Protección catódica para acero reforzado en...

Corrosión en estructuras de hormigón armado

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Protección catódica para acero reforzado en estructuras de concreto

Protección Catódica (PC)

La protección catódica se basa en llevar las armaduras embebidas en el hormigón a un potencial de valor tal que la corrosión no pueda tener lugar.

Se trata de situar el acero en la zona de inmunidad de los diagramas de Pourbaix. Ello se consigue reduciendo el contenido en oxígeno, o haciendo actuar a toda la armadura como cátodo. Este último supuesto se puede llevar a cabo mediante dos métodos:

1) Conectando la armadura a los llamados “ánodos de sacrificio” (ver figura), que son materiales que poseen mayor tendencia a corroerse que el acero del hormigón, como magnesio, cinc o aluminio, o aleaciones basadas en estos metales.

En estructuras de hormigón, estos ánodos deben ser compatibles con el material cementicio para evitar el deterioro de aquellos debido a reacciones de autocorrosión.

2) Por el método “corriente impresa” (ver figura), en el cual la protección se lleva a cabo por medio de una fuente externa de corriente continua.

El terminal positivo de la fuente debe conectarse a un ánodo auxiliar, mientras que el negativo se conecta a la armadura a proteger (CEN 2000 12696-1).


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Una de las ventajas de este método es que no es necesario eliminar el hormigón

contaminado, aunque sí es recomendable reconstruir las zonas dañadas para asegurar una buena distribución de la corriente. Sin embargo, también presenta una serie de inconvenientes como:

• Elevados costos económicos de ejecución y mantenimiento. • No se conocen bien los efectos a largo plazo sobre la adherencia. • No se conoce con exactitud cuándo y cómo instalar la protección catódica.

Realcalinización

Esta técnica puede ser aplicada utilizando dos métodos diferentes: con y sin corriente eléctrica.

1) La realcalinización sin corriente eléctrica se basa en el hecho de la elevada movilidad de los iones (0H)- que son capaces de difundir desde zonas de elevado pH a otras de menor pH. En un hormigón carbonatado, se realiza un recrecido con un mortero rico en cemento. Este cemento al ser muy alcalino puede realcalinizar el interior del hormigón en una profundidad de 1 ó 2 cm. Por ello, es fundamental mantener húmeda la capa de recrecido, favoreciendo asi la difusión de los (OH)- desde el exterior hacia el interior.

2) La realcalinización con corriente eléctrica es un método que actúa con más

rapidez. Consiste en aplicar una corriente eléctrica que produzca (0H)- en las armaduras por electrólisis. El dispositivo es similar al de la protección catódica.

Pero la eficiencia de este método es muy discutida tanto por los costos

económicos, como por el alcance y duración de los efectos, ya que el pH que se alcanza llega hasta 9 ó 10, pero no restaura ni la reserva alcalina ni los pH habituales en el hormigón. Este método es utilizado para colocar una barrera anticarbonatación en las superficies del hormigón tratado.


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El sistema de corrosión Acero-Concreto

La protección de corrosión para acero reforzado en el acero del hormigón armado y las estructuras concretas pretensadas funciona, aun cuando la alcalinidad del agua contenida en los poros del concreto, hace que el acero se pasive bajo estas condiciones.

Esta protección de corrosión es a largo plazo si el trabajo de construcción ha sido realizado según las reglas del buen arte y si no hay cambios probables que deterioren la pasividad en el periodo de vida útil. Deficiencias en el proceso de construcción en la grava y la densidad de la cubierta de concreto así como la acción de contenido de cloruros y electrólitos (sales anticongelantes, agua de mar, combustión del PVC, gases de incineradores) pueden conducir a la despasivación, requiriendo medidas adicionales de protección de corrosión. Éstas medidas deben conceder al concreto la mayor resistencia a los ambientes corrosivos o, si la despasivación ya tuvo lugar como resultado de un ataque severo contra el concreto, ellas deben implicar la acción protectora directa adicional.

Una mano de pintura en el concreto para prevenir la penetración de los iones cloruro, cubriendo el acero reforzado con resina epoxy, o un galvanizado por inmersión en caliente se utilizan para este propósito.

La protección catódica del acero reforzado con corriente impresa es un método relativamente nuevo de protección. Fue utilizado experimentalmente en el final de los años 50 para la renovación de las estructuras de acero en el hormigón armado dañadas por la corrosión, pero no se continuó debido a una carencia de los materiales adecuados para el ánodo porque tuvo que ser aplicada una diferencia de potencial de 15 a 200 V. Además, a partir de la experiencia previa, fue temida una pérdida de adhesión entre el acero y el concreto debido a la alcalinidad catódica, lo que desalentó posteriores desarrollos técnicos.

La protección catódica como medida de prevención fue restablecida en 1974 como resultado del daño creciente en estructuras de obras viales a partir de la corrosión inducida por cloruros del acero reforzado, que dio lugar a altos costes de reparación en los Estados Unidos. Este desarrollo fue promovido por experiencia negativa considerable con otros métodos.

Hoy la corriente impresa se utiliza para proteger el acero reforzado en los

puentes de caminos, muros de contención, estructuras marinas, estacionamientos de autos de varios niveles, depósitos para sal y plantas incineradoras de basura.

La protección catódica no puede trabajar con las estructuras de concreto pretensadas que tienen tubos revestidos, eléctricamente aislados.

Hay experiencia positiva en el caso de una conexión directa sin los tubos revestidos; ésta es una protección de las tuberías enterradas en concreto pretensado por ánodos de cinc. La estabilidad en contraste con la corrosión por fatiga en aceros de alta resistencia con corriente impresa tiene que ser probada.


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Causas de corrosión del acero en concreto

La acción pasivadora de una solución acuosa dentro del concreto poroso puede ser modificada por varios factores. La película pasiva puede ser destruida por penetración de iones cloruro en el acero reforzado si se alcanza una concentración crítica.

