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26 3. Patologías en Estructuras de Concreto 3.1. Defectos Físicos Visibles en Estructuras La identificación de defectos físicos a menudo puede proporcionar información muy valiosa para otros defectos de un nivel muy complejo. Las características visuales se pueden relacionar a la mano de obra, mantenimiento estructural, y deterioración del material y es particularmente importante que el ingeniero sea capaz de diferenciar entre los distintos signos de daño que puedan surgir. Por ejemplo este tipo de observaciones involucra el poder distinguir (Fig. 3.1): Fig. 3.1. Tipos de fallas distinguibles en inspección visual. Grietas Picaduras Delaminación Desintegración Decoloración Intemperismo

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3. Patologías en Estructuras de Concreto

3.1. Defectos Físicos Visibles en Estructuras La identificación de defectos físicos a menudo puede proporcionar información muy valiosa para otros defectos de un nivel muy complejo. Las características visuales se pueden relacionar a la mano de obra, mantenimiento estructural, y deterioración del material y es particularmente importante que el ingeniero sea capaz de diferenciar entre los distintos signos de daño que puedan surgir. Por ejemplo este tipo de observaciones involucra el poder distinguir (Fig. 3.1):

Fig. 3.1. Tipos de fallas distinguibles en inspección visual.

Grietas Picaduras Delaminación

Desintegración Decoloración Intemperismo

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Grietas

Picaduras

Astillamientos

Desintegración

Decoloración

Intemperismo

Imperfecciones superficiales

Falta de uniformidad Puede incluirse información extra de la inspección visual para contar con una indicación preliminar de la condición de la estructura que ayude en la formulación del programa de ensayos. La inspección visual no debe sin embargo relegarse sólo a la estructura en investigación. Debe incluirse también el entorno, como estructuras vecinas y las condiciones climáticas. Este es probablemente el aspecto más difícil de toda la investigación estructural o cualquier trabajo de diagnóstico puesto que parece obvio que uno no puede relacionarse con el otro. La importancia y beneficios de la inspección visual no deberá de subestimarse. Por lo general la omisión de lo que parece ser de evidencia insignificante puede llevar a una conclusión mal hecha. 3.1.1. Croquis de defectos típicos encontrados por inspección visual Aunque la experiencia es el mejor indicador, el grupo de esquemas de la Fig. 3.2 son croquis de defectos típicos encontrados en estructuras de concreto.

Retracción plástica Asentamiento plástico Agregado expuesto Falla junta de construcción

Falla del cimbrado Asentamiento del cimbrado Herrumbre severo del acero

de refuerzo Concreto expuesto al fuego

Asentamiento diferencial Esfuerzos de flexión y

cortante Acción de terremoto

Acero de refuerzo

insuficiente

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Asentamiento concreto

fresco

Herrumbe del acero de

refuerzo

Ciclos congelación-

descongelación

Condiciones atmosféricas

Fig. 3.3. Croquis de algunos defectos típicos.

3.2. Condiciones Físicas de Deterioración Visible en el Concreto 3.2.1. Agrietamientos comunes La fisuración se define como la discontinuidad del material en cierta longitud que no llega a atravesar el elemento lado a lado y agrietamiento se define como aquella discontinuidad del material en cierta longitud que llega a atravesar el elemento lado a lado. En términos generales se maneja aquí el término agrietamiento, dado que pueda ser el más probable que suceda. Las grietas en el concreto no pueden eliminarse enteramente. Una regla general para la evaluación del agrietamiento, sugiere que grietas con patrones aleatorios de aparición de magnitud pequeña son insignificantes por lo general. Por otros lado, grietas que corren en una dirección definida con magnitud mayor, pueden indicar una deficiencia estructural. Agrietamiento aleatorio o “mapa”. Caracterizado por fisuras finas sobre la superficie, debidas por lo general a cambio de volumen del material cerca de la superficie. Es estructuralmente significativo si sigue la trayectoria del refuerzo demostrando una separación entre ambos. (Fig. 3.3). Fig. 3.3. Agrietamiento aleatorio o de “mapa”. Fig. 3.4. Agrietamiento simple continuo.

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Agrietamiento simple continuo. Pueden indicar una deficiencia estructural, pudiendo ser de orientación longitudinal, transversal o diagonal. Si no se identifica y corrige esa deficiencia estructural, continuarán creciendo en longitud y altura. (Fig. 3.4). 3.2.2. Agrietamientos en elementos a flexión Las grietas en flexión se desarrollan debido a esfuerzos internos generados por: fuerzas externas, contracción, fluencia y expansión interna debido al cambio de los constituyentes del concreto. En general las grietas pueden ser secundarias y principales. Grietas secundarias. Las grietas secundarias son grietas muy pequeñas que se desarrollan en la primera etapa del agrietamiento. Existen tres tipos de grietas secundarias:

Grietas de contracción.

Grietas de flexión.

Grietas secundarias por corrosión. Grietas principales. Las grietas principales se desarrollan en una etapa posterior que las grietas secundarias. Se originan a partir de la diferencia entre las deformaciones unitarias del acero y del concreto en la sección. El comportamiento de las grietas principales cambia en dos diferentes etapas:

Etapa 1. Con bajos esfuerzos de tensión en el acero.

Etapa 2. Cuando los esfuerzos se incrementan. El ACI presenta los requisitos para el control de grietas principales en vigas y elementos sujetos a tensión. Ancho de grieta y limitaciones El ancho de grieta y la separación de la misma, depende de varios factores como el porcentaje de refuerzo, su distribución en la sección, el esfuerzo en el acero bajo cargas de servicio, recubrimiento del concreto y las propiedades de los constituyentes del concreto. Una expresión propuesta para el ancho de grieta, Wcr esperada está dada por:

3cs

5cr dAfβ101.1W 3.1

Fig. 3.5. Localización de dc y el área del concreto.

Donde

=Distancia del eje neutro a la fibra inferior/distancia del refuerzo; 1.2 para vigas y 1.35 para losas.

fs =Esfuerzo en el acero de refuerzo, que puede considerarse como 0.67 fy.

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b

A

n

bhA 3.2

nb=Número de varillas en sección. La Fig. 3.5 muestra el modelo de una sección para el cálculo del ancho de grieta, wcr.El ancho permisible de grietas está influenciado por la estética y requisitos de apariencia. A simple vista se pueden detectar grietas de 0.15 mm de ancho, dependiendo de la textura superficial del concreto. Varios investigadores han propuesto diferentes valores de ancho permisible de grieta:

De 0.25 a 0.40 mm para elementos interiores.

De 0.15 a 0.25 para elementos exteriores. Se puede tolerar un ancho de 0.4 mm para miembros interiores y de 0.33 mm para miembros exteriores. En la Tabla 3.1 se muestran otros valores de anchos de grietas para distintos niveles de exposición de estructuras de concreto.

Tabla 3.1. Anchos de grieta razonables en estructuras de concreto reforzado bajo cargas de servicio.

Exposición Ancho, mm

Aire seco o membrana protectora 0.40

Humedad, aire húmedo, suelo 0.30

Químicos usados en descongelamiento

0.18

Agua de mar, humedecimiento y secado

0.15

Estructuras de depósito de agua 0.10

3.2.3. Deterioro Químico Es la separación de los componentes del concreto como resultado de una interacción química, por parte de la acción interna y externa del material. La Tabla 3.2 describe la deterioración del concreto, resultado de la acción de agentes químicos.

Tabla 3.2. Efecto de varios agentes químicos en el concreto.

