigar con mucha más atención estos problemas. Desde esos años en adelante, se ha puesto atención en otros aspectos del comportamiento del acero en el concreto, tales como la existencia del agua en los poros del concreto, la electroquímica del acero en su propio ambiente, el mecanismo de protección por una capa de óxido, etc. A partir de estos años hasta la actualidad, se han realizado diversas pruebas en EEUU y Europa de estas y otras técnicas. Han salido al mercado nuevos productos de sellamiento e inhibidores de corrosión. Solo queda en cada ingeniero o técnico en corrosión, hacer un análisis minucioso para elegir la técnica o técnicas correctas y necesarias a aplicar para eliminar la corrosión en cada una de las estructuras a tratar.
CAPITULO I: EL PROBLEMA 1.1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción química o electroquímica con su medio ambiente y es un problema que sucede en muchas edificaciones de concreto armado y que son desinteresadas generalmente. Exceptuando los metales nobles, los demás metales se encuentran en la naturaleza generalmente en forma de compuestos (óxidos, hidróxidos, sulfatos, etc.). Por ello, la extracción de los elementos metálicos a partir de tales compuestos requiere el suministro de energía, a través de un proceso de reducción. Esto significa que los metales tenderán,
en su vida de servicio, de una forma natural a regresar a estados de inferior nivel energético, y esto es lo que ocurre en los procesos de corrosión, que, oxidando los elementos metálicos, suponen una conversión del metal a diferentes compuestos, con disminución de la energía. 1.2.
FORMULACION DEL PROBLEMA
¿Cuales son los efectos de la corrosión en el concreto armado en las edificaciones de la región de puno? 1.3.
OBJETIVOS
Objetivo General. -
Evaluar y controlar los efectos de la corrosión en el concreto armado.
Objetivos Específicos -
1 .Estudiar la influencia de la porosidad del concreto en la corrosión del acero 2. Analizar el proceso de carbonatación. 3. Estudiar la actuación de cloruros en la corrosión.
1.4.
JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION
La presente investigación desea estudiar los problemas de corrosión de los aceros de refuerzo en estructuras de concreto armado. Para lo cual será necesario el análisis de las causas que influencian y los efectos de los mismos en la corrosión. Con los estudios que se realicen y las conclusiones consecuentes, se tendrá mejor entendimiento de las causas de la corrosión del acero de refuerzo de las estructuras de concreto armado y la suma importancia de la misma que tiene en el tiempo de vida útil de las edificaciones. La investigación beneficiará a la toda la población de la región de puno, demostrando el grave error que se comete actualmente en nuestro entorno, al ignorar el problema de la corrosión del acero de refuerzo. 1.5.
LIMITACIONES
Los obstáculos que eventualmente pudieran presentarse durante el desarrollo de la investigación son: -
Cálculos probabilistas en la predicción de tiempo de vida útil de los elementos de concreto armado. -
1.6.
SISTEMA DE HIPOTESIS
Hipótesis General
Prevenir y/o reparar con técnicas físicas, químicas y electroquímicas.
Hipótesis Específica 1. la porosidad es directamente proporcional e influyente en el desarrollo de la corrosión del acero. 2. cambia el PH del concreto por acción del CO2 y se produce la carbonatación. 3. es uno de los agentes que directamente actúa en la corrosión del acero. 1.7.
SISTEMA DE VARIABLES
VARIABLE INDEPENDIENTE -CORROSION DEL ACERO DE REFUERZO: a.- POR LA FUNCIÓN Q CUMPLE: Independiente b.- POR SU NATURALEZA: Activa c.- POR EL MÉTODO DE ESTUDIO: cuantitativo y cualitativo INDICADORES
Porosidad del concreto. carbonatación. presencia de cloruros.
VARIABLE DEPENDIENTE PERIODO DE VIDA UTIL DEL CONCRETO ARMADO. a.- POR LA FUNCIÓN QUE CUMPLE: Dependiente b.- POR SU NATURALEZA: Pasiva c.- POR EL MÉTODO DE ESTUDIOS: ESTUD IOS: cuantitativa
INDICADORES -
prevención y reparación con tratamientos físicos, físicos , químicos y electroquímicos.
1.8.
MARCO METODOLOGICO
NIVEL DE INVESTIGACIÓN Por su naturaleza es el tipo de investigación del presente proyecto es EXPLICATIVA Porque explicaremos el porqué de los hechos mediante el establecimiento de de relaciones causa-efecto, entre el clima y la corrosión del acero de refuerzo en el concreto armado.
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Según las estrategias que adoptaremos es INVESTIGACIÓN DOCUMENTAL, DE CAMPO Y EXPERIMENTAL.
POBLACIÓN Y MUESTRA Población: Región Puno MUESTREO: Muestreo probabilístico Estratigráfico
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS TÉCNICA: observación directa y análisis documental. INSTRUMENTOS: fichas, formatos, libros, voltímetro, dispositivo media celda, y equipos de laboratorio.
TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS 1. Definir el concepto de corrosión, su proceso y representación electroquímica 2. conocer cada uno de los mecanismos de corrosión, su origen y comportamiento en el concreto armado. 3. analizar las técnicas de detección y estimación del daño por corrosión. estudiar los métodos de prevención y reparación frente a la corrosión en el concreto 4. armado.
CAPITULO II: MARCO TEORICO 2.1. EL FENOMENO DE LA CORROSION La corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción química o electroquímica con su medio ambiente (Uhlig, 2008). Exceptuando los metales nobles, los demás metales se encuentran en la naturaleza generalmente en forma de compuestos (óxidos, hidróxidos, sulfatos, etc.). Por ello, la extracción de los elementos metálicos a partir de tales compuestos requiere el suministro de energía, a través de un proceso de reducción. Esto significa que los metales tenderán, en su vida de servicio, de una forma natural a regresar a estados de inferior nivel energético, y esto es lo que ocurre en los procesos de corrosión, que, oxidando los elementos metálicos, suponen una conversión del metal a diferentes compuestos, con disminución de la energía.
1.1 Electroquímica, celda y media celda. 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 (SCT, 2001). 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
1.1)
Figura 1.1.- Celda electroquímica o celda de Daniell. Como puede apreciarse, en una celda electroquímica son indispensables los siguientes elementos: . Porción de una superficie metálica en donde se lleva a cabo la reacción de Ánodo
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-
(1.1)
Cát odo . 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 pro ceso hay una ganancia g anancia de electrones.
M n++
ne-
→M
(1.2)
En el cátodo se cierra el circuito eléctrico a través de un conductor externo. Electrolito : Sustancia a través de la cual las cargas eléctricas son transportadas por un
flujo de iones.
Di ferencia de potencial . Desigualdad en el estado energético entre los dos electrodos que
provoca un flujo de electrones desde el ánodo hasta el cátodo.
. Cable externo que conecta eléctricamente los electrodos Conductor metálico (Conduce los electrones desde el ánodo hacia el cátodo). Los electrones que se pierden en el ánodo durante la reacción de oxidación son utilizados en el cátodo para que suceda la reacción de reducción. 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, mientras que el concreto actúa como el electrolito, completándose así los elementos que se requieren para formar la celda electroquímica. En algunos textos, la celda electroquímica también es llamada "pila de corrosión", “celda electrolítica” o “celda galvánica” o “celda de Daniell”. (Richardson, 2002). La celda está compuesta de dos medias celdas, el cobre en sulfato de cobre y zinc en sulfato de zinc. El voltaje total de la celda es determinado por los metales utilizados y por la naturaleza y composición de las soluciones. El cobre es más resistente a esta reacción que el zinc, así que cuando conectamos las dos soluciones por un membrana semi-permeable (que permite que la carga eléctrica pueda ser intercambiada a través de ella, pero los iones no pueden pasar) y conectamos los dos metales con un alambre, la placa de zinc va a la solución de sulfato de zinc, y la placa de cobre al sulfato de cobre. Los potenciales de media celda están en función de la concentración así como el metal y la solución. Una solución más concentrada es generalmente más corrosiva que una diluida así que una corriente fluirá en una celda de un solo metal en dos diferentes concentraciones de la misma solución. Podemos considerar la corrosión del acero en concreto como una celda de concentración. Podemos medir el riesgo corrosión en dicha celda introduciendo una media celda externa. (Broomfield, 2007).
Figura 1.2.- Esquema de la medición del potencial de media celda. Como vemos en la Figura 1.2, colocando una media celda sobre la superficie del concreto y conectando a un voltímetro y al acero, tenemos un circuito similar a la celda de Daniell (Figura 1.1). La diferencia de potencial eléctrico será una función del hierro en su ambiente de agua capilar. Si movemos la celda a lo largo del acero vamos a observar distintos potenciales porque el hierro está en condiciones diferentes a lo largo de la barra. En el cátodo, la capa pasiva todavía es fuerte y se fortalece aún más por la reacción catódica, por lo tanto, el acero resiste la disolución. Como resultado de ello vemos mayores potenciales (voltajes) en nuestro voltímetro en áreas anódicas (corroídas), y voltajes menores en áreas catódicas o pasivas. El uso y la interpretación de las mediciones de voltaje de media celda serán discutidos en temas posteriores. Debemos ser cuidadosos en el uso de la teoría electroquímica para explicar lo que está sucediendo en una celda de corrosión. La teoría electroquímica aplica generalmente a condiciones de equilibrio y a soluciones bien definidas. La corrosión no es un fenómeno de equilibrio, pero si una situación dinámica. La teoría y las ecuaciones de la electroquímica son por lo tanto una aproximación y puede conducir a errores si el modelo está demasiado alejado de la realidad. (Broomfield, 2007).
1.2 El proceso de corrosión. Una vez que la capa pasiva se rompe, entonces, zonas de corrosión empiezan a aparecer sobre la superficie del acero. Las reacciones químicas son las mismas si ocurre corrosión por ataque de cloruro o carbonatación. Cuando el acero en concreto se corroe, se disuelve en el agua capilar y nos da electrones (El-Reedy,2008): Reacción anódica:
Fe
Fe²+ 2e-
→
(1.3)
Los dos electrones (2e-) creado en la reacción anódica deben ser consumidos en otros lugares sobre la superficie de acero para preservar neutralidad eléctrica. En otras palabras, no es posible para grandes cantidades de carga eléctrica estar en un solo lugar sobre el acero; otra reacción química debe consumir los electrones. Esta es una reacción que consume agua y oxígeno:
Reacción catódica:
H O + 1/2O + 2e₂
₂
2OH-
→
(1.4)
Esto se ilustra en la figura 1.3. Se observa que iones hidroxilo (2OH-) son generados en la reacción catódica. Estos iones aumentaran la alcalinidad y por lo tanto la resistencia de la capa pasiva, alejando los efectos de la carbonatación y los iones de cloruro en el cátodo. Nótese que el agua y el oxígeno son necesarios en el cátodo al ocurrir la corrosión. La reacción anódica y catódica (1.3 y 1.4) son sólo los primeros pasos en el proceso de creación de corrosión. Sin embargo, este par de reacciones es vital para la comprensión de corrosión y es ampliamente citada en cualquier debate sobre prevención de la corrosión del acero en el concreto (Richardson, 2002). Estas reacciones se hará referencia a menudo en este trabajo recepcional.
Figura 1.3.- Corrosión del acero en el concreto. Modelo simplificado.
Si el hierro sólo se disolviera en el agua capilar (ion ferroso Fe 2+ en la ecuación 1.3 es soluble) no veríamos grietas en el concreto. Varias etapas deben ocurrir para que se forme óxido (corrosión). Esto puede ser expresado en varias formas; una se muestra a continuación donde hidróxido ferroso se convierte en hidróxido férrico y luego óxido férrico hidratado u óxido:
Fe ²+ 2OH- -> Fe (OH) (1.5) Hidróxido ferroso ₂
4Fe (OH) + O + 2H2O -> 4Fe (OH)3 (1.6) Hidróxido Férrico ₂
₂
2Fe (OH) ->Fe O .H O + 2H O (1.7) Óxido férrico hidratado (oxidación) ₃
₂
₃
₂
₂
Óxido férrico deshidratado (Fe₂O₃) tiene un volumen de aproximadamente el doble que el acero. Cuando se vuelve hidratado aumenta su volumen aún más y se vuelve poroso. Esto significa que el aumento de volumen en la interacción acero/concretas en dos y diez veces más. Esto conduce a las grietas que observamos como la consecuencia más común de corrosión del acero en el concreto. (El-Reedy, 2008).