En concreto húmedo, la corrosión local puede ocurrir incluso en presencia de agua alcalina absorbida en el concreto poroso. El contenido de cloruros se limita a 0.4% en peso en estructuras de acero-concreto y a 0.2% en estructuras de concreto pretensadas.

Otra causa de la despasivación es una reducción en la alcalinidad del concreto como lo muestra la figura : (es decir, una reducción en el pH del agua absorbida).

Diagrama de potencial versus pH simplificado para el sistema electrolito-acero en agua a 25ºC; concentración Fe+2 + concentración Fe+3 = 10-6 mol/litro.

Esto ocurre con la carbonatación del concreto por reacción con CO2 de la atmósfera. En estructuras con una cubierta de concreto lo suficientemente gruesa sobre el acero interior, especialmente denso, concreto de baja porosidad y buena calidad, la carbonatación es poco importante. Con una mala calidad de concreto y/o con escasa cubierta de concreto, la carbonatación penetra al acero reforzado, el cual entonces pierde su pasividad. Con la despasivación debida a los iones cloruro o a la carbonatación, hay riesgo de corrosión en el concreto húmedo sólo si hay acceso al oxígeno. Si el concreto se moja completamente por todos los lados, el acceso es seriamente restringido, de modo que la reacción catódica parcial según

O2 + 2 H2O + 4 e- 4 (OH)-

no puede tener lugar en cualquier punto del acero reforzado.

En tal caso, la reacción anódica según Fe Fe+2 + 2 e-


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no puede ocurrir, es decir, el acero despasivado no corroerá.

Sin embargo, si parte del acero reforzado se airea, se forma una celda. Con un alto cociente Sc/Sa del área superficial y con los cátodos bien aireados, pueden ocurrir en las regiones anódicas valores muy altos de corrosión. Propiedades electrolíticas del concreto

Una propiedad que puede ser medida es la resistencia eléctrica específica del concreto. Su valor depende de la relación agua/cemento, el tipo de cemento (alto horno, cemento Pórtland), el contenido de cemento, aditivos (escorias), materiales adicionales (polímeros), el contenido de humedad, contenido de sal (cloruro), la temperatura y la edad del concreto. Las comparaciones son solamente significativas para el estado saturado de agua. En el concreto de cemento Pórtland mojado, las resistencias específicas pueden hallarse entre 2 y 6 kΩ.cm y valores entre 10 y 200 el kΩ.cm han sido determinados para cementos de alto horno y para los concretos secos. Generalmente la resistencia muestra una variación amplia, dependiendo de la temperatura y del contenido de agua. Criterios para la protección catódica

Las investigaciones con el conjunto de ensayos en acero-concreto han

demostrado que incluso en condiciones desfavorables con cátodos aireados de gran área y ánodos húmedos de área pequeña en medios alcalinos ricos en cloruros, o en medios descalcificados con adición de cloruros (neutros) en los potenciales de la prueba de UCu-

CuSO4 = – 0.75 a – 0.85 V, la formación de la pila no se produce. Después de continuar los ensayos durante 6 meses, las muestras no evidenciaron

ningún ataque corrosivo reconocible. La siguiente figura muestra la disposición experimental con la posición de las

piezas de acero y los ánodos en la prueba. Los ánodos eran alambres de titanio con recubrimiento de óxido y cable de

polímero plástico.


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Disposición experimental para la protección catódica de una pila ¨acero concreto activo-acero pasivo Los datos experimentales de la mezcla metálica se dan en la siguiente tabla.

Densidad de corriente (mA m-2)

Potencial de prueba UCu-CuSO4 (V)

Medio del ánodo

Ánodo 1 Ánodo 2 – 0,75 a – 0,80 – 0,80 a – 0,95

No alcalino sin adición de cloruros

38 39

36 50

– 0,75 a – 0,80 – 0,80 a – 0,95

Alcalino, pH = 12, 3% en peso de cloruros /cemento

51 61

44 58

Ánodo 1 : ánodo de cable plástico; ánodo 2 : mezcla de metal y oxido de titanio Los experimentos fueron realizados galvanostáticamente con electrodos de

referencia equipados para medir potencial una vez al día. Así fue excluida la contaminación del concreto por los electrólitos del electrodo de referencia.

Los potenciales de las piezas de prueba de acero protegido se muestran en la tabla.

Los potenciales de los ánodos estaban entre UCu-CuSO4 = – 1.15 a – 1.35 V. Al comienzo del experimento, el potencial libre medido de la corrosión del acero

reforzado en el medio rico en cloruros fue UCu-CuSO4 = – 0.58 a – 0.63 V; en el medio neutro este fue UCu-CuSO4 = – 0.46 a – 0.55 V, y en concreto puro fue – 0.16 V.

Las muestras extraídas al final del experimento se muestran en la siguiente figura :

Ánodo pH = 12 con 3% de cloruros pH = 7,5 sin cloruros Acero reforzado (activo) Acero reforzado (pasivo) Concreto


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Apariencia de las piezas luego de 6 meses de prueba a) UCu-CuSO4 = – 0,80 a – 0,95 V b) UCu-CuSO4 = – 0,75 a – 0,80 V c) Sin protección catódica, con acero pasivo en contacto eléctrico

Después de 6 meses, no se detectó ningún ataque corrosivo contra las muestras

protegidas catódicamente.

Con las muestras de comparación desprotegidas de la prueba, la tasa de corrosión era 4 milímetros/a, por lo que las mediciones de la pila indicaron que la auto-corrosión fue del 50%.

En la práctica, las densidades de corriente para proteger las estructuras de

concreto son generalmente menores que los valores de la tabla. La razón es que la superficie del cátodo no está bien aireada y las áreas de los

ánodos están secas. La experiencia práctica y las investigaciones incompletas indican que son aun

mas positivos que los potenciales dados en la tabla con UH = – 0,35 V, una notable protección puede alcanzarse de modo que UHs = – 0,4 V puede ser considerado como el potencial de protección.

