UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MONOGRAFÍA

CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

ELABORADO POR:

HUAMAN BEJAR, Kevin José

QUICHKA VILCHEZ, Raúl Franco

RISCO DE LA CRUZ, Luis

Lima – Perú

2015

CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

Características del acero de refuerzo

El acero como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad.

Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.

La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura características, sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.

Las propiedades principales que un metal debe cumplir para ser utilizado en una construcción son las siguientes:

Fusibilidad: Es la facilidad de poder dar forma a los metales, fundiéndolos y colocándolos en moldes.

Forjabilidad: Es la capacidad para poder soportar las variaciones de formas, en estado sólido o caliente, por la acción de martillos, laminadores o prensas.

Maleabilidad: Propiedad para permitir modificar su forma a temperatura ambiente en láminas, mediante la acción de martillado y estirado.

Ductilidad: Es la capacidad de poderse alargar longitudinalmente.

Tenacidad: Resistencia a la ruptura al estar sometido a tensión.

Facilidad de corte: Capacidad de poder separarse en trozos regulares con herramientas cortantes.

Soldabilidad: Propiedad de poder unirse hasta formar un cuerpo único.

El acero de refuerzo se define como un elemento liso o corrugado fabricado especialmente para usarse como refuerzo del concreto para absorber principalmente los esfuerzos a tensión. Una vez tratado el acero se pueden elaborar también alambres de acero estirado en frio, que es un elemento de acero que se obtiene del estirado en frio de barras de palanquilla que hayan sido laminadas en caliente, el cual puede ser empleado como tal o en forma de malla para refuerzo del concreto.

Entre algunos elementos de acero extras que se pueden utilizar con el concreto para mejorar sus propiedades están el alambre para preesfuerzo que consiste en un elemento redondo de acero de alto carbono estirado en frio hasta obtener el diámetro requerido, el cual es relevado de esfuerzos por medio de un tratamiento continuo.

Es importante hacer mención de algunos conceptos básicos para un correcto entendimiento de lo concerniente al acero de refuerzo, entre los que se encuentran, las columnas, los estribos, la longitud de desarrollo, entre otros.

Columna: elemento que tiene una altura de por lo menos tres veces su mínima dimensión lateral, usado para resistir principalmente cargas de compresión.

Estribo: anillo de acero usado para confinar el acero de refuerzo longitudinal así como para tomar esfuerzos de cortante o torsión en un elemento estructural (este término se aplica usualmente al refuerzo transversal de vigas o trabes).

Longitud de desarrollo: Longitud del refuerzo empotrado necesaria para que éste desarrolle su resistencia de diseño en la sección crítica.

Malla soldada de alambre de acero: Elemento para refuerzo del concreto formado por alambres de acero estirados en frío, galvanizados o no, unidos en forma de malla mediante soldadura eléctrica.

Torón de preesfuerzo: Cable de acero compuesto de 6 alambres colocados en forma helicoidal sobre un alambre central, con un paso uniforme no menor de 12 veces ni mayor de 16 veces el diámetro nominal del torón, el cual es relevado de esfuerzos por medio de un tratamiento térmico continuo después del torcido, para ser usado en la construcción de elementos de concreto presforzado.

Varilla corrugada: Barra de acero especialmente fabricada para usarse como refuerzo del concreto y cuya superficie está provista de salientes llamadas corrugaciones, las cuales sirven para inhibir el movimiento longitudinal relativo entre la varilla y el concreto que la rodea.

Varillas torcidas en frío: Son aquellas varillas especialmente fabricadas que provienen de la laminación en caliente de lingotes o palanquillas de coladas controladas, las cuales, por su composición química y un posterior torcido en frío, adquieren el límite de fluencia mínimo que se especifica para cada grado.

Zuncho: Anillo cerrado a anillo en espiral continúa; el anillo cerrado puede estar constituido por varios elementos de refuerzo con ganchos.

Especificaciones comunes para el uso del acero de refuerzo

El acero de refuerzo para estructuras de concreto debe ser corrugado excepto para espirales y malla soldadas el cual puede ser liso.

