CORROSIÓN DE ARMADURAS Influencia de la Calidad del Hormigón de Recubrimiento Ing. Edgardo Becker Líder de Asesoría Técnica

En las últimas décadas, se han realizado varios estudios sobre el impacto económico que presenta el mantenimiento de estructuras afectadas por corrosión. Especialmente, este trabajo presentará la patología respecto de la corrosión de armaduras de estructuras de hormigón armado donde sólo en Estados Unidos de América, el 40% de los puentes de autopistas son deficientes estructuralmente debido a la corrosión, estimándose necesaria una inversión cercana a los U$S 70.000 millones entre reparaciones y sustituciones[1]. El hormigón le confiere a las armaduras una doble protección: por un lado, el recubrimiento es una barrera física que separa la armadura de la atmósfera y por otro lado, en la interfase acero-hormigón se forma una capa pasivante debido a la alta alcalinidad del hormigón (12,5 < pH < 13,5). Por consiguiente, el acero permanecerá en estado pasivo mientras no se vea afectada esta capa pasivante. Existen factores desencadenantes que pueden generar la pérdida de la pasividad de las armaduras que pueden clasificarse en 2 grandes grupos:

a) La carbonatación del hormigón, que genera una disminución del pH del hormigón debido a la reacción del CO2 atmosférico con las sustancias alcalinas de la solución de poros y los productos de hidratación de la pasta cementicia. Cuando la penetración de carbonatación en el hormigón resulta similar al recubrimiento con pH < 9,5 (aunque no existe acuerdo respecto de este umbral), las armaduras tienden a perder su capa pasivante.

b) La presencia de iones despasivantes, fundamentalmente cloruros, que superan el umbral crítico necesario para romper localmente las capas pasivantes. Una vez que la capa pasiva de la interfase acero-hormigón se ve afectada, se dice que están dadas las condiciones para que se produzca la corrosión. Sin embargo, la velocidad de corrosión, y su consecuente tasa de deterioro, estará fuertemente influenciada por la disponibilidad de oxígeno y humedad. En general, los métodos de diseño por durabilidad que utilizan modelos de predicción de vida útil por corrosión de armaduras en H°A° tienden a retardar el tiempo de despasivación aunque algunos modelos más sofisticados también estiman la velocidad de deterioro en función del conocimiento acabado del medio en que se encuentra la estructura.

En la figura N°1 se observa el concepto de vida útil donde desde el aspecto tecnológico, se puede “manejar” el tiempo de iniciación a través del control sobre la velocidad de carbonatación y/o la penetración y/o difusión de cloruros desde el exterior mediante un buen diseño del recubrimiento que implica resumidamente obtener en esa zona hormigones de baja relación a/c (agua/cemento, en masa), adecuado contenido de cemento, buenas condiciones de curado, control de fisuras y espesor de recubrimiento adecuado entre las medidas más importantes. Sin embargo, cierta concentración de cloruros puede estar presente en el hormigón desde su colocación a través de los materiales componentes. Es por esta razón que el nuevo Reglamento CIRSOC 201:2005, especifica en su tabla 2.6 los contenidos máximos de ión cloruro en el hormigón endurecido respecto del contenido de cemento. Tabla 2.6. Contenido máximo de ión cloruro (Cl-) en el hormigón endurecido

No obstante, el llamado “umbral crítico de cloruros” no se encuentra muy bien definido ya que depende –entre otros aspectos- de la humedad y de la calidad y grado de carbonatación del hormigón.

En la figura N°2 se muestra un esquema donde se indican los riesgos de corrosión y el umbral crítico Tabla 2.1. Clases de exposición generales que producen corrosión de armaduras de cloruros en función de la humedad ambiente y de la calidad y grado de carbonatación del hormigón de recubrimiento. Puede observarse que este umbral crítico resulta mínimo (mayor riesgo) para humedad elevada y variable y aumenta considerablemente (mínimo riesgo) cuando la HR (humedad relativa) es muy baja o muy alta en forma bastante uniforme. Es por eso que el nuevo Reglamento CIRSOC 201:2005 presenta la tabla 2.1 donde se realiza una clasificación y descripción de los ambientes y su grado de agresividad respecto de la corrosión de armaduras, luego –en función de la agresividad del ambiente- especifica en la table 2.5 los requerimientos mínimos respecto de relación a/c (agua/cemento, en masa) y resistencia especificada que debe cumplir el hormigón.