En la norma DIN 30676, se da UHs = – 0,43 V

Con los tipos de concreto usados en la práctica, no hay peligro de corrosión

catódica. Análogamente, los daños a partir del hidrógeno producido catódicamente debidos a la estructura porosa de los tipos usuales de concreto pueden ser eliminados. También, la reducción temida en la interfase acero-concreto no pudo ser confirmada.

Con respecto a esto, las investigaciones han mostrado que no existía vinculación

luego de 2,5 años a potenciales non-IR-free de UCu-CuSO4 = –1,62 a UCu-CuSO4 = – 1,43 V.

Una reducción considerable en la migración de los iones cloruro fue observada con este grado de polarización, que coincide con:


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Los criterios de protección han sido desarrollados ya que la protección catódica de estructuras de concreto en los Estados Unidos han experimentado un gran avance.

Se corresponde a los criterios pragmáticos 3 y 4 de la tabla siguiente.

Es asumido que el efecto protector es adecuado si, en cambios de la corriente de protección, el potencial se convierte en más de 0.1 V más positivos en el plazo de 4 horas.

Las mediciones las medidas se realizan en varias partes del objeto protegido con electrodos de referencia construidos con Ag-AgCl o con cualquier electrodo en la superficie externa.

Las pruebas de drenaje y las mediciones iniciales no se deben hacer antes de 28

días desde que los ánodos se introduzcan en el sistema concreto artificial para permitir la hidratación del concreto y para asegurar el equilibrio de la humedad, que pueden afectar los potenciales.


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La densidad de corriente de la protección se limita a 20 mA/m2 (en la superficie del acero) para evitar la posible reducción en la interfase acero-concreto. Las densidades de corriente usuales están entre 1 a 15 mA/m2. Uso de la protección catódica en las estructuras de hormigón armado. Diseño e instalación

La decisión para proteger catódicamente las estructuras de hormigón armado depende de consideraciones técnicas y económicas. La protección catódica no es un proceso económico para remover pequeñas áreas del concreto debido a la corrosión del acero reforzado proveniente de una cubierta escasa de concreto.

Por otra parte las áreas principales del uso de tales estructuras de hormigón

armado deben ser tenidas en cuenta, particularmente donde hay altas concentraciones de iones cloruro en profundidades considerables del concreto. Para reparar esto, el concreto viejo contaminado con cloruros puede ser solamente removido hasta cierto límite por encima del acero reforzado por razones técnicas.

Si sigue habiendo un alto contenido de cloruro en el concreto en mayores profundidades, entonces la corrosión continuará allí. Puesto que la capa superior reparada representa una nueva superficie del cátodo, se aumenta la acción de la pila y se promueve la corrosión en la capa más profunda.

Experiencias negativas con reparaciones de esta clase son muy extensas,

desafortunadamente.

Determinación del estado de la corrosión del acero reforzado Un diagnóstico del posible daño debe ser realizado antes de comenzar

reparaciones con otras medidas de construcción. Debe haber una lista de comprobación de los parámetros importantes de corrosión y los tipos de corrosión efectiva que se esperarán.

Son de especial importancia las investigaciones de la calidad del concreto (resistencia, tipo de cemento, relación agua/cemento, contenido del cemento), de la profundidad de la carbonatación, del perfil de concentración de los iones cloruro, de la distribución de la humedad, y de la situación relacionada con grietas y desplazamientos. El grado del ataque de la corrosión se determina visualmente.

La verosimilitud de la corrosión se puede determinar más adelante usando los datos antedichos.

El grado de corrosión se muestra cerca de, por ejemplo, grietas y

desplazamientos proviniendo del crecimiento de productos sólidos de corrosión (moho).


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Un método simple usado para encontrar estas zonas es golpear ligeramente la superficie concreta con un martillo; esto permite distinguir claramente las regiones huecas y grietas de regiones indemnes por medio de la acústica.

Estos métodos simples no pueden, sin embargo, contestar a la cuestión de si el acero reforzado está realmente despasivado.

Los daños por corrosión en concreto son atribuidos a productos sólidos de

corrosión provenientes de los iones de Fe+2 del ánodo según :

Me Me+z + z e- y la posterior reacción con oxígeno. Ya que la estructura porosa del concreto puede absorber los iones de Fe+2, el sitio de esta oxidación no es necesariamente la superficie del ánodo.

El sitio de la reacción está determinado principalmente por las corrientes de difusión de la pareja de iones Fe+2 y O2 en el concreto.

Cuando la oxidación ocurre a una cierta distancia del ánodo, el ánodo corroído

puede continuar descubierto. Luego, las manchas del moho pueden aparecer en la superficie del concreto.

Si la oxidación ocurre en la vecindad del ánodo, donde se halla la más alta concentración de los productos de corrosión, la fatiga interna se presenta debido a los productos sólidos crecientes de la corrosión del óxido férrico hidratado (moho) con grietas, vacíos y consiguientes desplazamientos.

Las mediciones de potenciales bidimensionales en la superficie del concreto

sirven para determinar el estado de corrosión del acero reforzado. Se ha probado este método para los sistemas unidimensionales (tuberías) en la detección de áreas anódicas.

En los Estados Unidos, las mediciones de esta clase se han realizado desde principios de los años 70 en los puentes de caminos dañados por iones cloruro.

Finalmente la evaluación estadística condujo a una regulación dando un rango de

la corrosión del acero reforzado como señala la tabla:

Apariencia de la corrosión (despasivación)

Potencial acero/concreto UCu-CuSO4 (V)

10% : Probable pasivación Predicción no posible

< - 0,25 - 0,25 a -0,35

90% : Probable despasivación < - 0,35 Esta metodología fue probada en diversos lugares. Puesto que la diferencia de potencial del acero en concreto depende de muchos

parámetros, los datos de la tabla son solamente una aproximación grosera. La mayor influencia está dada por el tipo de cemento (alto horno o Pórtland),

aireación (recubrimiento de concreto y humedad) y edad (formación de la película).