Las varillas de refuerzo que vayan a soldarse deben cumplir con lo indicado en el Structural Welding Code – Reinforcing Steel (Código de Soldadura Estructural – Acero de Refuerzo) ANSI/AWS D1.4, de la American Welding Society. El tipo y ubicación de los traslapes soldados y otras soldaduras de varillas de refuerzo deben indicarse en los planos y especificaciones del proyecto.

El acero de refuerzo debe consistir de varillas corrugadas con resistencia a la fluencia F‟y no menor de 4200 kg/cm² de acuerdo con la normas NMX-B-294-1986 y NMX-C-407-ONNCCE-2001.

La malla electrosoldada fabricada con varillas de acero redondo liso debe tener una resistencia a la fluencia F‟y no menor de 5000 kg/cm², de acuerdo a lo indicado en las normas NMX-B-253-1988 y NMX-B-290-1988.

El alambre liso para refuerzo en espiral debe cumplir con lo indicado en la norma NMX-B-253-1988, con excepción del alambre con una resistencia a la fluencia especificada en el diseño F‟y mayor de 4200 kg/cm2, para el cual el F‟y debe ser el que corresponda a una deformación del 0.35 %.

Los torones y el alambre para refuerzo de elementos de concreto presforzado, deben cumplir con los requerimientos indicados en las normas NMX-B-292-1988 y NMX-B-293-1988 respectivamente.

Como se estableció antes el acero de refuerzo para estructuras de concreto debe ser corrugado y cumplir con los requisitos mecánicos indicados en las normas; NMX-C-407-ONNCCE-2001, NMX-B-294-1986, y NMX-B-294-1986, que tratan lo concerniente a los requisitos de tensión para varillas corrugadas provenientes de lingote o palanquilla, requisitos de tensión para varillas corrugadas torcidas en frio, requisitos de doblado para varillas corrugadas de acero provenientes de lingote o palanquilla, y los requisitos de doblado para varillas corrugadas torcidas en frio

respectivamente y que se incluyen en los anexos. Además de que se debe cumplir con los requisitos dimensionales: masa, diámetro, área de la sección transversal y perímetro indicados también en las normas NMX-C-407-ONNCCE-2001 y NMX-B-294-1986.

Las corrugaciones deberán de estar espaciadas uniformemente a lo largo de la varilla.

RECUBRIMIENTO DE CONCRETO PARA EL ACERO DE REFUERZO:

El recubrimiento debe ser medido desde el paño exterior del concreto hasta el paño del acero de refuerzo más próximo. El ACI (American Concrete Institute-Instituto Americano del Concreto) recomienda los recubrimientos mínimos para el acero de refuerzo. (ACI 318-2005), indicados en la Tabla 1.13.

Tabla 1. 13 ACI 211.1. Recubrimientos mínimos para el acero de refuerzo.

En caso de que el concreto quede expuesto a algún ambiente corrosivo, o que necesite protección contra el fuego se requerirán valores mayores de recubrimiento en las estructuras. Para concretos expuestos a ciertos agentes agresivos (ciertas substancias o vapores industriales, terrenos particularmente corrosivos expuestos al mar, etc.) se deberá tomar en cuenta la durabilidad del concreto de acuerdo con la norma NMX-C-403-ONNCCE-1999

DETERMINACIÓN DE DAÑOS EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO

Para garantizar la seguridad durante el uso, remodelación, mantenimiento y reparación de las estructuras de concreto reforzado; es necesario evaluar correctamente los daños que estas presentan, antes de que pueda presentarse el riesgo de colapso de la estructura. Como ya se mencionó antes las consecuencias de la corrosión del acero de refuerzo en una estructura son la perdida de ductilidad y la disminución de la sección de acero, la pérdida de adherencia acero-concreto y la fisuración del concreto. En cuanto a la aparición de fisuras se puede tomar como admisible un nivel de fisuración menor a los 0.3 mm, y respecto a la pérdida de sección de acero esta deberá ser menor del 5% de la sección de la armadura.

