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1 CORROSIN DEL ACERO EN EL CONCRETO
Ing. Qco. Rafael Rosado
ENSAYO DE CORROSIN; Ensayo de corrosin; la probeta de
dimensiones conocidas (plana) se somete a las condiciones
corrosivas de servicio. Se mide la prdida de espesor (una sola cara
o sea se divide el medido por dos) y se expresa como dx/dt. Mas
comn y exacto es registrar por pesada, la prdida de masa de la
probeta (utilizando la densidad se puede calcular la prdida de
espesor en cm). Este ensayo solo es til si la corrosin es
generalizada, si hay picaduras no representa nada.
VELOCIDAD DE CORROSIN Y DENSIDAD DE CORRIENTE; Una velocidad de
corrosin que produzca una prdida de espesor de 1 mm sobre 1 m2
expuesto durante un ao (mm /m2 ao) en acero (densidad 7,8 g/cm3)
representar una prdida volumen de 1000 cm3 y de masa de: 7800 g/m2
ao = 2,5 * 10-5 mg/seg cm2 ( 1 ao = 31,536 * 106 seg) Si se expresa
esa velocidad en unidades elctricas se llama densidad de corriente.
Para la reaccin Fe0 = Fe2+ + 2e- , la oxidacin de un mol (55,85 g)
demanda 2*96500 coulombs (en adelante C). Para: 2,5 * 10-5 mg/seg
cm2 se necesitarn 8,64 * 10-2 microC/ seg cm2 o sea 8,64 * 10-2
microA/cm2 (ya que A * seg = C) De esta manera, es posible (y de
uso generalizado) expresar velocidad de corrosin como densidad de
corriente en microA/cm2. De esta manera es fcil comprender que an
una baja velocidad de corrosin concentrada en un punto, puede
provocar un dao muy grande. Por otra parte un nodo de gran
superficie ser conveniente ya que la densidad de corriente ser
siempre pequea.
POLARIZACIN DEL ELECTRODO En un metal, sumergido en una solucin
de sus propios iones, se dan
simultneamente estos procesos: Ionizacin: M0 = M+ + e-
(oxidacin, disolucin, provisin de electrones ganancia cargas +)
Descarga: M+ + e- = M0 (reduccin, precipitacin, captura de
electrones, prdida de cargas positivas)
Si ambos procesos tienen la misma velocidad, se alcanza un
equilibrio y no habr pasaje neto de corriente, pero si uno de los
dos tiene diferente velocidad el electrodo resultar polarizado
(polarizacin espontnea). Mas frecuentemente la polarizacin se
produce porque la velocidad de difusin de los iones (hacia o desde
el electrolito) es menor a la de ionizacin-descarga. Esto resultar
en que los iones positivos se acumularn en la interfase del nodo
polarizndolo. Por otra parte en el ctodo habr un dficit de los
iones que se descargan lo que tambin producir polarizacin. Una
sustancia que reduzca la polarizacin se llama despolarizante. Por
ejemplo la reaccin catdica (reduccin del hidrgeno): 2H+ (solucin) +
2 e- = 2H0 = H2 (de hidrgeno atmico a gas molecular) se ver
retardada por la presencia de oxidantes (el que oxida se reduce)
que competirn con el hidrgeno por los electrones, por lo tanto
actuarn como despolarizantes.
El mismo efecto se consigue aplicando una fem exterior (o sea
creando una celda electroltica). Si se conectan por separado el
ctodo y el nodo a un electrodo de referencia (de potencial
constante y conocido), se pueden medir las densidades de corriente
correspondientes. El proceso andico que es proveedor de electrones
se dar en el sentido de los potenciales de reduccin crecientes
mientras que en el ctodo, donde se consumen electrones, el proceso
se dar en el sentido de los potenciales de reduccin
decrecientes.
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El cero de este grfico es arbitrario, depende del electrodo de
referencia que se use. Si se aplican a un electrodo en equilibrio
con el electrolito, diferentes ddp, se obtendrn diferentes
velocidades de corrosin, andica o catdica segn el sentido de la
corriente que se aplique. En escala semilogartmica estas curvas
sern rectas:
El potencial al que se igualan ambas velocidades se llama
potencial de corrosin y vemos que en esa zona pequeas variaciones
de potencial producen enormes variaciones de velocidad (la escala
de i es logartmica). La lnea punteada que corta al proceso andico
en i y E lmites, representa la reaccin catdica cuando la provisin
de oxgeno esta limitada por ejemplo en el caso de estructuras
sumergidas o simplemente por su velocidad de difusin. En este caso
la velocidad caer hasta un valor i lmite que no podr ser superado.