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Potenciales negativos aún menores que UCu-CuSO4 = – 0,4 V se pueden hallar sin que exista riesgo de corrosión.

Por otra parte, las áreas anódicas en peligro pueden mostrar un potencial

relativamente positivo debido a polarización por cátodos próximos que se juzgarían como inofensivos según la tabla.

Aparentemente, la diferencia de potencial está determinada en gran parte por las condiciones de aireación real.

Sin embargo, si la interpretación de los potenciales medidos con una cubierta tan uniforme como sea posible y aireación o humedad se extiende para estimar los gradientes de potencial se deduce la posibilidad de clasificar el estado de la corrosión.

Además, la sensibilidad de la estimación se puede ser elevada por la polarización anódica, porque el acero despasivado es menos polarizable que el acero pasivazo en concreto.

Continuidad del refuerzo

La protección catódica del acero reforzado y las medidas de protección de las pérdidas de corriente suponen una continuidad eléctrica extendida a través del acero reforzado.

Éste es sobre todo el caso con las estructuras de concreto reforzado con barras, sin embargo debe ser verificado por mediciones de la resistencia de la malla reforzada. Para lograr esto, los cables de medición deben ser conectados al acero reforzado después de retirar el concreto en diversos puntos, separados extensamente uno de otro.

Para evitar el contacto de las resistencias, el acero se debe limpiar totalmente

quitando el moho en los puntos de contacto. Los valores medidos >1 Ω muestran que la continuidad es escasa. El acero

reforzado se debe entonces poner en cortocircuito con el resto del refuerzo, que tiene una suficiente continuidad eléctrica.

Instalación y tipos de sistemas de ánodo

El concreto flojo envejecido debe ser quitado antes de instalar el sistema del ánodo.

Esto puede ser logrado con hidrolavado a alta presión o arenado. Esto produce una rugosidad de las superficies fuera de los ánodos a ser unidos,

que asegura una buena adherencia del concreto rociado. Las grietas en el concreto se deben cincelar hacia fuera de la base.

Los ánodos se pueden unir por dos métodos distintos según el grado de daño de

la cubierta del concreto.


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Método a) Concreto viejo flojo, dos capas de concreto rociado. Con un daño de gran área, el concreto se remueve bajo la capa más alta del

refuerzo; entonces se aplica la primera capa de concreto rociado.

El ánodo se fija a esta capa y es seguido por una segunda capa de concreto

rociado. Método b) Concreto sólido, una capa de concreto rociado. Con grandes áreas de viejo concreto que siguen siendo sólidas, los ánodos

pueden ser unidos a estas y finalmente ser encajado con concreto rociado.

Capa 2 de concreto rociado

Ánodos Concreto viejo

Acero reforzado

Capa 1 de concreto rociado

Acero reforzado

Ánodos

Concreto rociado

Concreto viejo


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Los ánodos deben proveer la corriente de protección requerida y ser robustos estructuralmente.

La unión entre el concreto viejo y rociado no se debe dañar durante el proceso de rociadura o en operación.

Sistemas de reemplazo del concreto para protección catódica

Hay diversos sistemas de reemplazo de concreto disponibles para renovar estructuras de hormigón armado. Se extiende sobre el concreto rociado sin polímero aditivos que contienen polímeros conductores (PCC-mortero). Ya que la alcalinidad final es más baja, se produce una carbonatación más rápida debido a la acción atmosférica y se debe tener en cuenta la resistencia eléctrica creciente, por lo que la protección catódica solamente se debe utilizar con concreto rociado para reparar el mortero.

En la primera reconstrucción de losas de camino contaminadas con cloruro, se

empotraron ánodos de hierro siliconado en una fina capa de coque o la conexión de corriente se alcanzó con alambres de metal en un material mineral conductor.

Ánodos de hierro siliconado en fina capa de coque

Las ranuras fueron molidas en la superficie concreta con el propósito de lograr espaciamientos cercanos a los 0.3 m.

Este sistema no es conveniente para las estructuras verticales.

Un metal noble inmerso en un surco realiza la conducción. Los sistemas de ánodo usados hoy en día consisten en una malla fina de titanio

cubierta con óxido, ánodos de cable de polímero de alta flexibilidad con un centro de cobre, o conducción por revestimientos de metal noble conductor.

Ánodos Camino

Concreto Refuerzo

Refuerzo

Ánodo Camino

Concreto

Relleno de coque


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Las investigaciones acerca de su comportamiento a largo plazo en suelo húmedo y sobre la acidificación esperada en la vecindad del ánodo, dependiendo de la densidad corriente del ánodo, aun no han finalizado.

2 H2O – 4 e- O2 + 4 H+

Pruebas aceleradas con densidades de corriente de intensidades muy altas, de

100 mA/m2 conducen a falsas aseveraciones porque no toman en cuenta la neutralización por la difusión de los iones OH- de los alrededores.

Con ánodos de grafito en áreas que contienen iones cloruro, las reacciones :

C + O2 CO2

C + 2 HCCl CO2 + HCl pueden ocurrir pérdidas de peso de los polímeros conductores.

Estos procesos y la acidificación se están investigando cuantitativamente bajo condiciones operativas.

Las perforaciones que se realizan en el centro se están tomando a intervalos de 3 años para medir la pérdida en alcalinidad.

La acidificación anódica podría también limitar la protección catódica en concreto carbonatado debido a la carencia de la alcalinidad.

Debido a esto el método b) ya descripto no puede ser utilizado. Además se puede esperar un enriquecimiento de iones del cloruro en el área del

ánodo debido a la migración según :

Inspección, mantenimiento y control

En el diseño de la protección catódica para estructuras concretas, es conveniente una división de las superficies a ser protegidas en áreas separadas que toman cuenta el área local del acero por volumen de concreto así como la distribución de la humedad.

La figura muestra esquemáticamente la división de una pared de hormigón armado la cual será protegida en cuatro áreas. ánodos

electrodos de referencia


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El objeto que se protegerá tenía una superficie de concreto de área de 200 m2, y las áreas componentes se extendieron a partir de 20 a 90 m2.