Cuando se busca determinar los daños presentes en una estructura de concreto reforzado, esta acción se puede realizar en dos etapas; la de determinación preliminar de daños y la determinación detallada. La inspección en obra recomendada está conformada por los siguientes pasos:

Elaboración de una ficha de antecedentes de la estructura y del medio (con base en información documental y/o visita previa).

Examen visual general de la estructura.

Levantamiento de daños.

Selección de las zonas para examen detallado de la estructura (elaboración del plan de muestreo).

Determinación de las técnicas de ensayo, medición y análisis más apropiadas.

Selección de zonas para la realización de ensayos, mediciones y análisis físico-químicos en el concreto y en el refuerzo.

Examen visual detallado en zonas seleccionadas

Realizar las mediciones, ensayos y análisis físico-químicos en el concreto y/o en el acero de refuerzo.

La inspección preliminar es básicamente visual y con ella se busca descubrir los síntomas que se puedan presentar en la estructura, así como la realización de ensayos que permitan conocer cuál es el problema.

En base a la gravedad del problema en la estructura y de acuerdo a la experiencia del evaluador se preparan de ser necesario una serie de actividades para la

inspección detallada; la cual tiene como objetivo cuantificar la extensión del deterioro mediante ensayos y mediciones, e incluso de ser posible dar un pronóstico de vida residual, tipo de reparación, rehabilitación, etc.

Como se menciona en el inciso antes de comenzar con la inspección de la estructura se deben reunir los datos de esta en una ficha de antecedentes de la estructura y del medio, la cual debe contener; los datos generales de la estructura, como por ejemplo, localización y ubicación de la estructura, tipo de estructura (si es de concreto reforzado, presforzado, etc.), el tipo de obra (si es un edificio público, de apartamentos, puentes, etc.), así como los planos y toda la documentación para su posterior análisis.

En cuanto a los datos específicos de la estructura, se deben incluir los detalles constructivos (tipo de cimentación y refuerzo, juntas, etc.), las características del concreto (naturaleza y procedencia de los materiales constituyentes de la mezcla de concreto, dosificación, resistencia, las especificaciones y tecnología usadas para su fabricación, etc.), así como los planos, croquis y detalles estructurales.

El historial de vida en servicio de la estructura complementa, los antecedentes de la estructura y el medio necesario para la inspección y corresponde a los datos generados desde su fecha de construcción hasta los primeros síntomas de deterioro, así como los generados por reparaciones previas. Para un buen historial se deben considerar; la edad de la estructura y la del inicio del o los problemas, los niveles de tensión a los que estén sujetos elementos estructurales, además del mantenimiento.

El medio ambiente que rodea a la estructura es de gran importancia al llevar a cabo una inspección preliminar, ya que de acuerdo a su nivel de agresividad podemos tomar las precauciones adecuadas para llevar a cabo una correcta inspección y de ser necesario establecer los mecanismos más convenientes de reparación y mantenimiento de la estructura.

Al analizar el medio ambiente se tiene que buscar establecer el tipo de atmosfera presente, el cual puede clasificarse en urbana, rural, marina, industrial o una combinación entre ellos, también debe señalar el nivel de contaminación y sus condiciones de humedad relativa, temperatura y viento. Además de establecer el tipo de atmosfera se debe conocer el tipo de agua, en cuya clasificación se encuentran las aguas naturales (salobres, dulces, subterráneas), potable, de desecho (uso doméstico e industrial), en este grupo también se debe considerar el grado de contaminación que se tenga.

En cuanto al terreno, se debe señalar si es natural o producto del relleno, si su composición es alcalina o acida, incluir además una descripción de sus características especiales y la evaluación de su resistividad eléctrica y su posible contaminación. Además de estos factores se deben considerar los agentes químicos.