Esta grfica representa la condicin activa del acero en el concreto,
hay corrosin libre, solo limitada por escasez del oxgeno
disponible.
CORROSIN DEL ACERO PASIVADO: Una capa muy fina de tomos (10 o
15) forma xidos adherentes de naturaleza
compleja (en el caso del acero el xido negroal que se atribuye
la frmula Fe3O4) que protege al metal de ulterior corrosin. En este
caso la recta que representa la reaccin andica cambia:
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Si la recta que representa la reaccin catdica pasa por A o por
C, la corrosin ser despreciable pero si se eleva el potencial de
modo que pase por B la corrosin ser libre, esto depender de las
caractersticas del sistema y en el caso del concreto de su pH y de
la presencia de cloruros (mejor dicho de la relacin Cl-/OH-).
POLARIZACIN DEL HIERRO EN PRESENCIA DE CLORURO.
En condiciones ideales, el elevado pH del concreto mantiene la
pasividad del hierro, pero a la larga la permebilidad del concreto
(produciendo el ingreso y la salida del agua por efecto osmtico) y
los efectos de la carbonatacin irn neutralizando el pH y la
corrosin se har evidente entre 50 y 100 aos dependiendo de la
calidad del concreto y de las condiciones ambientales. Sobre cierta
concentracin (o mejor dicho
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4 cuando la relacin entre la concentracin del cloruro y la del
oxhidrilo alcanza el umbral) el cloruro que tiene una gran afinidad
por el hierro, destruye la capa pasiva pues desplaza al oxgeno del
xido pasivante, el sistema pasa a ser de corrosin libre. El cambio
de potencial del hierro puede medirse y as detectar el proceso
antes de que empiece a reventar la capa de proteccin, por las
tensiones de traccin producidas por el incremento de volumen que
acompaa a la formacin del hidrxido frrico .
El estado de tensin mecnica de las armaduras comunes influye muy
poco, otra cosa es con los pretensados donde adems la falla es
catastrfica, no hay aviso como en las estructuras comunes.
El mecanismo de corrosin por sulfato es muy diferente. El
sulfato ataca al concreto disgregndolo hasta que se alcanzan las
armaduras y se las expone a la corrosin, as el ataque es visible
desde que comienza. El cloruro en cambio es mas sutil pues la
formacin de herrumbre no es visible hasta que la capa de proteccin
estalla por los mencionados esfuerzos de traccin. En otras palabras
el ataque por sulfato comienza desde la superficie y avanza hacia
el interior, acta sobre la masa del concreto, en cambio el cloruro
acta sobre las armaduras y comienza por lo tanto en el intedrior de
la estructura, su efecto es dentro hacia fuera. El cloruro no tiene
efecto sobre el pH del concreto, que proteger al Fe siempre que se
mantenga entre 12 y 13 (normalmente lo tiene por el hidrxido de
calcio que contiene). Los responsables de bajar ese pH son el
ataque cido, el dixido de carbono y la lixiviacin del hidrxido de
calcio por el efecto osmtico que provocan aguas blandas, lluvia
etc.
ELECTRODOS DE REFERENCIA (o electrodo de media celda) El
milivoltmetro se usa para medir ddp, tiene dos bornes, el rojo y el
negro. Si queremos medir el potencial de una barra metlica
sumergida en una solucin de sus propios iones y apoyamos el rojo
sobre el metal y el negro en la solucin, obtendremos una lectura
que no tiene sentido ya que el borne sumergido tambin es una pila
de potencial desconocido y la lectura entre dos potenciales
desconocidos no significa nada. Para eliminar toda ambigedad en la
lectura, el borne negro es reemplazado por un electrodo de
referencia de potencial conocido, el de Cu/CuSO4
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La armadura se encuentra toda al mismo potencial. Se suelda uno
de los
termianles a una barra de la armadura y se va apoyabdo el
electrodo a la superficie del concreto registrndose las ddp, se
mapea la estructura. Los valores registrados se confrontan con los
tabulados para determinar la probabilidad de que exista un proceso
corrosivo. Este proceso permite predecir el proceso aos antes de
que la estructura haga crisis. El criterio de la astm C 876, que
describe detalladamente las caractersticas del electrodo, es: Si
los potenciales sobre un area son mas positivos que 0,20 V hay una
probabilidad mayor que el 90% de que no exista un proceso corrosivo
en esa rea. Si esos potenciales estn en el rango entre 0,20 y 0,35
V la actividad corrosiva en las armaduras es incierta. Si la
medicin arroja valores mas negativos que 0,35 V existe una
probabilidad mayor que el 90% de que la armadura se est
corroyendo.