El índice de refuerzo (superficie de acero/superficie concreto) era 1 y tuvo que ser considerado en cada caso para determinar la densidad de corriente de la protección. Los ánodos de cable plástico fueron utilizados para el sistema anódico. Éstos eran lazos formados y enclavijados en la superficie concreta en áreas de bajo índice de refuerzo ubicado en líneas rectas.

Se usaron electrodos de referencia Ag-AgCl para el sistema de control. Éstos

fueron empotrados dentro, a una distancia de 2 centímetros del acero reforzado y tuvo que ser protegido contra influencias mecánicas. En el objeto considerado en la figura, fueron usados ocho electrodos de referencia con conexiones del ánodo separadas para cada área componente.

El control de la protección catódica fue realizado por medidas potenciales con

los electrodos incorporados de referencia y con electrodos móviles en la superficie. A pesar de tener poca información sobre la estabilidad a largo plazo de los electrodos de referencia incorporados, no deben ser abandonados por esta razón, porque el error IR según :

es pequeño debido a la pequeña distancia desde el acero reforzado.

Están en desarrollo los electrodos especiales de referencia. Los electrodos

móviles de referencia tienen la ventaja que el control de potencial se puede realizar desde cualquier lugar. Los errores IR tienen que ser considerados, particularmente cerca de los ánodos, debido a la gran distancia desde el acero reforzado.

Puesto que el objeto a ser protegido representa una pila consistente de acero pasivo y activo, considerables errores IR en la corriente de la pila pueden ser esperados en la medición del potencial apagado.

Existen consideraciones teóricas relevantes en este punto.

Ya que alterar la corriente de protección, Is, los cátodos próximos conduce una polarización anódica de una región a riesgo de corrosión, las corrientes Ie e Is de la pila, tienen signos opuestos.

De las ecuaciones :

se deduce que el potencial libre debe ser más negativo que el potencial apagado. Por lo tanto, hay mayor certeza del criterio potencial de la ecuación :


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Debe recordarse que los procesos de hidratación y el intercambio de humedad ocurren con el concreto viejo cuando se aplica el concreto rociado. Ambos procesos pueden afectar los potenciales de modo que la corriente de protección solo debe ser encendida luego de 4 semanas después de la aplicación de la última capa de acero rociado.

La figura muestra las mediciones del potencial acero/concreto versus el tiempo hecho con los electrodos de referencia incorporados antes y después de encender la corriente de protección.

El salto sensible en el potencial después de 20 días es debido a una interrupción defectuosa de la corriente de protección. El criterio de potencial de UHs = – 0,4 V acorde a :

aún no se logra.

La siguiente figura muestra las medidas de potencial apagado como un ejemplo,

en el cual el criterio 100 mV, tan bien como el criterio potencial Uoff < Us se satisface.

Variación del potencial con el tiempo en cinco puntos de prueba después de apagar la corriente de protección.

Pote

ncia

l UH e

n m

V

Tiempo en días

Pote

ncia

l UH e

n m

V

Tiempo en minutos


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Las mediciones del potencial apagado están acordes a datos teóricos, así, la despolarización es más lenta con la edad, de modo que el criterio de 100 milivoltios debe conduciría a errores con un tiempo de medición de 4 horas. Las mediciones de potencial apagado se deben realizar después de inspeccionar en intervalos de 1, 2, 6 y 12 meses y luego anualmente.

Los tiempos de despolarización mayores a 48 horas deben ser admitidos cuando se aplica el criterio 100-mV. La comparación de los potenciales medidos es solo posible donde las condiciones de temperatura y humedad son similares.

La siguiente figura muestra la dependencia de la estación y la temperatura que se pueden atribuir probablemente a aireación diferencial.

Potenciales de acero/concretos (dos expedientes) y temperatura como función de la época del año. (La

instalación de la protección fue encendida en junio de 1986.) En el trabajo de reparación, los ensayos de potencial se deben realizar en

diversos lugares con el objeto de reducir errores IR en las medidas de potencial apagado que se presentan a partir de corrientes igualadas.

Efectos de las pérdidas de corriente y medidas de protección.

Los efectos de las pérdidas de corriente con el hormigón armado generalmente no son las causas pero si son probables resultados de la acción de los ferrocarriles sobre los caminos y puentes por los que pasan.

En la República Federal de Alemania, los ferrocarriles son principalmente de CA. Usualmente los rieles no están puestos a tierra y quedan bien aislados con balastos de alta resistencia. Si, sin embargo, se producen escapes de corriente se pueden aplicar medidas protectoras de modo que todas las otras líneas que corren paralelo al acero reforzado y los rieles deben ser incluidos dentro del sistema de protección.


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Extracción electroquímica de cloruros Corrosión inducida por cloruros

Los iones cloruro llegan al hormigón o bien porque se añaden con sus

componentes (aditivos, agua,…) durante el amasado, o por que penetran desde el exterior a través de la red de poros. Esta situación es la que se da en ambientes marinos o cuando se utilizan sales para el deshielo de carreteras o puentes, en climas fríos.

De esta manera, se forma una celda de corrosión con una zona catódica en la

cual se da el proceso de reducción y un área anódica pequeña, la picadura, donde se disuelve el acero.

El ión Cl- penetra en el hormigón a través de la red de poros. Estos iones se

disuelven en el agua que contienen los poros y avanzan hacia el interior por difusión u otros mecanismos de transporte. Sin embargo, los iones cloruro disueltos en los poros pueden interaccionar con las fases sólidas del hormigón quedando inmovilizados, por tanto, el cloruro dentro del hormigón puede encontrarse en varios estados:

1. cloruro libre, es el que permanece disuelto en el agua que contiene los poros. Se desplaza por el interior del hormigón mediante difusión u otros mecanismos.