Dentro de la inspección preliminar se encuentra el examen visual general de la estructura, que es el prácticamente el principio básico y nos debe de permitir saber si el problema se presenta de manera similar o igual en todos los elementos de las mismas características. Para el desarrollo de esta etapa debe analizarse cada elemento estructural, identificando las evidencias del desarrollo de la corrosión, como por ejemplo; manchas de óxido, fisuras, la degradación del concreto o regiones en que se haya desprendido el recubrimiento, etc., para cada señal de corrosión se debe tomar en cuenta sus características principales como son la ubicación, dimensiones, dirección y curso, la tabla 1.14 puede ser utilizada como ejemplo en el caso de querer clasificar los daños en una estructura. Con el fin de completar el estudio visual se debe tener un registro fotográfico de la inspección.

En algunas ocasiones se requiere mayor información a la obtenida de forma visual para establecer un diagnóstico, dicha información puede obtenerse mediante algunos ensayos o mediciones, entre los que se encuentran:

Determinación de la eventual disminución del diámetro de la armadura.

Localización de armaduras y medición del espesor de recubrimiento de concreto.

Determinación de la resistividad eléctrica del concreto.

Medición de potenciales electroquímicos

Determinación de la profundidad de carbonatación y la presencia de iones cloruro en el concreto.

Para la realización de este tipo de ensayos es necesario el uso de equipo, herramienta, material y reactivos, por lo que se debe estar preparado.

En caso de que después de realizar la inspección preliminar, el o los evaluadores decidan que es necesaria una inspección detallada, la ejecución de un Plan de trabajo constituye una etapa intermedia.

La elaboración de un plan de trabajo requiere del análisis y evaluación de los datos obtenidos mediante la inspección preliminar e “incluye las siguientes actividades:

a) Elaboración de:

Fichas, croquis y/o planos para el levantamiento de daños.

Plan de muestreo.

Tabla de tipificación de daños.

b) Selección de:

Las técnicas de ensayo, medición y análisis apropiadas.

Las zonas y el número en que serán efectuados los ensayos y mediciones.

c) Planificación de:

Materiales.

Equipamiento”.

Para la elaboración de un plan de muestreo se debe comenzar con realizar una división en zonas de la estructura estudiada mediante la inspección preliminar, dichas zonas deben ser ubicadas de acuerdo a los siguientes criterios;

Identificar las exigencias mecánicas y estructurales y diferenciar las zonas de variación.

Determinar las características originales del concreto (al ser puesto en obra).

Diferenciar las zonas expuestas a distintos medios

Establecer niveles de deterioro del concreto y del acero.

Esto para facilitar la determinación de causas que han originado los daños en la estructura y con el fin de cumplir con los objetivos de la inspección.

“En base a estos criterios, resulta muy útil realizar una división más específica de estas zonas, para lo cual debe distinguirse las subdivisiones por medio de los términos apropiados. La terminología a emplear no está universalmente definida; sin embargo, es muy frecuente aplicar la siguiente clasificación:

Elemento o componente: Parte de la estructura sometida a una exigencia estructural/mecánica específica, como por ejemplo, vigas, lasas, pilares, paredes, cimentaciones.

Lote: Conjunto de elementos o componentes fabricados con las mismas características y en las mismas condiciones.

Fracción: Subconjunto de elementos o componentes de un lote sometidos a un mismo medio.

Muestra: Conjunto de probetas extraídas de (o de mediciones efectuadas en) los componentes o elementos seleccionados como representativos de un lote.

Mantenimiento y técnicas de reparación de estructuras de concreto

En la actualidad los elevados costos generados por la mantención y reparación de las estructuras de concreto ha dado como resultado la creación de especialistas en distintas áreas de la ingeniería civil y de nuevas disciplinas enfocadas al control de calidad, cuidado al medio ambiente, lineamientos para la correcta elaboración de proyectos y obras, patologías, etcétera. Las cuales son definidas brevemente a continuación:

Normalización: Movimiento internacional con el fin de dar uniformidad a los criterios básicos de proyectos y obras civiles, entre algunos de los organismos más notorios están; CEB-FIB Model Code 90, CIB W-86, ISO, CEN-ENV 206, MERCOSUR-CLAES. NAFTA-ACI 318, etcétera.