Compuesto químico Material Efecto en el concreto

Ácidos

Acético Desintegra lentamente

Aguas ácidas Sólo erosionan superficie del mortero

Carbólico Desintegra lentamente

Húmico Desintegra lentamente

Hidroclórico Desintegra

Hidrofluórico Desintegra

Láctico Desintegra lentamente

Muriático Desintegra

Nítrico Desintegra

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Oxálico Ninguno

Fosfórico Ataca superficie lentamente

Sulfúrico Desintegra

Sulfuroso Desintegra

Tánico Desintegra lentamente

Sales y álcalis

(en solución)

Carbonatos de:

Amonio

Potasio

Sodio

Ninguno

Cloruros de:

Calcio

Potasio

Sodio

Estroncio

Ninguno, a menos que concreto se exponga a ciclos

de secado y mojado con la solución

Cloruros de:

Amonio

Cobre

Hierro

Magnesio

Mercurio

Zinc

Desintegra lentamente

Fluoruros Ninguno, excepto Fluoruro de Amonio

Hidróxidos de:

Amonio

Calcio

Potasio

Sodio

Ninguno

Nitratos de:

Calcio

Potasio

Sodio

Ninguno

Nitrato de Amonio Desintegra

Permanganato de Potasio Ninguno

Silicatos Ninguno

Sulfatos de:

Aluminio

Calcio

Cobalto

Cobre

Hierro

Manganeso

Ni

Níquel

Potasio

Sodio

Zinc

Desintegra. Sin embargo los productos de concreto

curados a vapor de alta presión son muy resistentes a

los sulfatos

Aceites de petróleo

Aceites pesados, menores a 35°Baume Ninguno

Aceites ligeros, mayores a 35°Baume

Bencina

Gasolina

Queroseno

Nafta

Gasolina de alto octanaje

Ninguno, pero requiere concretos muy impermeables

para evitar penetración

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Destilados de Alquitrán

Alizarina

Antraceno

Benzol

Parafina

Brea

Tolueno

Xileno

Ninguno

Creosota

Cresol

Fenol

Desintegra lentamente

Aceites Vegetales

Semilla de Algodón Ligera desintegración si es expuesto a aire

Colofonia

Almendra

Castor

Madera de China

Coco

Linaza

Oliva

Cacahuate

Semilla de amapola

Colza

Soya

Nogal

Desintegra superficie lentamente

Tupentina Ninguno con penetración considerable

Grasas y Ácidos Grasos

(origen animal)

Aceite de pescado Muchos aceites de pescado atacan lentamente

Aceite y manteca de cerdo

Cebo Desintegra lentamente

Misceláneos

Alcohol Ninguno

Agua de amonia (hidróxido de amonio) Ninguno

Bicarbonato de Sodio Ninguno

Cerveza Desintegración no progresiva

Solución de blanqueado En general ninguno

Ácido Bórico Ninguno

Enebro (sal) Ninguno en concreto impermeable

Suero de leche Igual que leche

Soda cáustica Ninguno en concreto de agregado calizo

Sidra Desintegra

Cenizas Alguna desintegración

Carbón Ninguno, excepto en pirita

Jarabe de maíz

Cianuro Desintegra lentamente

Formaldehídos Desintegra en solución acuosa

Jugos de fruta Poco efecto si son ácidos tartárico y citrico

Glucosa Desintegra lentamente

Glicerina Desintegra lentamente

Miel Ninguno

Lejía Ver “Soda cáustica”

Leche Ninguno si es leche fresca. Si es fermentada, el ácido

láctico atacará concreto

Melaza Si es parcialmente refinada ataca al concreto si no

está curado apropiadamente

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Salitre Ninguno

Sal de amonio Igual que Cloruro de Amonio

Azúcar Azúcar seca no tiene efecto. Soluciones de azúcar

atacan concreto

Licor de sulfito Desintegra lentamente

Fosfato Trisódico Ninguno

Vinagre Ver “Ácido Acético”

Suero El ácido láctico atacará concreto

3.3. Mecanismos de Corrosión en el Acero de Refuerzo

Un medio ácido provoca corrosión en los metales. La alcalinidad que es opuesta a la acidez, puede

proteger de la corrosión por los álcalis contenidos en el concreto. Cuando se dice que el concreto es

alcalino, significa que contiene poros microscópicos que contienen altas concentraciones de óxidos de

calcio, sodio y potasio solubles. Éstos forman hidróxidos, los cuales son muy alcalinos cuando hay

presencia de agua, creando una condición muy alcalina de pH de 12 a 13.

La condición alcalina conduce a la formación de una capa de pasivación, la cual es una película delgada,

densa e impermeable. Esta capa pasiva previene la corrosión del acero de refuerzo y está compuesta

probablemente en parte metálica óxido/hidróxido y parte mineral de cemento.

Desafortunadamente, este medio alcalino no siempre puede mantenerse, debido a dos condiciones que

pueden romper este equilibrio, siendo éstas la carbonatación y la contaminación con cloruros en el

concreto, que serán discutidos más adelante.

3.3.1. El Proceso de corrosión

Una vez despasivada la capa o película formada en la superficie del propio acero de refuerzo,

comenzarán a aparecer área de herrumbre (corrosión) sobre su superficie. Las reacciones químicas son

las mismas si la corrosión ocurre por ataque de cloruros o carbonatación, o ambos a la vez. Cuando el

acero en el concreto se corroe, este se disuelve en el poro acuoso y dona electrones:

Reacción anódica: Fe → Fe2+

+ 2e¯ 3.3

Estos dos electrones (2e¯) creados en la reacción anódica se deberán consumir en alguna parte sobre la

superficie del acero para conservar la neutralidad electrónica. Debe existir entonces otra reacción

química para consumir los electrones. Esta es una reacción que consume agua y oxígeno:

Reacción catódica: 2e¯ + H2O + ½O2 → 2OH¯ 3.4

Esto se muestra en la Fig. 3.6. Nótese que se están generando iones hidroxilo en la reacción catódica.

Estos iones aumentan la alcalinidad local, por lo que reforzarán la capa pasiva y alejarán los efectos de

carbonatación e iones cloruro en el cátodo. Se debe observar también que el agua y oxígeno son

necesarios en al cátodo para que la corrosión ocurra.

Las reacciones catódicas y anódicas son los pasos básicos de corrosión que genera herrumbe. Sin

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embargo este par de reacciones es crítico para la comprensión de la corrosión. Si el hierro solo se

disolviera en el medio poroso acuoso (ion ferroso en Ec. 3.3 es soluble), no se formaría agrietamiento o

delaminación del concreto, pero algunas etapas más ocurren para la formación de herrumbre, que se

puede expresar en varias formas y una de ellas se muestra aquí donde el hidróxido ferroso se vuelve

hidróxido férrico y después óxido férrico hidratado o herrumbe:

Fig. 3.6. Reacciones anódica, catódica, de oxidación

e hidratación en la corrosión del acero de refuerzo.

Fe2+

+ 2OH¯→ Fe(OH)2 (Hidróxido ferroso) 3.5

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (Hidróxido férrico) 3.6

2Fe(OH)3 → Fe2O3·H2O + 2H2O (Óxido férrico hidratado, herrumbre) 3.7

El proceso completo de corrosión se muestra en la Fig. 2.6. El óxido férrico deshidratado, Fe2O3 tiene un

volumen aproximado del doble del volumen del acero que reemplaza. Cuando este se hidrata se expande

aún más y se vuelve poroso. Estos significa que el volumen se incrementa en la interface acero/concreto

de 6 a 10 veces como se ilustra en la Fig. 3.7.

Fig. 3.7. Volumen relativo del hierro y sus

óxidos.