2. cloruro ligado, es el que permanece unido a las fases sólidas

del hormigón. Este cloruro queda inmovilizado, sin posibilidad de moverse hacia el interior del hormigón.

3. cloruro total, es la cantidad total de cloruro que contiene el

hormigón, sin hacer distinción entre cloruro libre y ligado. La concentración de cloruro total en un hormigón es igual a la suma de concentraciones de cloruro libre y ligado.

Los procesos mediante los cuales se unen los cloruros a las sales sólidas, son

tanto de tipo químico como de tipo físico. El principal responsable de la unión química de los cloruros es el aluminato tricálcico. Este componente del cemento reacciona con los cloruros de los poros, para formar el monocloroaluminato hidratado o “sal de Friedel” C3AH10.CaCl2 y el tricloroaluminatohidratado C3AH32.3CaCl2 según las reacciones:

C3AH10 + .CaCl2 C3AH10.CaCl2

C3AH10 + 3CaCl2 + 22 H2O C3AH32.3CaCl2

La unión física de los cloruros a las fases sólidas del hormigón se produce

mediante el fenómeno conocido como adsorción. Los cloruros disueltos en el agua de


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los poros se unen a la superficie de las partículas sólidas del hormigón. El principal sólido responsable de la adsorción es el gel CSH, que durante la hidratación del hormigón precipita en forma coloidal presentando un área superficial muy elevada.

Sobre esta gran superficie se adsorben los cloruros. El cloruro libre es el más peligroso ya que al quedar disuelto en el agua de los

poros, es capaz de despasivar la armadura e iniciar su corrosión, localizándose en determinados puntos del acero. Es muy importante conocer la capacidad de ligar cloruros de cada hormigón. Los que son capaces de ligar muchos cloruros, son menos susceptibles de sufrir la corrosión de sus armaduras.

También debe tenerse en cuenta, que aunque el cloruro ligado no puede inducir la corrosión de las armaduras, si que puede ser liberado en determinadas circunstancias. Por ejemplo la carbonatación del hormigón produce la liberación del cloruro ligado, pasando este a ser cloruro libre e incrementando, por tanto, el riego de corrosión. En cualquier caso, las normativas siempre se refieren al límite de cloruros totales.

Además de un mecanismo de difusión que es relativamente lento, los cloruros y en general todas las sales, pueden penetrar mucho mas rápidamente por un mecanismo de succión capilar, muy propio de ambientes de niebla salina existente en climas cálidos marinos, en los que los cloruros están suspendidos en las gotitas de humedad del aire.

En este fenómeno incide mucho la dirección predominante del viento y la insolación.

Todas las normativas limitan el contenido en cloruros en el hormigón fresco,

pero estos límites varían de un país a otro. Ello es debido a la dificultad de establecer un límite seguro, por debajo del cual no exista riesgo de despasivación del acero, ya que este límite depende de numerosas variables, algunas de las cuales son: tipos de cemento (finura, contenido de yeso, contenido en aluminato tricálcico, etc.), proporción del cemento, relación a/c, contenido de humedad, etc. Extracción electroquímica de cloruros (EEC)

La técnica de extracción de cloruros es similar a la de la protección catódica, aunque se aplica una corriente mayor para forzar a los iones cloruro a migrar hacia el ánodo. El ánodo se coloca sobre la superficie del hormigón de forma temporal. Este método se describirá con más detalle en los apartados siguientes. Antecedentes de fundamento y aplicación.

Las primeras pruebas se hicieron en EEUU (1973-1975). Mediante ensayos de laboratorio, empleando altos voltajes, se llego a la conclusión de que el método obtenía resultados buenos en extracción de cloruros, pero tenía también inconvenientes. Solo el


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6% de la carga que circulaba a través del hormigón era transportada por cloruro; se produjeron redistribuciones importantes después del tratamiento; la temperatura del hormigón se elevo de 24°C a 52°C en 24 h. además se pudo apreciar un aumento considerable de la porosidad.

Después de estos estudios la investigación de este método no se siguió, debido a factores como la seguridad, el alto voltaje requerido, la baja eficiencia obtenida y los daños potenciales sobre la estructura, como la perdida de adherencia entre el acero y el hormigón, las grietas producidas por la presión del gas H2 y las altas temperaturas alcanzadas.

En Europa, se obtuvo una patente llamada extracción de cloruros del hormigón. El material usado es pasta de papel como material para retener el electrolito exterior. Se aplica mediante proyección por pistola, lo que permite su fijación sobre superficies verticales. El ánodo queda embebido en la pasta, los voltajes empleados son de aproximadamente 30V, bastante menores a los empleados en los estudios anteriores, pero la duración del tratamiento también fue superior.

En EEUU el método fue estudiado con mayor detalle entre 1988-1993 dentro del “strategic highway research program” (SHRP), el cual recomienda el uso de una malla de titanio disponible comercialmente como ánodo, el empleo de un electrolito alcalino para prevenir tanto la formación del gas cloro como el deterioro de la superficie del hormigón y densidades de corriente de entre 1-5 A/m2. De este modo el 10-30% de la corriente se empleaba en transportar cloruro. Después de una carga de 2.106 -5.106 C/m2, la extracción de cloruro se hace ineficiente; lo cual sucedía de 10 a 50 días de aplicación.

Con este procedimiento pudo extraerse entre el 20% y el 50% de cloruro inicial. Los estudios realizados a partir de estos datos recomendaron el empleo de este

método cuando la corrosión esta en sus primeras etapas y el hormigón no ha sufrido un deterioro importante. En tales casos la vida de la estructura puede prolongarse de 5 a 10 años.

El primer estudio europeo bien documentado de la aplicación en campo del procedimiento fue realizado por la Swiss Federal Highway Agency en 1990. Los resultados mostraron que cerca del 50% del cloruro pudo ser extraído en 8 semanas, comprobando que el procedimiento podía emplearse en estructuras muy contaminadas, si bien en los casos de contaminación muy heterogénea, podía ser necesario más de un tratamiento.