Aseguramiento de calidad o calidad ambiental: Son los procedimientos disponibles y recomendados por las normas de la serie ISO 9000 (40) y de la serie ISO 140000.

Patología: Se puede definir como una rama de la ingeniería que estudia los síntomas, mecanismos, causas y orígenes de los defectos en las construcciones civiles. Profilaxia: Medidas preventivas que se deben tomar en cuenta al iniciar una construcción nueva, de acuerdo a un correcto diagnóstico de los problemas, con el fin de evitar un deterioro prematuro.

Terapia: Se encarga de buscar solución y corregir los problemas causados por las diferentes patologías, es decir, corregir la perdida precoz y no prevista de la vida útil inicialmente esperada y deseada para la estructura de concreto reforzado.

La terapia de las construcciones es muy poco conocida, a pesar de su gran potencial. Sin embargo actualmente se están desarrollando nuevas alternativas de materiales, sistemas y técnicas de reparación.

Los ingenieros involucrados en un proyecto de mantenimiento, reparación y rehabilitación necesitan una constante renovación de sus conocimientos para poder dar un correcto seguimiento a los problemas en la estructura y una solución confiable y de calidad, ya que debido a que la reparación de una estructura es una operación cara y que demanda ciertos conocimientos esta se debe llevar a cabo tomando en cuenta todos los detalles posibles, especificando técnicamente los materiales, preparando y limpiando correctamente los sustratos, y cuidando que se ejecuten de forma adecuada tanto la aplicación de los materiales como el desarrollo de la reparación.

Al realizar una reparación se deben considerar tres aspectos básicos: Desempeño del material o sistema de reparación.

Tensiones en la interface entre la reparación nueva y la estructura antigua.

El efecto del equilibrio físico-químico de la estructura existente, especialmente en las proximidades de la región reparada.

El proceso general para dar solución a los problemas patológicos en las estructuras de concreto dañadas por corrosión de las armaduras se presenta en la

CORROSIÓN:

a) Descripción general del proceso corrosivo

Los metales, como el hierro, se encuentran en la naturaleza ligados al oxígeno, es decir, oxidados. Es la industria siderúrgica la que los separa para convertirlos en materiales útiles para la fabricación de objetos, la Figura 1.6 muestra el proceso de producción del acero. Pero cuando entran en contacto de nuevo con el aire y el agua, vuelven a oxidarse.

Para separar a los metales de los demás elementos a los que están ligados se requiere una gran cantidad de energía, la cual varía dependiendo del elemento a extraer y, mientras más energía se necesite para obtener un metal, mayor será su

tendencia a regresar a su estado original que es más estable y el proceso de corrosión será más rápido.

Como se ha estado manejando en el presente texto, la corrosión puede definirse como la destrucción o el deterioro de un material a consecuencia de su reacción con el ambiente o con cualquier otro medio que lo origine.

En el caso de los metales la corrosión se define eléctricamente como la pérdida de electrones de su última capa, esto con el fin de dar paso al origen de compuestos más estables y de menor energía.

b) Tipos de corrosión

Los procesos del fenómeno de corrosión pueden ser clasificados según el medio en el que se desarrollan o de acuerdo a su morfología. 1. Calcificación según el medio:

Corrosión química; incluye todos los casos en que el metal reacciona con un medio no iónico (por ejemplo: oxidación en aire a alta temperatura, reacción con una solución, etcétera).

Corrosión electroquímica; desde el punto de vista de la participación de los iones metálicos, todos los procesos de corrosión son electroquímicos. Sin embargo es usual designar como corrosión electroquímica a la aplicación de un transporte simultaneo de electricidad a través de un electrolito. Durante el proceso además de la trasferencia de masa, característica de una reacción química, ocurre transferencia de carga (iones y/o electrones). Este tipo de corrosión se da principalmente en condiciones atmosféricas, en agua dulce o de mar, suelos, soluciones acuosas de sales, ácidos o bases, sales o metales fundidos, etcétera. Ocupa el 93 % de los casos de corrosión.