2.2. EL CONCRETO 2.1 Propiedades. Anteriormente ya describimos algunas propiedades del concreto. Ahora se explicara de la forma más digerible las propiedades químicas y físicas del cemento y del concreto. El cemento puede describirse como un material con propiedades tanto adhesivas como cohesivas, las cuales le dan la capacidad de aglutinar fragmentos minerales para formar un todo compacto. (SCT, 2001).
2.1.1 Tipos de cemento Portland. Según ASTM. Existen diferentes tipos de cemento Portland en el mercado, los cuales están clasificados de acuerdo a la norma C 150 de la ASTM (American Society for Testing and Materials), como se muestra a continuación: Tabla 2.1.- Tipos de cemento Portland (ASTM)
Cemento
Uso
Tipo I
Cemento de uso general.
Tipo II
Genera menor calor de hidratación que el tipo I y es más resistente al ataque por sulfatos. Se utiliza en grandes estructuras en las que el calor de hidratación puede provocar agrietamientos.
Tipo III
Cemento de alta resistencia a temprana edad y rápido fraguado. Es usado cuando se requiere alcanzar una elevada resistencia en pocos días.
Tipo IV
Presenta un calor de hidratación más bajo que el tipo III, se utiliza en construcciones de concreto masivo.
Tipo V
Cemento de alta resistencia a la acción de los sulfatos, se utiliza en estructuras que están en contacto con suelos de aguas freáticas de alto contenido de sulfatos y en hormigones con aguas negras domésticas.
Según la normativa mexicana.
La norma Mexicana clasifica a los cementos de acuerdo a tres aspectos: 1. Tipo de cemento. 2. Clase Resistente. 3. Características Especiales. Clasificación por el tipo:
Tabla 2.2.- Tipos de cemento Portland (NMX) CPO CPP CPEG CPC CPS CEG
Clasificación por Clase Resistente:
Cemento Portland Ordinario Cemento Portland Puzolánico Cemento Portland con Escoria Granulada de Alto Horno Cemento Portland Compuesto Cemento Portland con Humo de Sílice Cemento con Escoria Granulada de Alto Horno.
Resistencia normal. Es la resistencia a la compresión a los 28 días. La clase resistente de un cemento de acuerdo con la resistencia normal se indica por la designación del tipo de cemento, seguida por los valores 20, 30 ó 40.
Resistencia Rápida. Es la resistencia a la compresión a los 3 días. Para especificar que un tipo de cemento debe cumplir con una resistencia rápida se le agrega la letra R después de la clase. Sólo se definen valores de resistencia rápida para 30 R y 40 R.
Tabla 2.3.- Clasificación por resistencia a la compresión. Resistencia a la compresión N/mm² Clase
3 días
28 días
Mínimo
Mínimo
20
-
20
40
30
-
30
50
30R
20
30
50
40
-
40
-
40R
30
40
-
Resistente
Máximo
Clasificación por Características Especiales: Tabla 2.4.- Clasificación por características especiales. Nomenclatura RS BRA
Descripción Resistente a los sulfatos Baja Reactividad Álcali-Agregado
BCH
Bajo Calor de Hidratación
B
Blanco
2.1.2 Componentes del cemento El cemento se fabrica a partir:
Sulfato de calcio di-hidratado - CaSO ·2H O (yeso) Oxido de calcio - CaO (cal libre) Magnesia - MgO (periclasa) Álcalis Clinker ₄
₂
El clinker es el producto de la fusión a 1,500°C de la mezcla de caliza (CaCO3) y arcilla (Al2O3, Fe2O3 + sílica). Todos estos compuestos reaccionan dando como resultado nuevas especies químicas que son los principales componentes del cemento (Tabla No. 4):
Tabla 2.5.- Componentes del cemento. Componente
Fórmula
Silicato dicálcico(belita)
2CaO.SiO₂
C₂S
Silicato tricálcico(alita)
3CaO.SiO₂
C₃S
Aluminato tricálcico
3CaO. Al₂O₃
C₃A
Ferrialuminato tetracálcico ó Aluminoferrito tetracálcico
Forma Abreviada
4CaO. Al₂O₃ C₄AF Fe₂O₃
2.2 Reacciones en la creación del concreto. Los agregados le proporcionan al concreto mayor estabilidad volumétrica y más durabilidad. Son de gran importancia en el concreto, ya que la calidad de estos se ve reflejada en la resistencia del concreto, además sus propiedades afectan en gran medida tanto la durabilidad como el comportamiento estructural del concreto. Originalmente se consideraban materiales inertes, que se utilizaban por razones económicas, sin embargo ahora se piensa que estos son un material de construcción unido a un todo cohesivo por medio de la pasta de cemento. De hecho, los agregados no son
realmente inertes y sus propiedades físicas, térmicas y químicas influyen en el desempeño del concreto. La alternativa más común en la fabricación de concreto de buena calidad, es obtener agregados que entren, cuando más, en dos rangos de tamaño. La división principal se hace entre el llamado agregado fino (arena), cuyo tamaño es menor de 5 mm, y el agregado grueso (grava) que comprende material mayor a 5 mm. Los cementos que se utilizan en la fabricación del concreto tienen la propiedad de fraguar y endurecer con el agua, en virtud de que experimentan una reacción química con ella. La cantidad de agua necesaria para que se lleve a cabo completamente esta reacción química es alrededor de un 40% del peso del cemento. Un 23% de esta agua se combina químicamente para dar productos de hidratación y el resto se absorbe en la superficie del gel que se forma en los poros. La cantidad de agua añadida inicialmente a la mezcla de cemento y agregados para obtener un concreto fresco con buena manejabilidad es siempre superior a la cantidad de agua necesaria para la hidratación completa. Este exceso de agua es el responsable del grado de porosidad y permeabilidad del concreto endurecido. El agua que no reaccionó tiene características alcalinas debido a que en ella se + disuelven los iones productos de las reacciones del cemento como son Ca² , HO-, Na K y SO4²-. La relación agua/cemento no es otra cosa que la cantidad de agua utilizada con respecto al peso de cemento. Juega un papel muy importante en la preparación del concreto, ya que la mezcla debe ser lo suficientemente semifluida, para manejarla cómodamente. La importancia de la relación agua/cemento radica en que una pasta de cemento con poco contenido de agua estará más compacta, por lo que tendrá menos cantidad de poros interconectados (que son permeables a líquidos y gases) en donde se aloje la humedad, esto impedirá la difusión de iones que puedan iniciar el proceso de corrosión; lo contrario sucede en una pasta con mayor contenido de agua y por lo tanto mayor porosidad y mayor permeabilidad. Esto es de una importancia crítica para el proceso de corrosión del acero de refuerzo, ya que tanto los elementos soporte (como el oxígeno) como los agentes iniciadores (ión cloruro) del ataque corrosivo, pueden difundir hacia el acero a través de la masa de concreto. La velocidad de difusión del oxígeno y de los iones cloruro en el concreto es menor cuando se reduce la relación agua/cemento y por lo tanto la porosidad. (SCT, 2001) Es acero de refuerzo o armadura es el componente metálico embebido en la masa de concreto que le proporciona resistencia a la tracción. 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. A las reacciones químicas que se llevan a cabo entre los componentes del cemento y el agua se les conoce con el nombre de hidratación. Estos productos de hidratación, con el paso del tiempo, producen una masa firme y dura llamada pasta de cemento endurecida. Los productos de hidratación del cemento poseen baja solubilidad en agua, como lo demuestra la estabilidad de la pasta del cemento endurecida en contacto con el agua (Tabla 2.6). La velocidad de hidratación disminuye continuamente, de modo que, aún después de transcurrido mucho tiempo permanece una buena cantidad de cemento deshidratado. Las reacciones que se llevan a cabo son:
Tabla 2.6.- Productos de hidratación del cemento. Componente
Productos de Hidratación
(3CaO*SiO2) + 6H2O
→
3CaO*2SiO2*3H2O + 3Ca(OH)2
Silicato tricálcico + agua
← →
Gel de tobermorita + hidróxido de Calcio 3CaO*2SiO2*3H2O + Ca(OH)2
←
Gel de tobermorita + hidróxido de Calcio
2(2CaO*SiO2) + 4H2O Silicato dicálcico + agua 4Ca*Al2O3*Fe2O3 + 10H2O+ 2Ca(OH)2
Ferrialuminato tetracálcico +agua + hidróxido de calcio
3CaO*Al2O3+12H2O+Ca(OH)2 Aluminato tricálcico + agua + hidróxido de Calcio 3CaO*Al2O3+10H2O+CaSO4*2H2 O Aluminato tricálcico + agua + yeso
6CaO*Al2O3*Fe2O3
→ ←
→ ← → ←
Ca(OH)2*12H2O Ferrialuminato tetracálcico Hidratado
3CaO*Al2O3*Ca(OH)2*12H2O Aluminato tricálcico hidratado 3CaO*Al2O3*CaSO4*12H2O Monosulfoaluminato cálcico
2.3 Porosidad del concreto, vía de acceso de la corrosión. Como se observa, la hidratación de los silicatos cálcicos del cemento forma moléculas voluminosas que consumen agua y liberan Ca (OH)2, mientras que los aluminatos
consumen el hidróxido en su reacción de hidratación. Es debido a la generación de Ca (OH)2 y la presencia de álcalis como NaOH y KOH que la composición de los poros en el concreto alcanza valores de alcalinidad entre 12.5 y 13.5. La pasta de cemento pasa por dos etapas: el fraguado y el curado, que es donde se lleva a cabo la hidratación, la cual es de vital importancia en una estructura de concreto, ya que le ayuda a alcanzar mejores propiedades mecánicas. En términos generales el fraguado se refiere a un cambio del estado fluido al estado rígido. El fraguado es causado por una hidratación selectiva de algunos componentes del cemento, siendo el Aluminato tricálcico (C₃A) y el Silicato tricálcico (C₃S) los que más rápido reaccionan, sin embargo, debido a la adición de yeso se retrasa la formación de la forma hidratada de C₃A y por lo tanto el C₃S fraguará primero. La forma hidratada del C₃A es más porosa, por lo que si fraguara primero se vería afectada la resistencia del concreto resultante. El proceso de fraguado se divide arbitrariamente en fraguado inicial, el cual corresponde a un rápido aumento en temperatura y el fraguado final al máximo de temperatura. El tiempo de fraguado se ve afectado por la temperatura, ya que si la temperatura aumenta, el tiempo de fraguado disminuye al catalizarse las reacciones de hidratación por aumento de la temperatura. El proceso de curado se realiza con el fin de prevenir la evaporación del agua en el concreto, manteniendo la humedad (100%) para que se lleve a cabo satisfactoriamente la hidratación de los materiales cementantes y el endurecimiento apropiado del concreto. El propósito es mantener el concreto saturado, con el fin de que los productos de hidratación del cemento llenen los espacios de la pasta fresca (de concreto) que al principio estaban llenos de agua. El producto principal de reacción del proceso de endurecimiento tiene configuración de gel (agua y constituyentes de partículas de cemento). Cuando la hidratación es casi completa, si la pasta se mantiene húmeda, el proceso de hidratación y la formación de gel continúan mientras haya humedad; si la pasta no se conserva húmeda, la hidratación cesa cuando se evapora el agua. Durante el proceso de hidratación (curado), se induce la formación de una capa pasiva protectora en la superficie del acero, provocada por la presencia de especies alcalinas, como son KOH, NaOH y Ca (OH)2. La pasta de cemento fresco es una retícula plástica de partículas de cemento en agua, pero una vez que la pasta ha fraguado, su volumen permanece constante. En cualquier etapa de hidratación la pasta endurecida consta de hidratos de varios compuestos, denominados colectivamente como gel de cristales de Ca(OH)2, algunos componentes menores, cemento no hidratado y residuos de los espacios rellenos de agua en la pasta fresca. Estos huecos se denominan poros capilares, pero dentro del gel mismo existen huecos intersticiales llamados poros de gel. Por lo tanto, en una pasta deshidratada hay dos clases distintas de poros (Figura 2.1).