Una interesante variación fue aportada por Rose en 1994 que consiste en emplear, en lugar de la maya de titanio, una lámina de papel de aluminio como ánodo exterior. El mecanismo de este método es que el papel de aluminio actúa como un ánodo de sacrificio y se disuelve a una velocidad proporcional a la densidad de corriente. En las zonas donde, debido a algún tipo de defecto local, la resistividad del hormigón es muy pequeña, pasa una gran cantidad de corriente, disolviéndose el aluminio e impidiendo el paso posterior de corriente, funcionando como un regulador de corriente en el caso de hormigones muy heterogéneos.

Dentro del programa europeo COST 509 de corrosión y Protección de Metales en Contacto con hormigón, que comenzó en 1992 y fue completado en 1996, la EEC fue


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estudiada por las instituciones investigadoras que cooperaban en Austria, Noruega, Inglaterra y Holanda. Los grupos habían preparado un documento enfocado en aplicaciones prácticas que fue publicado en 1997. Fundamento

En la figura se muestra el esquema de funcionamiento de la EEC.

El método consiste en aplicar una corriente eléctrica continua entre la armadura que actúa como cátodo y un ánodo exterior que se coloca de forma temporal sobre la superficie del hormigón. El electrodo externo es preferentemente una malla de titanio, y debe estar en contacto con un electrolito, que se coloca sobre la superficie del hormigón, para asegurar la conducción al refuerzo.

Los iones con carga negativa, como son los iones cloruro, migran en el campo formado por la corriente eléctrica desde la armadura a la superficie, donde esta situado el ánodo exterior.

Como resultado de la migración de iones disueltos en la solución porosa del hormigón y de las reacciones que ocurren en los electrodos, hay cambios en la concentración de iones que intervienen en el proceso de EEC.

En el cátodo el agua se reduce a iones hidróxido. Después de consumirse el oxigeno disponible de acuerdo con la ecuación:

H2O ½ O2 + 2H+ + 2 e- (1) lo cual ocurre en menos de 24 horas.

La reacción catódica que se produce es la siguiente:

2H2O + 2 e- H2 + 2OH- (2)


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generándose iones hidróxido e hidrógeno gas. De este modo en el cátodo hay una producción continua de iones OH- que se mueven hacia el ánodo, y como consecuencia un aumento de la concentración en la vecindad del refuerzo.

En el ánodo se produce la electrólisis del agua, después de agotados los iones OH- según:

2OH- H2O + ½ O2 + 2e- (3)

Cuando en el ánodo se usa como electrolito exterior agua inicialmente esta se electroliza, debido a la ausencia de sales. Los protones formados se mueven hacia el cátodo, encontrándose con los oxidrilos y los cloruros que van en dirección contraria.

Los iones oxidrilo se neutralizan formando agua, los cloruros forman ácido clorhídrico, con valores de pH entre 1.5-3.

De acuerdo con:

2Cl- Cl2 + 2e- (4)

Los iones cloruro que llegan al ánodo se descargan formando cloro gas.

Cuando se usa una solución alcalina, como electrolito exterior, los oxidrilos

presentes en el ánodo se convierten en oxígeno gas y moléculas de agua de acuerdo con la reacción ya vista y como consecuencia el valor de pH en el electrolito disminuye, pero el medio no se acidifica por la formación de iones H+ y tampoco se forma gas cloro.

Con valores de pH 7, las reacciones (1) y (4) tienen más facilidad para producirse que la (3).

Para muchos autores el incremento de iones OH- alrededor de la armadura, junto con la disminución de iones cloruro, parece que podría repasivar el acero, si es posible llegar a concentraciones de cloruro inferiores a los valores críticos. Factores que pueden condicionar la técnica de EEC El campo eléctrico

Debido a que el ión cloruro es transportado a lo largo del campo eléctrico, su distribución junto al refuerzo y la colocación del ánodo en la superficie del hormigón es importante.

La figura muestra la distribución de las líneas de corriente entre un conductor

lineal y una superficie exterior. Como se puede apreciar, en la vertical de la barra las líneas de corriente son mas cortas, eso significa que la fuerza que actúa sobre los iones


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en mayor y también, por tanto, su velocidad de extracción. Por detrás de la barra, la cantidad de cloruro que se puede extraer es significativamente menor.

Espesor de recubrimiento

De las interacciones antes explicadas es bastante obvio que las diferencias en el grosor de las coberturas juegan un papel importante. Dentro del área a ser reparada las densidades de corriente más altas serán las de zonas donde la cobertura es más delgada (la resistencia eléctrica entre el refuerzo y el ánodo es la mas baja). Esto significa que la eficiencia de la EEC en hormigón con coberturas de grosor variable será mas baja en las zonas donde la cobertura sea gruesa y relativamente alta en áreas donde sea delgada.

Es importante, prestar atención especial en áreas de baja resistencia, por ejemplo donde hay peligro de que el electrolito externo toque directamente la superficie del acero. Por tanto, grietas y otros defectos deberían estar sellados antes de comenzar el tratamiento de EEC. Transporte iónico en soluciones acuosas.

Las soluciones acuosas de sales, bases, ácidos, etc. son conductoras. Estas sustancias se presentan en disolución en forma disociada, están separadas en partículas cargadas (iones). Cuando se aplica un voltaje, las partículas comienzan a moverse a través del campo eléctrico formado junto a los electrodos. Este tipo de movimiento se llama migración. Además de la migración, debemos considerar los movimientos de los


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iones por difusión (en caso de gradientes de concentración) y convección (movimiento de iones por influencias mecánicas, por movimientos, o por gradientes de temperatura).

La corriente eléctrica que circula a través de la solución a un voltaje y temperatura dados, es proporcional al número de iones presentes en la disolución y además depende de la velocidad a la que estos iones son capaces de moverse hacia los electrodos. La temperatura también tiene una fuerte influencia en la conductividad del electrolito de forma que aumenta con la misma, mientras que decrece en el caso de los conductores metálicos.

