UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,

CANALES Y PUERTOS

TESIS DOCTORAL

CORROSIN DE LAS ARMADURAS DEL

HORMIGN ARMADO EN AMBIENTE MARINO:

ZONA DE CARRERA DE MAREAS Y

ZONA SUMERGIDA

MIGUEL NGEL BERMDEZ ODRIOZOLA.

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.

Madrid, octubre de 2007

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,

CANALES Y PUERTOS

TESIS DOCTORAL

CORROSIN DE LAS ARMADURAS DEL

HORMIGN ARMADO EN AMBIENTE MARINO:

ZONA DE CARRERA DE MAREAS Y

ZONA SUMERGIDA

Autor: Miguel ngel Bermdez Odriozola. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos.

Directora: M Pilar Alaejos Gutirrez. Doctora Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos.

Madrid, octubre de 2007

TESIS DOCTORAL CORROSIN DE LAS ARMADURAS DEL HORMIGN ARMADO EN AMBIENTE MARINO: ZONA DE CARRERA DE MAREAS Y ZONA SUMERGIDA Autor: Miguel ngel Bermdez Odriozola Directora de Tesis: M Pilar Alaejos Gutirrez Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politcnica de Madrid, el da de de 2007. PRESIDENTE: VOCAL: VOCAL: VOCAL: VOCAL SECRETARIO: Acuerda otorgarle la calificacin de:

Madrid, de de 2007

IV

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi agradecimiento a M Pilar Alaejos Gutirrez, directora de esta tesis,

por su dedicacin, su respaldo, sus acertados consejos, y por creer en el buen fin de este

trabajo.

Tambin quiero dar las gracias a la Direccin General del CEDEX, especialmente al

Laboratorio Central de Estructuras y Materiales, sus iniciativas para fomentar la

formacin de postgrado y la realizacin de tesis doctorales.

Se agradece a Puertos del Estado, y en especial a D. Juan Ignacio Grau, el inters por el

tema planteado y por la financiacin del estudio que ha permitido la realizacin de esta

tesis.

Del mismo modo quiero expresar mi agradecimiento a las Autoridades Portuarias a las

que pertenecen los Muelles inspeccionados, por su inestimable colaboracin y las

facilidades otorgadas para poder llevar a cabo el trabajo de campo, en el que se ha basado

el estudio experimental.

Asimismo, se agradece a la Demarcacin de Madrid del Colegio de Ingenieros de

Caminos, Canales y Puertos el apoyo ofrecido a travs de sus becas para la realizacin de

tesis doctorales.

Finalmente quiero manifestar mi reconocimiento al personal del Laboratorio Central de

Estructuras y Materiales del CEDEX, por su buena voluntad y el apoyo prestado durante

el desarrollo de este trabajo. Por ello no me puedo olvidar de Vctor, Flix, Pepe, Juan

Jos, Marta, Javier y Antonio.

V

RESUMEN

El objetivo de la presente tesis se enmarca dentro de las necesidades fijadas por Puertos

del Estado, que trataba de desarrollar un Manual para el diseo y la ejecucin de cajones

de hormign estructural, en el que se incluan apartados especficos relativos a los

materiales que deban utilizarse y a las medidas necesarias que se deban adoptar para

garantizar la durabilidad del hormign de la estructura.

La tesis que se presenta pretende contribuir al mejor conocimiento del comportamiento

del hormign armado en ambiente marino con fines normativos, abordando aspectos

relativos tanto a la calidad exigible al hormign situado en este ambiente, como a la

seleccin del mtodo de ensayo adecuado para evaluar la durabilidad del hormign

armado, de modo que pueda utilizarse como ensayo de control de calidad.

A partir del Estudio Bibliogrfico realizado se han detectado diversas lagunas en el

tratamiento de la corrosin por cloruros en ambiente marino, para cuya resolucin se ha

planeado un estudio experimental, consistente en el anlisis del hormign de siete

Muelles espaoles construidos con cajones flotantes. Sobre los testigos extrados de estos

cajones se han realizado una serie de ensayos (resistencia a compresin, velocidad de

transmisin de ultrasonidos, penetracin de agua bajo presin, porosidad abierta,

absorcin de agua, capilaridad, permeabilidad al oxgeno, determinacin qumica del

contenido de cloruros y profundidad de carbonatacin) que han permitido seleccionar un

mtodo de ensayo para controlar la calidad del hormign.

Adems, se ha generado una base de datos de velocidades de penetracin de cloruros a

partir de los datos experimentales y de la revisin bibliogrfica realizada, que ha

permitido desarrollar un modelo de difusin de cloruros, vlido para hormigones

fabricados con cemento prtland normal o con adiciones minerales; el modelo se ha

utilizado para determinar la calidad necesaria del hormign en ambiente marino

sumergido y de carrera de mareas.

Por ltimo, se ha estudiado el efecto que tiene curar el hormign con agua de mar sobre

sus caractersticas fsicas y mecnicas, as como sobre la penetracin de cloruros.

VI

ABSTRACT

The objective of this Thesis fits into the interests fixed by Ports of Spain, who was trying

to develop a Handbook for design and construction of reinforced concrete caissons,

which included specific sections related to materials to be used and measures to

guarantee the durability of concrete.

This Thesis aims to contribute to a better understanding of reinforced concretes

behaviour in marine environment, for regulation purposes, considering aspects related

both to the concrete quality required in this environment and to the selection of a suitable

test method to assess reinforced concretes durability, which could be used as quality

control test method.

From the State-of-the-Art developed, several gaps have been detected in the knowledge

of chlorides corrosion of concrete, so an experimental programme has been designed to

solve these gaps, consisting on studying the concrete of seven Spanish Wharves made of

caissons. Several tests (compressive strength, ultrasonic pulse velocity, water penetration

under pressure depth, water porosity, water absorption, capillarity, oxygen permeability,

acid-soluble chloride content and carbonation depth) have been carried out on concrete

cores from these caissons, leading to the selection of a test method to assess concrete

quality.

Also a chloride diffusion rate model (for OPC and blended cement concretes) has been

developed from data obtained from the State-of-the-Art review and from this

experimental programme; the model has been used to set up the concrete quality required

in submerged and tidal zone marine environments.

Finally, it has been studied the effect of curing concrete with seawater on its mechanical

and physical properties, as well as on chloride penetration rate.

NDICE DE CONTENIDOS

VII

NDICE

CAPTULO 1: INTRODUCCIN 1

CAPTULO 2: OBJETIVOS 4

CAPTULO 3: METODOLOGA 8

1. ESTUDIO BIBLIOGRFICO PARA CONOCER EL ESTADO

ACTUAL DEL CONOCIMIENTO 8

2. DEFINICIN DE LOS PRINCIPALES OBJETIVOS A DETERMINAR 9

3. PLANIFICACIN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL 10

3.1. Recopilacin de informacin sobre los hormigones utilizados en

los cajones portuarios. 10

3.2. Inspeccin de la obra y extraccin de testigos. 10

3.3. Planificacin de ensayos sobre los testigos. 11

3.4. Anlisis de los resultados. 12

CAPTULO 4: ESTADO DEL ARTE. CORROSIN DE LAS

ARMADURAS EN EL HORMIGN SITUADO EN

AMBIENTE MARINO

14

1. INTRODUCCIN 14

2. ASPECTOS GENERALES 17

2.1. Definicin de corrosin. 17

2.2. Formas de corrosin. 17

NDICE DE CONTENIDOS

VIII

2.3. La corrosin del acero en el hormign. 19

2.3.1. Pasivacin del acero en el hormign: el diagrama de

Pourbaix.

20

2.3.2. Proceso de la corrosin. 24

2.3.3. Tipos de corrosin en las armaduras. 27

2.3.4. Causas de desproteccin. 28

3. EL AMBIENTE MARINO: LA CORROSIN DEL ACERO EN EL

HORMIGN POR LA ACCIN DE LOS CLORUROS.

32

3.1. Accin de los cloruros. 32

3.2. Tipos de cloruros. 34

3.3. Procedencia de los cloruros. 36

3.4. Penetracin de cloruros en el hormign 37

3.4.1. Mecanismos de penetracin de cloruros. 37

3.4.2. Velocidad de penetracin de cloruros. 39

3.4.3. Factores que influyen en la velocidad de penetracin de

cloruros.

46

3.4.4. Concentracin de cloruros en superficie. 54

3.5. Contenido crtico de cloruros. 55

3.5.1. Clculo terico del contenido crtico de cloruros. 56

3.5.2. Valores experimentales del contenido crtico de cloruros. 59

4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CORROSIN 62

4.1. Recubrimiento de hormign. 63

NDICE DE CONTENIDOS

IX

4.2. Permeabilidad del recubrimiento. 63

4.3. Contenido de cemento. 64

4.4. Tipo de cemento. 64

4.5. Estado superficial del acero. 67

4.6. Condiciones ambientales. 68

4.7. Resistividad elctrica. 69

4.8. Contenido de cloruros. 70

4.9. Fisuracin del hormign. 70

4.9.1. Anchura de fisura. 72

4.9.2. Profundidad de la fisura. 73

4.9.3. Tipos de fisura. 73

4.10. Estado tensional del hormign. 77

4.11. Prediccin de vida til. 77

5. SINTOMATOLOGA 81

6. TCNICAS DE DETECCIN 85

6.1. Inspeccin visual. 85

6.2. Profundidad de carbonatacin. 87

6.3. Contenido de cloruros y representacin del perfil de

profundidades.

89

6.4. Tcnicas para determinar el coeficiente de difusin de cloruros. 93

6.5. Inspeccin del espesor de recubrimiento. 96

NDICE DE CONTENIDOS

X

6.6. Inspeccin del potencial de media pila. (ASTM C 876). 97

6.6.1. Concepto 97

6.6.2. Realizacin de la medida 97

6.6.3. Limitaciones del ensayo e interpretacin de resultados 98

6.7. Medidas de la resistencia a polarizacin lineal. 103

6.7.1. Concepto 103

6.7.2. Realizacin de la medida 105

6.7.3. Interpretacin de los resultados 109

6.7.4. Limitaciones del ensayo 110

6.8. Medidas de resistividad. 114

6.8.1. Concepto 114

6.8.2. Realizacin de la medida 114

6.8.3. Interpretacin de los resultados 116

6.8.4. Limitaciones del ensayo 119

6.9. Inspecciones con el radar de sub-superficie. 121

6.10. Medida de la corriente galvnica. 122

6.11. Medida de la resistencia elctrica. 123

6.12. Espectroscopa de la impedancia electroqumica. 123

6.13. Tcnicas transitorias. 125

6.14. Ruido electroqumico. 126

6.15. Curvas de polarizacin 127

NDICE DE CONTENIDOS

XI

6.16. Tcnicas gravimtricas (prdidas de peso). 128

6.17. Evaluacin de la corrosin por picaduras (ASTM G 46). 130

6.18. Termografa infrarroja (ASTM D4788). 132

7. PREVENCIN DE LA CORROSIN 135

7.1. Normativa de carcter general para estructuras de hormign

armado.