Esto conlleva al agrietamiento o delaminación que se observa como la consecuencia usual de corrosión

del acero en estructuras cuyo óxido es de color rojo/marrón, quebradizo que se puede ver directamente

sobre la estructura (Fig. 3.8).

3.3.2. Herrumbe Negra

Existe una alternativa para la formación de la herrumbe normal roja/marrón descrito en las reacciones de

las Ecs. 3.5 a 3.7. Si el ánodo y el cátodo están lo suficientemente separados (por algunos cientos de

milímetros) y el ánodo está necesitado de oxígeno (por ejemplo en una condición saturada en agua), el

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hierro como Fe2+

estará en solución. Esto significa que no habrán fuerzas expansivas como en el caso

anterior para agrietar el concreto, y así la corrosión no podrá detectarse.

Fig. 3.8. Ilustración del acero de refuerzo corroído.

Este tipo de corrosión (conocida como herrumbe verde o negra, debido al color del líquido cuando se

expone al aire después del su escurrimiento se encuentra bajo condiciones saturadas. Es potencialmente

peligrosa cuando no hay indicación de agrietamiento o delaminación y el acero de refuerzo puede

debilitarse severamente antes de ser detectada la corrosión. Algunos ejemplos de varillas que son

atacadas de esta forma se muestran en la Fig. 3.9. Las manchas de corrosión en el concreto pueden ser

indicativo de este tipo de ataque.

Fig. 3.9. Varillas de refuerzo sujetas a bajas condiciones

de oxigeno. No existe crecimiento de óxido expansivo.

3.3.3. Picaduras, corrosión bacterial y corriente de Foucault

Formación de picaduras

La corrosión del acero en concreto generalmente comienza con la formación de picaduras. El incremento

en número de estas se expande y se unen unas a otras conllevando a la corrosión generalizada. La

formación de picaduras se muestra en la Fig. 3.10.

La química de las picaduras, puede decirse que es relativamente simple, especialmente donde hay

presencia de cloruros. En un punto propicio en la superficie del acero (por lo general en los huecos en la

pasta de cemento o una inclusión de sulfuros en el acero), la capa pasiva es más vulnerable al ataque,

existiendo una diferencia de potencial electroquímico que atrae iones cloruro. Entonces se inicia la

corrosión y se forman ácidos de sulfuro de hidrógeno de la inclusión MnS y HCl de los cloruros si ellos

están presentes. El hierro se disuelve (Ec. 3.3) el hierro en solución reacciona con agua:

Fe2+

+ H2O→ FeOH+ + H

+ 3.8

MnS + 2H+ → H2S + Mn

2+ 3.9

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Fig. 3.10. Modelo clásico de corrosión por picadura

en acero de refuerzo en concreto.

Cuando se forma una picadura, se puede acumular herrumbe sobre ésta, concentrando el ácido (H+) y

excluyendo oxígeno de tal forma que el hierro permanece en solución, previniendo la formación de la

capa protectora y por ende, acelerando la corrosión.

Corrosión bacterial

Algunas fuentes de bacterias contenidas en el suelo (thiobacilos) que convierten azufre y sulfuros a ácido

sulfúrico y así como también otras especies (ferrobacilos) que atacan los sulfuros en el acero (FeS)

generan corrosión en el acero de refuerzo. Esto se asocia por lo general al olor de sulfuro de hidrógeno

(huevo podrido) y a un picado de baja intensidad con herrumbre negra cuando las varillas se exponen a

condiciones saturadas de agua. En condiciones anaeróbicas, estas bacterias pueden contribuir también a

las picaduras del acero de refuerzo.

Corriente de Foucault

La Corriente de Foucault (Corriente parásita, Corriente Torbellino o Eddy en Inglés) es un fenómeno

eléctrico que se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable o viceversa. Este

movimiento relativo causa una circulación de electrones o corriente inducida dentro del conductor. Por

ejemplo, en un armado de acero de refuerzo a otro, la corriente puede viajar a éstos vía el medio poroso-

acuoso del concreto, donde un lado del refuerzo puede ser negativo (cátodo), no sufriendo éste

corrosión; el otro lado del armado, será positivo (cátodo) y se corroerá. La fuente de la Corriente de

Foucault puede ser externa tal como una corriente directa en las estaciones de transporte como tranvías

o trenes eléctricos. En comparativa de distintos niveles de corrosión inducida por Corriente de Foucault,

habría menos riesgo en exposiciones atmosféricas que en el subsuelo y menos riesgo en acero en el

medio del concreto sumergido que el acero directamente en el subsuelo, dado que el concreto tiene una

mayor resistencia eléctrica que el subsuelo.

3.3.4. Electroquímica, celdas y celdas medias

Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones

químicas (o bien, de producir reacciones químicas a través de la introducción de energía eléctrica). Un

ejemplo común de celda electroquímica es la pila, que es una celda galvánica simple, mientras una

batería eléctrica consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo.

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Las primeras dos reacciones discutidas fueron la anódica y la catódica para el acero en concreto. los

términos ánodo y cátodo viene de la electroquímica el cual es el estudio de la química en las celdas

eléctricas. La Fig. 3.11 es una celda básica de Daniell. Esta celda se compone de dos celdas medias:

cobre en sulfato de cobre y zinc en sulfato de zinc. El voltaje total en la celda se determina por los

metales utilizados y por la naturaleza y composición de sus soluciones acuosas. En cada celda media, se

disuelve el metal y se precipitan los iones: MMn+

+ne¯

Fig. 3.11. Celda de Daniell.

El cobre es más resistente a esta reacción que el zinc, así que cuando se conectan las dos soluciones

por una membrana semi-permeable y se conectan los dos metales por medio de un alambre, el zinc se

va convirtiendo en solución acuosa y el sulfato de cobre se deposita como cobre puro sobre el electrodo

de cobre. El voltaje de cualquier celda media puede registrarse contra un electrodo estándar de

hidrógeno (celda media o electrodo de referencia). La Tabla 3.3 muestra el electrodo estándar de

referencia o potenciales de celda media de interés para evaluar problemas de corrosión.

Tabla 3.3. Potenciales del electrodo estándar de referencia.

Zn→Zn2+

+ 2e¯ -0.76 V

Fe→Fe2+

+ 2e¯ -0.44 V

Cu→Cu2+

+ 2e¯ +0.34 V

Los potenciales del electrodo de referencia están en función de una concentración de solución acuosa,

así como el tipo de metal y la solución acuosa. Una solución acuosa más concentrada, por lo general es

más corrosiva que una diluida y así la corriente fluirá en una celda hecha de un mismo metal en dos

diferentes concentraciones de la misma solución acuosa.

Fig. 3.12. Esquema de la medición del potencial

del electrodo de referencia (celda media) del

acero en el concreto.

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Entonces, es posible estimar el riesgo de corrosión trabajando con un electrodo de referencia externo,

que se puede mover a lo largo de la superficie de la estructura, con el acero de refuerzo en el concreto

que tiene las áreas anódicas (en proceso de corrosión) y áreas catódicas (pasivas). Como se puede

observar en la Fig. 3.13, colocando el electrodo de referencia sobre la superficie del concreto y

conectando el otro extremo en la varilla del concreto se tiene un circuito similar al de Daniell (Fig. 3.11).

La diferencia de potencial eléctrico será una función del hierro y su medio poroso-acuoso.

3.3.5. Causas y mecanismos de corrosión

3.3.5.1. Carbonatación del concreto

Introducción

En ambientes húmedos, el dióxido de carbono presente en la atmósfera forma una solución acuosa ácida

que puede reaccionar con la pasta de cemento hidratado y tiende a neutralizar la alcalinidad del concreto.