La conductividad total del electrolito es la suma total de las conductividades parciales de cada ión. La contribución de cada ión al total de la corriente se llama número de transporte. El n° de transporte depende de la concentración y es un importante parámetro electroquímico que representa el cociente entre la corriente transportada por el cloruro y la total

tCl-= QCl

-/Qtotal

El n° de transporte es independiente de la densidad de corriente aplicada, esto significa que la extracción de una cierta cantidad de cloruros requiere más tiempo a bajas densidades de corriente que a elevadas densidades, mientras que la carga necesaria a pasar a través del electrolito es la misma.

De la ecuación se deduce que el n° de transporte llegará a ser tanto más grande cuanto mayor es la concentración de iones cloruro contaminando la disolución y menor es la concentración de otros iones con carga negativa. La disolución de los poros del hormigón contaminado con cloruros contiene fundamentalmente iones Cl- y OH-. La concentración de otros aniones, como (SO4)-2, es normalmente tan pequeña, comparada con el Cl- y OH- que puede despreciarse.

El n° de transporte del cloruro y por tanto, la cantidad de cloruro que puede eliminarse por EEC, será tanto mayor cuanto menor es el n° de OH- presentes en la solución de los poros. Transporte de iones en el hormigón

Las interacciones que aplicamos a soluciones acuosas son, básicamente, también válidas para el hormigón, ya que el transporte de corriente eléctrica se produce casi exclusivamente por migración de iones disueltos en los poros capilares del hormigón.

A diferencia de lo que ocurre con soluciones no confinadas, los iones no pueden moverse al polo opuesto por el camino más corto. Ellos tienen que recorrer un estrecho camino con pequeños poros capilares y rodeados de partículas del bloque. Por esto, la actual distancia de recubrimiento, por ejemplo desde el refuerzo a la superficie del hormigón, es más larga que el espesor de recubrimiento.


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Además los iones solo pueden ser transportados por poros abiertos, no por cerrados. También, la velocidad de migración de los iones en el hormigón depende tanto del volumen del poro como de la distribución y geometría de los mismos. Como los poros del hormigón proceden de la matriz del cemento, la posterior distribución de los mismos depende de la relación a/c, la compactación y curado del hormigón, etc., y la velocidad del transporte del Cl- hacia fuera, varía de un caso a otro. Por esta razón, el movimiento de los iones causado por difusión y convección el más lento en el hormigón que en soluciones no confinadas. Comparado con el movimiento causado por migración, la contribución de la difusión y convección pueden ser despreciables cuando se aplican densidades de corriente elevadas para la EEC.

La velocidad a la que el cloruro se extrae es directamente proporcional a la cantidad de corriente que pasa por el hormigón. Para un voltaje dado la corriente es mayor cuanto menor es la resistencia eléctrica del hormigón, de este modo, cuanto más húmedo está el hormigón, más eficaz resulta el tratamiento. La parte de corriente que es transportada por los iones cloruro es proporcional a su concentración. Eficiencia de la EEC Estrategias para determinar experimentalmente la eficiencia de la EEC

a) Determinar la disminución del contenido de cloruro en el hormigón, por análisis químicos

b) Determinar el estado de corrosión del acero antes y después de la EEC mediante técnicas electroquímicas (Ecorr, Icorr)

c) Utilización de modelos matemáticos para predecir la eficiencia de la EEC (Polder y colaboradores, 1993; Andrade y colaboradores, 1995; Castellote y colaboradores, 2000; Wang y colaboradores, 2001.

Aspectos prácticos de la aplicación de la EEC

La EEC es un método indicado como tratamiento preventivo. Esto significa un amplio campo de aplicación en estructuras donde los niveles de concentración de cloruros no exceden a los críticos y, consiguientemente, la corrosión todavía no se ha iniciado.

Antes de proceder a la ejecución del tratamiento hay que realizar una inspección preliminar de la estructura en la que debe determinarse:

• Recubrimiento del hormigón. Se debe medir el espesor medio del recubrimiento y sus variaciones. Grandes variaciones en el espesor disminuyen la eficiencia de los tratamientos electroquímicos. Cuando la variación es muy grande no es posible utilizar estos tratamientos.


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• Contenido y distribución de ión cloruro.

• Estado de la corrosión del acero.

• Continuidad eléctrica de la armadura. Es necesaria para poder aplicar los tratamientos. Si existen discontinuidades deben corregirse con conexiones adicionales.

• Continuidad eléctrica del hormigón. Se precisa una continuidad electrolítica

uniforme en el hormigón situado entre la armadura y el ánodo exterior. Las grietas, delaminaciones o reparaciones anteriores con morteros de polímero de alta resistividad impiden un flujo de corriente uniforme.

• Presencia de áridos potencialmente reactivos. Debe investigarse la reactividad de

los áridos del hormigón porque la reacción árido-álcali se puede ver estimulada por el incremento del contenido en álcalis que producen estos tratamientos.

• Presencia de aceros pretensados. Con fuertes polarizaciones catódicas el

hidrógeno puede penetrar en el acero y fragilizarlo por lo que se hace necesario un estudio previo en estructuras con este tipo de acero.

Antes de comenzar un tratamiento electroquímico debemos elegir el sistema que funcionará como ánodo, determinar los parámetros del proceso, cómo controlar el tratamiento y el criterio de finalización del mismo.

Bibliografía :

• Handbook of Cathodic Corrosion Protection. Baeckmann, Schwenk and Prinz, Editors. 1997

• Corrosion y degradacion de materiales. Enrique Otero Huerta, editorial Sintesis1997

• Corrosion y proteccion del hormigón. Bickzok, Irme D`Ocon Asensi Emilio. • Revista de la construccion Volumen 1 N º1 ISSN 0717-7925. • Extracción electroquímica de cloruros en el hormigón armado: Estudio de

diferentes variables que influyen en la eficiencia del tratamiento.Biblioteca virtual Miguel de Cervantes.


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Protección catódica para acero reforzado en...

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