136

7.1.1. Impermeabilizacin del hormign. 136

7.1.2. Recubrimiento de las armaduras. 139

7.1.3. Limitacin del contenido de cloruros en el hormign. 140

7.1.4. Limitacin de la abertura mxima de fisura. 142

7.2. Normativa especfica para estructuras de hormign armado en

ambiente marino.

143

7.2.1. U.S. Army Coastal Engineering. Shore Protection Manual. 143

7.2.2. ACI 357R. Fixed Offshore Concrete Structures. 144

7.2.3. British Standard Code of Practice for Maritime Structures.

BS 6349.

145

7.2.4. Technical Standards for Port and Harbour Facilities in

Japan.

148

7.2.5. Universidad de Kyoto. 151

7.2.6. FIP Recommendations. Design and Construction of

Concrete Sea Structures.

152

7.2.7. RILEM. 155

NDICE DE CONTENIDOS

XII

7.2.8. Estudio comparativo con la Instruccin de Hormign

Estructural EHE.

156

7.2.8.1.Caractersticas del hormign. 156

7.2.8.2.Recubrimientos. 161

7.2.8.3.Anchura de fisura. 162

7.2.8.4.Otras consideraciones. 163

7.2.9. Conclusiones. 164

7.3. Medidas especiales de proteccin. 164

7.3.1. Empleo en el hormign de aditivos inhibidores de la

corrosin.

164

7.3.2. Revestimiento o impregnacin del hormign. 166

7.3.3. Utilizacin de armaduras protegidas de la corrosin

mediante galvanizado.

166

7.3.4. Revestimiento de las armaduras mediante epoxi. 167

7.3.5. Proteccin de las armaduras frente a la corrosin mediante

proteccin catdica.

167

7.3.6. Emplear armaduras resistentes a la corrosin. 168

7.3.7. Anlisis global de las medidas especiales de proteccin. 168

8. TRATAMIENTO DEL HORMIGN DETERIORADO 169

8.1. Principio 7: Preservar o restaurar la pasividad. 170

8.1.1. Mtodos de reparacin consistentes en parcheo del

hormign.

171

NDICE DE CONTENIDOS

XIII

8.1.2. Realcalinizacin del hormign carbonatado por difusin. 174

8.1.3. Mtodos electroqumicos. 174

8.2. Principio 8: Aumentar la resistividad. 177

8.2.1. Revestimiento del hormign. 177

8.2.2. Impregnaciones hidrfugas. 178

8.2.3. Aislamiento del hormign. 178

8.3. Principio 9: Control catdico. 178

8.4. Principio 10: Proteccin catdica o prevencin catdica. 178

8.5. Principio 11: Control de zonas andicas. 181

8.5.1. Pintar la armadura con revestimientos que contengan

pigmentos activos o con revestimientos barrera (mtodos

11.1 y 11.2).

181

8.5.2. Aplicar inhibidores de corrosin al hormign (mtodo

11.3).

181

8.6. Utilizacin de los diferentes mtodos. 182

9. EJEMPLOS DE CORROSIN EN ESTRUCTURAS MARINAS 183

9.1. Estructuras en ambiente marino en Portugal. 183

9.2. Estructuras en ambiente marino en EEUU. 191

9.3. Estructuras en ambiente marino en Australia. 194

9.4. Estructuras en ambiente marino en Japn. 196

9.5. Dique de hormign armado. 197

9.6. Estructuras en ambiente marino en Gran Bretaa. 200

NDICE DE CONTENIDOS

XIV

9.7. Resumen de los datos ms interesantes. 203

10. CONCLUSIONES DEL ESTUDIO BIBLIOGRFICO 205

10.1. Tipos de ambiente. 205

10.2. Mecanismos de transporte. 206

10.3. Modelizacin. 207

10.4. Velocidad de penetracin de cloruros. 208

10.5. Concentracin de cloruros en superficie. 209

10.6. Contenido crtico de cloruros. 210

10.7. Riesgo de corrosin. 210

10.8. Velocidad de corrosin. 213

10.9. Calidad del hormign. 214

10.10. Consideraciones finales. 217

CAPTULO 5: ESTUDIO EXPERIMENTAL 219

1. INTRODUCCIN 219

2. RECOPILACIN DE INFORMACIN 220

2.1. Clasificacin de ambientes. 221

2.2. Datos de los muelles. 223

3. INSPECCIN VISUAL Y EXTRACCIN DE TESTIGOS 227

3.1. Muelle A. 227

3.2. Muelle B. 231

3.3. Muelle C. 235

NDICE DE CONTENIDOS

XV

3.4. Muelle D 241

3.5. Muelle E. 244

3.6. Muelle F. 259

3.7. Muelle G. 267

4. PLANIFICACIN DE LOS ENSAYOS 273

4.1. Muelle A. 275

4.2. Muelle B. 277

4.3. Muelle C. 278

4.4. Muelle D. 279

4.5. Muelle E. 280

4.6. Muelle F. 281

4.7. Muelle G. 282

5. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS 283

5.1. Ensayos mecnicos 283

5.2. Penetracin de agua, porosidad y permeabilidad 285

5.3. Absorcin de agua y capilaridad 289

5.4. Permeabilidad al oxgeno 292

5.5. Profundidad de penetracin de cloruros 293

5.5.1. Muelle A. 283

5.5.2. Muelle B. 296

5.5.3. Muelle C 299

NDICE DE CONTENIDOS

XVI

5.5.4. Muelle D. 301

5.5.5. Muelle E. 305

5.5.6. Muelle F. 308

5.5.7. Muelle G. 312

5.6. Profundidad de carbonatacin 316

6. ANLISIS DE LOS RESULTADOS 317

6.1. Calidad de los hormigones estudiados 317

6.1.1. Ensayos mecnicos 317

6.1.2. Penetracin de agua, porosidad y permeabilidad 320

6.1.3. Absorcin de agua y capilaridad 323

6.1.4. Resumen cualitativo de la calidad del hormign 325

6.1.5. Ensayo de permeabilidad al oxgeno 329

6.1.6. Conclusiones de la calidad de los hormigones estudiados 329

6.2. Estudio de la velocidad de penetracin de cloruros 330

6.2.1. Anlisis del perfil de penetracin de cloruros 330

6.2.1.1. Clculo del coeficiente de difusin de cloruros 335

6.2.1.2. Obtencin del coeficiente de difusin a 1 ao 337

6.2.1.3. Concentracin de cloruros en superficie 338

6.2.1.4. Contenido crtico de cloruros 342

6.2.2. Regresiones obtenidas entre el coeficiente de difusin de

cloruros al cabo de un ao y los resultados de los ensayos

de resistencia y de durabilidad

346

NDICE DE CONTENIDOS

XVII

6.2.2.1. Influencia del tipo de ambiente marino 347

6.2.2.2. Influencia de las adiciones 348

6.2.2.3. Coeficiente de difusin resistencia a compresin 348

6.2.2.4. Coeficiente de difusin porosidad 349

6.2.2.5. Coeficiente de difusin absorcin 351

6.2.2.6. Coeficiente de difusin penetracin de agua bajo

presin

352

6.2.2.7. Coeficiente de difusin permeabilidad al agua 354

6.2.2.8. Coeficiente de difusin capilaridad 356

6.2.2.9. Coeficiente de difusin permeabilidad al oxgeno 357

6.2.2.10. Anlisis global de resultados 359

6.2.2.11. Conclusiones sobre los ensayos de durabilidad 360

6.2.3. Factores que influyen en la calidad del hormign de los

cajones estudiados

362

6.2.3.1. Efecto de la evolucin de la normativa en la calidad

del hormign de los cajones

363

6.2.3.2. Efecto favorable de las adiciones en la calidad del

hormign de los cajones

364

6.2.4. Relaciones obtenidas entre el coeficiente de difusin de

cloruros al cabo de un ao y la dosificacin del hormign

365

6.2.4.1. Influencia del tipo de ambiente marino 366

6.2.4.2. Influencia de las adiciones 368

NDICE DE CONTENIDOS

XVIII

6.2.4.3. Influencia de la relacin agua/cemento 371

6.2.4.4. Clculo del coeficiente de eficacia de las adiciones 376

6.2.4.5. Influencia del contenido de cemento 385

6.2.4.6. Conclusiones sobre el modelo de difusin de cloruros 387

6.3. Contraste de modelos 388

6.3.1. Modelos para hormigones en zona de carrera de mareas 389

6.3.2. Modelos para hormigones en zona sumergida 396

6.4. Aplicacin del modelo desarrollado en esta investigacin 400

6.4.1. Calidad necesaria del hormign y su control para cajones

portuarios con una vida til de 50 aos

400

6.4.1.1. Hormigones en zona de carrera de mareas 402

6.4.1.2. Hormigones en zona sumergida 405

6.4.2. Resultados del modelo variando los parmetros

fundamentales

407

CAPTULO 6: CONCLUSIONES FINALES

412

CAPTULO 7: FUTURAS LNEAS DE INVESTIGACIN 419

CAPTULO 8: BIBLIOGRAFA

421

ANEJO 1: ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL CURADO CON AGUA

DE MAR

NDICE DE CONTENIDOS

XIX

CAPTULO A1.1: ANTECEDENTES A1.1

CAPTULO A1.2: ESTADO DEL ARTE A1.2

3.1. CURADO DEL HORMIGN A1.2

3.2. EL AGUA DE CURADO DEL HORMIGN A1.3

3.3. CURADO CON AGUA DE MAR A1.4

3.1. Hormign en masa A1.5

3.2. Hormign armado A1.5

3.2.1. Consideraciones generales A1.5

3.2.2. Influencia en la resistencia A1.6

3.2.3. Influencia en la penetracin de cloruros A1.8

3.4. NORMATIVA SOBRE CURADO DEL HORMIGN A1.9

3.1. Normativa espaola A1.9

3.2. Norma europea ENV 13670-1. Ejecucin de estructuras de hormign A1.10

3.3. Recomendacin americana ACI 308R-13. Guide to curing concrete A1.14

3.4. Recomendacin americana ACI 357R. Fixed offshore concrete

structures

A1.15

3.5. Normativa britnica: British standard code of practice for maritime

structures. BS 6349

A1.16

3.6. Otras recomendaciones internacionales: Design and construction of

concrete sea structures. FIP

A1.16

3.5. NORMATIVA SOBRE EL AGUA DE AMASADO Y CURADO DEL

HORMIGN A1.17

NDICE DE CONTENIDOS

XX

3.1. Normativa espaola A1.18

3.2. Normativa europea: prEN 1008- May 1997. Final Draft Mixing

water for concrete. Specification for sampling, testing and assessing

the suitability of water, including wash water from recycling

installations in the concrete industry, as mixing water for concrete.