Para que pueda ocurrir la corrosión electroquímica se necesita de cuatro elementos para formar la llamada pila de corrosión o pila galvánica: el ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación, el cátodo, donde ocurre la reducción, el medio conductor que los ponga contacto eléctrico, llamado electrolito y para cerrar el circuito, un conductor eléctrico que una al cátodo y al ánodo. Para entender mejor la corrosión electroquímica se muestra la Figura 1.7 y la interpretación del proceso por medio de dos placas de metales diferentes.

Se colocan dos metales diferentes, fierro (Fe) y cobre (Cu), unidos por un alambre de cobre y sumergidos en un recipiente con un electrolito, por ejemplo una solución de cloruro de sodio (NaCl). La reacción presentada en la placa de fierro es de oxidación y se nota el aumento de su valencia de Fe0 a Fe2+, esto al liberarse los electrones del Fe.

La parte de la placa donde ocurre esta reacción se llama ánodo figura 1.8. Los iones Fe2+ se pueden combinar con iones cargados negativamente, OH- que se encuentran en las inmediaciones del ánodo, pudiéndose formar en ocasiones hidróxido ferroso, Fe (OH)2:

El cual puede reaccionar posteriormente con agua y oxígeno para formar el hidróxido férrico, Fe (OH)3, de color rojizo que se conoce como herrumbre: 2Fe (OH)2 + H2O + ½ O2 ⟶ 2Fe (OH)3

Los electrones liberados por el Fe (ánodo) viajan a través del conductor metálico a la placa de Cu. En el Cu llegan hasta la interface metal solución donde se combinan con los iones de hidrogeno (protones) formando de esta manera el gas hidrogeno, H2 Figura 1.9:

2H+ + 2e- ⟶ H2

Esta reacción en la cual el ion hidrogeno acepta los electrones es una reducción ya que disminuye su valencia. La zona donde acurre esta reducción se denomina cátodo. El hidrogeno gaseoso se puede combinar con el oxígeno disuelto en la solución para formar agua (H2O)

H2 + ½ O2 ⟶ H2O

Normalmente la reacción catódica en los metales naturales (pH neutro) es la reducción del O2 disuelto. Al combinarse el oxígeno y el agua aceptando más electrones provenientes del cátodo, se crea un exceso de iones OH-:

H2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH- Debido a este exceso de iones hidróxido aumenta la alcalinidad adyacente al cátodo.

H2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH- Debido a este exceso de iones hidróxido aumenta la alcalinidad adyacente al cátodo.

c) Según su forma:

Corrosión general: La corrosión se presenta sobre toda la superficie metálica expuesta a un ambiente corrosivo. Esta es la corrosión de aceros al carbón, aceros patinables, entre otros. Se puede presentar en dos formas:

1) Uniforme: Es la forma menos dañina de la corrosión y se refiere al ataque que se extiende de manera homogénea sobre toda la superficie metálica y su penetración es igual en todos los puntos. Esto debido a que la corrosión general progresa con una velocidad aproximadamente igual en cada punto de la superficie del metal. Es resultado de una pérdida generalizada de la película pasiva, resultante de la carbonatación del concreto y/o la presencia de una excesiva cantidad de iones cloruro. Figura1.10.

2) Corrosión no uniforme: Se presenta cuando la velocidad de corrosión es distinta en las diferentes áreas de la superficie metálica. Como por ejemplo, la corrosión de aceros al carbono en agua de mar.

3) Corrosión localizada: Este tipo de corrosión se desarrolla en sitios discretos, se establece en lugares determinados de la superficie del metal, al ser expuesta en un ambiente corrosivo se manifiesta de diferentes formas:

3.1) Machas: la corrosión se extiende en áreas relativamente grandes, pero no se desarrolla mucho en la profundidad.

3.2) Ulceras: la corrosión ocupa áreas pequeñas, desarrollándose a profundidad.

3.3) Puntos: se presenta en forma de puntos, con un diámetro de 0.1 a 2mm.

Placas; abarca los casos intermedios entre corrosión uniforme y corrosión localizada. En este caso el ataque se extiende más en algunas zonas, pero se presenta en forma generalizada. Figura 1.11.

