Corrosión de Acero en El Concreto

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  1 CORROSIÓN DEL ACERO EN EL CONCRETO Ing. Qco. Rafael Rosado ENSAYO DE CORROSIÓN; Ensayo de corrosión; la probeta de dimensiones conocidas (plana) se somete a las condiciones corrosivas de servicio. Se mide la pérdida de espesor (una sola cara o sea se divide el medido por dos) y se expresa como dx/dt. Mas común y exacto es registrar por pesada, la pérdida de masa de la probeta (utilizando la densidad se puede calcular la pérdida de espesor en cm). Este ensayo solo es útil si la corrosión es generalizada, si hay picaduras no representa nada. VELOCIDAD DE CORROSIÓN Y DENSIDAD DE CORRIENTE; Una velocidad de corrosión que produzca una pérdida de espesor de 1 mm sobre 1 m 2  expuesto durante un año (mm /m 2  año) en acero (densidad 7,8 g/cm 3 ) representará una pérdida volumen de 1000 cm 3  y de masa de: 7800 g/m 2  año = 2,5 * 10 -5  mg/seg cm 2  ( 1 año = 31,536 * 10 6  seg) Si se expresa esa velocidad en unidades eléctricas se llama “densidad de corriente”. Para la reacciòn Fe 0  = Fe 2+  + 2e -  , la oxidación de un mol (55,85 g) demanda 2*96500 coulombs (en adelante C). Para: 2,5 * 10 -5  mg/seg cm 2  se necesitarán 8,64 * 10 -2  microC/ seg cm 2  o sea 8,64 * 10 -2  microA/cm 2  (ya que A * seg = C) De esta manera, es posible (y de uso generalizado) expresar velocidad de corrosión como densidad de corriente en microA/cm 2 . De esta manera es fácil comprender que aún una baja velocidad de corrosión concentrada en un punto, puede provocar un daño muy grande. Por otra parte un ánodo de gran superficie será conveniente ya que la densidad de corriente será siempre pequeña. POLARIZACIÓN DEL ELECTRODO En un metal, sumergido en una solución de sus propios iones, se dan simultáneamente estos procesos: Ionizaciòn: M 0  = M +  + e -  (oxidación, disolución, provisión de electrones ganancia cargas +) Descarga: M +  + e -  = M 0  (reducción, precipitación, captura de electrones, pérdida de cargas positivas) Si ambos procesos tienen la misma velocidad, se alcanza un equilibrio y no habrá pasaje neto de corriente, pero si uno de los dos tiene diferente velocidad el electrodo resultará polarizado (polarización espontánea). Mas frecuentemente la polarización se produce porque la velocidad de difusión de los iones (hacia o desde el electrolito) es menor a la de ionización-descarga. Esto resultará en que los iones positivos se acumularán en la interfase del ánodo polarizándolo. Por otra parte en el cátodo habrá un déficit de los iones que se descargan lo que t ambién producirá polarización. Una sustancia que reduzca la polarización se llama “despolarizante”. Por ejemplo la reacción catódica (reducción del hidrógeno): 2H +  (solución) + 2 e -  = 2H 0  = H 2  (de hidrógeno atómico a gas molecu lar) se verá retardada por la presencia de oxidantes (el que “oxida” se “reduce”) que competirán con el hidrógeno por los electrones, por lo tanto actuarán como despolarizantes. El mismo efecto se consigue aplicando una fem exterior (o sea creando una celda electrolítica). Si se conectan por separado el cátodo y el ánodo a un electrodo de referencia (de potencial constante y conocido), se pueden medir las densidades de corriente correspondientes. El proceso anódico que es proveedor de electrones se dará en el sentido de los pot enciales de reducción crecientes mientras que en el cátodo, donde se consumen electrones, el proceso se dará en el sentido de los potenciales de reducción decrecientes.
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    05-Oct-2015
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EXPLICA LA BASE DE LA CORROSIÓN EN EL ACERO

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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

  • 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

  • 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

  • 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.

  • 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.

  • 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

  • 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.