A1.20

3.3. Normativa americana A1.22

3.3.1. Norma CRD C 400-63. Requirements for water for use in

mixing or curing concrete. U.S. Army Corps of Engineers. A1.22

3.3.2. ASTM C94/C 94M 00 Standard specification for ready-

mixed concrete. A1.24

3.3.3. Recomendacin americana ACI 357R-13. Fixed offshore

concrete structures A1.25

3.3.4. ACI Building Code 318R A1.26

3.6. CONCLUSIONES A1.27

3.1. Generales sobre el agua de amasado y curado del hormign A1.27

3.2. Curado con agua de mar A1.28

3.7. BIBLIOGRAFA A1.29

CAPTULO A1.3: ESTUDIO EXPERIMENTAL A1.31

1. OBJETIVOS A1.31

2. MATERIALES UTILIZADOS A1.31

3. FABRICACIN Y CURADO A1.35

3.1. Hormign de planta y curado normalizado durante 7 das A1.35

3.2. Hormign de laboratorio y curado normalizado durante 28 das A1.36

NDICE DE CONTENIDOS

XXI

4. ENSAYOS REALIZADOS A1.37

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES A1.38

5.1. Densidad aparente y resistencia a compresin A1.38

5.2. Profundidad de penetracin de agua, porosidad abierta y

permeabilidad. A1.40

5.3. Absorcin de agua. A1.44

5.4. Capilaridad. A1.45

5.5. Profundidad de penetracin de cloruros. A1.47

5.5.1. Influencia de la calidad del hormign en la penetracin de

cloruros. A1.68

5.5.2. Influencia del curado con agua de mar. A1.70

5.6. Valoracin conjunta de los resultados A1.73

5.6.1. Calidad del hormign. A1.73

5.6.2. Curado con agua de mar. A1.74

6. DETERMINACIN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIN DE

CLORUROS

A1.78

7. CONCLUSIONES A1.81

INTRODUCCIN

- 1 -

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

El principal proceso de degradacin del hormign armado en ambiente marino es

la corrosin de las armaduras por la accin de los cloruros del agua del mar, ya que la

utilizacin de cementos resistentes a sulfatos o al agua de mar evita el problema de que

se presente este tipo de ataque.

El clculo de la vida til de una estructura de hormign armado en ambiente

marino debe contabilizar el perodo de iniciacin (tiempo que tardan los cloruros en

alcanzar el nivel de las armaduras y despasivarlas) y el perodo de propagacin (tiempo

que tarda en producirse la fisuracin del recubrimiento) de la corrosin.

El perodo de iniciacin depende de la velocidad de penetracin de los cloruros en

el hormign, funcin de su calidad. El perodo de propagacin depende de la

disponibilidad de oxgeno en el interior del hormign, controlado por el tipo de ambiente

en el que se encuentra, as como por la propia calidad del hormign, en trminos de

permeabilidad al oxgeno y resistividad.

En las estructuras de hormign armado expuestas al ambiente marino, la duracin

tanto del periodo de iniciacin como del de propagacin, y consecuentemente el riesgo

de corrosin, est condicionada por el tipo de ambiente marino en el que se encuentra la

estructura:

- En zona sumergida el hormign siempre est saturado y el agua se introduce

bajo presin cuando est a cierta profundidad y por absorcin cuando se trata

INTRODUCCIN

- 2 -

de hormign ms prximo al nivel de B.M.V.E. Los cloruros pueden avanzar

rpidamente y profundizar mucho en el hormign porque el mecanismo de

transporte es la permeabilidad. Sin embargo, no hay oxgeno y por tanto lo

nico que se puede producir es una corrosin negra o verde, con productos

poco expansivos, sin consecuencias.

- En zona de carrera de mareas el hormign no llega a secarse, por lo que

siempre est saturado. En esta zona los cloruros avanzan lentamente por

difusin, pero con el tiempo pueden alcanzar el nivel de armaduras. Sin

embargo, en esta zona tampoco hay oxgeno para generar la corrosin.

- La zona area inmediatamente superior al nivel alto de carrera de mareas,

llamada zona de salpicaduras se humedece y seca alternativamente. Los

cloruros pueden avanzar rpidamente por succin capilar, alcanzando as una

determinada profundidad, a partir de la cual continan profundizando por

difusin. En esta zona s hay acceso de oxgeno y elevada humedad, por lo que

el riesgo de corrosin es alto.

- Si se da la circunstancia de que en la estructura marina, la armadura que se

encuentra en zona de carrera de mareas, est conectada con armadura situada

en zona de salpicaduras se pueden establecer macropilas con la zona andica

(que sufre la corrosin) en la parte ms alta en la zona de carrera de

mareas y la zona catdica en la zona de salpicaduras.

- En la zona area, los cloruros acceden por la niebla salina, depositada en

superficie por el viento, condensacin etc. Puede haber algn transporte por

succin capilar, pero fundamentalmente lo hay por difusin. El avance es ms

lento que en el resto de zonas, y tarda mucho tiempo en alcanzar las

armaduras. Cuando esto sucede, se produce corrosin porque hay oxgeno y

humedad accesibles. Pero antes se habr originado la corrosin en las zonas de

mayor riesgo.

Si adicionalmente el hormign situado en las zonas de mayor riesgo antes

mencionadas, est fisurado con anchura de fisura por encima de 0,4 mm, a travs de las

fisuras los cloruros avanzan muy rpidamente por absorcin, alcanzando puntualmente

las armaduras, y originando nodos de corrosin localizada. Sin embargo, incluso en

estas circunstancias puede no aparecer corrosin, si el hormign del recubrimiento es de

INTRODUCCIN

- 3 -

muy elevada calidad, y no permite el acceso de oxgeno y humedad para generar las

zonas catdicas.

La revisin bibliogrfica realizada revela que existe una amplia informacin

disponible sobre los distintos aspectos de la durabilidad del hormign armado en

ambiente marino. Sin embargo, esta informacin en ocasiones es de aplicacin muy

puntual a casos concretos, en ocasiones contradictoria segn las fuentes, y en otras tiene

un carcter muy general, pero sin precisin suficiente para ser aplicada.

El trabajo desarrollado en la presente tesis, financiado por Puertos del Estado, se

ha llevado a cabo en el Laboratorio Central de Estructuras y Materiales del CEDEX

durante un periodo aproximado de tres aos. Con anterioridad se haba desarrollado un

Estado del Arte sobre el deterioro del hormign en ambiente marino, que sirvi para

centrar el estudio en la corrosin de las armaduras por la accin de los cloruros.

OBJETIVOS

- 4 -

CAPTULO 2

OBJETIVOS

El objetivo principal que se plantea en esta Tesis Doctoral es la realizacin de una

investigacin prenormativa que permita la elaboracin de unas recomendaciones para

hormigones de estructuras situadas en ambiente marino sumergido y de carrera de

mareas. El contenido de estas recomendaciones se centrar en los siguientes aspectos:

- Definir los requisitos de calidad del hormign necesarios en los ambientes de

carrera de mareas y sumergido.

- Determinar el mtodo de ensayo ms adecuado para evaluar la durabilidad del

hormign armado en medio marino (sumergido y carrera de mareas).

Esta investigacin se va a centrar en el estudio nicamente del periodo de

iniciacin de la corrosin, y adems en hormigones ejecutados correctamente, esto es,

con un curado y una compactacin adecuados. Adems la anchura de fisura del hormign

deber ser menor de 0,4 mm, de modo que entonces sea vlida la consideracin de la

difusin como modelo de transporte de cloruros en el hormign.

Cubrir cada uno de ambos objetivos es un proceso complejo que implica definir

las hiptesis de partida y alcanzar una serie de objetivos parciales intermedios.

En cuanto al primero de los objetivos consistente en definir los requisitos de la

calidad del hormign necesaria en ambiente marino (sumergido y en zona de carrera de

mareas) se deben seguir los siguientes pasos:

OBJETIVOS

- 5 -

a) Desarrollar un modelo de difusin de cloruros en los dos ambientes de estudio.

Para ello, es preciso previamente definir, asignar valores o determinarlos de forma

experimental para las siguientes incgnitas:

- Definicin de los ambientes marinos sumergido y en zona de carrera de mareas.

- Valor del umbral de cloruros para iniciar la corrosin en cada uno de los

ambientes marinos sealados.

- Valor de la concentracin de cloruros en superficie, para cada ambiente.

Una vez adoptados los valores para las incgnitas anteriores y suponiendo que se

trata de hormigones bien ejecutados, se puede proceder a definir el modelo

representativo de la difusin de cloruros en los dos ambientes. Para ello se debe

conocer:

- La velocidad de difusin de cloruros real en cada uno de los ambientes marinos.

- Influencia de la dosificacin del hormign en la velocidad de difusin:

- Relacin agua/cemento

- Contenido y tipo de adicin

b) Aplicacin del modelo para definir los requisitos que debe cumplir el hormign

en ambos tipos de ambiente

- Fijados el recubrimiento, umbral de cloruros y vida til se puede calcular la

velocidad de difusin exigible al hormign en cada ambiente marino aplicando la

ley de Fick.

- A partir de los resultados experimentales se puede determinar la dosificacin del

hormign necesaria para conseguir la velocidad de difusin deseada.

En los criterios de seleccin del mtodo de ensayo adecuado para evaluar la

durabilidad del hormign armado en medio marino hay que tener en cuenta las siguientes

consideraciones:

OBJETIVOS

- 6 -

- Es deseable que el mtodo sea representativo del mecanismo de transporte en el

ambiente considerado.

- Por simplificacin, al haber diferentes mtodos posibles en los distintos

ambientes marinos, debe seleccionarse el que lleve a resultados ms restrictivos.

- Es deseable que los ensayos se realicen sobre muestras extradas de obras reales,

ya que los mecanismos de transporte se superponen en el ambientes marino, por

lo que los estudios de laboratorio utilizando un nico mecanismo de transporte no

representan la realidad.