En los hechos, una barra en contacto con un concreto embebido en
NaCl puede dar ddp de 0,4 a 0,5 V. El hierro pasivo en contacto con
concreto no da lecturas mas negativas que 0,1 V.
La medicin de potenciales por s sola no da toda la informacin
acerca del estado de la armadura. En el caso de estructuras
sumergidas en agua salada, los potenciales sern muy negativos
indicando que el acero est activo (la resistividad del concreto
saturado de cloruro es de 10 a 20 veces menor que la del normal) y
sin embargo la velocidad de corrosin ser muy baja por escasez de
oxgeno. En estructuras off-shore la zona crtica es la
semisumergida. Cuando la marea sube la estructura mas o menos
permeable se satura de agua con cloruro, cuando baja se seca el
agua dejando la sal en los capilares (el llamado build-up del
cloruro), penetra el
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6 oxgeno y se cierra un ciclo por el que la concentracin de
cloruro ser mas elevada que en la zona sumergida y el oxgeno nunca
ser escaso.
Esta experiencia fue realizada sobre trozos de barra
discontinuos en una columnna a distintas alturas sobre el nivel del
mar.
La curva 4, en agua sumergida presenta una lenta cada hacia
valores mas negativos, en cambio la 2 y la 3, una brusca cada en el
momento que se rompe la capa pasiva, y las ddp caen a valores muy
negativos. La 1 corresponde a una altura lejos de la influencia del
cloruro. Causas de la presencia del cloruro en el concreto:
a) Externas: Ambiente marino, aguas saladas y la sal usada para
descongelar las rutas
b) Internas: aguas saladas usadas para la preparacin de la
mezcla, el cloruro de calcio usado durante muchos aos (ahora en
desuso) como acelerante de frague. Los ridos como la arena de
mar)
Umbral de cloruro El umbral de cloruro, valor apartir del cual
comienza un proceso de corrosin
acelerado, es una relacin entre la concentracin de cloruro y la
de oxhidrilo (ambas molares) y se considera empricamente que est
alrededor del 30% (de Cl- respecto a OH- ) o sea que corresponde a
una concentracin bastante alta. Como los oxhidrilos son aportados
por el cemento Portland es comn referirse a masa de cloruro por
masa de hormign o de cemento Prtland y un valor muy emprico
utilizado en USA-Canad
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7 es 0,7 K de cloruro/m3 de hormign lo que equivale
aproximadamente a 0,2% del peso del cemento incorporado a la
mezcla. Transporte del cloruro en el concreto
Se considera que en los primeros 1 a 2 cm (dependiendo de la
porosidad) el cloruro avanza por presin osmtica. Luego se considera
por difusin simple, un proceso mucho mas lento. Conociendo el
coeficiente de difusin del cloruro en el concreto en cuestin es
posible calcular el tiempo en que el cloruro va a llegar hasta las
armaduras iniciando el proceso corrosivo. Lo que va a pasar despus
depende de la velocidad de corrosin que tiene variaciones muy
grandes que van desde 1 mm / ao (valor nunca superado) a un micrn
por ao. Corrosin del acero en el concreto
Hasta que el Cl- alcanza el umbral, el acero semantiene en
estado pasivo, la corrosin siempre est pero con una velocidad menor
a 1 um por ao puede considererse que no sucede nada, este es el
PERODO DE INICIACIN, cuando por el proceso combinado de aumento de
la concentracin del cloruro y disminucin de la concentracin de
oxhidrilos se llegua al umbral, la velocidad de corrosin aumenta
bruscamente , con velocidad variable segn la tabla Estas
variaciones dependen de las condiciones en que est el sistema,
estado de las barras al inicio, permeabilidad del concreto, pH,
humedad ambiente etc. uA/cm2 V. de Corr.
mm/ao prdida espesor
102 1,0 Mx. intensidad de corrosin conocida 10 10-1 1 10-2
10-1 10-3
Estado Activo (propagacin)
1 um por ao, mxima corrosin en estado pasivo
Estado pasivo
Perodo de iniciacin, desde el punto de vista prctico no hay
corrosin
La lnea roja representa el caso de un hormign de elevada
permeabilidad (R a/c), esto influye el un acortamiento del perodo
de iniciacin pero no en la velocidad de la corrosin (pendiente de
las rectas) ya que una vez que se alcanza el umbral esta es
controlada por otros factores como abastecimiento de oxgeno, pH del
electrolito etc.