Este proceso se le conoce como carbonatación (Fig. 3.13). Además, otros gases presentes en la

atmósfera como el SO2, puede neutralizar la alcalinidad del concreto, pero su efecto se limita

normalmente sólo en la superficie del material.

Los constituyentes alcalinos del concreto están presentes en los poros líquidos (principalmente como

hidróxidos de sodio y potasio), pero también en los productos de hidratación sólidos, Ca(OH)2 o C-S-H. El

Hidróxido de Calcio, es el hidrato en la pasta de cemento más rápidamente con el CO2. Esta reacción

toma lugar en la solución acuosa y se puede escribir matemáticamente como:

OHCaCOCa(OH)CO 23NaOHO,H

222 3.10

Fig. 3.13. Ejemplo de carbonatación en el concreto

y su efecto sobre el acero de refuerzo.

Esta es la reacción de más interés, especialmente para el concreto hecho a base de cemento Portland.

La carbonatación no causa ningún daño al propio concreto, aunque sólo causa contracción en el

concreto. Ciertamente, en el caso de concretos de cemento portland, se puede reducir la porosidad y así

incrementar la resistencia. Sin embargo, la carbonatación tiene efectos importantes sobre la corrosión del

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acero en el concreto. La primera consecuencia, es que el pH de la solución de poro cae de sus valores

normales de 13 o 14 a valores cercanos al valor neutro. Si no hay presencia de cloruros en el concreto

inicialmente, la solución de poro en la carbonatación estará compuesta de casi pura agua. Esto significa

que el acero de refuerzo en concreto carbonatado húmedo, se corroe como si estuviese en contacto con

agua. Una segunda consecuencia de carbonatación, es que los cloruros ligados en la forma de Hidratos

de Calcio Cloro Aluminatos y otros ligados a otras fases pueden liberarse, haciendo a la solución de poro

más agresiva aún.

Penetración de la carbonatación

La reacción por carbonatación comienza en la superficie externa y penetra dentro de concreto

produciendo un frente de bajo pH. La medición de la carbonatación se lleva a cabo normalmente

esprayando una solución alcohólica de fenolftaleína sobre la el plano recién expuesto a la atmósfera. Las

áreas donde el pH es mayor que 9 toma el color rosado característico de la fenolftaleína en un ambiente

básico, mientras el color de áreas carbonatadas permanece sin cambio.

El índice de carbonatación disminuye con el tiempo, dado que el CO2 tiene que difundirse a través de los

poros de la ya carbonatada zona. La penetración, d de carbonatación en función del tiempo se puede

describir por:

1/nktd 3.11

Donde, d es la profundidad de carbonatación en mm y t es el tiempo en años. Por lo general, el

exponente n es igual a 2 y por lo tanto, se puede considerar una tendencia parabólica:

tkktd 1/2 3.12

El coeficiente de carbonatación, k (mm/y1/2

), se puede asumir como una medida del índice de penetración

de la carbonatación para un concreto y ambiente dados. En concretos densos y/o húmedos, sin embargo,

el índice de la reducción de la carbonatación respecto al tiempo es alto que el descrito por la fórmula

parabólica, de tal forma que n > 2. En concretos muy compactos, el índice de carbonatación tiende a ser

depreciable después de cierto tiempo.

Factores que afectan el índice de carbonatación

El índice de carbonatación depende de los factores medioambientales (humedad, temperatura,

concentración de CO2) y factores relacionados con el concreto (alcalinidad y permeabilidad).

Humedad. El índice de carbonatación varía con la humedad del concreto por dos razones: la difusión del

CO2 con el concreto, dado por los poros aireados, pero muy bajo con aquellos saturados de agua (la

difusión del CO2 en agua es cuatro veces más bajo que en aire). El índice de difusión del CO2 en

consecuencia disminuye en un incremento de la humedad del concreto hasta volverse cero en concreto

saturado en agua. Bajo condiciones de equilibrio, en un medioambiente de humedad relativa constante,

el índice de carbonatación puede relacionarse con la humedad del medio ambiente como se muestra en

la Fig. 3.14.

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Concentración de CO2. La concentración del dióxido de carbono en la atmósfera puede variar del 0.03%

en zonas rurales a más de 0.1% en zonas urbanas. Concentraciones más altas se pueden alcanzar en

condiciones específicas como túneles carreteros.

Temperatura. Bajo condiciones ambientales constantes como la humedad, que es el parámetro más

importante, un incremento en la temperatura aumentará el índice de carbonatación.

Fig. 3.14. Representación esquemática del

índice de carbonatación del concreto.

Composición del cemento. La permeabilidad del concreto tiene una gran influencia en la difusión del

dióxido de carbono y en consecuencia en el índice de carbonatación. Valores bajos de la relación

agua/cemento, w/c disminuirán la porosidad capilar del cemento hidratado, reduciendo la penetración de

carbonatación. El tipo de cemento también influencia el índice de carbonatación. Ciertamente, la

capacidad del concreto para atrapar CO2 es proporcional a la alcalinidad de la pasta de cemento. En

cementos Portland, cerca del 64% de la masa del cemento, está compuesta de CaO y cerca de 0.5 a

1.5% de Na2O y K2O. Si sólo se considera el CaO, óxido de calcio, la cantidad de CO2 (Masa molar=44

gr/mol) que puede reaccionar con el concreto conteniendo 300 kg/m3 de cemento que se supone de 64%

de CaO (Masa molar=56gr/mol) sería de: 300×64×(44/56)=150 kg/m3. Para otros tipos de cementos,

como los de escoria de alto horno, el porcentaje de CaO es de 44%. Para cementos de mezcla mixta, la

cantidad de CaO puede ser entre estos dos valores.

Aplicación de la ecuación parabólica

Aunque existen otros modelos para predecir la carbonatación, estos incluyen otras constantes empíricas

cuya evaluación se hace difícil en la práctica, procesos no estacionarios de difusión, ciclos de humedad-

secado, cantidad de CO2 en la atmosfera, etc. La Ec. 3.3 descrita anteriormente puede utilizarse para

ilustrar algunos ejercicios.

La profundidad de carbonatación, puede calcularse con la siguiente ecuación ya antes descrita.

tkktd 1/2 3.13

Donde la penetración, d está en mm y T en años. El valor del índice de carbonatación, k puede estimarse

como sigue:

Page 16: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

41

D0.126f'

172k

c

3.14

Donde f’c es la resistencia a compresión en N/mm2 del cilindro estándar a compresión. La Ec. 3.14 es

válida para una humedad relativa, HR de 50%. Si la HR es diferente del 50%, k debe multiplicarse por el

factor de profundidad relativa de carbonatación, D, que es menor a 1.0 dependiendo de la humedad (Fig.

3.15).

Fig. 3.15. Profundidad relativa de carbonatación

en función de la humedad relativa.

Si la profundidad de carbonatación, d y el recubrimiento, r se miden in situ, se puede predecir el tiempo

hasta el inicio de la corrosión, T1.

Despejando k de la Ec. 1.3 e incluyendo D de la Ec. 3.4:

tD

dk 3.15

Igualando d=r y t=t1 en la Ec. 3.3 y sustituyendo k de la Ec. 3.15:

11 ttD

dr;tkr , despejando t1:

td

Drt

2

1

3.16

Ejemplo de cálculo de profundidad de carbonatación

Determine la profundidad de carbonatación, d, para un concreto de una estructura con t=25 años de

edad, de resistencia a compresión, f’c=20 N/mm2, expuesta permanentemente a una humedad relativa,

RH=60%.