- Los mtodos de ensayo que deben evaluarse son los que representan los procesos

que se producen en las dos fases del fenmeno:

o Fase de iniciacin (despasivacin de la armadura): los mtodos de ensayo en este caso deben reproducir el mecanismo de transporte preponderante

en los diferentes ambientes marinos:

Porosidad abierta (IIIa, IIIb, IIIc) Succin capilar (IIIc) Absorcin (IIIb, IIIc, en funcin de la profundidad) Difusin de cloruros (IIIa, IIIb, IIIc) Permeabilidad al agua (IIIb) Penetracin de agua bajo presin (IIIa, IIIb, IIIc)

o Fase de propagacin (corrosin de la armadura): el mtodo de ensayo debe controlar algn aspecto del proceso de corrosin de las armaduras:

Resistividad Permeabilidad al oxgeno

- Es deseable que el mtodo est normalizado, y que sea repetitivo y reproducible.

Asimismo, debe ser de realizacin sencilla en laboratorio. De todos los anteriores,

no existe normativa sobre la medida de la resistividad del hormign, por lo que

este mtodo de ensayo no ha sido incluido en la investigacin. Respecto a la

difusin de cloruros en laboratorio, aunque ste s dispone de normativa, su

realizacin resulta algo compleja y adicionalmente se encuentra cuestionado, ya

que en el ensayo en rgimen no estacionario el uso del coeficiente de difusin con

fines predictivos no es real ya que no es un parmetro de transporte puro,

mientras que en los ensayos en rgimen estacionario se movilizan todos los iones

OBJETIVOS

- 7 -

presentes en la solucin porosa del hormign, no slo los cloruros, por lo que

puede conducir a resultados errneos, al igual que ocurre cuando los hormigones

ensayados contienen adiciones minerales o aditivos.

Debido a las consideraciones anteriores, en esta investigacin se han utilizado

todos los mtodos de ensayo listados anteriormente, salvo el de resistividad y el de

difusin de cloruros.

METODOLOGA

- 8 -

CAPTULO 3

METODOLOGA

La metodologa seguida en la realizacin de la presente tesis ha sido la siguiente:

1. ESTUDIO BIBLIOGRFICO PARA CONOCER EL ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO

En el Estudio Bibliogrfico se recoge un estado del arte sobre la corrosin de las

armaduras, en el que se ha analizado la informacin bibliogrfica disponible sobre los

siguientes aspectos:

- Origen y factores que influyen en el proceso

- Sintomatologa asociada

- Tcnicas de deteccin

- Medidas preventivas

- Ejemplos de obras afectadas

Adems se incluye una revisin de la normativa internacional sobre el hormign

utilizado en obras martimas, y se comparan las diferentes prescripciones impuestas con

las que seala la Instruccin de Hormign Estructural EHE. Finalmente, se recogen

algunas conclusiones resultantes de esta comparacin.

METODOLOGA

- 9 -

2. DEFINICIN DE LOS PRINCIPALES OBJETIVOS A DETERMINAR

A partir del Estudio Bibliogrfico realizado se han detectado diversas lagunas en

el tratamiento de la corrosin por cloruros en ambiente marino. Los aspectos ms

destacados sobre los que se encuentra lagunas de informacin se relacionan a

continuacin:

- La definicin de ambientes en la Instruccin EHE no resulta suficientemente

precisa para fijar los lmites que separan a los tres ambientes contemplados. Otras

normativas introducen una mayor precisin en estas definiciones, pero que

debera ser contrastada.

- El avance de los cloruros en ambiente marino suele ser consecuencia de

mecanismos de transporte superpuestos. Los ensayos de laboratorio suelen

adoptar como mecanismo de transporte slo la difusin, por lo que sus resultados

pueden alejarse de la situacin en obras reales.

- Los ensayos de laboratorio suelen estar basados en ensayos de difusin acelerada,

cuya relacin con la velocidad en obras reales es desconocida.

- Existe muy escasa informacin sobre la relacin entre la velocidad de difusin de

cloruros y otras propiedades del hormign relacionadas con su durabilidad

(porosidad, succin capilar, permeabilidad, etc.).

- Los modelos propuestos en la literatura estn en muchos casos basados en

investigaciones de laboratorio puntuales. Su contraste utilizando una base de

datos amplia, que incluye hormigones procedentes de estructuras reales, no lleva

a resultados satisfactorios.

- El contenido de cloruros en la superficie del hormign, que es un dato

fundamental para poder determinar el coeficiente de difusin de cloruros, no se

encuentra claramente definido, ya que se encuentran valores muy diferentes en la

Bibliografa consultada. Lo mismo ocurre con el contenido crtico de cloruros que

supone el inicio de la corrosin.

- Aunque en la Bibliografa se recoge el efecto beneficioso de las adiciones, hay

poca informacin sobre la cuantificacin de este efecto sobre la velocidad de

penetracin de cloruros.

METODOLOGA

- 10 -

Esta investigacin trata de resolver todas estas lagunas, para as obtener la calidad

necesaria del hormign en estos ambientes y el mtodo de ensayo adecuado para evaluar

su durabilidad.

3. PLANIFICACIN DEL TRABAJO EXPERIMENTAL

Como punto de partida, el estudio se va a realizar partiendo de inspecciones in

situ y extraccin de testigos en obras construidas en ambiente marino (cajones

portuarios), complementando los resultados con datos de ensayos de laboratorio

(realizados a velocidad de difusin natural, descartando ensayos acelerados), y otros

extrados de la Bibliografa.

3.1. RECOPILACIN DE INFORMACIN SOBRE LOS HORMIGONES

UTILIZADOS EN LOS CAJONES PORTUARIOS.

A partir del proyecto de construccin de los Muelles se obtendrn las

caractersticas de los cajones flotantes (dimensiones, tipologa, detalles de armado, etc.) y

del hormign empleado para construirlos (resistencia caracterstica, relacin a/c, etc.). De

los resultados del control de calidad realizado durante la ejecucin de la obra se tratar de

obtener la resistencia de las tongadas de los cajones en los que se extraern testigos para

realizar este Estudio, adems del contenido de cloruros de los materiales empleados en la

fabricacin del hormign.

3.2. INSPECCIN DE LA OBRA Y EXTRACCIN DE TESTIGOS.

En los Muelles se intentar iniciar el estudio con una inspeccin visual del

paramento en contacto con el agua de mar, si bien esto no ser posible cuando este

paramento se encuentre totalmente sumergido, o bien oculto total o parcialmente por el

faldn de hormign perteneciente a la viga cantil construida sobre los cajones.

Una vez terminada la inspeccin visual y teniendo en cuenta, en su caso, los datos

del control de calidad de ejecucin de los cajones, se proceder a extraer testigos de

METODOLOGA

- 11 -

hormign de determinados cajones del muelle, buscando obtener muestra de hormign de

cajones de resistencia baja, de resistencia alta y de resistencia intermedia.

Para la extraccin de testigos se seguirn dos procedimientos diferentes, segn

que el hormign est sumergido o en zona de carrera de mareas. En el primer caso, dado

que el hormign se encuentra permanentemente por debajo del nivel del mar, se

realizarn dos sondeos verticales desde la viga cantil por cada cajn estudiado. En el

segundo caso, se aprovechar la bajamar para extraer los testigos directamente del cajn,

en direccin horizontal.

3.3. PLANIFICACIN DE ENSAYOS SOBRE LOS TESTIGOS.

Tras la extraccin de testigos, en laboratorio se inspeccionar el aspecto del

hormign y de las armaduras, para a continuacin someterlos a una serie de ensayos de

caracterizacin del material:

- resistencia a compresin: UNE 83.304/84

- velocidad de propagacin de ultrasonidos: UNE 83-308-93

- penetracin de agua: UNE 83.309-90

- porosidad abierta: RILEM CPC 11.3

- absorcin de agua por inmersin: BS1881: Part 122

- absorcin de agua por capilaridad: RILEM CPC 11.2

- permeabilidad al oxgeno: mtodo CEMBUREAU

- estimacin de la permeabilidad al agua a partir de los resultados de los ensayos de

profundidad de penetracin mxima de agua y de porosidad abierta, segn la

ecuacin: k = Px2/2ht, donde k es el coeficiente de permeabilidad; P es la

porosidad; x es la profundidad de penetracin de agua; h es la presin

hidrulica; y t es el tiempo que est actuando la presin (VALENTA, O. (1970)

The permeability and durability of concrete in aggressive conditions. Proceedings of

Tenth International Congress on Large Dams. Montreal).

El anlisis de la penetracin de cloruros se realizar mediante la determinacin

del perfil de penetracin, obtenido analizando qumicamente (segn la norma ASTM

METODOLOGA

- 12 -

C1152) la concentracin de cloruros totales de muestras de hormign tomadas a

diferentes profundidades.

3.4. ANLISIS DE LOS RESULTADOS.

a) Datos de partida para el modelo de difusin de cloruros

- Con los datos experimentales de la corrosin de las armaduras y el contenido de

cloruros, se intentar fijar el umbral que origina la corrosin en ambiente

sumergido y en ambiente de carrera de mareas. Este umbral experimental se

contrastar con datos obtenidos de la revisin bibliogrfica.

- Se utilizarn los datos experimentales de concentracin de cloruros en superficie

(para cada ambiente) para el modelo. Se contrastarn estos valores con otros

obtenidos de la Bibliografa.

- Hay que definir los ambientes marinos con mayor precisin que la que se

encuentra en la Instruccin EHE. Con los datos recopilados en los puertos: carrera

de marea diaria, zona de hormign vista, datos de potencial de media pila

(indicativo de posible ausencia de oxgeno), velocidad de penetracin de cloruros

y umbral para iniciar la corrosin, se debe intentar delimitar con datos objetivos

el ambiente marino tipo IIIa, IIIb y IIIc. Servirn como referencia otros criterios

localizados en la Bibliografa.

b) Desarrollo del modelo de difusin de cloruros

- Sobre los testigos, se determinar el perfil de cloruros y con l se estimar el

coeficiente de difusin de cloruros global (envolvente de todos los mecanismos

de transporte).

- Los coeficientes de difusin de cloruros obtenidos experimentalmente en los

testigos, se relacionarn con la dosificacin del hormign utilizada, manejando

las variables: relacin agua/cemento, contenido de cemento, contenido y tipo de

adiciones. Se incrementar el nmero de datos utilizando resultados obtenidos de

la Bibliografa.

- Se contrastarn tambin los modelos localizados en la Bibliografa.

METODOLOGA

- 13 -

- Se adoptar aqul modelo que mejor se ajuste a los resultados.

c) Aplicacin del modelo: calidad del hormign necesaria

- Aplicacin del modelo obtenido en el apartado anterior a la Instruccin EHE:

utilizando el modelo de difusin de cloruros y la vida til deseada para la obra en

concreto (por ejemplo, cajones portuarios), se puede establecer el coeficiente de

difusin necesario en cada ambiente (sumergido y carrera de mareas).