CARBONATACIN El CO2 atmosfrico neutraliza el Ca (OH)2 que satura
el agua que llena los
capilares del concreto, su efecto sobre las armaduras es que
despasiva al hierro y en condicin activa comenzar el proceso de
propagacin.
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8 CO2 + Ca (OH)2 = CaCO3 + H2O reaccin que sucede en los poros y
capilares del concreto. El carbonato de calcio es casi insoluble y
el proceso es muy lento ya que intervienen la fase slida (el
hidrxido esta cristalizado), la gaseosa (el CO2) y el agua que
funciona como vehculo.
El CO2 est en una concentracin del orden de las 300 ppm en el
aire, con variaciones segn se trate de ambientes urbanos,
industriales o rurales. Nunca es demasiado alto pero es
constante.
El agua es imprescindible pero el proceso se detiene para
humedad relativa ambiente, mayor al 80% por la dificultad del CO2
para difundirse por los capilares llenos de agua. Se ha dicho que
la mxima carbonatacin sucede para humedades del 60%. El avance de
la carbonatacin puede evaluarse en una probeta extrada de la
estructura, por la fenoftalena que toma color rojo para pH
superiores a 8,3, esto es si no hay color el pH es inferior y el
dixido de carbono ha neutralizado el concreto. Para el avance de la
carbonatacin se ha establecido: X = aprox. a Kc * raz cuadrada de t
Donde x es el espesor carbonatado y t el tiempo. El problema es por
supuesto el Kc (que puede considerarse un coeficiente de difusin)
ya que en esto se conoce menos que en el caso del cloruro.
Empricamente se han fijado para Kc los valores: De 0 a 3 mm/ao para
a/c < 0,5 y alto contenido de cemento De 3 a 6 mm/ao a/c de 0,5
a 0,7 y menos cemento Y > 6 mm/ao para concretos de mala
calidad. Estos valores no deben utilizarse en estructurasexpuestas
a la lluvia, solo cuando la humedad es adecuada como debajo de un
puente. Como en el caso de las estructuras semisumergidas en agua
salada, los ciclos de humedad y secado son nefastos.
PREVENCIN DE LA CORROSIN A.- Diseo adecuado de la estructura: 1
La precaucin mas trivial es prever un buen espesor de
recubrimiento. En atmsferas agresivas se debe disponer de por lo
menos 5 cm de espesor, hay quienes elevan este espesor a 7 cm y en
USA para carreteras martimas se est usando un recubrimiento de 10
cm. INCONVENIENTE; un espesor excesivo puede ser contraproducente,
ya que est sujeto a fisuraciones no controladas por la armadura 2
Preveer un rgimen de exposicin mnimo, en las juntas entre dos losas
se debe prever un correcto sellado y un rpido drenaje de agua y
esta no debe caer sobre las columnas (se reproducira el build up
del cloruro que provoca el rgimen de mareas) 3 En estructuras
semisumergidas, para evitar esa acumulacin del cloruro, la
superficie en contacto con el nivel del agua debe ser mnima
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El nivel adecuado es el 1 que ofrece menos superficie de
contacto que la 2. Adems los pilotes suelen ser pretensados, mucho
mas sensibles que hormign armado comn. 4 Prever una proteccin
adecuada. Lo mas econmico es pinturas en base a siliconas que
sellan la superficie del concreto, son efectivas pero no hay
experiencia acerca de su duracin. B.- Diseo del hormign 1 Relacin
a/c mnima. Recurrir a aditivos fluidificantes y a vibrado.