Figura 2.1.- Estructura del gel de cemento. Los poros capilares representan la parte de volumen bruto que no ha sido llenado por los productos de hidratación. El volumen del sistema capilar se reduce a medida que avanza la hidratación. Por lo tanto la porosidad capilar de la pasta depende tanto de la relación agua/cemento de la mezcla como del grado de hidratación. La forma de los poros capilares es variable, pero forman un sistema interconectado con distribución aleatoria a través de la pasta de cemento. Estos poros miden alrededor de 1.3 µm. Los poros interconectados constituyen la causa principal de la permeabilidad de la pasta de cemento endurecido. Sin embargo, la hidratación aumenta el contenido sólido de la pasta y en pastas reposadas y densas los capilares pueden bloquearse por el gel y segmentarse de modo que se transforman en poros capilares interconectados solamente por los poros de gel. La ausencia de capilares continuos se debe a la adecuada combinación de la relación agua/cemento y a un periodo suficientemente largo de curado por humedad. (SCT, 2001). El gel es poroso, pero sus poros son espacios intersticiales interconectados en las partículas de gel. Estos poros miden aproximadamente entre 15 y 20 A°. Los poros de gel ocupan alrededor de un 28% del volumen total del gel, son independientes de la relación agua/cemento y del avance de hidratación. Por lo tanto, al aumentar el volumen total del gel con el avance de la hidratación, el volumen total de los poros del gel también aumenta. También se presentan en el concreto, poros que son producidos durante su elaboración; éstos son de mayor tamaño y se deben al aire atrapado y a una mala compactación durante la colocación del concreto fresco.
La Figura 2.2 muestra de los poros que se pueden hallar presentes en el concreto.
Figura 2.2.- Representación de los poros.
Los poros de mayor tamaño son los que influyen en la durabilidad del concreto, porque a través de éstos acceden agentes agresivos que pueden iniciar un ataque al elemento metálico embebido y causar corrosión.
2.3. MECANISMOS DE CORROSIÓN EN EL CONCRETO ARMADO. 3.1 Despasivación del acero La integridad de una estructura de concreto reforzado depende tanto de la calidad de sus componentes como de su dosificación, para lograr las mejores propiedades que garanticen un periodo de vida útil prolongado (SCT, 2001). 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 reforzado. 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. Y llegan a la superficie del metal, provocan que la corrosión se desencadene. Una vez que la corrosión se ha desencadenado, ésta se manifestará en tres maneras: 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, Tutti 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. (SCT, 2001). 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. Estos periodos se ilustran en la Figura 3.1
Figura 3.1.- Tiempo de vida útil de una Estructura.
Durante el periodo de iniciación los agentes agresivos llegan a la superficie del metal e inician el proceso de corrosión. Los agentes más comunes son los iones cloruro y la neutralización de la pasta de concreto conocida como carbonatación. La protección del acero se puede perder:
Por pérdida de la alcalinidad del concreto. Esto ocurre cuando el concreto, por acción del CO2 del aire, se carbonata, según la reacción: CO2 + Ca (OH)2→ CaCO3 + H2O (3.1)
El consumo de hidróxido cálcico provoca una reducción del pH hasta valores no superiores a 9, lo que sitúa al acero fuera de la zona de pasividad, y dentro de la zona I, de corrosión, del diagrama de Pourbaix. Un efecto semejante se produce si los álcalis son arrastrados por el agua (lixiviación), lo que puede ocurrir en puntos concretos (por ejemplo, juntas) en concretos de baja calidad. (SCT, 2001).
Figura 3.2.- Diagrama de Pourbaix del acero.
En este proceso, el cemento hidratado reacciona con las soluciones acuosas formadas por los gases atmosféricos ácidos (el dióxido de azufre y el dióxido de carbono), en condiciones de humedad. Las soluciones acuosas de dióxido de azufre tenderán a disolver la superficie de concreto, pero suelen representar sólo un problema superficial. Sin embargo, el dióxido de carbono penetra en el concreto por difusión y, en presencia de humedad, reacciona con el cemento para formar carbonato cálcico, lo que elimina los iones hidroxilo de la solución de los poros, reduciendo así el pH del hormigón. La transformación de los componentes alcalinos en presencia de agua es:
CO2
+
.2) Na2CO3
+
2NaOH Ca
(OH)2→
→ CaCO3↓
Na2CO3 (3 +
2NaOH (3
.3) 3Na2CO3 + 3CaO.2SiO2.3H2O → 3CaCO3↓ + 6SiO2↓ + 6NaOH + 6H2O (3 .4) Na2CO3 + CaO.Al2O3.8H2O → CaCO3 + 2Al (OH)3 + 2NaOH + 4H2O (3 .5)
Figura 3.3.- Tipos de corrosión del acero en el concreto. 3.2 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. (Richardson, 2002). Inicialmente el CO₂ no es capaz de penetrar profundamente dentro del concreto, debido a que reacciona con el grosor del concreto superficial (Fig. 3.3) de acuerdo con la siguiente reacción: H₂ O CO₂ + Ca (OH)₂ ↔ CaCO3 + H₂O Dando como resultado un cambio en el pH:
(3.6)
pH = 12.5 a 13.5 → pH ≅ 9
Aunque la porción de mezcla externa del concreto se carbonata rápidamente, el CO₂ continúa su ingreso a mayor profundidad y cuando el pH alrededor del acero de refuerzo es cercano a 9, la capa de óxido protector pierde su estabilidad termodinámica, dando paso a la corrosión del acero. (SCT, 2001).
Figura 3.4.- Proceso de carbonatación. Si el poro está seco, como se muestra en la Figura 3.5, el CO₂ se difunde fácilmente, pero la carbonatación no puede ocurrir debido a la falta de agua. Este caso sólo se presenta en concreto que está sobresecado, como ocurre en climas muy secos. Si los poros están llenos de agua (Fig. 3.6) hay apenas alguna carbonatación debido a la poca difusión del CO₂ en agua, que es el caso de estructuras sumergidas. Si los poros están parcialmente llenos de agua (Fig. 3.7), la carbonatación puede proceder hasta un espesor donde los poros del concreto están secos. Los parámetros que determinan la velocidad de carbonatación, son: la composición y cantidad del cemento, la compactación, condiciones de curado y condiciones ambientales de exposición del concreto.
Figura 3.5.- Poros en el concreto: a) Poro seco, b) Poro saturado de agua, c) Poro parcialmente lleno. 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.
3.3 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. Otra fuente de cloruros es en el agua de amasado, lo cual aumenta el alto riesgo de corrosión. 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 capa 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 3.8 ilustra los tres casos, e indica los equilibrios que se establecen para los cloruros en el concreto. (Richardson, 2002).
Figura 3.8.- Equilibrios del ion cloruro 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. Cuando se utiliza agua de amasado con cloruros, cierta cantidad reacciona con los compuestos hidratados del concreto para formar las sales de Friedel, otra cantidad se adsorbe en la superficie de las paredes de los poros y sólo una parte queda disuelta. Esta distribución depende del tipo y la cantidad de cemento con que se dosifique al concreto. En relación a este límite máximo de cloruros es importante mencionar que parte de ellos se puede combinar con las fases alumínicas y ferríticas de los cementos, por lo que los más peligrosos son los que quedan sin combinar o “libres”. La proporción cloruros entre libres y cloruros combinados no es constante, ya que está influida por la finura del cemento, su contenido en yeso, la temperatura durante el fraguado y la humedad de los poros del concreto. Otro caso que corresponde a situaciones típicas de concretos en ambiente marino, en las que el cloruro ingresa lentamente desde el exterior y cuando alcanza al acero, se inicia el deterioro propiamente dicho. Tres son los aspectos relevantes a tener en cuenta en el caso de los cloruros que penetran desde el exterior:
El tiempo que tardan en llegar hasta el acero. La proporción que induce la despasivación. La velocidad de corrosión que provocan una vez desencadenada la corrosión.
En cuanto al tiempo que tardan los cloruros en llegar al acero en una estructura ya construida, lo importante es averiguar a qué profundidad han penetrado en el momento de hacer la inspección, ya que el recubrimiento de concreto debe ser superior a la profundidad que sean capaces de alcanzar estos iones en el tiempo previsto de vida útil de la estructura. La velocidad de avance de los cloruros es, en general, una función de la raíz cuadrada del tiempo ya que, en general, tanto los procesos de difusión pura, como los de absorción capilar, siguen una ley potencial.
XC = KC * √t XC = profundidad alcanzada por una cierta proporción de cloruros. t = tiempo. KC = constante dependiente del concreto y del medio. Si las condiciones de exposición no cambian, puede asumirse que la constante K, que representa la influencia del conjunto de condiciones de exposición sobre la penetración del ión cloruro se mantiene, por lo que puede establecerse el siguiente conjunto de ecuaciones:
XC1 (t)=KC*√t1 XC2 (t)=KC*√t2 Si se determinó que, para el momento t de la medición, el umbral crítico se presentó a x mm de profundidad, será posible estimar cuánto tiempo tardará en alcanzarse el umbral crítico para el espesor de recubrimiento. Si se asignan valores numéricos a estos parámetros, suponiendo que la evaluación se realizó a la edad de 10 años, el espesor del recubrimiento es 25 mm y el umbral crítico se alcanzó a los 18 mm, dividiendo miembro a miembro ambas ecuaciones y despejando t2, queda: t2 = (25/18)² x 10años = 19años A los 19 años, desde que se ejecutó la obra, se alcanzará el contenido crítico de iones cloruro en la posición de las armaduras. Este dato nos permitiría efectuar tareas de mantenimiento preventivo sobre una base racional. (Revista Cemento).
Figura 3.9.- Representación doble logarítmica de la ley de la raíz cuadrada del tiempo: el valor de K se manifiesta en líneas paralelas de pendiente 0.5. En cuanto al límite para la despasivación, puede ser lógicamente diferente en el concreto endurecido que en el fresco, aunque los códigos no abordan este problema y se considera el mismo límite para las dos circunstancia. Sin embargo, se ha detectado que muchos concretos soportan cantidades muy superiores a este límite sin que las armaduras muestren signo alguno de corrosión. Ello es debido a la influencia de factores como el potencial eléctrico del acero (que refleja el contenido en oxígeno entre otras circunstancias) y el pH de la solución de los poros (relación Cl-/OH-).
CAPITULO III: ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL EFECTO DE LA CORROSION. 3.1. DETECCIÓN Y EVALUACIÓN DEL ESTADO DE CORROSIÓN D E L ACERO DE REFUERZO. EVALUACIÓN DEL DAÑO POR CORROSIÓN. Hemos descrito anteriormente los principales mecanismos de corrosión en el capítulo 3. Pero si se desea realizar una reparación efectiva debemos entender las causas y extensión del daño, y aun más, el riesgo del desperdicio innecesario de recursos al efectuar una inadecuada y cara reparación. Este capítulo explica como evaluar la condición de la corrosión en estructuras de concreto reforzado. Se debe recordar que la corrosión es un fenómeno presente en cualquier tipo de ambiente y se puede presentar en cualquier estructura de acero o de concreto. Aun así, este capítulo se concentrará únicamente en elementos y estructuras de concreto reforzado en exposición atmosférica. Una evaluación de la condición de la corrosión no es una supervisión de tipo estructural. Cualquier tipo de rupturas, deflexiones o pérdidas excesivas requieren una evaluación estructural antes de ser reparadas por el daño de la corrosión.
TÉCNICAS DE DETECCIÓN Y EVALUACIÓN. Esta sección explica las técnicas de evaluación más importantes, así también, sus alcances y limitaciones y los recursos necesarios para llevarlas a cabo. A continuación se presenta una tabla conteniendo las principales técnicas de evaluación.
Tabla 4.1.- Técnicas de detección y evaluación más comunes. (Broomfield, 2007). INFORMACION BUSCADA
TECNICAS DE EVALUACION.