- Utilizando las correlaciones obtenidas entre los parmetros de dosificacin y la

velocidad de difusin, se pasa a obtener la dosificacin del hormign necesaria en

cada uno de los dos ambientes.

d) Seleccin del mtodo de ensayo: control de la calidad del hormign

- Sobre los mismos testigos se realizarn los ensayos de durabilidad seleccionados,

de acuerdo a los criterios expuestos en el Captulo de Objetivos. Sus resultados

deben relacionarse con el coeficiente de difusin calculado para determinar cul o

cules presentan mejor correlacin, y entre ellos, cul es el de ms sencilla y

rpida realizacin.

- Se intentar incrementar el nmero de datos utilizando resultados obtenidos de la

Bibliografa.

- A partir del coeficiente de difusin fijado para cada ambiente para la vida til

predeterminada, y de su correlacin con los ensayos de durabilidad, establecer el

valor exigible con el mtodo de ensayo de mejor comportamiento.

ESTADO DEL ARTE

- 14 -

CAPTULO 4

ESTADO DEL ARTE. CORROSIN DE LAS ARMADURAS

EN EL HORMIGN SITUADO EN AMBIENTE MARINO

1. INTRODUCCIN

La mayora de las aguas de mar presentan una composicin qumica uniforme,

caracterizada por la presencia de un 3,5% de sales solubles en peso. Las mayores

concentraciones inicas son las del Na+ y del Cl-, que son de 11.000 y 20.000 mg/litro,

respectivamente. Tambin hay cantidades significativas de Mg2+ y SO42-, normalmente

1.400 y 2.700 mg/litro, respectivamente. El pH vara entre 7,5 y 8,494.

El hormign expuesto a un ambiente marino puede deteriorarse debido a los

efectos combinados de la accin qumica de los constituyentes del agua de mar sobre los

productos de hidratacin del cemento, de la reaccin lcali-rido (cuando hay ridos

reactivos), de la presin de cristalizacin de sales en el hormign si una cara de la

estructura est sometida a condiciones de humedad y la otra a condiciones de secado, a la

accin del hielo en climas fros, a la corrosin de las armaduras y a la erosin fsica

debida a la accin de las olas y de las partculas en suspensin. Cada una de estas

acciones provoca un aumento de la permeabilidad del hormign, lo que contribuye a que

progrese el ataque de la causa inicial y el de los dems tipos de accin94.

Del estudio de diferentes casos reales de deterioro de estructuras de hormign en

ambiente marino se concluye que:

ESTADO DEL ARTE

- 15 -

La permeabilidad es la llave de la durabilidad94,114. El origen de esta insuficiente impermeabilidad puede estar en mezclas de hormign mal dosificadas, ausencia

de aire ocluido si la estructura se encuentra en climas fros, compactacin y

curado inadecuados, falta de recubrimiento de las armaduras, juntas mal

diseadas o construidas, y microfisuracin del hormign debido a las cargas, a la

retraccin trmica o de secado, y a la expansin por la reaccin lcali-rido. En

Noruega se permite una permeabilidad mxima de k 10-12 m/s en estructuras en

ambiente marino.

El tipo y la severidad del dao pueden no ser uniformes a lo largo de la estructura. La seccin situada en la zona de atmsfera marina nunca est en contacto con el

mar, pero recibe sal procedente de la brisa marina y niebla salina, por lo que ser

ms susceptible a la accin de la helada y a la corrosin de las armaduras. Entre la

zona de atmsfera marina y el nivel de marea alta se encuentra la zona de

salpicaduras, sujeta a la humectacin directa con agua de mar procedente de las

olas y la espuma; puede entonces sufrir dao por heladas, abrasin debida a la

accin del oleaje y corrosin de las armaduras activada por los cloruros. El mayor

riesgo de corrosin de las armaduras ocurre en la zona atmosfrica y, sobre todo,

en la de salpicaduras. La seccin situada en la zona de oscilacin de la marea

sufrir adems el efecto de los ciclos humedad-sequedad, los ataques qumicos

debidos a la reaccin lcali-rido y a la interaccin entre la pasta de cemento y el

agua de mar. El hormign as debilitado puede desintegrarse debido a la accin de

las olas y el impacto de arena, grava y hielo. sta es por tanto la zona de mximo

deterioro. Por ltimo, la zona siempre sumergida slo estar sometida al ataque

qumico del agua de mar (debido a la ausencia de oxgeno apenas habr

corrosin, ya que la concentracin de oxgeno disuelto en agua de mar es inferior

a 10 ml/l).

El progresivo deterioro qumico del hormign desde la superficie hacia el interior

del hormign sigue el siguiente esquema: en la superficie se forma aragonito y

bicarbonato debido al ataque por el CO2; por debajo de la superficie del

hormign, se forma brucita debido al ataque por iones de magnesio; la formacin

ESTADO DEL ARTE

- 16 -

de etringita en el interior demuestra que los iones sulfato pueden penetrar a mayor

profundidad. Salvo que el hormign sea muy permeable, la accin qumica del

agua del mar no produce dao, debido a que estos productos son insolubles, con

lo que reducen la permeabilidad e impiden el progreso de la reaccin hacia el

interior del hormign. Esta accin protectora no tiene lugar en la zona de mareas

ni en caso de cargas dinmicas, ya que los productos de la reaccin son

eliminados nada ms generarse.

La corrosin de las armaduras suele ser la principal causa de deterioro del hormign en estructuras de hormign armado o pretensado expuestas al agua de

mar. En hormigones de baja permeabilidad no parece ser sta la primera causa de

la fisuracin. Otros procesos de deterioro provocan el desarrollo de la

microfisuracin, lo que permite el acceso del oxgeno a la superficie de las

armaduras. Entonces puede producirse la corrosin, con lo que aparecen ms

fisuras.

El dao real del hormign debido al crecimiento de organismos marinos no es un problema habitual. No obstante, se ha constatado que las algas pueden aumentar

la velocidad de degradacin del hormign, debido posiblemente a la accin de los

cidos orgnicos y sulfatos producidos en la descomposicin de la vegetacin.

Tambin se ha observado que en los trpicos algunos tipos de moluscos pueden

erosionar al hormign a una velocidad de 1 cm por ao. Las algas en las zonas

sumergidas pueden mejorar la durabilidad sellando la superficie del hormign72.

Las medidas que se pueden tomar con carcter general para evitar el deterioro de

un hormign sometido a un ambiente marino son72:

Si se utiliza un cemento prtland deber limitarse el contenido en C3A del cemento (el C4AF, a diferencia del C3A, no acta nocivamente). El cemento

con escorias de alto horno tiene una elevada resistencia. La estabilidad de

cementos con un 20% de puzolanas depende de la composicin mineralgica

y de la reactividad de la puzolana114.

ESTADO DEL ARTE

- 17 -

La relacin agua/cemento se deber conservar lo ms baja posible (a/c < 0,5) y se deber asegurar la trabajabilidad (por ejemplo, utilizando plastificantes).

El recubrimiento mnimo deber aumentarse donde pueda producirse abrasin. En las zonas sumergidas se pueden utilizar recubrimientos menores.

Recomendaciones: o hormign segn ISO 4102: C25/30 o relacin agua/cemento: 0,55 o contenido de cemento para un tamao mximo del rido entre 16 y 32

mm: 300 kg/m3

o penetracin de agua segn ISO 7031: 30 mm

2. ASPECTOS GENERALES

2.1. Definicin de corrosin:

La corrosin es el ataque destructivo de un metal por reaccin qumica o

electroqumica con su medio ambiente138.

Exceptuando los metales nobles, los dems metales se encuentran en la naturaleza

generalmente en forma de compuestos (xidos, hidrxidos, sulfatos, etc.), estado que

corresponde a valores reducidos de la energa de Gibbs. Por ello, la extraccin de los

elementos metlicos a partir de tales compuestos requiere el suministro de energa, a

travs de un proceso de reduccin. Esto significa que los metales tendern, en su vida de

servicio, de una forma natural a regresar a estados de inferior nivel energtico, y esto es

lo que ocurre en los procesos de corrosin, que, oxidando los elementos metlicos,

suponen una conversin del metal a diferentes compuestos, con disminucin de la

energa63.

2.2. Formas de corrosin:

La corrosin puede desarrollarse segn dos mecanismos diferentes63:

ESTADO DEL ARTE

- 18 -

Oxidacin directa (o corrosin seca), que ocurre cuando el metal sufre una temperatura elevada, en ausencia de agua.

Corrosin con intervencin de una solucin acuosa (corrosin hmeda), que es la ms habitual.

En el primer caso, el metal M, sometido a alta temperatura, sufre una oxidacin

directa, con produccin de electrones, mediante las siguientes reacciones63:

M M+n + ne-

O2 + 4e- 2O-2

En el caso de la intervencin de una solucin acuosa, el mecanismo que se

produce incluye reacciones qumicas diferentes, con unas zonas de disolucin del metal

(zonas andicas) y otras en que permanece inalterado (zonas catdicas), originndose as

una pila cuyo funcionamiento continuado requiere que exista un circuito elctrico cerrado

que incluye el nodo, el ctodo, la conexin metlica entre ambos y el propio electrolito.

Por ello, a este mecanismo se le denomina corrosin electroqumica. Las reacciones

son63:

M M+n + ne-

O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

En medio cido, en vez del oxgeno disuelto son los iones hidrgeno los que

reaccionan con los electrones liberados14:

2H+ + 2e- H2

La cantidad de metal, en peso, que se corroe es proporcional a la intensidad I de la

corriente que se produce (en amperios) y al tiempo t transcurrido (en segundos), a travs

de la ley de Faraday63:

ESTADO DEL ARTE

- 19 -

Nmero de equivalentes-gramos = 96493

tI

A continuacin se reproduce parcialmente la serie electroqumica de los metales,

ordenada de mayor a menor tendencia a la oxidacin, estando referidos los potenciales al

potencial normal de hidrgeno que se toma como referencia63:

Ca+2 + 2e- Ca 2,76 V

Mg+2 + 2e- Mg 2,34 V

Zn+2 + 2e- Zn 0,76 V

Fe+2 + 2e- Fe 0,44 V

Pb+2 + 2e- Pb 0,13 V

2H+ + 2e- H2 + 0,00 V

Cu+2 + 2e- Cu + 0,34 V

Ag+ + e- Ag + 0,80 V

Au+3 + 3e- Au + 1,50 V

Al ponerse en contacto dos metales, uno se convertir en andico y el otro en

catdico en funcin de su potencial de corrosin, segn esta serie electroqumica.

2.3. La corrosin del acero en el hormign:

La corrosin del acero en el hormign es un proceso electroqumico. Los

potenciales electroqumicos que forman las pilas de corrosin se pueden generar de dos

formas94:

Las pilas de composicin se pueden formar cuando se colocan dos metales diferentes dentro del hormign, como las armaduras de acero y los conductos de

aluminio, o cuando existen variaciones significativas en las caractersticas

superficiales del acero.