Solución

Cálculo del índice de carbonatación

D≈0.95 En la gráfica de la Fig. 3.15 para una HR=60%, el valor de

Page 17: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

42

D≈0.95.

6.780.950.12620

172D0.126

f'

172k

c

k se calcula con la Ec. 3.14.

mm34256.78tkd La profundidad d, será de 34 mm.

Ejemplo de cálculo de predicción del tiempo de carbonatación

En una sección de concreto, se han medido una profundidad de carbonatación, d=25 mm, con un

recubrimiento de las varillas en la sección, r=35 mm con una edad de la estructura de t=20 años.

Determine el tiempo de inicio de la corrosión, t1.

Solución

Cálculo del tiempo de inicio de la corrosión por carbonatación

años 39.22025

351t

d

Drt

22

1

t1 se calcula con la Ec. 3.15.

Índice de corrosión

Una vez que el frente de carbonatación ha alcanzado el refuerzo, el acero se despasiva y la corrosión

puede ocurrir si hay presencia de oxígeno y agua. Si no se toman en cuenta las condiciones de

saturación de humedad completa y permanente, con una suficiente cantidad de oxígeno, el proceso de

corrosión puede alcanzar la superficie del acero. En este caso, el índice de corrosión está gobernado por

la resistividad del concreto (la corrosión estará bajo control óhmico). La Fig. 3.16 muestra la relación

típica entre índice de corrosión del acero y la resistividad eléctrica del concreto carbonatado.

Fig. 3.16. Representación esquemática del índice de corrosión en concreto

carbonatado en función de la resistividad del concreto.

Page 18: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

43

El contenido de humedad es el factor principal en determinar la resistividad del concreto carbonatado. De

importancia menor, aún para una humedad relativa de 60 a 90 % es la microestructura del concreto y los

factores que lo determinan (tipo de cemento, w/c, curado, etc.).

En un concreto de alta calidad, el índice de corrosión es despreciable para una HR menor a 80%, el

tiempo de humedecimiento (definido como la fracción de tiempo en el que la HR es mayor que 80%)

puede introducirse para evaluar la penetración de ataque, (p) en el tiempo, t. entonces se asume que la

corrosión se propaga sólo cuando el concreto está húmedo (HR>80%). También se observa que el índice

de corrosión tiende a disminuir con el tiempo. De hecho, los productos de corrosión, aunque no son

capaces de pasivar el refuerzo, sí pueden reducir el índice de corrosión.

La Fig. 3.17 muestra el índice de corrosión en concreto carbonatado en función de la HR del medio

ambiente. Puede notarse que los índices máximos de corrosión del orden de 100 a 200 μm/año serán

alcanzados solamente por un medio ambiente húmedo con HR cercana al 100%. Por otro lado, para

otras condiciones típicas de exposición atmosférica (RH=70 a 80%), los valores máximos están entre 5 y

50 μm/año (5 a 50 mA/m2).

Fig. 3.17. Valores máximos y mínimos para el índice de corrosión

en concreto carbonatado en función de la humedad relativa, HR.

De los valores mostrados, es evidente que el índice de corrosión se puede considerar despreciable a

menos que la HR sea alta o la duración o frecuencia de periodos de condensación de agua sobre la

superficie del concreto pueda causar variaciones en el contenido de humedad a cierto recubrimiento del

refuerzo. Debe señalarse que si por alguna razón el agua penetra (en forma de infiltración o chorreadura)

el índice de corrosión no será despreciable.

Una comparación entre la Fig. 3.14 y Fig. 3.17 muestra que cuando el índice de carbonatación es

máximo, el índice de corrosión es modesto y viceversa. Por esta razón, las perores situaciones son

aquellas que se caracterizan por alternancia de grandes periodos de baja y alta humedad. Depende del

clima si se presentan prolongados periodos de secado y periodos húmedos. En climas costeros del norte

Page 19: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

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de Europa los periodos de secado típicamente son tan cortos como de una semana de duración. En el

sur de Europa ocurren temporadas importantes de secado (verano) y periodos largos de humedad

(invierno). Este último clima es más probable cause daño por corrosión debido a la carbonatación

respecto a estructuras expuestas a la atmósfera. Otro ejemplo puede ser tipos específicos de estructuras,

por ejemplo en los túneles donde se exponen a periodos de secado y humedad por condensación.

Concreto carbonatado y contaminado de cloruros

Esta situación es mucho más crítica que la situación de carbonatación sola, si existen cloruros en el

concreto, aún en pequeñas cantidades, que por ellos mismos no ocasionarían corrosión.

La presencia de una pequeña cantidad de cloruros en concreto, puede deberse al uso de las materias

primas, como el agregado o agua pueden contener estos iones o por penetración de cloruros desde el

medio externo, como agua de mar o sales de deshielo.

La Fig. 3.18 muestra el índice de corrosión del acero en morteros artificialmente carbonatados en

ausencia y presencia de cloruros. Se puede ver claramente que el índice de corrosión será despreciable

sólo si las condiciones de la HR de 75, 60 y aún 40% cuando el contenido de cloruros se incrementa de 0

a 1% en masa de cemento.

Fig. 3.18. Relación entre HR e índice de corrosión en

morteros carbonatados con y sin cloruros.

3.3.5.2. Ataque al Refuerzo por cloruros

La contaminación por cloruros en el concreto es una de las causas frecuentes de corrosión en el acero de

refuerzo del concreto.

Fuentes de ingreso a cloruros

Los cloruros pueden provenir de dos principales fuentes:

Desde la fabricación del concreto. Pudiendo ser una adición deliberada de aditivos acelerantes para

mejorar las propiedades del concreto, el uso de agua de mar en el mezclado y agregados

contaminados. Las principales instituciones internacionales de regulación en materia del concreto,

(ACI, EN, DIN, etc.) permiten contenidos de cloruros de 0.2 hasta 0.4 % iones de cloruro en masa de

Page 20: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

45

cementante para elementos reforzados y 0.1 a 0.2 % de iones de cloruro en masa de cementante

para elementos presforzados.

Por difusión. Esto es los cloruros se pueden difundir por humedecimiento por espray salino o por

exposición directa al agua de mar y sales de deshielo usadas en las estructuras para control de

nieve.

Por el contacto con químicos. Esto es el uso de estructuras para almacenamiento de sales, tanques

de salmuera, acuarios, etc.

Corrosión por picaduras

El mecanismo de las picaduras fue mencionado anteriormente. El contacto con cloruros conlleva al

deterioro de la película de la capa pasiva del refuerzo en el concreto alcalino. Las áreas no protegidas por

la capa pasiva actúan como ánodos (zonas activas) respecto a áreas aún pasivas donde la reacción

catódica de la reducción de oxígeno toma lugar. Si se alcanzan altos niveles de cloruros en la superficie

del acero de refuerzo, el ataque puede involucrar áreas más grandes y la morfología de las picaduras

puede ser menos evidente, pero el mecanismo será el mismo. Como se muestra en la pasada Fig. 5, una

vez iniciada la corrosión, se producirá un medio muy agresivo dentro de las picaduras. De hecho, la

corriente eléctrica que fluye de las áreas anódicas a las catódicas incrementarán el contenidos de

cloruros. Por el contrario, la corriente eléctrica reforzará la capa pasiva, dado que ésta tiende a eliminar

los cloruros produciendo alcalinidad. En consecuencia, el comportamiento anódico y catódico se habrá de

estabilizar y la corrosión se acelerará (mecanismo autocatalítico de picaduras) y se pueden alcanzar

niveles tan altos de corrosión hasta de 1 mm/año.