INCONVENIENTE; puede haber problemas para llenar correctamente los
moldes, los aditivos no estn exentos de objeciones y un vibrado
excesivo producir segregacin de los ridos. 2 Seleccin de los ridos,
la piedra no debe ser porosa aunque generalmente lo es, el granito
considerado una buena piedra suele tener una porosidad semejante al
del hormign preparado con una a/c 0,7 o sea uno muy malo (de
cualquier manera el gel de cemento lo recubre la relacin a/c
termina siendo la controlante, pero para que esto suceda la
cantidad de cemento debe ser suficiente). La arena del lugar aporta
cloruros por lo que existen especificaciones que limitan la
cantidad de cloruros que aportan los ridos. Como ejemplo la
especificacin ACI 318-83 (American Concrete Institute) para el
cloruro que puede tener el hormign:
a) Donde va a haber contaminacin con cloruro (costas marinas) no
debe contener mas del 0,15% del peso del cemento en el momento de
ser preparado.
b) Para cualquier otro tipo de servicio mximo 0,30 excepto si el
hormign va a estar siempre seco (interiores) en este caso se admite
hasta el 1% siempre del peso de cemento.
c) MUY ESTRICTA para hormign pretensado, mximo 0,06%.
INCONVENIENTE: Los materiales de la costa martima son con
frecuencia inadecuados y traerlos de otra zona tiene un costo
elevado. 3 Extremar las precauciones para asegurar un ptimo curado
del hormign. 4 Prever el agregado de puzzolanas, ahora muy
utilizadas las cenizas volantes, cenizas de carbn de centrales
elctricas. No son cementicias per-se pero reaccionan lentamente con
el Ca(OH)2 que satura el agua retenida por el concreto, produciendo
mas silicatos de calcio que obturan los capilares incrementando la
impermeabilidad de la masa. El mismo efecto se consigue agregando
microslica. INCONVENIENTE la neutralizacin del hidrxido con la
consiguiente baja del pH.
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10 6 Inhibidores de corrosin; han sido propuesto muchos pero el
mas exitoso parece el nitrito de calcio, un poderoso reductor
(consume electrones e inhibe la reaccin catdica) que se agrega en
suspensin acuosa ; 2 litros/m3 de hormign, eleva el precio en un 5
al 10%. Se ha comprobado en laboratorio que eleva el umbral del
cloruro unas 10 veces. INCONVENIENTE; Adems del costo, el problema
es que es parcialmente soluble y nadie sabe cuando tiempo va a
durar en una estructura sumergida. 6 Proteccin de las varillas: 6
a) Cobertura de epoxi aplicada a 200C, la adherencia entre la
resina y el acero es excelente en cambio entre la varilla
recubierta y el concreto es un 20% menor que con el acero desnudo y
esto exige un solapado doble que con las varillas comunes. Un xito
en laboratorio pero un fracaso en obra pues el transporte, descarga
y manipulacin de las varillas producen grietas en la cobertura y
donde se forman microceldas corrosivas donde la alta concentracin
de densidad de corriente provocar picaduras. 6 b) Galvanizado. En
HA el Zn es econmico y protege por su elevado umbral de cloruro, de
2 a 3 veces mas alto que el del acero. Si el Zn de la cobertura es
despasivado por el cloruro, los xidos difunden en las porosidades
del concreto y no forman lminas que despegan las varillas del H
como en el caso del Fe. El inconveniente es que la velocidad de
corrosin del Zn aumenta dramticamente a partir de pH 12,5 lo que
condiciona su uso a los concretos puzzolnicos. Otro inconveniente
es que las barras deben cincarse despus de dobladas, para evitar el
despegue de la capa. Hasta ahora su uso es experimental y el costo
de estas varillas es un 30% superior. 6 c) Barras de aceros
inoxidables austenticos, son excelentes pero su costo es de 8 a 10
veces superior. 7 Proteccin catdica:
El potencial de una barra as protegida respectp al electrodo
Cu/CuSO4 es de 800/-1000 mV (0,8 a 1 V), si estuviera en estado
natural estara corroyndose a gran velocidad. Ahora se est usando
como nodo el recubrimiento de la zona crtica (entre niveles de
mareas) una malla de titanio que es a suvez recubierta con una capa
de proteccin con concreto, muy caro pero hasta ahora no tiene
alternativas porque otros materiales ensayados duran pocos aos. En
Florida se est ensayando el Zn termorrociado sobre la zona crtica,
costo en obra 60 U$S/m2, mucho mas barato que el Ti que segn su
extensin puede llegar a 1000 U$S/m2
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11 FINALMENTE; que hacer cuando la estructuraest muy
deteriorada?. Emparchar el H es slo una solucin cosmtica que durar
no mas de 2 aos, ya que el cloruro est adentro y seguir actuando.
Mas realista es analizar hasta donde lleg el cloruro y eliminar
todo ese concreto, no solo hasta las barras sino mas adentro y
reemplazarlo por H nuevo de baja permeabilidad.