ESTADO DEL ARTE

- 20 -

Las pilas de concentracin se pueden formar debido a diferencias en la concentracin de los iones disueltos cerca del acero, como los lcalis, cloruros o

el oxgeno.

Como consecuencia, uno de los dos metales (o algunas partes del metal si slo

hay uno) se convierte en andico y el otro en catdico63,94. (Figura 1)

Figura 1.- Corrosin de las armaduras en el hormign. Modelo simplificado72.

2.3.1. PASIVACIN DEL ACERO EN EL HORMIGN: EL DIAGRAMA DE

POURBAIX:

El diagrama de Pourbaix es un diagrama de equilibrio Potencial/pH, en el que el

eje de abscisas representa los valores del pH de la solucin, y el eje de ordenadas los

valores del potencial del electrodo. Los dominios de estabilidad de las diferentes

sustancias consideradas estn limitados por lneas que representan condiciones de

equilibrio para los siguientes tipos de reaccin115: (Figura 2)

ESTADO DEL ARTE

- 21 -

Figura 2.- Diagrama Pourbaix hierro-agua y condiciones reales del acero embebido en

hormign63.

Las lneas verticales representan reacciones qumicas en las que intervienen iones H+ o OH-.

Las lneas inclinadas representan reacciones electroqumicas en las que intervienen iones H+ o OH-.

Las lneas horizontales suponen reacciones electroqumicas en las que no intervienen iones H+ ni OH-.

Por lo tanto, los diagramas de Pourbaix establecen para cada metal las

condiciones de pH y de potencial en las que el metal se corroe, se pasiva o permanece

inmune. El estado definido como de pasividad supone que el metal se cubre de una

capa de xidos, transparente, imperceptible y que acta de barrera impidiendo la

posterior oxidacin. El metal posee la apariencia de mantenerse inalterado. En cambio, el

estado de inmunidad supone que el metal no se corroe al no darse las condiciones

termodinmicas para ello. Es el estado en el que se sitan los metales sometidos a

proteccin catdica14.

ESTADO DEL ARTE

- 22 -

Para el caso del acero, la zonificacin del diagrama de Pourbaix se describe a

continuacin63:

Zona II, de pasividad del acero. La proteccin de que ste goza puede ser eliminada por la existencia de cloruros, que, al destruir la capa de pasivacin,

originan la corrosin localizada por picaduras.

Zona I, de corrosin generalizada. Zona III, de inmunidad (Fe que no pasa a estado inico). Zona IV, de pasividad, por formacin de Fe3O4 y Fe2O3.

En condiciones normales, el acero embebido en el hormign se encuentra

amparado por una doble proteccin: fsica (el espesor del recubrimiento de hormign) y

qumica (el pH alcalino del hormign, con valores habituales de 12-13, que sita al acero

en la zona de pasividad del diagrama de Pourbaix, en la que se forma en la superficie del

acero una capa protectora de xido Fe2O3 de espesor muy pequeo, del orden de 100.000

, que impide toda corrosin ulterior)34,63. Las reacciones de formacin de esta capa

protectora de xido son125:

4Fe2+ 4e- + 4Fe3+

3O2 + 12e- 6O2-

4Fe3+ + 6O2- 2Fe2O3

Sin embargo, la capa pasiva est formada no slo de Fe2O3, sino que es una

mezcla de Fe2O3 y Fe3O4 entremezclados con hidratos del cemento, aunque el Fe3O4 no

es un xido pasivo, ya que su porosidad es muy elevada comparada con la del Fe2O3. La

formacin del Fe3O4 es como sigue125:

2O2 + 8e- 4O2-

2Fe3+ + Fe2+ + 4O2- Fe3O4

ESTADO DEL ARTE

- 23 -

Las lneas de isoconcentracin de cloruros indican de forma aproximada la

concentracin de iones cloruro necesaria para destruir la capa pasiva. Una vez que se

genera una picadura, el pH se reduce dentro de la picadura y se produce una corrosin

activa por picadura localmente en la zona de Fe2+/Fe3+. Adems el potencial de no

corrosin del acero est controlado por la disponibilidad de oxgeno en el hormign a la

profundidad de la armadura. En un hormign sumergido, hay poca disponibilidad de

oxgeno y por lo tanto el potencial del acero cae a la zona de alta resistencia a la

corrosin por cloruros125 (Figura 3).

Figura 3.- Diagrama potencial-pH para el acero en solucin acuosa125.

A pesar de la valiosa informacin que proporciona el diagrama de Pourbaix, en l

no se considera la cintica de las posibles reacciones, por lo que no es posible predecir si

una reaccin concreta se producir en una cuanta suficiente en la prctica. Adems, se

supone que se conoce la composicin de la solucin acuosa alrededor de la superficie de

corrosin, lo que es complicado en los casos reales de corrosin, donde se pueden

desarrollar gradientes de concentracin115.

ESTADO DEL ARTE

- 24 -

2.3.2. PROCESO DE LA CORROSIN

En la corrosin del acero dentro del hormign, el proceso andico no puede

producirse hasta que la capa protectora del acero se elimina en un ambiente cido (por

ejemplo, por carbonatacin del hormign) o se hace permeable por la accin de los iones

Cl-. El proceso catdico no se produce hasta que en la superficie del acero se dispone de

una cantidad suficiente de oxgeno y agua. Las reacciones son94,63:

nodo: Fe 2e- + Fe2+

Ctodo: O2 + H2O + 2e- 2(OH)-

Inicialmente se produce hidrxido ferroso de color verdoso y, con mayor grado de

oxidacin, xido ferroso-frrico, de color negro, e hidrxido frrico, rojizo63. En ausencia

de suficiente oxgeno, no se forma xido expansivo ya que no se puede desarrollar la

formacin de hidrxido frrico. Las reacciones son125:

Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 Formacin de hidrxido ferroso

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 Formacin de hidrxido frrico

2Fe(OH)3 Fe2O3.H2O + 2H2O F. de xido de hierro hidratado

La transformacin del hierro metlico en xido (FeO.(H2O)x) viene acompaada

de un incremento de volumen que puede llegar a ser del 600% del tamao original del

metal, lo que se considera la principal causa de la expansin y fisuracin del

hormign63,94.

El potencial del electrodo andico, EA, se puede expresar mediante la ecuacin de

Nernst as9:

[ ][ ]FeFe

FnTR

EE cAA+

+=

20 ln

ESTADO DEL ARTE

- 25 -

donde E0A es el potencial del electrodo estndar del acero en el nodo; Rc es la constante

de los gases; F es la constante de Faraday (96.500 culombios por mol de electrones o

Amperio-segundo); T es la temperatura absoluta; n es el nmero de electrones que

intervienen en la reaccin. Sustituyendo E0A = -0,44 V; Rc = 8,314 J/K; F = 96.487 C; T

= 25 C; n= 2; [Fe] = 1 (la actividad de una molcula de hierro en la barra de acero), y

adaptando las unidades, la anterior ecuacin quedara as: EA = -0,44 + 0,0296*log[Fe2+]

(en V), donde [Fe2+] es la concentracin de Fe2+ en moles por litro de electrolito.

El potencial del electrodo catdico, EC, se puede expresar mediante la ecuacin

de Nernst as9:

[ ] [ ][ ]42

220 *ln +=

OHOHO

FnTREE cCC

Sustituyendo E0C = -0,401 V; Rc = 8,314 J/K; F = 96.487 C; T = 25 C; n= 4;

log[OH-] = pH 14, la anterior ecuacin quedara as: EC = 1,229 + 0,0148*log[O2]

0,0591*pH (en V), donde [O2] es la concentracin de oxgeno en trminos de molaridad.

La fuerza electromotriz, emf(e), de la pila de corrosin de la armadura se puede

obtener como (en V)9:

e = EC EA = 1,669 + 0,0148*log[O2] 0,0591*pH - 0,0296*log[Fe2+]

La fuerza electromotriz lleva la corriente de corrosin del nodo al ctodo a

travs del electrolito; por lo tanto, la velocidad de corrosin est influida por los

siguientes factores9:

El pH del electrolito en el hormign, que se ve afectado fundamentalmente por la carbonatacin.

La disponibilidad de oxgeno y agua capilar. La concentracin de Fe2+ en el hormign junto a la armadura.

ESTADO DEL ARTE

- 26 -

La velocidad de corrosin de un acero en estado pasivo embebido en hormign es

de 0,1 m/ao; al despasivarse, el acero se corroer a una velocidad de al menos tres

rdenes de magnitud mayor4.

En la superficie del acero, las reas que actan como nodo y como ctodo

pueden estar muy prximas (micropilas de corrosin), a distancias medianas (macropilas

de corrosin), e incluso a distancias relativamente grandes. En consecuencia, si el

hormign est suficientemente hmedo para garantizar la conexin electroltica, la

corrosin puede ocurrir incluso en reas de la estructura donde sea difcil el acceso

directo del oxgeno a la superficie de la armadura72.

A la corrosin propia de las micropilas (debidas a un ataque por cloruros, por

ejemplo), se puede sumar la accin de la macropila, incrementando la velocidad de

corrosin. Aunque hace algn tiempo se pensaba que la accin de estas macropilas poda

ser muy importante e incluso podan actuar a metros de distancia, ahora se ha constatado

que esto no es posible, y que la corrosin se sustenta por la accin de las micropilas, a las

que puede sumarse la accin de las macropilas en un radio limitado (algunos decmetros),

en el que es fundamental identificar la existencia de un electrolito continuo entre el

ctodo y el nodo14.

La macropila de corrosin puede aparecer cuando la barra que se est corroyendo

activamente est acoplada a otra barra que es pasiva, debido a su diferente composicin o

ambiente. Mientras que la corriente de la macropila de corrosin se puede medir

directamente, no es as para la micropila de corrosin y, por lo tanto, muchos

investigadores deciden despreciar el componente de la micropila. En un hormign con

cemento prtland normal con una resistencia elctrica (inica) relativamente baja, los

componentes de la macropila y de la micropila de corrosin son del mismo orden de

magnitud, y se pueden sumar entre s para obtener la velocidad total de corrosin en la

barra de corrosin activa; en este caso, la velocidad total de corrosin era

aproximadamente tres veces la de la velocidad de corrosin de la macropila. Por el

contrario, la macropila de corrosin en hormign de alta resistencia es despreciable, y la

corrosin se limita a las micropilas debido a la resistencia inica del hormign73.