Tabla 2.5. Requisitos de durabilidad a cumplir por los hormigones, en función del tipo de exposición de la estructura

De esta manera se intenta establecer parámetros mínimos a cumplir con el objeto de establecer una calidad “mínima aceptable”. Sin embargo, la experiencia indica que estas especificaciones no aseguran necesariamente un buen desempeño del hormigón e incluso existen casos donde algunos hormigones que no cumplen estrictamente estas especificaciones se comportan adecuadamente. Es por eso que seguramente en los próximos años tendremos desarrollados reglamentos y especificaciones del tipo prestacional, donde se podrá trabajar con modelos de deterioro, en el que se especificarán condiciones de desempeño y se podrá trabajar con múltiples variables. Obviamente, trabajar con modelos y especificaciones prestacionales nos obliga a conocer detalladamente muchas variables a fin de utilizar modelos que predigan comportamientos bastante parecidos a la realidad, lo que resulta –sin dudas- todo un reto para los ingenieros diseñadores que deberán proponer estrategias adecuadas para garantizar la durabilidad de la estructura. Entre las estrategias se destacan las siguientes [1]: a) Seleccionar una forma estructural adecuada. b) Considerar adecuadamente los requisitos de ejecución y mantenimiento. c) Utilizar una calidad adecuada del hormigón de recubrimiento. d) Controlar el ancho de fisuras. e) Organizar adecuadamente las armaduras. f) Utilizar medidas especiales de protección.

Resulta muy necesario diseñar elementos estructurales que posean formas adecuadas a fin de evitar que la humedad permanezca innecesariamente sobre la estructura o se formen zonas que tienden a acumular sólidos o a favorecer la concentración local de sustancias agresivas. Por otro lado, resulta necesario considerar en el diseño que la

estructura se debe construir de la manera más sencilla posible y se debe prever una adecuada accesibilidad que permita realizar adecuadamente las tareas de inspección y mantenimiento. En cuanto a la calidad del hormigón de recubrimiento, no caben dudas sobre la importancia que presenta debido a que resulta la “barrera” que deben sortear las sustancias agresivas que ingresan del 4 exterior. Es por eso que resulta necesario conocer algunas de las variables más influyentes sobre la calidad del hormigón de recubrimiento.

En la figura N°3 se muestra un esquema donde existe penetración de sustancias agresivas desde el exterior como ya se ha mencionado antes, las principales sustancias agresivas que pueden despasivar las armaduras son el CO2 y los iones Cl-. En la figura N°4 se muestra esquemáticamente la carbonatación del hormigón de recubrimiento y en la figura N°5 la forma que evoluciona en el tiempo de acuerdo exterior indicándose claramente la importancia de la barrera de entrada que general el hormigón de recubrimiento. Adicionalmente, puede observarse que las esquinas resultan evidentes zonas de ataque concentrado debido a la incidencia del ingreso de sustancias agresivas en ambas direcciones.

La constante de carbonatación Kc. depende de la calidad del hormigón, en la tabla siguiente se indica a modo de ejemplo la influencia que pueden tener el CUC y la resistencia sobre esta constante [1].

En la Figura N° 6 se muestra la difusión de CL en el hormigón de recubrimiento que responde aproximadamente a la 2da ley de Fick.

De la fórmula para determinación de la concentración de cloruros puede observarse depende del tiempo, la profundidad y el coeficiente de difusión que varía fuertemente con la calidad del hormigón de recubrimiento. En realidad, en la práctica se utiliza esta fórmula con el coeficiente aparente de difusión de cloruros ya que éste no es constante debido a que varía con el tiempo. Por lo Es por eso que los mecanismos de transporte estudiados tienden a valuar el tamaño, volumen e interconectividad de la red de poros destacándose la difusión, ed de poros que nos interesa estudiar especialmente es la de los poros capilares (0,1 1 µm) ya que los vacíos mayores que tienen que ver con el aire atrapado resultan muy obvios, en tanto, cualquiera sea la sustancia agresiva que penetre en la masa del hormigón,