Inicio de la corrosión

El inicio de la corrosión por picaduras toma lugar cuando el contenido de cloruros en la superficie del

refuerzo alcanza el contenido crítico de cloruros. Se requiere de cierto tiempo para que el deterioro de la

capa pasiva y la formación de la primera picadura. Desde el punto de vista práctico el tiempo de inicio

puede considerarse como el tiempo cuando el refuerzo en el concreto, conteniendo contiene una

cantidad sustancial de humedad y oxígeno caracterizado por un índice sustancial de corrosión de hasta 2

mA/m2.

Cuando los cloruros son por difusión de una fuente externa, el tiempo de inicio de la corrosión dependerá

del índice de penetración de los iones cloruro a través del recubrimiento del concreto. El conocimiento del

contenido crítico de cloruros y la cinética de penetración es esencial para la evaluación del tiempo de

inicio de corrosión por cloruros.

Contenido crítico de cloruros

El contenido crítico de cloruros para el inicio de corrosión por picaduras depende de numerosos factores,

siendo algunos de estos el pH del concreto, concentración de iones hidroxilo en la solución acuosa de los

poros, el potencial del acero y la presencia de poros en la interface acero/concreto. La concentración de

iones hidroxilo depende del tipo de cemento y adiciones. Un segundo factor que tiene influencia

importante en el contenido crítico de cloruros es el potencial electroquímico del acero que se puede

relacionar con mucha probabilidad a la disponibilidad del contenido de oxígeno combinado con humedad

en el concreto sobre la superficie del acero de refuerzo.

El contenido crítico de cloruros se ha encontrado es dependiente de la presencia de poros macroscópicos

en el acero cerca de la superficie del concreto.

Page 21: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

46

Se pueden mencionar algunos otros factores tales como la temperatura, la composición del cemento, la

composición o rugosidad de la superficie del acero o la polarización con la corriente anódica y catódica

puede afectar el contenido crítico de cloruros.

Cloruros disueltos y cloruros unidos a los constituyentes del cemento

El contenido de cloruros en el concreto y su contenido crítico se puede expresar en varias formas, unas

de estas refiriéndose como concentración de cloruros en la solución acuosa de poro (cloruros libres) o el

contenido total de cloruros en el concreto (incluyendo cloruros vinculados a los constituyentes del

cemento). Se cree por lo general que sólo los iones de cloruro disueltos (libres) en la solución acuosa de

poro pueden generar la corrosión por picaduras, mientras que aquellos químicamente unidos a los

constituyentes del cemento, tal como aquellos absorbidos por el C-S-H no lo hacen. En la práctica, dado

que el contenido total de cloruros puede estimarse mucho más fácil que la concentración de cloruros

libres, el contenido crítico de cloruros puede expresarse como el contenido crítico total de cloruros. Este

valor crítico se expresa por lo general en porcentaje de cloruros respecto a la masa del cemento.

Penetración de cloruros

El ingreso de cloruros desde el medio ambiente externo produce un perfil dentro del concreto

caracterizado por un alto contenido de cloruros cerca de la superficie y disminuyendo con la profundidad.

La experiencia tomada de estructuras marinas y carreteras expuestas a sales de cloruros muestran que

en general, estos perfiles se pueden aproximar por medio de la relación obtenida de la segunda ley de

Fick.

Donde

C=Contenido de cloruros en función de x, que es la distancia desde la superficie y t, el tiempo

Cs=Contenido de cloruros en la superficie

D=Coeficiente de difusión

ferror=Función de error complementaria de Gauss, donde:

dteπ

2(z)f

2tz

0error

3.18

La función de error del valor z o viceversa se pueden encontrar en tabulaciones, como la mostrada en

Tabla 3.4.

La Ec. 3.17 refleja raramente la realidad. Sólo en concretos completa y permanentemente saturados de

agua, pueden los cloruros penetrar por difusión. Esto es debido en parte a que existen otros medios de

transporte como la succión capilar de cloruros, el secado y mojado, que hace que la evaporación de agua

enriquezca el contenido de iones de cloruro, así como los enlaces químicos del cloruro con los

constituyentes del cemento que alteran la concentración de los iones cloruro en la solución acuosa de

poro. Sin embargo, la experiencia muestra que aún en estos casos los perfiles de cloruros pueden

matemáticamente modelarse con muy buena aproximación utilizando una Ec. idéntica a la Ec. 3.6. En

esta Ec. el contenido total de cloruros incluye cloruros enlazados químicamente:

Dt2

xf1

C

t)C(x,error

s

3.17

Page 22: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

47

Donde

Cx=Contenido total de cloruros (% en masa de cemento o concreto) en la profundidad, x en m en un

tiempo, t en seg.

Cs=Contenido total de cloruros en la superficie, s del elemento (% en masa de cemento o concreto).

Dap=Coeficiente de difusión aparente para el cloruro en m2/seg.

El coeficiente de difusión aparente, Dap y el contenido de cloruros superficial, Cs, se calculan ajustando

los datos experimentales en la Ec. 3.19 y por lo general se usa para describir los perfiles medidos en

estructuras reales. Entre menor sea Dap mayor la resistencia a la penetración de cloruros. Dap obtenido de

estructuras reales también depende de otros factores como las condiciones de exposición y tiempo de

exposición, por lo que resultados en pruebas de laboratorio en cortos plazo no pueden aplicarse a otras

condiciones de exposición. Además, la Ec. 3.19 es aplicable también al desempeño a largo plazo de

estructuras expuestas a entornos de cloruros, durante la etapa de diseño o la evaluación durante la vida

tD2

xf1CC

ap

errorsx 3.19

Tabla 3.4. Valores de la función de error de Gauss (Ec. 3.18).

z Dígitos en centésimas de z

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0.0 0.00000 0.01128 0.02256 0.03384 0.04511 0.05637 0.06762 0.07886 0.09008 0.10128

0.1 0.11246 0.12362 0.13476 0.14587 0.15695 0.16800 0.17901 0.18999 0.20094 0.21184

0.2 0.22270 0.23352 0.24430 0.25502 0.26570 0.27633 0.28690 0.29742 0.30788 0.31828

0.3 0.32863 0.33891 0.34913 0.35928 0.36936 0.37938 0.38933 0.39921 0.40901 0.41874

0.4 0.42839 0.43797 0.44747 0.45689 0.46623 0.47548 0.48466 0.49375 0.50275 0.51167

0.5 0.52050 0.52924 0.53790 0.54646 0.55494 0.56332 0.57162 0.57982 0.58792 0.59594

0.6 0.60386 0.61168 0.61941 0.62705 0.63459 0.64203 0.64938 0.65663 0.66378 0.67084

0.7 0.67780 0.68467 0.69143 0.69810 0.70468 0.71116 0.71754 0.72382 0.73001 0.73610

0.8 0.74210 0.74800 0.75381 0.75952 0.76514 0.77067 0.77610 0.78144 0.78669 0.79184

0.9 0.79691 0.80188 0.80677 0.81156 0.81627 0.82089 0.82542 0.82987 0.83423 0.83851

1.0 0.84270 0.84681 0.85084 0.85478 0.85865 0.86244 0.86614 0.86977 0.87333 0.87680

1.1 0.88021 0.88353 0.88679 0.88997 0.89308 0.89612 0.89910 0.90200 0.90484 0.90761

1.2 0.91031 0.91296 0.91553 0.91805 0.92051 0.92290 0.92524 0.92751 0.92973 0.93190