PERSONA QUE EJECUTA
Extensión e importancia de Inspección visual. la fisuración. Otros defectos.
General.
Profundidad de carbonatación.
Fenolftaleína.
General.
Presencia de cloruros.
Extracción de muestras para análisis de laboratorio.
General/Especialista.
Estado de corrosión del acero.
Medición del potencial de media celda.
General/Especialista.
3.1.1. INSPECCION VISUAL La inspección visual es el primer paso de cualquier investigación. Puede comenzar como un “vistazo” que ayuda a localizar algún pequeño problema y puede terminar como un riguroso chequeo o registro de cada defecto encontrado en la superficie del concreto (Broomfield, 2007). Cuando se identifica algún problema, hay que registrar los defectos y los puntos en los que habrá que realizar pruebas y ensayos. El equipo principal a utilizar es obviamente el ojo humano, auxiliado por un libro de notas o computadora de bolsillo y una cámara fotográfica. Una supervisión sistemática puede ser planeada en un futuro. Muchas compañías que se dedican a este tipo de supervisión, tienen sistemas estandarizados de indicación de la naturaleza y extensión de los daños. Es común registrar la fecha, hora y condiciones climáticas donde se esté haciendo la inspección, así también anotar otras observaciones como escurrimiento de agua o presencia de musgos. Los principales indicios del daño por corrosión a inspeccionar pueden ser:
Fisuración Delaminación de la superficie del concreto. Manchas de cal en la superficie del concreto. Presencia de salitre. Manchas de oxido. Cambios de propiedades: color, textura o resistencia. Filtraciones en juntas: por agua o agua contaminada. Abrasión: pérdida de masa progresiva de la superficie del concreto. Exposición a malas condiciones ambientales.
La interpretación de los datos registrados en la inspección está comúnmente basada en la experiencia del ingeniero o técnico a cargo. La principal limitación es la habilidad de efectuar la inspección. Algunos daños o defectos pueden ser no tomados en cuenta por otros. Hay diferentes manuales que catalogan y ayudar a diferenciar los diferentes daños en la estructura, como los manuales SHRP o ASR.
a)
b)
c) Figura 4.1.- Principales daños a detectar: a) oxidación, b) humedad, c) fisuras. 3.1.2. PROFUNDIDAD DE CARBONATACION La profundidad de carbonatación puede ser medida fácilmente exponiendo una fractura reciente del concreto y aplicar o rociarle solución indicadora de fenolftaleína que cambia de color en función de la alcalinidad o del valor del pH.
Equipo y ejecución. La profundidad de carbonatación puedes ser medida fácilmente exponiendo una fractura reciente del concreto y aplicar o rociarle solución indicadora de fenolftaleína. La mejor solución indicadora para lograr el máximo contraste de la coloración rosa es la solución de fenolftaleína en alcohol y agua, normalmente 1g de indicador en 100mm de alcohol/agua (50mm/50mm). Si el concreto está muy seco, entonces es correcto humedecer con agua antes de aplicar la fenolftaleína. Se debe cuidar que el polvo del recubrimiento u otros residuos no se introduzca en la zona a tratar.
Figura 4.2.- Prueba con fenolftaleína en laboratorio. Interpretación y limitaciones.
La ejecución de este método es aproximada para calcular la profundidad de carbonatación. Se debe comparar con la profundidad del recubrimiento para determinar la cantidad de acero despasivado. Si el índice de carbonatación es determinada por pruebas de laboratorio entonces el progreso de la despasivación puede ser calculado. La fenolftaleína cambia de color con un pH entre 8.3 y 9.5; sin embargo, la corrosión puede ocurrir en un intervalo de pH entre 11 y 11.5 (Bermúdez, 2007). A partir de un estudio experimental en el que se evaluó a 5 puentes en Corea, se concluyo que se podía considerar que el frente de carbonatación se encuentra entre 3.6 y 8.3 mm más profundo de lo que indica la fenolftaleína (se puede considerar un promedio de 6mm).
Figura 4.3.- Coloración de la fenolftaleína.
3.1.3. DETERMINACION DE LA PRESENCIA DE CLORUROS. La cantidad de cloruros es usualmente determinada disolviendo muestras de polvo del concreto en acido. Las muestras son tomadas con taladro, o del concreto quebradas o molidas. Es preferible recolectar una serie de muestras a diferentes profundidades, así, el perfil de cloruros puede ser hecho correctamente. El concreto también puede ser cortado en rodajas y después molido. Así como la prueba de la profundidad de carbonatación, el perfil de cloruros debe ser relativo al recubrimiento, entonces la profundidad del acero respecto a los cloruros puede ser determinada. Los perfiles de cloruros también pueden ser usados para determinar el coeficiente de difusión y para predecir el progreso del ingreso al concreto. Es importante reconocer que estos perfiles y rangos son aproximados. También es importante entender que los niveles de cloruro en el acero determinan la extensión de la corrosión pero el perfil determina la tasa futura. La cantidad de cloruros puede ser medida por diversos métodos. En el laboratorio, muestras de polvo se disuelven en acido y luego titratadas para hallar la concentración de cloruros. Se describe un método en la norma ASTM C1152 para determinar el contenido de
cloruros totales y la norma ASTM C1218 para cloruros libres en el concreto. Para determinar los cloruros totales, se toma una muestra de 20 g de concreto y se procede a pulverizarlo y pueda pasar por el tamiz de 850 μm (#20). Se homogeniza la muestra y se utiliza 10 g para realizar la determinación. Se diluye la muestra en 75 ml de agua; se añaden 25 ml de acido nítrico diluido (1:2). Si huele a sulfuro de hidrogeno, se añaden 3 ml de peróxido de hidrogeno (solución de 30%). Se añade indicador de anaranjado de metilo y se agita. Se cubre el recipiente y se deja reposar durante 1 ó 2 minutos. Si aparece una coloración amarilla o amarilla anaranjada sobre los sólidos precipitados, la solución no es suficientemente acida, por lo que hay que añadir más acido nítrico diluido, agitando a la vez, hasta que queda un color rojo o rosa. Entonces hay que añadir 10 gotas más. Calentar hasta ebullición, manteniendo el recipiente tapado. A continuación se filtra la solución y se deja enfriar. Se valora por potenciometría por nitrato de plata (Bermúdez, 2007). Para determinar los cloruros libres, se toman 20 g de la muestra de concreto y se pulveriza hasta que pueda pasar por el tamiz de 850 μm (#20). Se homogeniza la muestra, y se utiliza 10 g para realizar la determinación: se añaden 50 ml de agua y se hierve durante 5 minutos. Se deja reposar 24 hrs, se filtra y se añaden 3 ml de acido nítrico concentrado (1:1) y 3 ml peróxido de hidrogeno (solución al 30%; para evitar la interferencia de los sulfuros. Se hierve unos segundos, y se valora por potenciometría con nitrato de plata (Bermúdez, 2007). 3.1.4. MEDICION DEL VOLTAJE DE MEDIA CELDA La electroquímica de corrosión, celda y media celda se describió en la sección 1.2. La media celda es un dispositivo simple. Se trata de un trozo de metal en una solución de sus propios iones (cobre/de sulfato de cobre, plata/cloruro de plata, etc.) Si lo conectamos a otro metal en una solución de su propios iones (como el hierro de hidróxido ferroso, Fe (OH)₂) habrá una diferencia de potencial entre los dos medias celdas. Esto es una batería (o una celda eléctrica). Se generará un voltaje debido a la posición diferente de los dos metales en la serie electroquímica y debido a la diferencia en las soluciones (Fig. 1.1). Esta es una célula galvánica en que la corrosión y flujo actual entre diferentes metales es conocido como acción galvánica. Un segundo tipo de celda es una celda de concentración que generará un voltaje dependiendo de las diferencias en la concentración de la solución, sobre similares electrodos. Por medio de un media celda que está en un estado constante, y moviéndola sobre toda la superficie de concreto, habrá un cambio en las propiedades de nuestra celda por la diferencia en las condiciones de la superficie de acero debajo de la media celda en movimiento. Si el acero es pasivo el potencial medido es pequeño (cero a -200MV en una media celda cobre/sulfato de cobre, o incluso una lectura positiva); si la capa pasiva está débil y crecientes cantidades de acero se están disolviendo (o si pequeñas zonas se corroen pero el potencial es aceptable para una zona pasiva), el potencial varia hasta -350MV. En un aumento negativo mayor que -350MV el acero esta generalmente en estado de corrosión. Regularmente se conecta la terminal positiva del voltímetro con el acero y la terminal negativa a la media celda. Esto da una lectura negativa. Potenciales muy negativos pueden encontrarse en condiciones saturadas donde no exista oxígeno para formar una capa pasiva; pero sin oxígeno no puede haber corrosión. Esto
muestra la debilidad de las mediciones. Se mide la termodinámica de la corrosión, pero no el rango de corrosión. Por lo tanto, los potenciales de corrosión pueden ser engañosos. Su interpretación se basa en observación empírica, no de forma científica rigurosamente. El problema es que el potencial no es puramente una función de la condición de corrosión, sino también de otros factores, y que la condiciones de corrosión, no es en sí, el índice o rango de corrosión. La medición del potencial de la media celda da una indicación del riesgo de corrosión en el acero. La medición está vinculada por empíricas comparaciones con la probabilidad de corrosión. El potencial o voltaje de la media celda está en función de la cantidad de hierro en corrosión.
Tabla 4.2.- Norma ASTM.C-876-91. Criterio de probabilidad de corrosión. Cobre/Sulfato de Cobre
> -200mV
Plata/Cloruro de Plata/4M KCl >-106mV
-120 a -350mV -106 a -256mV
Electrodo Standard de Hidrógeno >+116mV +116mV a -34mV
<-350mV
< -256mV
< -34mV
Calomel Cloruro de Mercurio >-126mV -126mV a
Condición de la Corrosión Bajo(10% riesgo de corrosión Intermedio riesgo de corrosión
-276mV <-276mV
Alto(<90% riesgo de corrosión
<-500mV
< -406mV
< -184mV
< -426mV
Corrosión Severa
Esta es una función de la medida en que el acero esta en despasivación, es decir, la acción de la carbonatación alrededor del acero o la presencia de cloruro suficiente para romper la capa pasiva, y la presencia de oxígeno para mantener la capa pasiva. Sin oxígeno, el hierro se disuelve pero permanecerá estable en la solución mientras no hay ninguna reacción catódica de compensación, por lo que el potencial puede ser muy negativo. Sin embargo, el índice corrosión será bajo. Pero puede haber un potencial muy grande (negativo) en una media celda standard. El procedimiento para la evaluación de la corrosión del acero de refuerzo embebido en concreto está contenido en la Norma ASTM-C 876-91, la cual establece criterios que relacionan al potencial de corrosión y su condición de corrosión, mostrados en la tabla anterior.
Figura 4.4.- Medición del voltaje de media celda. Equipo electrónico. 3.2. DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO.
3.3. INTERPRETACION DE RESULTADOS Y LIMITACIONES.
CAPITULO IV: PLANTEAMIENTO DE SOLUCIONES AL EFECTO DE LA CORROSION EN EL CONCRETO ARMADO 3.1. MEDIDAS DE PREVENCION Para prevenir la corrosión es fundamental que:
El concreto tenga una estructura de poros adecuada (baja permeabilidad). El recubrimiento tenga un espesor suficiente (para retardar el acceso de agentes agresivos al acero). El concreto (su composición) esté suficientemente libre de cloruros. (Bermúdez, 2007).