resulta evidente que la calidad de la barrera de protección que forma el hormigón de recubrimiento depende fuertemente de su resistencia a la penetración. En general, los agentes externos que pueden agredir al hormigón (agua pura o con iones agresivos, CO2, oxígeno, etc.) pueden ingresar –en la mayoría de los casos- como líquidos o gases a través de la porosidad de la pasta cementicia. penetración y absorción (y variantes con combinaciones de éstos). Como variable adicional, resulta necesario considerar que el hormigón de recubrimiento resulta siempre de menor calidad debido al efecto de exudación y otras formas de segregación localizada, además del menor grado de hidratación que se obtiene. En la figura N°7 se muestra un esquema donde que brinda información respecto de los tamaños absolutos y relativos de los sólidos y la porosidad de la pasta. Desde el punto de vista de la durabilidad, la racambio, las burbujas de aire intencionalmente incorporado pueden presentar cierta influencia sobre la succión capilar. También existen los denominados poros de hidratación que por su tamaño extremadamente pequeño (< 2,5 nm) no influyen sobre los mecanismos de transporte.

Respecto del volumen de poros capilares, existe una clara influencia de la relación a/c y del grado de hidratación del cemento (ver figuras N°8 y 9) entendiendo que existe una especia de regla general que indica que a mayor volumen de poros hay mayor interconectividad por lo que la “permeabilidad” aumenta y, consecuentemente, en la medida que las condiciones de exposición resulten desfavorables, la durabilidad disminuye. Dentro del grado de hidratación –sobre todo en el hormigón de recubrimiento- no hay que dejar de considerar la importante influencia de las condiciones de exposición y curado del hormigón además de algunas características en estado fresco, siendo fundamental la importancia de la exudación.

Por lo comentado hasta ahora parecería que los mecanismos de transporte te podrían ser estudiados a partir del estudio de la pasta cementicia sin embargo, el hormigón al ser un material compuesto juega un rol muy importante la interacción entre la pasta y los agregados, teniendo gran influencia la interfase pasta-agregado donde el efecto pared y la alta porosidad resultan muy influyentes.

Por otro lado, las adiciones minerales activas tienden a disminuir el volumen y radio de poros. A modo de ejemplo, la figura N°11 muestra la influencia que puede tener un 40% de reemplazo por escoria granulada de alto horno sobre la porosidad de la pasta cementicia.

De acuerdo a L. Fernández Luco [7] “la determinación experimental de la estructura de poros puede llevarse a cabo mediante distintas técnicas, que se basan en los procesos de transferencia de masa y de la interacción vapor-líquido-sólido. La geometría particular y la complejidad de la estructura de poros condicen a soluciones aproximadas y, por lo general, es difícil aislar, en forma individual, los diferentes mecanismos de transporte. En los casos reales, éstos se superponen y por este motivo algunos autores prefieren hablar de conceptos

más integradores, menos específicos, definiendo la penetrabilidad del hormigón”. Es decir, el término “permeabilidad” (entre comillas) utilizado anteriormente en este artículo es reemplazado por el término “penetrabilidad”.

Vista una reseña general sobre algunos de los factores influyentes sobre la “penetrabilidad” del hormigón, a continuación se describirán algunos de los mecanismos y los ensayos utilizados para su evaluación haciendo especial hincapié en la permeabilidad, la difusión, la absorción y la succión. Permeabilidad En general, cuando se evalúa permeabilidad puede evaluarse el coeficiente de permeabilidad o la penetración de agua en el hormigón. Por otro lado, existen ensayos donde se evalúa la permeabilidad al aire y/o al vapor o a la penetración de iones cloruro en el hormigón. En cualquier caso, la permeabilidad del hormigón depende de la permeabilidad de la pasta (y esta a su vez del grado de hidratación, del tipo y finura del cemento, del tipo y contenido de adiciones minerales, de los aditivos, etc.), del tipo y contenido de agregados. A continuación se indicará un cuadro con datos del Neville donde se comparan coeficientes de permeabilidad de diferentes rocas y las relaciones a/c necesarias para lograr una pasta de similar k:

Por otro lado, en la figura N°14 se indica la influencia de la relación a/c sobre el coeficiente de permeabilidad de la pasta cementicia. Encontrándose que la permeabilidad crece muy rápidamente para relaciones a/c > 0,50, es por eso que los reglamentos especifican utilizar a/c < 0,50 cuando existen problemas de durabilidad.