1.3 0.93401 0.93606 0.93807 0.94002 0.94191 0.94376 0.94556 0.94731 0.94902 0.95067

1.4 0.95229 0.95385 0.95538 0.95686 0.95830 0.95970 0.96105 0.96237 0.96365 0.96490

1.5 0.96611 0.96728 0.96841 0.96952 0.97059 0.97162 0.97263 0.97360 0.97455 0.97546

1.6 0.97635 0.97721 0.97804 0.97884 0.97962 0.98038 0.98110 0.98181 0.98249 0.98315

1.7 0.98379 0.98441 0.98500 0.98558 0.98613 0.98667 0.98719 0.98769 0.98817 0.98864

1.8 0.98909 0.98952 0.98994 0.99035 0.99074 0.99111 0.99147 0.99182 0.99216 0.99248

1.9 0.99279 0.99309 0.99338 0.99366 0.99392 0.99418 0.99443 0.99466 0.99489 0.99511

2.0 0.99532 0.99552 0.99572 0.99591 0.99609 0.99626 0.99642 0.99658 0.99673 0.99688

2.1 0.99702 0.99715 0.99728 0.99741 0.99753 0.99764 0.99775 0.99785 0.99795 0.99805

2.2 0.99814 0.99822 0.99831 0.99839 0.99846 0.99854 0.99861 0.99867 0.99874 0.99880

2.3 0.99886 0.99891 0.99897 0.99902 0.99906 0.99911 0.99915 0.99920 0.99924 0.99928

2.4 0.99931 0.99935 0.99938 0.99941 0.99944 0.99947 0.99950 0.99952 0.99955 0.99957

2.5 0.99959 0.99961 0.99963 0.99965 0.99967 0.99969 0.99971 0.99972 0.99974 0.99975

2.6 0.99976 0.99978 0.99979 0.99980 0.99981 0.99982 0.99983 0.99984 0.99985 0.99986

2.7 0.99987 0.99987 0.99988 0.99989 0.99989 0.99990 0.99991 0.99991 0.99992 0.99992

2.8 0.99992 0.99993 0.99993 0.99994 0.99994 0.99994 0.99995 0.99995 0.99995 0.99996

2.9 0.99996 0.99996 0.99996 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99997 0.99998

3.0 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99998 0.99999 0.99999 0.99999

Page 23: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

48

residual de la estructura. En principio, Dap y Cs son conocidas y consideradas constantes con el tiempo y

puede ser posible el evaluar la evolución en el tiempo con el perfil de cloruros y entonces estimar el

tiempo, t en el cual, un contenido crítico de cloruros es alcanzado y se inicie la corrosión. Como ejemplo,

la Fig. 3.19 muestra un ejemplo de curvas de perfiles de cloruros calculados con la Ec. 3.19.

Fig. 3.19. Ejemplos de

perfiles de difusión para

cloruros Cx en concreto para

diferentes valores de Dap con

Cs=5% y t=10 años.

La Fig. 3.20 muestra los tiempos de inicio que se pueden estimar como función de la profundidad, x

cuando se asume un límite crítico de cloruros de 1% por masa de cemento.

Fig. 3.20. Ejemplos tiempos de

inicio, t de corrosión en

función de x, Dap asumiendo

Cs=5% y Cx=1%.

Aunque este criterio para la evaluación del inicio de corrosión es simple, se debe señalar que la fiabilidad

depende fuertemente de aquella confiabilidad de los parámetros usados, no sólo Dap y Cs, sino también

del contenido crítico de cloruros como se discutió anteriormente. Dap y Cs en general no se pueden asumir

como constantes en estructuras reales, donde los enlaces químicos del cloruro y procesos diferentes a la

difusión tienen lugar.

Page 24: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

49

Contenido de cloruros en la superficie (Cs)

Algunos estudios del análisis de perfiles en estructuras reales muestran que el contenido de cloruros en

la superficie es diferente en muchas de estas, además de su variación en el tiempo. Para estructuras

expuestas a ambiente marino algunos procesos de transporte pueden interactuar como absorción capilar

y difusión dependiendo de la posición respecto al nivel medio del agua, altura de olas, ciclos de mareas,

etc. (Fig. 3.21).

Fig. 3.21. Las diferentes zonas de una estructura

marina, en relación a la penetración de cloruros y

corrosión.

Además, de que los ciclos de mojado y secado pueden causar acumulación de cloruros, las exposiciones

de viento y precipitación, pueden lavar los cloruros previamente absorbidos. Muchos de estos factores

dependen de la composición del cemento (tipo, enlaces de cloruros, absorción, permeabilidad, etc.). La

penetración de cloruros es una función compleja de posición, ambiente y concreto. Como ejemplo, en la

Fig. 3.22 se muestran los contornos e penetración de cloruros.

Fig. 3.22. Ejemplo de contornos

de penetración de cloruros en

una estructura marina.

En la Fig. 3.22, puede verse que los contenidos más altos de cloruros ocurren en los niveles más altos

donde el efecto de la acumulación por el secado será importante. En puntos un poco más bajos el

Page 25: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

50

concreto es más húmedo y el transporte hacia los puntos interiores será mayor y en consecuencia la

penetración será a mayor profundidad. En la parte sumergida, no existe la acumulación debido a la

ausencia del secado y mojado. Aquí el equilibrio entre los cloruros enlazados y libres gobierna su

contenido total.

Por lo tanto, el contenido de Cs dependerá de la composición del concreto, la posición de la estructura, la

orientación de su superficie y el medio ambiente, la concentración de los cloruros y las condiciones

generales de exposición respecto a los vientos y lluvia dominantes. Los valores más altos de Cs se

encuentran en la zona de chapoteo, donde la evaporación de agua conlleva a un incremento de cloruros

en la superficie del concreto.

Ejemplo de cálculo de contenido de cloruros

Determine el contenido de cloruros, Cx, en un espesor, x=30 mm (0.03 m) de una estructura de concreto

que tiene en su superficie un contenido de cloruros, Cs=5% (0.05), esperado para un tiempo de 10 años

(1 año=31,536,000 seg), considerando que el coeficiente de difusión aparente, Dap= 1×10-11

m2/seg.

Solución

Cálculo de la ferror

x=0.03 m

Dap=1×10-13

m2/seg

t=10(31,536,000 seg)=315,360,000 seg

811-error

ap

error

103.15361012

0.03f

tD2

xf ferror(0.27)=0.29742

El valor de 0.89 se busca en la

Tabla 3.4, obteniéndose un valor

de 0.29742

Cálculo de Cx

Cs=0.05

0.0350.2974210.05tD2

xf1CC

ap

errorsx

=3.5%

El valor de Cx se calcula según

la Ec. 3.19.

El valor resultante de Cx, puede

compararse con el valor de la

Fig. 2.19 y será igual.

Índice de corrosión

En estructuras expuestas a la atmósfera, el índice de corrosión puede variar de algunas décimas hasta la

unidad de μm/año, cuando la humedad relativa va del 70 al 95% y el contenido de cloruros se incrementa

a valores < de 1% en contenido de cemento. En cualquier caso, este límite está a humedades relativas

menores que aquel que hace la corrosión inducida por carbonatación despreciable. En la presencia de

altos contenidos de cloruros, sobre todo con sales higroscópicas como cloruro de calcio o cloruro de

magnesio aún con humedades relativas del 50% el índice de corrosión puede ser de hasta 2 μm/año. La

influencia de la temperatura y humedad afectan el índice de corrosión por la influencia de reacciones

electroquímicas en la interface acero/concreto y por la influencia del transporte de iones entre los ánodos

y cátodos.