ESTADO DEL ARTE

- 27 -

En pilares y columnas situadas en agua de mar, la parte de hormign situada bajo

el nivel del mar est saturada con agua, mientras que las zonas situadas en lo alto de la

columna permanecen relativamente secas. Justo por encima de la zona de mareas, hay

una acumulacin de iones cloro, procedente de la evaporacin del agua de mar. La

experiencia muestra un dao por corrosin severa y temprana en esta zona. Se ha

comprobado que se desarrolla un esquema de corrosin por macropila, con una reaccin

catdica fundamentalmente en las reas pasivas situadas por encima del agua y procesos

andicos en las zonas con acumulacin de iones cloro4,123.

2.3.3. TIPOS DE CORROSIN EN LAS ARMADURAS

La corrosin puede adoptar formas diversas, segn la localizacin de las zonas

andicas y catdicas, y la posible existencia de tensiones mecnicas importantes63,130:

(Figura 4)

Figura 4.- Tipos de corrosin de armaduras en el hormign14.

Corrosin generalizada, cuando el ataque afecta a toda la superficie del metal (puede ser corrosin uniforme o corrosin generalizada irregular, segn que el

ESTADO DEL ARTE

- 28 -

ataque sea o no uniforme)63. Se produce por un descenso de la alcalinidad del

hormign que puede ser debido a una lixiviacin por circulacin de aguas puras

o ligeramente cidas o por reaccin de los compuestos de carcter bsico NaOH,

KOH, Ca(OH)2 de la fase acuosa del hormign con los componentes cidos de

la atmsfera de CO2 y de SO2 para dar carbonatos-sulfatos y agua14.

Corrosin galvnica: debido a la heterogeneidad del hormign y su micro-ambiente, es habitual que los procesos andico y catdico no se encuentren

uniformemente distribuidos, sino que en algunos puntos es ms fuerte el proceso

catdico, y en otros el andico130. En el caso especfico de concentracin en un

nmero reducido de puntos, con una reducida relacin entre las zonas andicas y

las catdicas, el ataque en las andicas se intensifica fuertemente dando lugar a

la corrosin por picaduras63. La situacin ms agresiva es la presencia de

cloruros. Los iones sulfuro y sulfato son tambin despasivantes, pero menos

frecuentes y peligrosos que los cloruros14.

Corrosin bajo tensin, con generacin de fisuras: cuando, adems del proceso de corrosin, existe una tensin mecnica elevada, y un metal susceptible a este

fenmeno.

Corrosin-fatiga, cuando coexisten un proceso de corrosin y una solicitacin cclica importante.

2.3.4. CAUSAS DE DESPROTECCIN:

La corrosin tiene un perodo de iniciacin, en el que se produce la desproteccin

del acero, y un perodo de propagacin, en el que se produce la corrosin del acero34

(Figura 5). El concepto de durabilidad del hormign armado se fundamenta en evitar que

se alcance al periodo de propagacin durante la vida de servicio de la estructura,

poniendo los medios necesarios para dilatar lo mximo posible el periodo de iniciacin.

ESTADO DEL ARTE

- 29 -

Figura 5.- Modelo simplificado del proceso de deterioro por corrosin de las

armaduras14.

La proteccin del acero se puede perder63:

Por prdida de la alcalinidad del hormign. Esto ocurre cuando el hormign, por

accin del CO2 del aire, se carbonata, segn la reaccin:

CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O

El consumo de hidrxido clcico provoca una reduccin del pH hasta valores no

superiores a 9, lo que sita al acero fuera de la zona de pasividad, y dentro de la zona I,

de corrosin, del diagrama de Pourbaix. Un efecto semejante se produce si los lcalis son

arrastrados por el agua (lixiviacin), lo que puede ocurrir en puntos concretos (por

ejemplo, juntas) en hormigones de baja calidad.

En este proceso, el cemento hidratado reacciona con las soluciones acuosas

formadas por los gases atmosfricos cidos (el dixido de azufre y el dixido de

carbono), en condiciones de humedad. Las soluciones acuosas de dixido de azufre

tendern a disolver la superficie de hormign, pero suelen representar slo un problema

superficial. Sin embargo, el dixido de carbono penetra en el hormign por difusin y, en

presencia de humedad, reacciona con el cemento para formar carbonato clcico, lo que

ESTADO DEL ARTE

- 30 -

elimina los iones hidroxilo de la solucin de los poros, reduciendo as el pH del

hormign34. La transformacin de los componentes alcalinos en presencia de agua es115:

CO2 + 2NaOH Na2CO3

Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2NaOH

3Na2CO3 + 3CaO.2SiO2.3H2O 3CaCO3 + 6SiO2 + 6NaOH + 6H2O

Na2CO3 + CaO.Al2O3.8H2O CaCO3 + 2Al(OH)3 + 2NaOH + 4H2O

La carbonatacin penetra hacia el interior del hormign a una velocidad que sigue

una ley del tipo34: ntkd = , donde:

d = profundidad de carbonatacin (en mm).

k = coeficiente de carbonatacin.

t = tiempo (en aos).

n = exponente inferior a 1, que a menudo se toma como 0,5.

El valor del coeficiente de carbonatacin se puede obtener62 mediante el

modelo experimental de Hkkinen (1993): bcmairenv facck = , siendo:

cenv = es el coeficiente ambiental.

cair = es el coeficiente en funcin del contenido de aire.

fcm = fck+8; es la resistencia cbica media (N/mm2).

a,b = son parmetros dependientes del tipo de conglomerante.

En este modelo, valores de k inferiores a 3, suponen hormigones en los que la

carbonatacin llega a un mximo de 26 mm (valor superior al recubrimiento mnimo de

25 mm para el ambiente II, predominante para la carbonatacin, que figura en la EHE) al

cabo de 75 aos62.

La carbonatacin penetra en el hormign como un frente procedente de las

superficies expuestas a la atmsfera, pero no es perjudicial para la integridad del

hormign hasta que llega a la armadura. En ese momento, el pH cae por debajo de 9 10,

ESTADO DEL ARTE

- 31 -

con lo que se pierde la pasivacin de la armadura y el acero puede corroerse si hay

suficiente cantidad de agua y oxgeno34.

La velocidad de carbonatacin depende de la permeabilidad del hormign a la

penetracin del dixido de carbono (que est muy influenciada por la relacin

agua/cemento), la humedad del hormign y el contenido total de lcalis de los productos

de la hidratacin. Un hormign denso y bien compactado y con un buen recubrimiento

ser muy resistente a la carbonatacin34.

La mayor velocidad de carbonatacin se produce para una humedad relativa de

entre el 60 y el 75%, ya que si es menor no hay suficiente agua, y si es mayor el agua

contenida en los poros reduce la velocidad de difusin del dixido de carbono en el

hormign. Otros factores que influyen en la velocidad de carbonatacin son el tipo de

cemento (con o sin adiciones), el contenido de cemento y la porosidad del rido34.

A menudo ocurre que, aunque el frente de carbonatacin haya llegado hasta la

armadura, apenas se produzca corrosin; se debe a que la carbonatacin avanza ms

rpidamente para valores intermedios de la humedad, mientras que la corrosin del acero

cuando no hay cloruros slo es significativa si la humedad relativa del hormign supera

el 80%34.

A partir de resultados experimentales obtenidos y de las predicciones de

penetracin de cloruros y de carbonatacin a largo plazo, algunos autores indican que, en

hormigones de calidad media o alta, la velocidad de carbonatacin es mucho menor que

la de penetracin de cloruros en cualquier zona de exposicin de un ambiente marino.

Dado que para proteger a las estructuras del efecto de los cloruros es necesario emplear

hormigones de alta calidad y un adecuado recubrimiento de las armaduras, el mecanismo

de la carbonatacin apenas tendr importancia en un ambiente marino47.

Por destruccin de la capa de pasivacin, efecto que causan los halogenuros (y,

entre ellos, los cloruros)63. Para que se produzca el proceso andico es necesario que se

destruya la capa pasiva; sin embargo, el proceso catdico puede ocurrir incluso si la capa

ESTADO DEL ARTE

- 32 -

pasiva est intacta. En el caso de corrosin por cloruros, se da la llamada corrosin por

picaduras, debido a que la pasivacin se pierde solamente en pequeas reas de la

superficie, producindose una reduccin local importante de la seccin de la armadura.

Adems, los iones cloruro actan como un catalizador dentro de la picadura y aceleran la

corrosin del hierro en la picadura andicamente activa72. (Figura 6)

Figura 6.- Corrosin por picaduras a causa de cloruros72.

Este proceso es el mecanismo de corrosin habitual en ambiente marino y se

explicar con detalle en el apartado siguiente.

3. EL AMBIENTE MARINO: LA CORROSIN DEL ACERO EN EL HORMIGN POR LA ACCIN DE LOS CLORUROS

3.1. Accin de los cloruros

Los cloruros de la solucin de los poros del hormign pueden provocar roturas

localizadas en puntos debilitados de la capa protectora del acero. El in Cl- penetra en la

pelcula de xido, a travs de los poros u otros defectos, con mayor facilidad que otros

iones, como por ejemplo el SO42-, o puede dispersar en forma coloidal la pelcula de

xido e incrementar su permeabilidad. Se forman as diminutos nodos de metal activo

rodeados por grandes reas catdicas de metal pasivo138.

ESTADO DEL ARTE

- 33 -

As pues, el ataque por cloruros comienza con la picadura en los puntos dbiles de

la interfase acero-hormign. Un punto dbil se puede generar debido a una cada local del

pH, a un hueco de aire por mala compactacin, a una fisura del hormign o a un defecto

de la superficie del acero. La formacin de nodos locales en los puntos dbiles crea

diferencias de potencial que atraen cloruros. Al eliminar oxgeno en el comienzo de la

picadura, la superficie de acero situada bajo los productos slidos de la corrosin se

acidifica, segn la siguiente ecuacin125:

Fe2+ + H2O FeOH+ + H+

Varios mecanismos podran contribuir al efecto cataltico de los iones cloruro.

Los iones cloruro forman complejos solubles con los iones hierro, lo que favorece la

disolucin del xido de hierro. La formacin de complejos de cloro podra consumir los

iones de hierro libres presentes en la solucin, y cambiar el equilibrio de las ecuaciones

de formacin de la capa pasiva, provocando la disolucin del xido de hierro. La

presencia de iones cloruro adems aumenta la solubilidad de la capa pasiva, lo que

acelera su disolucin125.