En la figura N°15 se muestra un ejemplo de correlación encontrada para estas 2 determinaciones.

Como regla general, los valores de permeabilidad a los gases resultan de 6 a 100 veces superiores a los valores de permeabilidad al agua. Por otro lado, la permeabilidad al aire se encuentra fuertemente influenciada (adicionalmente a la relación a/c) a las condiciones de curado y a la humedad que presenta el hormigón al momento del ensayo. Mientras que hormigones curados al aire pueden experimentar permeabilidades al aire del orden de 1,5 a 6 veces superior a hormigones curados húmedos, las determinaciones sobre un mismo hormigón en estado cercano a la saturación pueden arrojar valores del orden del 50% de los valores que arrojaría el hormigón seco debido a la presencia de poros saturados, por esta razón resulta necesario que las normas definan el contenido de humedad a la que se realizará la determinación. Existe también una norma ASTM C1202 que permite evaluar en forma muy rápida la penetración o “permeabilidad” a los cloruros del hormigón. En la figura N°16 puede observarse los resultados de ensayo de 6 mezclas de hormigón clase H-30 elaborados con diferentes cementos comercializados en el mercado Argentino y los rangos de permeabilidad recomendados por la norma. Adicionalmente, puede observarse la influencia del tiempo de curado (o madurez) de la mezcla sobre esta propiedad.

Difusión Se conoce como difusión a través del hormigón al mecanismo de transporte por el cual un gas o vapor se da a través de un gradiente de concentraciones. De acuerdo con la primera ley de Fick, la difusión de aire y vapor de agua puede expresarse como:

Dc dL Donde: d c/d L es el gradiente de concentración [kg/m4] es el coeficiente de difusión [m2/s] es la velocidad de transporte de masa [kg/m2] es el espesor de la muestra [m] En general, suele ser importante la determinación del coeficiente de difusión del CO2, encontrándose –como era de prever- una importante influencia del contenido de humedad y de la porosidad de la pasta de cemento. A fin de dar idea acerca de estas influencias, el coeficiente de difusión a través del agua resulta unas 4 veces inferior respecto del aire. Por otro lado, correlacionando las figuras N°13 y N°15 puede estimarse la influencia de la porosidad de la pasta sobre el coeficiente de difusión. Por otro lado, la difusión de cloruros en el hormigón, que resulta muy importante de analizar en estructuras de H°A° expuestas a ambiente marino, cumple aproximadamente la segunda ley de Fick. Aquí, es importante analizar el avance del perfil de cloruros a fin de determinar el momento en el cual el hormigón llegó a una concentración de Cl- tal que la armadura se despasiva localmente (umbral de cloruros). Este perfil y el coeficiente de difusión varían con el tiempo y dependen fuertemente de la concentración de cloruros sobre la superficie y de la “calidad” del hormigón de recubrimiento, jugando un rol muy importante, la relación a/c, el contenido de cemento, el tipo de cemento, la exudación de la mezcla y las condiciones de protección y curado. Respecto del tipo de cemento, en ambiente marino se prefiere el uso de cementos con contenidos “moderados” de C3A

de manera de “fijar” cloruros a través de la formación de la llamada sal de Friedel. Por otro lado, el uso de escoria granulada de alto horno demostró ser efectiva para fijar cloruros. Absorción La absorción de agua del hormigón se encuentra íntimamente relacionada con el volumen e interconectividad de poros. La determinación de la absorción de agua del hormigón se realiza comparando las masas de la probeta en estados seco a peso constante con el aumento de masa desarrollado durante su inmersión en agua. Pese a que este concepto resulta extremadamente sencillo se han encontrado diferencias significativas en los valores de absorción determinados mediante diferentes métodos. En la tabla siguiente (sacada del Neville) puede observarse los diferentes valores de absorción que pueden experimentar los hormigones en función de la mezcla, de la condición de secado y de las condiciones de inmersión. Luego en la figura N°17 se observa la influencia del cemento y del grado de madurez de hormigones clase H-30 elaborados a partir de cementos comercializados en el mercado Argentino. Por otra parte, esta propiedad no es de evaluación rutinaria sobre control de calidad de hormigones convencionales aunque suele ser de utilidad cuando se realiza la extracción de testigos ya que brinda información adicional (además de la resistencia) a fin de interpretar los resultados.