4.1 Impermeabilización del concreto.
La primera defensa contra la corrosión del acero en el concreto es la misma calidad del concreto y un recubrimiento suficiente alrededor de las barras de refuerzo. El concreto de buena calidad tiene una relación agua/cemento (a/c) lo suficientemente baja como para disminuir la penetración de sales de cloruro y el desarrollo de la carbonatación. La relación a/c debe ser menor de 0.5 para reducir el ritmo de carbonatación y menor de 0.4 para reducir la penetración de los cloruros (según NRMCA). El concreto de baja relación a/c se puede crear mediante: El incremento del contenido del cemento. La reducción del contenido de agua utilizando aditivos reductores de agua y superplastificantes. El uso de mayores cantidades de cenizas volantes, escorias u otros materiales cementantes. Según modelos numéricos realizados por diversos autores, la capacidad de difusión de cloruros en el concreto con un 50% de cenizas podría ser hasta 25 veces inferior a un concreto equivalente con cemento portland normal; por lo tanto, aunque sea menor su contenido de cloruro crítico para iniciar la corrosión (los cloruros tienen menor fijación), el uso de cenizas aumenta la vida útil del concreto. Actualmente en Oregon (EEUU) se exige el uso de microsílice en el concreto en la construcción de nuevos puentes en la costa, ya que, se retarda la penetración de la sal en concreto y a su vez los coeficientes de difusión de cloruros son muy bajos (Bermúdez, 2007). Todas estas medidas disminuyen la difusión de cloruros, pero desde un punto de vista práctico, estas no tienen efecto a contrarrestar la corrosión del acero para una superficie de concreto fisurada (fisuras superiores a 0.4mm).
4.2 Recubrimiento efectivo del acero. El recubrimiento a utilizar esta en función de la agresividad del ambiente y de la calidad del concreto, así también del tamaño máximo del agregado grueso En la sección 4 de las Normas Técnicas Complementarias (RCDF) se establece la clasificación de las exposiciones de los elementos estructurales y el recubrimiento necesario respecto a cada tipo de exposición.
Tabla 4.1.- Clasificaciones de exposición. (N.T.C. D.F., 2004).
Superficies y ambiente de exposición
Clasificación
a) Superficie de miembros en contacto con el terreno: 1) Protegida por una membrana impermeable
A1
2) En suelos no agresivos
A2
3) En suelos agresivos¹
D
b) Superficies de miembros en ambientes interiores: 1) Encerrado totalmente dentro de un edificio, excepto por breve periodo de exposición al ambiente durante la construcción² 2) En edificios o sus partes donde los miembros pueden estar sujetos a humedecimiento y secado repetido²
A1 B1
c) Superficies de miembros no en contacto con el terreno y expuestos a ambientes exteriores³ que son: 1) No agresivos
A2
2) Ligeramente agresivos
B1
3) Agresivos
B2
d) Superficies de miembros en agua⁴: 1) En contacto con agua dulce (dura)
B1
En agua dulce a presión (dura)
B2
En agua dulce corriente (dura)
B2
2) En contacto con agua dulce (suave)
B2
En agua dulce a presión (suave)
D
En agua dulce corriente (suave)
D
3) En agua con más de 20 000 ppm de cloruros:
– Sumergida permanentemente
B2
– En zonas con humedecimiento y secado
C
e) Superficies de miembros en otros ambientes: En cualquier ambiente de exposición no descritos en los incisos de (a) a (d)
D
1 Se deben considerar agresivos los suelos permeables con pH < 4.0 o con agua freática que contiene más de un gramo (1 g) de iones de sulfato por litro. Suelos ricos en sales con pH entre 4 y 5 deben considerarse como clasificación de exposición C; 2 Cuando se emplee en aplicaciones industriales, se deben considerar los efectos sobre el concreto de los procesos de manufactura que allí se realicen; en tales casos se puede requerir una reclasificación de la exposición a D; 3 La frontera entre los diferentes ambientes exteriores depende de muchos factores los cuales incluyen distancia desde la fuente agresiva, vientos dominantes y sus intensidades; 4 Para establecer las características de dureza del agua se requiere analizarla (ASTM E 1116).
Tabla 4.2.- Recubrimiento libre mínimo requerido. Resistencia a compresión especificada, MPa (kg/cm²) Clasificación de exposición
15(150)
20 (200) 25 (250) 30 (300) 40 (400) 50 (500) 60 (600)
Recubrimiento mínimo requerido (mm)
A1
30
25
25
20
20
20
15
A2
50
40
35
30
25
25
20
B1
65
50
40
35
30
30
25
B2
_
_
50
45
40
35
30
C
_
_
_
_
_
70⁽²⁾
65⁽²⁾
² Además se requiere emplear un contenido de cemento portland no menor que 3 500 N/m³ (350 kg/m³) y una relación agua/cemento que no exceda 0.40.
Cuando el concreto es colado sobre el terreno y no se conocen las condiciones agresivas, se procurará utilizar un recubrimiento mínimo de 75 mm, o 50 mm si se emplea plantilla o membrana permeable entre el terreno y el concreto a colar.
4.3 Limitaciones en el contenido del ion cloruro. Anteriormente se describió la problemática de la cantidad de cloruros presentes en el colado del concreto. La limitación del contenido del ion cloruro es fundamental para evitar el origen de la corrosión. Para ello la normativa actual ha limitado la cantidad de cloruro en la creación de concreto. En el caso de los cloruros que pudieran ser adicionados durante el amasado del concreto, los códigos de fabricación y de cálculo de estructuras de concreto reforzado de el ACI 318 y R.C.D.F., tal como se muestra en la Tabla No. 6.
Tabla 4.3.- Contenido máximo de iones cloruro para la protección contra la corrosión del refuerzo (ACI 318).
Tipo de elemento
Contenido máximo de iones de cloruro (CA¯) solubles en agua en el concreto, porcentaje en peso de cemento.
Concreto preesforzado
0.06
Concreto reforzado que en servicio estará expuesto a cloruros
0.15
Concreto reforzado que en servicio estará seco o protegido contra la humedad Otras construcciones de concreto reforzado
1.00 0.30
Tabla 4.4.- Valores máximos de contenido de ion cloruro en el concreto al momento del colado (RCDF). Tipo de miembro Concreto preesforzado
Máximo contenido de ion cloruro soluble en ácido, kg/m³ de concreto 0.50
Concreto reforzado expuesto a humedad o a cloruros en condiciones de servicio
0.80
Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad en condiciones de servicio
1.6
4.4 Fisuras. El riesgo de corrosión en el acero has sido continuamente relacionado al ancho o tamaño de las fisuras en el concreto. En años pasados, las normativas solo recomendaban un límite máximo para este parámetro que variaba, desde 0.3 mm para elementos interiores en ambiente no agresivo, hasta 0.1 mm para exposición en ambientes agresivos. Tiempo después, otros estándares más detallados fueron publicados para tomar en cuenta el tipo de acero de refuerzo y el hecho que el tamaño de la agrieta podría variar con el tiempo. Se debe comprender que las fisuras o grietas en las estructuras de concreto pueden tener diferentes orígenes y características. Actualmente, un vasto número de experimentos muestran que no hay una precisa correlación entre el tamaño de la fisura (mientras sea menor de 0.5 mm) y el riesgo de corrosión. Este riesgo dependerá de muchos factores tales como la condición ambiental y las propiedades del concreto (descritos anteriormente), y determinaran el comportamiento de la corrosión de en acero aun cuando no haya grietas. Generalmente, si el tamaño de la fisura es pequeña (talves menor de 0.30.5 mm), después de iniciarse la corrosión, el avance de esta es lento.
3.2. TECNICAS DE REPARACION. 3.3.1. TECNICAS FISICAS 3.3.2. TECNICAS QUIMICAS 3.3.3. TECNICAS ELECTROQUIMICAS. De acuerdo con las expresiones 1.1 y 1.2, la corrosión ocurre por el movimiento de la carga eléctrica desde el ánodo (área cargada positivamente donde el acero se disuelve) hacia el cátodo (área de acero cargada negativamente donde una reacción de balanceo de la carga ocurre convirtiendo el oxigeno y agua en iones hidroxilo. Esto significa que el proceso es eléctrico y químico a la vez, es decir, electroquímico. Esto los hemos visto, en el caso de ataque por cloruros, los parches solo son una solución local de la corrosión y reparar un ánodo puede acelerar la corrosión en áreas cercanas. Una solución para este problema es aplicar un tratamiento electroquímico que prevendrá o eliminara la corrosión en toda la porción de estructura, elemento o área tratada. Los métodos electroquímicos trabajan colocando un ánodo externo y pasando corriente desde éste hacia el acero, y el acero se convierte en cátodo. En este capítulo se describen tres técnicas. La más conocida y establecida técnica es la protección catódica. La más nueva alternativa para estructuras afectadas por cloruros es la extracción de cloruros o remoción electroquímica de cloruros. Una técnica para tratar estructuras con concreto carbonatado ha estado ganando aceptación como una buena opción para eliminar la carbonatación en edificios y otras estructuras. Esta técnica es conocida como realcalinización. (Bertolini, 2004). La principal diferencia entre estos métodos es que la protección catódica es de instalación permanente, mientras que los otros dos son temporales, tomando de una a ocho semanas para tratar al concreto reforzado.
Figura 7.1.- Representación de la aplicación de técnicas electroquímicas.
Este capítulo discutirá las técnicas disponibles para que los ingenieros puedan proteger las estructuras de concreto reforzado corroídas. Todos estos tratamientos son aptos para tratar el acero de refuerzo. A pesar de esto, el paso de altos niveles de corriente eléctrica pueden tener efectos adversos en el concreto y en el acero. Estos tratamientos solo pueden ser aplicados con demasiado cuidado a estructuras que contienen acero pretensado y estructuras que sufren de reactividad álcali-sílica.
7.1 Protección catódica. La protección catódica es una técnica que se emplea desde el siglo antepasado (XIX), Sir Humpherey Davy desarrolló en 1824 una forma de proteger los cascos de cobre de los barcos, empleando ánodos de hierro. Por tal razón se considera el padre la protección catódica. Después de esto se continuó la investigación sobre la protección catódica, por lo que en 1840 Robert Mallet produjo una aleación de Zn muy adecuada para ánodos de sacrificio (SCT, 2006). La primera aplicación de protección catódica por corriente impresa o inducida, para la protección de estructuras enterradas se efectúo en Inglaterra y en Estados Unidos; desde entonces, el empleo de la protección catódica se ha usado con éxito, extendiendo su aplicación por todo el mundo. Sin embargo, no fue sino hasta 1970 cuando esta técnica a emplear en estructuras de concreto reforzado, ya que se considera la única capaz de detener el proceso de corrosión, aun en condiciones elevadas de cloruros y con deterioros muy avanzados en las estructuras. La protección catódica se considera el único método de verdadero control de la corrosión al permitir que la estructura se comporte como cátodo, llegando a disminuir la velocidad de corrosión. El gran desarrollo de esta técnica a llevado a crear organizaciones para controlar la corrosión como la NACE (National Association of Corrosion Engineers). La protección catódica es una técnica que funciona produciendo un flujo de corriente directa (CD) de una fuente externa a la estructura metálica a proteger (cátodo). Para que el sistema funcione correctamente, la corriente debe descargarse del ánodo al electrolito; al descargar la corriente, el ánodo se corroe. Existen dos tipos de protección catódica: por corriente inducida y por ánodos de sacrificio. Estos dos tipos se estudiarán en este capítulo.