Intergranular; corrosión localizada que se desarrolla en los bordes de los granos de un metal o en uno cercano. Se presenta como una franja estrecha de ataque que se propaga a lo largo de los límites del grano del metal Figura 12. Este ataque se extiende hasta inutilizar el material afectado.

Fisurante; conocida también como corrosión bajo tensión, puede presentarse cuando un metal está expuesto tanto al medio ambiente corrosivo, como a tensiones mecánicas de tracción, se forman fisuras que pueden ser transgranulares o intergranulares que se propagan al interior del metal hasta que las tensiones se relajan o el metal se fractura figura 1.13. La velocidad de propagación puede llegar a ser entre 1 mm o 10 mm/hrs.

Este tipo de destrucción pude ser:

Intercristalina: cuando la grieta formada se extiende por lo largo de las fronteras entre los granos; por ejemplo, la corrosión con grietas que ocurre en los aceros al carbono en soluciones alcalinas caliente.

Transcristalina: cuando la grieta es extiende a través de los granos. Por ejemplo, corrosión con agrietamiento que sufren aceros con contenido de cromo y níquel en aguas, que contienen iones de cloruro.

Picado; al igual que el intergranular y el fisurante, son las formas más peligrosas en que puede presentarse la corrosión, pues la cantidad del material afectado no guarda relación con la magnitud de los inconvenientes que puede causar. Durante el picado, el ataque se localiza en puntos aislados de superficies metálicas pasivas, y se propaga al interior del metal, en ocasiones formando túneles microscópicos figura 1.14.

Para prevenir que este tipo de corrosión se presente se debe evitar el uso de materiales propensos a ella, tales como los metales pasivos, como los aceros inoxidables o el aluminio en ambientes muy específicos tales como soluciones que contengan iones de cloro. La corrosión por picaduras es la que generalmente se presenta en el acero de refuerzo de puentes, muelles y otras estructuras que estén propensas al ataque de los cloruros.

4) Corrosión selectiva:

Corrosión de aleaciones, cuyos diferentes metales constituyentes reaccionan en proporciones distintas que sus proporciones en el metal. La podemos dividir en corrosión selectiva estructural en la cual se corroe preferencialmente una fase de una aleación heterogénea, y corrosión selectiva de componente en la que la estructura sufre ataque de modo preferencial en uno de los componentes de la aleación.

FENÓMENO DE LA CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO

En condiciones normales el concreto proporciona a los materiales metálicos embebidos en él una protección adecuada contra la corrosión, ya que el oxígeno presente en el concreto reacciona con el acero formando una fina capa de óxido sobre la armadura (pasivación) que la protege de cualquier corrosión posterior.

Además si la calidad, espesor y densidad del recubrimiento son apropiados, se mantendrá el carácter básico del concreto y no habrá carbonatación o penetración de agentes agresivos, pero si por alguna razón se reduce la alcalinidad del concreto a aproximadamente un pH de 10, es probable que se presente corrosión en el acero de refuerzo.

En las estructuras de concreto reforzado se pueden presentar distintos tipos de corrosión, dependiendo de las condiciones en las que se encuentre el concreto y de la calidad de los materiales, tanto acero como concreto, la Figura 1 nos proporciona una mejor idea de los tipos de corrosión que pueden estar presentes en una estructura de concreto reforzado.

Figura 1: Tipos más comunes de corrosión en estructuras de concreto reforzado

Como ya se mencionó antes las reacciones de corrosión producen como resultado ciertos óxidos o hidróxidos, los cuales pueden ser de dos tipos; solubles e insolubles. Los productos insolubles generalmente son películas muy delgadas de óxido, invisibles al ojo, como es el caso del óxido de cromo, Cr2O3, que se forma en los aceros inoxidables o del aluminio, el cual expuesto al aire forma una capa de óxido invisible la cual protege a este contra la corrosión atmosférica. Este fenómeno de protección es lo que se conoce como pasivación. “La pasivación de un metal se puede definir como la perdida de reactividad química bajo ciertas condiciones ambientales”. El fenómeno de pasivación se debe a la formación de una capa superficial muy delgada; de aproximadamente 30 Å (1 Å= 10-8 centímetros) o menos, que actúa como una barrera para la corrosión.