En función de las características de exposición que tendrá la estructura de hormigón, deberá determinarse el mecanismo que se adecue y el método a utilizar en su evaluación.

Succión capilar El método de succión capilar del hormigón intenta evaluar la capacidad y velocidad de absorción de agua por succión capilar de una muestra no saturada. Como resulta obvio, los valores resultantes de este ensayo no solamente se encuentran fuertemente influenciados por el volumen, distribución de tamaños e interconectividad de poros de la pasta, como muestra la figura N°19, sino de las condiciones de ensayo, encontrándose una muy importante influencia del contenido de humedad del hormigón y de las condiciones de secado de la muestra.

En la siguiente tabla se indica la influencia del secado de la muestra y del equipamiento utilizado para el mismo sobre probetas de un mismo hormigón de relación a/c = 0,40. Los datos son parciales sobre un estudio interlaboratorio de discusión de la norma IRAM 1871. Todos los métodos de secado se realizaron a 50°C, las diferencias consisten en la condición final de humedad. Mientras el secado A establece una humedad del 2±0,1% por debajo de la condición SSS, el secadoB del 50% de la absorción total y el secado C del 1,5% sobre la condición seca.

Resulta evidente que cada laboratorio, al disponer de diferentes estufas, logra las condiciones de humedad a diferentes tiempos de secado y los resultados presentan una baja reproducibilidad interlaboratorio lo que dificulta la posibilidad de establecer límites normativos o reglamentarios de control.

Otro aspecto a considerar es el ancho de fisuras, ya que resultaría en vano lograr hormigones impermeables en el laboratorio sin en obra se generan fisuras de anchos suficientes como para permitir una rápida penetración de Cl- y/o CO2 a través del hormigón de recubrimiento.

En la figura N°20 se sugiere que las fisuras con anchos de mayores de 0,4 mm generan problemas de corrosión. Sin embargo, otros autores sugieren anchos inferiores para evitar la rápida penetración de sustancias agresivas. En mi opinión, sólo las fisuras de anchos inferiores a 0,2 ó 0,3 mm tienden a auto sellarse por lo cual sería necesario establecer

dichos límites en ambientes de alto riesgo de corrosión de armaduras (A3, M1, M2 y M3) aunque pueden tolerarse anchos de fisura superiores en ambientes de menor agresividad o en caso de presentar una baja penetración (inferior a ¾ del espesor del recubrimiento).

Por otra parte, la distribución y diámetro de armaduras juega un importante respecto de la corrosión. Si bien desde el punto de vista de la adherencia acero-hormigón suele recomendarse mantener la cuantía necesaria mediante armaduras de diámetro relativamente pequeño que permita colar y compactar adecuadamente el hormigón. Por el contrario, desde el punto de vista de la corrosión el daño será menor cuando mayor sea el diámetro del acero. Es por ello, que resulta necesario lograr, desde el diseño, un adecuado equilibrio entre adherencia y riesgo de corrosión.

En los últimos años se han desarrollado otras medidas de protección entre las que se destacan: - Colocación de barreras exteriores - Incorporación de aditivos inhibidores de corrosión - Protecciones especiales de las armaduras - Uso de acero inoxidable u otros materiales resistentes a la corrosión Cada uno de estas acciones tienen el objeto de mejorar la durabilidad ante corrosión en ambientes especialmente agresivos, donde –en general- se tiene dudas sobre la eficiencia de la protección del hormigón de recubrimiento, tanto por problemas de permeabilidad y/o costos relativos como de vida útil. Otra medida especial de control es el monitoreo permanente o rutinario de la estructura con una adecuada estrategia de mantenimiento que permita mantener adecuadas condiciones de servicio de la estructura durante la vida útil proyectada a costos razonables. CONSIDERACIONES FINALES Por lo expuesto en este artículo, en ambientes agresivos respecto de la corrosión de armaduras, resulta muy importante diseñar y ejecutar un recubrimiento de espesor y calidad adecuado para lo cual vale la pena advertir que resulta tan importante considerar un adecuado diseño geométrico y tecnológico de la estructura y del material hormigón armado como respeto por las “reglas del arte” mediante un especial cuidado en las técnicas de construcción donde se deberá hacer especial hincapié en la importancia del curado como arma fundamental para maximizar el grado de hidratación de la pasta cementicia del hormigón de recubrimiento.

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