7.1.1. Protección catódica por corriente impresa. La protección catódica por corriente impresa trabaja haciendo pasar una pequeña corriente
directa (CD) desde un ánodo permanente colocado sobre la superficie o dentro del concreto. La fuente suministra corriente desde el ánodo hacia el acero para forzar a la reacción anódica a detenerse: + Fe →Fe²+ 2e- (7.1) Y hace que la reacción catódica sea la única que ocurra en la superficie del acero. Entonces la reacción catódica ocurrirá a través del acero: H₂O + 1/2O₂ + 2e- →2OH- (7.2)
Aún así, otra reacción puede llevarse a cabo si el potencial se vuelve muy negativo: H₂O + e- →H + OH- (7.3)
La evolución de la reacción del hidrógeno puede conducir al debilitamiento por hidrogeno en el acero de refuerzo. Hidrógeno monoatómico se puede difundir en el acero y quedar atrapado en pequeñas cantidades en los bordes o en su defecto en la matriz cristalina del acero, debilitándolo y causando fallas por cargas. Este problema es de poca importancia para acero de refuerzo común pero es de gran consideración para estructuras pretensadas donde el acero tensionado puede ser muy susceptible al debilitamiento por hidrógeno. El acero es esforzado 75% más de su resistencia última de tensión. Esto significa que es muy probable una falla catastrófica. (Bertolini, 2004). Los problemas del debilitamiento por hidrógeno y la evolución del gas son usualmente controlados limitando el potencial del acero para reducir el potencial de evolución del hidrógeno. Aún así, en picaduras o grietas con mucha acidez es muy posible que el potencial exceda al potencial de evolución del hidrógeno sin ser medido por electrodos. La protección catódica de estructuras pretensadas debe ser manejada con gran cuidado y por expertos en corrosión. La generación de iones hidroxilos en las ecuaciones 7.2 y 7.3 incrementarán la alcalinidad y ayudarán a regenerar la capa pasiva donde los cloruros han atacado. El ion cloruro es negativo y será repelido por el cátodo cargado negativamente (acero). Este se moverá hacia el ánodo. En los ánodos hechos a base de carbono puede que estos se combinen y formen gas de cloro en el ánodo:
2Cl →Cl₂ (gas) + 2e- (7.4) La otra reacción mayor en el ánodo es la formación de oxigeno: 2OH- → H₂O + 1/2O₂ + 2e - (7.5) Y + H₂O → 1/2O₂ + 2H + 2e- (7.6)
La reacción 7.5 es lo contrario de la reacción 7.2, por lo tanto, la alcalinidad se forma en el cátodo (se incrementa la pasividad del acero) y se consume en el ánodo. Estas y otras reacciones similares pueden carbonatar el área alrededor del ánodo (especialmente en ánodos hechos a base de carbono, donde el carbono también se vuelve dióxido de carbono) y puede conducir al ataque del cemento una vez que la alcalinidad se ha consumido.
Figura 7.2.- Protección catódica por corriente impresa.
Por lo tanto podemos ver que existen tres factores que deben ser tomados en cuenta cuando se controla un sistema de protección catódica (Broomfield, 2007): 1.- Debe existir suficiente flujo de corriente para disminuir las reacciones anódicas y detener o restringir el índice de corrosión. 2.- La corriente debe permanecer tan baja posible para minimizar la acidificación alrededor del ánodo.
3.- El acero no debe exceder el potencial de evolución del hidrógeno, especialmente para acero pretensado, para reducir el debilitamiento por hidrógeno. Una buena definición de una protección catódica efectiva es el reducir el potencial de los cátodos al nivel del de los ánodos, esto es, deteniendo el flujo entre las áreas anódicas y catódicas. Otra manera de ver teóricamente la protección catódica es observar el diagrama de Pourbaix para el acero en solución de cloruros. Este muestra que hay condiciones donde el acero se corroe, y áreas donde la formación de óxidos protectores y un área de inmunidad a la corrosión dependiendo del pH y el potencial del acero. Idealmente se quisiera reducir suficientemente el potencial para alcanzar la zona inmune. En la práctica esto no se logra por razones que serán descritos posteriormente.
7.1.2 Protección catódica por ánodos de sacrificio. Como sabemos, existen dos formas de protección catódica, por corriente impresa o inducida y por ánodos de sacrificio. La primera ya fue descrita en la sección anterior y es el sistema usado comúnmente para estructuras de concreto reforzado en exposición atmosférica. El método alterno es conectar directamente el acero a un ánodo de sacrificio como el zinc, sin usar una corriente inducida. Estos ánodos se corroen, liberando electrones con el mismo efecto que el sistema de corriente impresa (Broomfield, 2007):
+Zn → Zn²+ 2e- (7.7) Es conocido que el potencial en el acero no es uniforme, pero si el sistema se opera correctamente todo el acero será más negativo que el ánodo con respecto a una media celda standard.
Figura 7.3.- Protección catódica por ánodo de sacrificio.
Este mismo fenómeno es usado en el galvanizado donde una cubierta de zinc es aplicada sobre el acero a corroerse, protegiéndolo. Aún así, la principal restricción en este sistema es que el zinc solo puede conducir un voltaje pequeño cuando se combina con acero. Esto es alrededor de 1000 mV para acero en corrosión. Mientras que un sistema galvanizado coloca los dos metales en contacto directo, con la protección catódica con ánodos de sacrificio existe un electrolito para transportar la corriente. La resistencia del electrolito es muy importante para el funcionamiento del sistema PCAS. La resistividad del concreto en tierra (sin ser expuesto a acción marina) es alta, comparada con el concreto continuamente expuesto al agua marina, existen electrolitos no cementantes donde los ánodos de sacrificio de zinc son comúnmente usados. La baja resistividad es esencial para una efectiva PCAS. Esta resistividad puede aumentar por la formación de óxidos mientras el ánodo de sacrificio se corroe. Características de un ánodo de sacrificio (SCT, 2001): 1. Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo para polarizar el acero del concreto a -0,8 V contra el electrodo de Ag/AgCl. Sin embargo, el potencial no debe de ser excesivamente negativo, ya que eso motivaría un gasto superior con un innecesario paso de corriente. El potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre -0,95 a -1,7 V vs Ag/AgCl. 2. El metal debe presentar una pequeña tendencia a la polarización, no desarrollar películas pasivantes protectoras, y tener un elevado sobrepotencial para la formación de
hidrógeno. 3. El metal debe tener un elevado rendimiento eléctrico, expresado en amperes- hora por kg (A-h/kg), lo que constituye su capacidad de drenaje de corriente. 4. En su proceso de disolución anódica, la corrosión deberá ser uniforme. 5. El metal debe ser de fácil adquisición, y poderse fundir en diferentes formas y tamaños. 6. Bajo costo.
La tabla 7.1 muestra a continuación la serie electromotriz utilizada actualmente. La protección del acero de refuerzo se logra aprovechando la mayor actividad de los elementos que se encuentran por debajo del acero en la serie. El fin es conectar eléctricamente ambos elementos dentro de un electrolito, provocando que la reacción de oxidación del metal más activo aporte los electrones al acero, obligándolo a establecer una reacción de reducción, y así mantenerse con estado de oxidación cero.
Tabla 7.1.- Serie electromotriz utilizada en campo. (SCT, 2006). Reacción
Potencial a 25ºC (V)
Au3+ + 3e- → Au Pt2+ + 2e- → Pt
1,500
Hg2+ + 2e- → Hg Ag2+ + 2e- → Ag Cu2+ + 2e- → Cu
0,857
H2+ + 2e- → H2 Fe3+ + 3e- → Fe
0,000
1,190 0,799 0,337 -0,036
Ni2+ + 2e- → Ni Fe2+ + 2e- → Fe Zn2+ + 2e- → Zn
-0,250
Mg2+ + 2e- → Mg
-2,370
-0,990 -0,762
Los elementos que comúnmente se emplean para evitar que el acero de refuerzo sufra daño por corrosión son el zinc y el magnesio; ya que como se observa en la serie
electromotriz, sus potenciales de media celda se encuentran por debajo del potencial del fierro. (SCT, 2006). Ya se señaló que en este tipo de sistemas, debido a que la cantidad de electrones que se suministra al cátodo está controlada sólo por la cantidad de elemento activo que actúa como ánodo, es necesario que el electrolito tenga una resistencia baja al paso de corriente para que el proceso sea eficiente. Lo anterior es difícil que se presente en el concreto, por lo que este tipo de sistemas se ve limitado a situaciones de altos niveles de humedad en puentes y en estructuras metálicas expuestas al medio ambiente.
Tabla 7.2.- Ventajas y desventajas de los sistemas de protección catódica. (SCT, 2006). Ánodos De Sacrificio
Corriente impresa VENTAJAS
Fácil de instalar
Sirve para áreas grandes
No requieren potencia externa
Aplicables en cualquier medio Útil en diseño de cualquier
Voltaje de aplicación fijo
requerimiento de corriente mayor de
Aplicables en casos de requerimiento de
Resistividad eléctrica ilimitada
corriente pequeña, económico hasta 5 amperios La interferencia con estructuras enterradas es prácticamente nula Mantenimiento simple
DESVENTAJAS Sólo se utiliza hasta un valor límite de Amperaje variable resistividad eléctrica hasta 5 000 ohm-cm Útil en medios de baja resistividad
Voltaje de aplicación variable
Amperaje limitado
Requiere potencia externa Mantenimiento no simple Alto costo de instalación Es necesario analizar la posibilidad de interferencia
Los sistemas de zinc metalizado ofrecen muchas ventajas sobre los métodos convencionales de control de la corrosión, ya que tienen un costo mínimo de reparación reduciendo la remoción de concreto contaminado con cloruros, proporcionando una efectiva protección contra la corrosión del acero de refuerzo en estructuras de concreto contaminadas con cloruros. Es el sistema con menor costo por ciclo de vida; requiere de un mantenimiento mínimo durante el tiempo de vida del sistema; y los sistemas de sacrificio pueden ser convertidos fácilmente a sistemas de corriente impresa, sin implicar un diseño de zonas complejas con extenso cableado y requerimientos de monitoreo; puede ser protegido con una variedad de recubrimientos finales para propósitos estéticos y para maximizar la vida efectiva del sistema. Se aplica a columnas, vigas y pilotes de puentes de concreto contaminadas por iones cloruros, y en estructuras en contacto con sales anticongelantes o ambientes marinos. El funcionamiento es muy sencillo, ya que los ánodos de zinc al tener una diferencia de potencial con el acero; dado el ambiente marino y la alta humedad crea una reacción electroquímica entre ellos, que protege el acero haciéndolo cátodo en el sistema. Existe un tipo de ánodos denominados genéricamente “bulk ”, los cuales tienen diferente geometría y que se usan externamente en la protección catódica de tuberías enterradas. (Bertolini, 2004).
Figura 7.4.- Protección catódica por ánodo de sacrificio. 7.1.3. Ánodos de sacrificio discretos. Actualmente se estudian la aplicación de los ánodos de sacrificio embebidos o introducidos en el concreto. Este sistema es aplicado en la reparación con parches protectores. Según lo descrito anteriormente, el parcheo es la reparación del concreto contaminado con cloruros o carbonatación y puede crear incompatibilidad electroquímica que conducirían a la aceleración de la corrosión en acero de refuerzo cercano, debido a la diferencia de concentración de los agentes agresivos. El resultado es una nueva celda que puede requerir un parcheo posterior.
La idea de este sistema es que los ánodos instalados en la reparación por parcheo se corroan en forma sacrificada, y de esta manera reducir la potencia que pueda generar una nueva corrosión en el acero de refuerzo. Como resultado se obtiene una vida de servicio más larga en la reparación por parcheo. (SCT, 2006) Este sistema consiste en un ánodo galvánico embebido en el concreto, protegiendo el acero en donde el concreto no ha sido removido. Dichos ánodos están constituidos por un núcleo de zinc rodeado por una matriz activa de componentes cementantes. Una vez instalado, el núcleo de zinc se corroerá ejerciendo la protección catódica del acero de refuerzo. Se ha indicado que estos ánodos proveen una protección localizada contra la corrosión; son efectivos en concreto carbonatado o contaminado con cloruros; son económicamente rentables, ya que extienden la vida de servicio (10 a 20 años) en reparaciones por parcheo; son de fácil instalación, sin embargo, solo son adecuados para estructuras pequeñas, pues en grandes estructuras resulta un costo muy elevado.
Figura 7.5.- Representación de un ánodo de sacrificio discreto.
7.2. Extracción electroquímica de cloruros (EEC). Como hemos determinado anteriormente, el ion cloruro es un catalizador de la corrosión. Por estar cargado negativamente, podemos usar el proceso electroquímico para repeler el ion cloruro de la superficie del acero y moverlo hacia un ánodo externo. Este proceso, llamado extracción electroquímica de cloruros, desalinización o remoción de cloruros, utiliza un ánodo temporal y una carga eléctrica más grande que la utilizada en la PC, pero es similar en cierta forma. La preparación del concreto, el suministro de energía, etc., son características similares en las usadas en la protección catódica por corriente impresa excepto que el suministro de energía es temporal y también la fuente o generador puede ser temporal. El potencial de salida es más grande, mayor de 50V y 2 A·m2. Los iones cloruro, al tener carga negativa, migran en el campo
formado por la corriente eléctrica desde el acero hacia la superficie del concreto, donde se encuentra situado el ánodo exterior. Como resultado de la migración de los iones disueltos en la solución porosa del concreto y de las reacciones que ocurren en los electrodos, hay cambios en la concentración de los iones que intervienen en la extracción.