Sólo en estructuras completa y permanentemente sumergidas en agua, aún si se satisfacen las

condiciones para el inicio de corrosión, la falta de oxígeno mantendrá el índice de corrosión tan bajo que

el ataque por corrosión será despreciable aún en largos periodos.

Page 26: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

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Agrietamiento por Corrosión por hidrogenación

Las fallas en el acero de presfuerzo por corrosión están relacionadas a estructuras presforzadas

(edificios, puentes, líneas de conducción, tanques de almacenamiento, etc), anclajes en roca o suelo y

tendones expuestos a la atmósfera. Respecto a esto, se puede decir que estas fallas pueden ocurrir

solamente por agrietamiento debido a esfuerzos por corrosión en conjunto con algunos defectos en el

acero. Sin embargo, el número de fallas de este tipo es muy bajo comparado con el número de

estructuras presforzadas que existen, pero sus consecuencias son bastante serias. Este tipo de

agrietamiento por hidrogenación puede afectar sobre todo a aceros de alta resistencia usados en

concreto presforzado y no afecta a acero con resistencias a la tensión menores de los 700 a 900 MPa.

La corrosión del acero de presfuerzo no sólo se podrá relacionar con la corrosión inducida por hidrógeno,

sino que también a la muy usual penetración por cloruros o carbonatación.

Agrietamiento por esfuerzo por corrosión

Los metales, bajo unas condiciones específicas ambientales, metalúrgicas y de carga pueden sufrir el

fenómeno de corrosión que conlleva al inicio y propagación de grietas, que pueden generar una falla

catastrófica. Este fenómeno se le conoce como agrietamiento por esfuerzo de corrosión (AEC). Bajo

ciertas condiciones las grietas se propagan debido a la disolución de sus puntas de grieta por la reacción

anódica y se le conoce como agrietamiento por esfuerzo de corrosión anódica. En otras condiciones, las

grietas se propagan debido a que el hidrógeno producido por la reacción catódica penetra la estructura

del metal y se acumula cerca de la punta de grieta.

Agrietamiento por esfuerzo por corrosión por Hidrogenación

El acero de alta resistencia utilizado en presfuerzo puede estar sujeto a agrietamiento causado por

hidrogenación producida en su superficie. Este tipo de fallas corresponde a una familia de fenómenos

conocidos como agrietamiento por esfuerzo de corrosión por hidrogenación. Las condiciones necesarias

para este agrietamiento son un material sensible, un esfuerzo a tensión y un medio que produzca

hidrogenación sobre la superficie del acero. La evolución de la hidrogenación sobre la superficie del

acero puede provocar tanto el inicio y propagación de grietas comenzando desde la superficie del metal,

especialmente en hendiduras o ataques por corrosión localizados. Aún en ausencia de defectos sobre la

superficie la hidrogenación puede penetrar el acero y acumularse en las áreas sujetas al esfuerzo por

tensión más alto, conduciendo a la falla comenzando por alguno de estos puntos. Este tipo de ataque no

requiere ningún medio específico para desarrollarse, puesto que sólo necesita un medio neutral o ácido.

Inicio de agrietamiento

El inicio de agrietamiento es promovido por corrosión y particularmente por ataque de picaduras o

hendiduras aún en profundidades cortas que pueden causar las condiciones locales de acidez y así el

desarrollo de la hidrogenación. La duración de esta etapa depende de las características del acero

(acabado superficial, pH del entorno, etc.) y el tiempo necesario para iniciar el ataque por picaduras o

hendiduras, que no dependerán del esfuerzo aplicado en el acero. La duración de esta etapa puede ser

cero si:

El hidrógeno está ya presente en el metal, por ejemplo que el acero haya sido ya tratado con un

galvanizado o esté ya precorroido en el lugar de construcción.

El hidrógeno se haya producido en la superficie del acero por corrientes de Foucault, protección

catódica o macroceldas).

El acero tenga defectos sobre la superficie.

Page 27: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

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Si el acero es pasivo y su entorno es un concreto libre de carbonatación y cloruros, esta etapa no se lleva

a cabo y en consecuencia las demás de estas tampoco. Por el contrario, si el medio esta carbonatado y

contaminado con cloruros esta se lleva a cabo.

Propagación de grietas

Una vez iniciada la grieta en el acero, el hidrogeno se concentra en las zonas donde el esfuerzo a tensión

es alto. Específicamente, el contenido de hidrógeno se incrementa donde están presentes defectos o

hendiduras de la superficie del acero, haciendo al metal en esa zona frágil dado que los átomos de

hidrógeno dificultan el movimiento de dislocación en el metal. Cuando la cantidad de hidrógeno y el

esfuerzo a tensión son altos se produce una microfractura. Esto se llama propagación subcrítica. Este

índice puede variar de valores cercanos a cero hasta valores de pocos mm/año

Para estudiar la propagación de grietas, debido a AEC, se puede considerar el parámetro llamado factor

de intensidad de esfuerzo, KI:

Donde:

β=Factor que varía de entre 0.5 y 2.0 de acuerdo a la geometría de la varilla y a la grieta

σ=Esfuerzo nominal

w=Tamaño de la grieta sobre la superficie del material

El índice de propagación de la grieta se determina por KI. Si KI está por debajo del valor del factor de

intensidad de esfuerzo crítico KISCC la grieta no se propaga debido al esfuerzo por corrosión. Para valores

de KI > KISCC la grieta se propaga a un índice que se incrementa cuando el tamaño de la grieta se

incrementa. KISCC depende de algunos factores metalúrgicos (éste por lo general disminuye cuando la

resistencia del acero se incrementa) y en factores ambientales (medios alcalinos y en ausencia de

cloruros).

El índice de la propagación de la grieta disminuye cuando KI disminuye. Si Kl es menor que KISCC, la

grieta no se propaga aún ya haya iniciado. Cuando el tamaño de la grieta se incrementa debido a la

propagación, Kl puede alcanzar la tenacidad de fractura del material y se lleva a cabo una rápida

propagación y producir una fractura frágil. De la Ec. 1.8, el tamaño crítico de la grieta, w se puede

calcular como:

Para un material de una tenacidad de fractura dada (KIC) y para un esfuerzo nominal, σ se puede calcular

un tamaño crítico de grieta sobre el cual ocurrirá la falla.

Condiciones medioambientales

La condición necesaria para que el agrietamiento por esfuerzo por corrosión inducida por hidrogenación

se lleve a cabo es que la superficie del acero este recubierto con una capa de hidrógeno. Las condiciones

del entorno que pueden promover el agrietamiento por esfuerzo por corrosión por hidrogenación es un

πwσβKI 3.20

πσβ

Kw

22

2IC

cr 3.21

Page 28: 3. Patologías en Estructuras de Concreto · Asentamiento concreto fresco Herrumbe del acero de refuerzo Ciclos congelación-descongelación Condiciones atmosféricas Fig. 3.3. Croquis

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medio ácido, la polarización catódica del acero y la presencia de algunos agentes promotores como

compuestos de sulfuro, etc. La reducción de iones de hidrógeno a hidrógeno atómico se lleva a cabo

cuando el potencial, E del acero es más negativo que el potencial de equilibrio para esa reacción, EeqH.

Este último disminuye linealmente con el pH de acuerdo a la Ley de Nernst:

La reacción se puede llevar a cabo solamente en la parte baja izquierda del potencial vs el pH como se

muestra en la Fig. 3.23.

Fig. 3.23. Campo potencial-pH en la cual la evolución

del hidrógeno puede ser posible.

0.059pHEE oeqH 3.22