El efecto cataltico de los cloruros es mayor en el hormign con presencia de

oxgeno, debido a la descomposicin de los complejos de cloro al difundirse de la

picadura de corrosin pobre en oxgeno al hormign rico en oxgeno. Los complejos de

cloro no son estables en presencia de oxgeno, segn se describe en la siguiente

ecuacin125:

4FeCl2(aq) + O2 + 6H2O 4FeOOH + 8HCl(aq)

El resultado es una acidificacin mayor y una liberacin de iones cloruro. Ambos

efectos aceleran la corrosin. Se han detectado valores del pH de 1,0 en las picaduras; en

semejante pH, la disolucin cida del acero puede ser mucho ms rpida que la corrosin

electroqumica125,130. Esta caracterstica es lo que diferencia la corrosin localizada de la

galvnica: la corrosin se acelera en la picadura o en la hendidura al producirse sta. Incluso en algunos casos, el nivel de cloruros no es lo suficientemente elevado como para

ESTADO DEL ARTE

- 34 -

provocar la corrosin por picaduras de la armadura, pero s como para iniciar la corrosin

por hendidura en la interfase entre barra y hormign; el mecanismo de esta corrosin

podra seguir debindose a la disolucin, la acidificacin local por la hidrlisis de los

iones hierro y los procesos de acumulacin de cloruros130.

Los iones hidroxilo actan en contra de este proceso reparando la capa daada,

pero la rotura de la capa es irreversible para una determinada relacin cloruro/hidroxilo

crtica, y entonces se produce la corrosin por picadura. La corrosin en las picaduras

(nodos) se produce electrolticamente por reacciones catdicas en el rea adyacente de

acero sin corroer (ctodo). Como normalmente el rea catdica es mayor que la andica,

la corrosin en las picaduras es intensa34.

3.2. Tipos de cloruros

Los cloruros pueden estar en el hormign34,115:

Combinados: unidos qumica o fsicamente a los minerales del cemento o a los productos de hidratacin (por ejemplo, sal de Friedel:

3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O). Se considera que los cementos con un bajo

contenido en aluminato triclcico tienen menor capacidad para fijar cloruros34.

Libres: en la solucin de los poros del hormign.

Algunos autores sealan que el 40-50% de los cloruros totales est combinado130.

Segn otros estudios experimentales99, los cloruros libres suponen entre un 67% y un

90% de los cloruros totales, en funcin del tipo de cemento empleado (cemento de

aluminato clcico y cemento con escorias de tipo B, respectivamente).

Fishcher considera que la relacin de equilibrio entre cloruros libres y

combinados es una isoterma de adsorcin lineal. Otros autores creen que la relacin es

ms complicada. Esta relacin se ve afectada por el tipo de cemento, el grado de

hidratacin, la cantidad de solucin de los poros y los dems iones que haya en la

solucin de los poros. Cuanto mayor sea el contenido en aluminato triclcico, ms iones

ESTADO DEL ARTE

- 35 -

cloro son fijados. Cuanto mayor es la concentracin de hidrxido, menos cloruros se

encuentran en la solucin de los poros. La cantidad de cloruros combinados disminuye al

aumentar la temperatura. Tambin afecta a la capacidad de fijar cloruros del hormign la

temperatura de curado, la duracin del curado y la alcalinidad inicial. Para el mismo

contenido de sulfatos, las pastas de cemento que contienen sulfato de calcio tienen una

mayor capacidad de fijar cloruros que las que contienen sulfato de sodio (debido a que

tienen un efecto diferente sobre la concentracin de iones OH- en la solucin; el sulfato

de sodio aumenta la alcalinidad de la solucin, mientras que el de calcio la disminuye;

por lo tanto, el sulfato de sodio no afecta a la relacin Cl-/OH-, mientras que el de calcio

la aumenta significativamente)130. Los cloruros fijados en el hormign aumentan al

incrementar el contenido de cemento y la relacin agua/cemento89.

En cuanto a la influencia del empleo de adiciones sobre la capacidad de fijacin

de cloruros del hormign, se ha comprobado experimentalmente que89:

El contenido de cloruros fijados junto a la superficie del hormign no se ve afectado por la incorporacin de cenizas o escorias. A mayores profundidades, el

empleo de cenizas o escorias sustituyendo al cemento supone una reduccin del

contenido de cloruros fijados.

La sustitucin de cemento por humo de slice supone una fuerte reduccin de la capacidad de fijacin de cloruros.

Para bajas concentraciones de cloruros totales (menor que 0,4%) procedentes del exterior del hormign, la concentracin de cloruros en el fluido de los poros es

despreciable y, por lo tanto, no supone un riesgo para la corrosin de las

armaduras. Para concentraciones superiores de cloruros, existe una relacin lineal

entre los cloruros totales y los libres, tanto para hormigones normales como para

los que contienen cenizas o escorias (relacin 1:1).

Slo resultan peligrosos los cloruros que quedan disueltos en la fase acuosa de los

poros. De todas formas, las normativas se refieren al lmite de cloruros totales, porque

los cloruros combinados pueden volver a la disolucin por efecto de procesos como la

carbonatacin14, ya que si se eliminan algunos cloruros libres, la solucin de los poros

ESTADO DEL ARTE

- 36 -

del hormign tender a reponerlos a partir de los cloruros combinados, para mantener el

equilibrio34.

3.3. Procedencia de los cloruros

De acuerdo con lo indicado en el anterior apartado, en el hormign armado hay

que limitar el contenido de cloruros, de modo que sea mnimo el contenido de cloruros

libres. Entre las fuentes de cloruros en el hormign fresco se encuentran los aditivos,

algunos ridos y el cemento34. En la Instruccin EHE96, se limita el contenido de iones

cloruro para cada uno de los materiales componentes (en el agua, 1 g/l para hormign

pretensado y 3 g/l para hormign armado; en los ridos, 0,03% del peso total de la

muestra de rido para hormign pretensado y 0,05% para hormign armado), y adems el

contenido total de cloruros en el hormign (0,2% del peso del cemento para el hormign

pretensado y 0,4% para el hormign armado).

Tambin los cloruros del ambiente pueden penetrar en el hormign endurecido.

Una gran parte de ellos permanecern como cloruros libres en el agua de los poros,

siendo por lo tanto muy agresivos. Las principales fuentes son las sales fundentes, el

agua de mar y el ambiente marino en general. En algunos lugares puede ser un problema

el agua subterrnea salina y las sales llevadas por el aire34.

Cuando los cloruros estn presentes en la fabricacin del hormign, algunos se

combinarn qumicamente con la pasta de cemento, sobre todo con los aluminatos. Estos

cloruros presentes en la mezcla inicial tienden a distribuirse uniformemente, por lo que

no se crean pilas de concentracin. Por el contrario, cuando los cloruros penetran desde

el exterior, no se presentan contenidos uniformes de cloruros alrededor de las armaduras,

debido a diferencias en la concentracin de cloruros en la superficie del hormign,

diferencias locales de permeabilidad y variaciones en el espesor de recubrimiento,

incluyendo la distancia entre la parrilla superior e inferior de la armadura. Todos estos

factores promueven diferencias en los contenidos de oxgeno, humedad y cloruros en el

entorno de las barras de la armadura. Por lo tanto, cuando los cloruros penetran desde el

exterior, parte de la armadura est en contacto con un hormign contaminado por

ESTADO DEL ARTE

- 37 -

cloruros y otra parte lo est con un hormign sin cloruros. Esta diferencia en la

concentracin de cloruros dentro del hormign crea pilas macroscpicas de corrosin4.

Incluso cuando se impide la penetracin de ms cloruros desde el exterior, puede

continuar durante aos el proceso de transporte de iones cloruro desde zonas de alta

concentracin a las de baja. El peligro de corrosin tambin puede ser modificado por la

carbonatacin del hormign, que puede provocar la descomposicin de las sales

hidratadas de cloruro, liberando ms iones cloruro, sin cambiar el contenido total de

cloruros del hormign34.

En este sentido, algunos autores68 indican que los cloruros combinados con los

productos de la hidratacin del cemento se liberan rpidamente en cuanto el pH de la

disolucin de los poros del hormign baja de 12,5. En el trabajo experimental realizado

por los autores, menos del 2% de los cloruros solubles en cido permanecieron

combinados al caer el pH hasta 11,5. Por lo tanto, en teora los cloruros combinados

supondran un riesgo de corrosin muy similar al de los cloruros libres. La consecuencia

prctica es que, mientras que la fijacin de los cloruros retarda la penetracin de cloruros,

tambin sirve para aumentar el contenido de cloruros, lo que puede suponer un

incremento del riesgo de corrosin en determinadas condiciones.

3.4. Penetracin de cloruros en el hormign

3.4.1. MECANISMOS DE PENETRACIN DE CLORUROS:

Los cloruros pueden penetrar en el hormign segn los siguientes mecanismos:

permeabilidad, capilaridad, absorcin y difusin. La permeabilidad y la absorcin son

mecanismos de transporte muy rpido, mientras que la difusin es mucho ms lento46. La

importancia relativa de cada uno de estos mecanismos de penetracin vendr dada por las

condiciones de exposicin, el contenido de humedad del hormign y la estructura de

poros48. La penetracin de cloruros en los primeros centmetros del recubrimiento de hormign depende de la succin capilar, pero la penetracin a profundidades mayores

est gobernada por la difusin a largo plazo. En una superficie seca, la toma de iones

ESTADO DEL ARTE

- 38 -

cloruros se produce por absorcin; la solucin con cloruros se absorbe por las

microfisuras y poros vacos, y entonces penetran por succin capilar. Si la superficie est

hmeda, la entrada inicial es por permeabilidad o difusin130.

La superficie de los poros del hormign tiene un exceso de energa debido a la

falta de enlaces con la molculas cercanas, por lo que tiende a compensarse adsorbiendo

molculas de vapor de agua, formando una pelcula sobre la pared del poro, creciente

cuanto mayor es la humedad del hormign. El contenido de humedad del hormign es

proporcional a la humedad del aire que lo rodea. Los poros de pequeo dimetro pueden

llenarse de agua, llamndose el proceso condensacin capilar72.

En un hormign situado en aire hmedo, los procesos de transporte de gases, agua

o sustancias disueltas en agua son procesos de difusin, en funcin de la humedad del

aire. Los procesos de difusin son inducidos por una tendencia al equilibrio cuando hay

gradiente de concentraciones. As, el dixido de carbono se difunde por el hormign

debido a una reaccin qumica del CO2 en las paredes de los poros que, a su vez, reduce

la concentracin de CO2; la difusin del vapor de agua se produce por gradientes hdricos

al cambiar la humedad ambiente o al secarse el hormign; la difusin de las sustancias

disueltas en agua (cloruros) se realiza a travs de la capa de agua que recubre las paredes

de los poros, o a travs de los poros llenos de agua; hace falta una humedad mnima, ya

que cuanto menor es la capa de agua o la cantidad de agua que llena los poros, menor es

la velocidad de difusin72.

En un hormign con la superficie mojada por el agua de lluvia o por salpicaduras

de agua, por la succin capilar se consigue mu