Figura 7.6.- Esquema del funcionamiento de la extracción electroquímica de cloruros.
En el cátodo, el agua se reduce a iones hidroxilo. Después de consumirse el oxigeno disponible de acuerdo a la ecuación (7.8), lo cual ocurre en menos de 24 horas, la reacción catódica que se produce es la (7.9), generándose iones hidroxilo e hidrógeno gas. De este modo en el cátodo hay una producción continua de iones OH- que se mueven hacia el ánodo, y como consecuencia un aumento de la concentración en el refuerzo cercano. H2O + 1/2O2 + 2e- → 2OH- (7.8) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (7.9) En el ánodo, de acuerdo con la ecuación (7.10), se produce la electrólisis del agua después de agotados los iones OH- según (7.11). Cuando en el ánodo se usa agua como electrolito exterior, la única reacción que puede darse inicialmente es la (7.10) porque no existe ninguna sal. Los iones H+ formados se mueven hacia el cátodo, encontrándose con los iones Cl- que se mueven en la dirección contraria. Los iones OH- se neutralizan formando agua, con los iones Cl- se forma ácido clorhídrico, midiéndose valores de pH entre 1.5 y 3. De acuerdo con la ecuación (7.12) los iones cloruro que llegan al ánodo se descargan formando cloro gas.
H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- (7.10) 2OH- → H2O + 1/2O2 + 2e- (7.11) 2Cl- → Cl2 + 2e- (7.12) Cuando se usa una solución alcalina, como electrolito exterior, los iones OH presentes en el ánodo se convierten en oxígeno gas y moléculas de agua de acuerdo con la ecuación (7.11) y como consecuencia el valor del pH en el electrolito disminuye, pero el medio no se acidifica por la formación de iones H + y no se forma gas cloro. Con valores de pH de aproximadamente 7, las reacciones (7.10) y (7.12) tienen más facilidad para producirse que la reacción (7.11).
7.2.1 Factores que intervienen en el desempeño de la EEC. El campo eléctrico. Debido a que el ión cloruro es transportado a lo largo del campo eléctrico, su distribución junto al refuerzo y la colocación del ánodo en la superficie del concreto es importante. La siguiente figura muestra la distribución de las líneas de corriente entre un conductor lineal y una superficie exterior. Como se puede apreciar, las líneas de corriente verticales a la barra son más cortas, eso significa que la fuerza que actúa sobre los iones es mayor y también la velocidad de extracción. Por detrás de la barra, la cantidad de cloruro a extraer es mucho menor. (Sánchez, 2004).
Figura 7.7.- Distribución de las líneas del campo eléctrico.
Espesor del recubrimiento.
Este es uno de los factores más importantes. Dentro del área a ser reparada las densidades de corriente más altas serán las de las zonas donde la cubierta es más delgada (la resistencia entre el acero y el ánodo es la más baja). Esto significa que la eficiencia de la EEC en el concreto de grosor variable será más baja en las zonas donde el recubrimiento sea más gruesa y relativamente alta en áreas donde sea más delgada. Es importante prestar especial atención en áreas de baja resistencia porque puede haber peligro que el electrolito externo toque directamente la superficie del acero. Por tanto, las grietas y otros defectos deben ser sellados antes de comenzar el tratamiento de EEC.
7.2.2 Finalización de la EEC. Punto de disminución.- La resistencia aumenta, la cantidad de cloruro removido disminuye, cuando la corriente es pequeña y la cantidad de cloruro removido es menor, se debe apagar el sistema. Al estar apagado por una semana hará que la resistencia del sistema disminuya. Medición directa.- Se toman muestras del concreto y cuando un nivel acordado se ha alcanzado, se detiene el proceso. Puede ser un nivel de cloruro (comúnmente menos de 0.4% de cloruros por masa de cemento a 25 mm del recubrimiento); o una proporción de cloruro/hidroxilo menor que 0.6%.
7.2.3 Posibles efectos. Pasando grandes cantidades de electricidad a través del concreto puede acarrear efectos en la química y también en sus condiciones físicas. Una coloración marrón alrededor de la barra de acero ha sido observada en especímenes donde grandes corrientes son usadas. Niveles de corriente deben mantenerse en un rango menor de 2 A·m-2. (Broomfield, 2007).
7.3 Realcalinización. En ecuaciones anteriores vimos como el dióxido de carbono reacciona con el agua para formar ácido carbónico el cual luego reacciona con el hidróxido de calcio para formar carbonato de calcio. Este remueve los iones hidroxilo de las soluciones y el pH decae, así que la capa pasiva se debilita y la corrosión puede presentarse. La reacción catódica (7.2) muestra que aplicando electrones al acero podemos generar nuevos iones hidroxilos en la superficie del acero. Esto regenera la alcalinidad y eleva el pH hasta alrededor de 12. Los ánodos usados son los mismos que los usados en la protección catódica o EEC. En la regeneración de iones hidroxilo, los investigadores afirman que usando electrolito de
carbonato de sodio se puede hacer un tratamiento más resistente a una futura carbonatación.
7.3.1 Tipos de ánodo. Los tipos de ánodo son similares a los usados para la EEC. La celulosa rociada es usada por propietarios de los sistemas patentados con malla de acero o titanio recubierto. En la realcalinización es más apropiado usar el acero mientras el tiempo de tratamiento sea corto y el acero es menos apropiado para ser consumido completamente.
7.3.2 Electrolitos. Como se afirmó anteriormente una solución de carbonato de sodio (Na2Co3) el electrolito preferido para dar una larga protección contra un futuro ingreso de CO2. Aún así, el introducir iones de sodio puede acelerar la reacción álcali-sílica, así que en algunos casos el carbonato de potasio es usado.
7.3.3 Finalización de la realcalinización. Determinar en donde se termina el proceso es fácil para la carbonatación. Una simple medida de la profundidad de la carbonatación mostrará si ésta se reduce a cero. Aún así, se ha determinado que el indicador de fenolftaleína cambia de un color claro a rosa mientras el pH esta alrededor de 9. Miller (1989) recomienda rectificar que el indicador cambie al un color rosa claro. Un indicador universal o un indicador que cambie de color en pH cercano a 12 pueden ser requeridos para asegurarse que la alcalinidad ha sido completamente restaurada.
7.3.4 Posibles efectos. Según Broomfield (2007), aunque exista una menor densidad de carga aplicada comparada con la de ECC, el riesgo de daño es aún menor que el riesgo en la remoción de cloruros. Como se mencionó anteriormente la reacción álcali-sílica puede ser un riesgo si se usa carbonato de sodio como electrolito. El carbonato de sodio también puede causar eflorescencia y la alta alcalinidad después del tratamiento puede atacar algunos recubrimientos. El carbonato de sodio atacará pinturas a base de aceite, barnices y acabados de madera. También debe conocerse que el concreto carbonatado no promueve la reacción álcali-sílica (RAS) si el pH decae y el carbonato de sodio no eleva el pH al mismo nivel que en un concreto no carbonatado, así que el riesgo de RAS con la realcalinización es menor que en EEC.
7.4 Comparación de las técnicas electroquímicas. Es posible resumir las ventajas y limitaciones de las técnicas, así éstas pueden ser
comparadas. En el capítulo 8 se explicará más a detalle todo lo referido a la selección de cada una de las técnicas electroquímicas.
7.4.1 Ventajas de todas las técnicas electroquímicas. 1. Éstas tratan a un área muy grande de una estructura, no solo parchando de de forma inmediata las áreas corroídas. 2. Éstas no dan lugar a problemas por “ánodos incipientes”. 3. La reparación del concreto en áreas dañadas es más barato y fácil que las reparaciones convencionales.
7.4.2 Desventajas de todas las técnicas electroquímicas. 1. Requieren conocimiento de un especialista. 2. Deben ser usadas con gran cuidado en estructuras preesforzadas, aquellas con reacción álcali-sílica, recubrimiento epóxico, inyecciones epóxicas o aquellas con continuidad eléctrica pobre en el refuerzo.
Tabla 7.3.- Ventajas y desventajas de las técnicas electroquímicas. PCCI
PCAS
EEC
Realcalinización
Ventajas Larga duración, de 20-50 años.
Sin suministro de energía
Estándares y especificaciones disponibles
Mantenimiento mínimo Sin cableado ni equipos electrónicos
Tratamiento Tratamiento completado de dos a completado de seis a cuatro semanas ocho semanas Sin Sin mantenimiento mantenimiento futuro futuro Sin red eléctrica requerida
Desventajas Suministro Vida limitada del Pocos Pocos permanente y constante ánodo (15 +/-5 años) estándares y estándares o de energía especificaciones aún especificaciones aún disponibles disponibles Mantenimiento y monitoreo regular
Sin estándares publicados
Tiempo de vida Tiempo de vida del tratamiento aún del tratamiento aún no definido no definido
4.3. REHABILITACION. Una de las mayores cuestiones que todo propietario o encargado de una estructura, que sufre carbonatación o ataque por cloruros, es que forma de reparación se debe llevar a cabo. Como hemos visto en capítulos previos, existen recubrimientos, selladores, membranas, materiales de parcheo, reemplazo parcial o total del material, protección catódica por corriente inducida o galvánica, remoción electroquímica de cloruros, realcalinización e inhibidores de corrosión. Todos estos pueden ser aplicados en la estructura que sufren diferentes grados de corrosión por ataque de cloruros o carbonatación o una combinación de estos dos. Cada tratamiento tendrá consecuencias para los futuros requisitos de mantenimiento en la estructura, y también en la vida de servicio último de ésta. La solución práctica para la mayoría de los propietarios de estructuras corroídas será tomar el consejo necesario de un ingeniero civil asistente o especialista en estructuras de concreto expuestas a la atmósfera. Los proveedores de materiales y aplicadores también pueden asesorar acerca de sus sistemas particulares y así crear una conciencia acerca de la reparación efectiva de la estructura basada en el conocimiento local, experiencia y disponibilidad de los materiales y sistemas.
Diferencias técnicas entre opciones de reparación. Diferentes opciones de reparación se adecuan a aplicaciones diferentes, aún así, no existe una clara metodología, y el realizar una decisión de la técnica o del costo resulta difícil ya que cada estructura es diferente. Lo que es aceptable en un puente vehicular, no lo puede ser en una subestructura o en un edificio. En las tres figuras siguientes se ilustra una metodología de reparación. Éstas requieren primero, una evaluación de la estructura usando las técnicas discutidas en al capítulo 4, luego escoger entre las opciones disponibles.
Rastros o huellas de corrosión
Inspección preliminar
Resultados del análisis
Estudio de escritorio
Especificación del análisis principal
Inspección principal
Resultados del análisis
Salir
¿Es la corrosión el problema?
No
Sí ¿Carbonatación?
Tratamiento de la carbonatación. Si se presentan ambas, tratar por cloruros
No ¿Cloruros?
Sí
Tratamiento de cloruros
Figura 8.1.- Diagrama de flujo para la evaluación de una estructura corroída previo la selección de la
reparación. (Broomfield, 2007).
En todos los casos existe una opción de “hacer nada”. Esto quiere decir que la corrosión no es muy severa y los beneficios de esperar pueden ser mejores que los beneficios de reparar y rehabilitar en ese momento. Esta opción suele ser atractiva en muy pocas veces ya que las implicaciones estructurales y de seguridad del avance de la corrosión deben ser totalmente evaluadas y entendidas. Cual sea la opción que se escoja, sus méritos y limitaciones deben ser examinados como se hizo en los capítulos 6 y 7.
Opciones para la carbonatación. Para la carbonatación las opciones comunes son la reparación por parchado con un recubrimiento anticarbonatación aplicado posteriormente y la realcalinización. La realcalinización es muy difícil de realizar en estructuras preesforzadas. La realcalinización (y todas las técnicas electroquímicas) se vuelve menos costosa si existe un gran número de barras de refuerzo no conectadas. La realcalinización se vuelve más costosa en grandes áreas y las estructuras requieren de mucho tiempo para realizar una siguiente intervención o tratamiento mayor. Una tercera opción es disponible en forma de inhibidores de corrosión. Éstos pueden ser aplicados en la superficie del concreto, en el área a ser reparada y en el material para el parchado.
101
Parcheo Cap.6 Posible revestimiento Secc.6.3 Monitoreo Cap. 5
Sí
¿Vida corta? No
No
¿Mucho acero activo? No
Sí
¿Continuidad del acero buena?
No
Sí ¿Considera electroquímica?
Sí
Protección catódica galvánica Secc. 7.2
Análisis de costo del ciclo de vida
Realcalinización electroquímica Secc. 7.3
Reconsiderar
Sí ¿Preesforzado?
No
¿Electricidad disponible a costo razonable?
Análisis de costo del ciclo de vida
Protección catódica corriente impresa Secc. 7.2
Figura 8.2.- Diagrama de flujo para la selección del tratamiento para la corrosión por carbonatación.
(Broomfield, 2007).
102
Parcheo y revestimiento. El parcheo y revestimiento son usados para la carbonatación y cloruros en el daño por corrosión. Estos son generalmente más exitosos para la carbonatación como se ha demostrado en estudios recientes. El parcheo es más efectivo para la carbonatación que para el ataque por cloruros. Esto es porque la restauración de la alcalinidad es todo lo necesario para detener la corrosión en el concreto carbonatado y un revestimiento anticarbonatación reducirá el ingreso del dióxido de carbono así como se reduce el contenido de humedad. El concreto contaminado o carbonatado alrededor del acero debe ser removido. En algunos casos es necesario un soporte estructural durante el proceso de reparación. Una correcta evaluación es necesaria para realizar una cotización y estimación exactas. Por ello es importante definir exactamente las áreas y volúmenes de reparación. Uno de los problemas encontrados en llevar a cabo trabajos de parcheo es que la cantidad a remover o utilizar es subestimada. Esto se debe principalmente a dos razones, la técnica de “inspección” para delimitar las áreas de delaminación; y el incremento de esas áreas en el tiempo entre la inspección y la ejecución de la reparación. ¿Por qué escoger la realcalinización? Como se afirmó anteriormente, el parcheo y la aplicación de un revestimiento anticarbonatación es mucho más efectivo que parchar y usar un revestimiento para el ataque por cloruros. Ésta era la única opción de reparación hasta el principio de los 90’s. Los problemas por apariciones continúas de corrosión que había dado lugar al desarrollo de la protección catódica para estructuras contaminadas por cloruros, no se manifestó propiamente para estructuras carbonatadas. Sin embargo, al final de los 80’s se desarrolló la técnica de la realcalinización y se reconoció como un método alternativo de la rehabilitación de las estructuras donde la carbonatación era un significante y reconocido problema. Si la realcalinización es tan efectiva como se afirma entonces la elección entre la realcalinización y el parcheo y revestimiento es un asunto de conveniencia y costo, junto con una realista evaluación de la efectividad de los recubrimientos anticarbonatación. Las patentes y licencias del sistema de realcalinización afirman que: económicamente con las alternativas.
Es competitiva
La vibración y el ruido son reducidos en gran medida durante la fase (acortada) de reparación del concreto. Toda la superficie es tratada. Se ofrecen garantías. En muchos casos se acuerda un precio sin incremento en el final por algún trabajo extra. 103
Pero las cuestiones principales a plantearse cuando se considera esta opción son: ¿Cuánto tiempo durará? ¿Es ese tiempo compatible con los requerimientos de la vida de servicio de la estructura? ¿Es posible y aceptable repetir el tratamiento si reaparece la carbonatación al final de la vida de servicio del tratamiento (por decir, después de 10 años)? ¿Existen problemas con mi estructura que no podrían interactuar con el proceso de re alcalinización? Los requerimientos principales para la re alcalinización son: Continuidad eléctrica del acero; Nivel razonable y uniformidad de conductividad del concreto fresco; Sin cortos circuitos metálicos (electrónicos) no deben estar presentes al ánodo; Sin riesgo de provocar o acelerar reactividad álcali-sílica; Sin riesgo de debilitamiento del acero pretensado; Disponibilidad de energía eléctrica para el periodo de tratamiento; Sin capas que resguarden electricidad entre la superficie y el acero de refuerzo. (Bertolini, 2004). Estos requerimientos pueden ser una extensión de la condición de supervisión en forma de una inspección muy práctica. Si existen problemas con la continuidad o cortos o parcheos con alta resistencia eléctrica, éstos pueden ser tratados pero el costo debe ser analizado para asegurar que el proceso sigue siendo rentable. El problema del debilitamiento por hidrógeno y el acero pretensado ha sido discutido anteriormente. El proceso de realcalinización aplica de 20-50 V CD entre el ánodo y el acero. Por lo tanto se debe tener mucho cuidado al aplicar la realcalinización en estructuras que contienen acero pretensado bajo carga. Un monitoreo muy cuidadoso debe llevarse a cabo para asegurarse que el acero está completamente protegido del riesgo de evolución del hidrógeno o el acero debe ser examinado cuidadosamente para asegurar que no existe susceptibilidad de debilitamiento por el hidrógeno generado. Debido a los problemas con el acero pretensado, la realcalinización probablemente no debería ser usada como una alternativa de la reparación por parcheo y revestimiento para lograr soluciones costeables. En cualquier caso, sería inusual que se generará carbonatación en estructuras preesforzadas debido al alto contenido de cementantes y al gran recubrimiento que tienen los elementos. Si la carbonatación ha ingresado, entonces sería concerniente evaluar la resistencia de la estructura. Opciones para el ataque por cloruros. Si los cloruros son la causa de corrosión entonces el parcheo (incluyendo sobrerecubrimiento y encajonado), protección catódica y extracción electroquímica de cloruros son las tres mejores opciones. Como se discutió anteriormente todas las técnicas tienen diferentes alcances y limitaciones.
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Parcheo y sellamiento. Algún grado de parcheo debe ser requerido aunque otro tipo de reparación se lleve a cabo. Los alcances y limitaciones de las reparaciones por parcheo y revestimiento son diferentes para estructuras contaminadas por cloruros comparadas con las estructuras carbonatadas. Si el ingreso del cloruro es limitado y efectivas reparaciones por parcheo se llevan a cabo, removiendo cloruros por debajo del umbral de corrosión y controlando la humedad y el ingreso de cloruros, entonces, se puede lograr una extensión de vida costeable en la estructura. Si los poros del concreto contienen una significante cantidad de agua y aire, el sellamiento no puede ser efectivo para detener la corrosión una vez que los cloruros han penetrado en el concreto. También existe un efecto higroscópico una vez que los cloruros forman sales que absorben humedad en el concreto. (Broomfield, 2007). Existen dos excepciones al requerir de una reparación por parcheo como parte del proceso de rehabilitación: 1. Los cloruros han sido detectados y un tratamiento preventivo como la protección catódica es aplicada antes que la delaminación comience. 2. El nivel de agrietamiento y fisura es aceptable y la protección catódica o la remoción de cloruros es aplicada como un tratamiento preventivo del futuro deterioro.
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Parcheo Cap.6 Posible revestimiento Secc.6.3 Monitoreo Cap. 5
Sí
¿Vida corta? No
No
¿Mucho acero activo? No
Sí
¿Continuidad del acero buena?
No
Sí ¿Considera electroquímica?
Sí
Protección catódica galvánica Secc. 7.2
Reconsiderar
Sí ¿Preesforzado?
No
Análisis de costo del ciclo de vida
EEC Secc. 7.2
¿Electricidad disponible a costo razonable?
Análisis de costo del ciclo de vida
Protección catódica corriente impresa Secc. 7.2
Figura 8.3.- Diagrama de flujo para la s elección del tratamiento contra cloruros. (Broomfield, 2007).
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¿Por qué elegir la protección catódica por corriente impresa? Esta técnica ha existido por más de 30 años. Algunos sistemas anódicos se siguen desarrollando mientras muchos otros sistemas han dejado huella por más de 20 años. La protección catódica se ha aplicado en puentes de concreto en los Estados Unidos y en edificios del Reino Unido desde 1985. El Departamento de Transporte de EEUU afirma que la protección catódica es el único método para detener la corrosión a lo largo de toda la estructura sin importar el contenido de cloruro. Existen ahora muchas especificaciones nacionales, internacionales y privadas para la protección catódica por corriente impresa. Aunque se debe tener mucho cuidado al aplicarla en estructuras pre-esforzadas. Las principales ventajas de la protección catódica por corriente impresa para el ataque por cloruros son las siguientes: Previene el daño por corrosión en toda el área donde la protección catódica es aplicada. La corrosión no puede reaparecer durante la vida del sistema. Tiene un gran historial de aplicación en puentes y otras estructuras de concreto reforzado sobre el suelo, con cientos de estructuras y miles de metros cuadrados tratados. Existen especificaciones establecidas no privadas para esta aplicación. Existen sistemas anódicos apropiados para la mayoría de las aplicaciones. de la vida de servicio ha demostrado que es un sistema efectivamente costeable para una gran gama de estructuras y condiciones.
El análisis de costo
Las cuestiones principales a plantearse cuando se considera esta opción son similares para la realcalinización.
¿Por qué elegir la protección catódica galvánica? La protección catódica por ánodos de sacrificio tiene sus propias ventajas y desventajas relativas a la protección por corriente impresa y otras técnicas electroquímicas. Los diferentes sistemas anódicos también tienen sus propios alcances y limitaciones. Las principales ventajas de la protección catódica galvánica son: No requiere suministro de energía. No requiere monitoreo, control o mantenimiento. 107
Puede ser aplicado en estructuras preesforzadas y en presencia de RAS. No existe problemas de ánodos de corto circuito. Puede ser instalado como un complemento en la reparación por parcheo. Sus limitaciones son: No garantiza el cumplimiento del criterio de control de las normas BSEN12696 o NACE RP0290 que aseguran cuando la corrosión está controlada. Puede resultar caro el instalar algunos tipos de ánodos. Se puede secar en ciertas locaciones y microclimas. Los ánodos tienen tiempo de vida desconocidos.
¿Por qué elegir la remoción de cloruros? La protección catódica ha sido descrita como la única solución del ataque de cloruros que puede detener efectivamente el proceso de corrosión. Los problemas en la protección catódica son los requerimientos para una fuente permanente de energía, monitoreo y mantenimiento regular. De forma similar, la remoción de cloruros puede detener la corrosión a través de toda la estructura y tiene la ventaja que, como el parcheo, es un tratamiento de una sola ejecución. Se puede utilizar un generador durante el periodo de tratamiento, así que, las redes de electricidad no son necesarias. El mantenimiento a largo plazo no es necesario pero el sistema trata a toda la estructura. La desventaja es que no se conoce la duración de la efectividad del sistema. No se puede remover todos los cloruros del concreto. Si se logra detener el ingreso futuro de cloruros entonces el sistema puede ser efectivo por muchos años (10-20 años). Si los cloruros continúan afectando la estructura entonces el tiempo de retratamiento será menor o tal ves deba ser requerido un revestimiento o sellador). La remoción de cloruros no puede ser aplicada a estructuras preesforzadas debido al riesgo del debilitamiento por hidrógeno. El uso de electrolitos a base de litio puede controlar la RAS. Las principales ventajas de la remoción de cloruros son las siguientes: Previene el daño de corrosión a través de toda la estructura. Existen un gran número de sistemas anódicos diferentes para aplicaciones diferentes. El análisis de costo del ciclo de vida ha mostrado que el sistema es rentable para una amplia gama de estructuras y condiciones. No requiere de una fuente permanente de energía. Un generador de diesel u otra fuente temporal puede ser utilizado. No requiere de un monitoreo regular. La siguiente lista de requerimientos debe ser considerada para la remoción de cloruros y es similar a la utilizada para la realcalinización y la protección catódica: 108