Aún existen discrepancias acerca de las características de dicha capa protectora, algunos investigadores dicen que es una capa muy delgada de óxido que proporciona un blindaje al metal del electrolito, mientras que otros creen que es una capa mono-molecular de una substancia tal como el oxígeno o ciertas especies iónicas contenidas en la solución. La causa principal de esta confusión es lo delgado y frágil de dicha capa, lo cual impide su estudio detallado.

El proceso corrosivo inicia en la armadura de acero al formarse una celda electroquímica, que como ya se mencionó consta de 4 elementos; el ánodo en el que ocurre la oxidación, el cátodo en el que ocurre la reducción, un conductor metálico y un electrolito (Figura 2).

Figura 2: Elementos que constituyen la celda de corrosión

El acero se corroe debido a la reacción anódica que permite que este se disuelva como ion ferroso, para lo cual también se genera una reducción del oxigeno (reacción catódica), todo esto en presencia del agua.

2Fe ⟶ 2Fe2+ + 4e- reacción anódica

O2 + 2H2O + 4e- ⟶ 4OH- reacción catódica

Al producirse la oxidación electroquímica se forma óxido de hierro, el cual se expande y puede ocupar de dos a siete veces el volumen del acero original. Los efectos de la corrosión se manifiestan de tres diferentes formas que pueden o no ser simultáneas.

Fisuración interna del concreto. Disminución de la capacidad mecánica del concreto. Baja adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo.

La naturaleza expansiva de los productos derivados de la corrosión de las armaduras inducen esfuerzos radiales internos de tensión que deforman el concreto circundante causando fisuras. Además en el acero se presenta una reducción de su sección, llegando inclusive a convertirse completamente en oxido. El fenómeno de corrosión en la práctica sólo se produce en el rango de humedades relativas entre el 50 % y valores próximos a la saturación, condición extrema en que no se produce corrosión. Es importante señalar que sin la presencia del oxígeno y la humedad no es termodinámicamente posible el proceso de corrosión, que se inicia y mantiene generalmente cuando se reduce la alcalinidad y por la acción electroquímica. Tanto la humedad como la cantidad de oxigeno son determinantes respecto a la velocidad del proceso corrosivo. En el siguiente diagrama se muestran algunas de las condiciones para que se presente o no la corrosión del acero de refuerzo en el concreto.

Para que exista corrosión:⤥ ⤦PH < 8.0 PH < 8.0Oxigeno -OxigenoAgua -Agua-Cloruros

Para que no haya corrosión⤦ ⤥

Mantener fuera del concreto algunos Aplicar al concreto algunas dede los siguientes factores: las siguientes opciones:- Oxigeno - Iones Hidroxilos- Agua - Potencial negativo sobre el acero- Cloruros - Iones ferrosos- Inhibidor

Serán factores que afectan o desencadenan la corrosión todos aquellos que den lugar a una neutralización del medio alcalino del concreto o los que expongan al acero a la agresión directa del medio ambiente, como por ejemplo, fisuras o grietas. Para evitar el fenómeno de la corrosión lo más recomendable es: utilizar bajas relaciones agua/cemento, compactar eficientemente el concreto en la obra,

aplicar un curado suficiente, garantizar recubrimientos adecuados a las armaduras, contar con un concreto homogéneo y una buena dosificación. Teniendo en cuenta que el concreto, como ya se dijo antes actúa como una barrera física que se opone a la penetración de agentes agresivos externos y además crea una capa pasivante sobre el acero, resulta muy importante dosificarlo adecuadamente para que tenga una buena compacidad y con ello reduzca al máximo su porosidad. Algunos factores importantes relacionados con la cantidad y tipos de poros concreto son; la relación agua-cemento, el grado de hidratación y la cantidad de material cementante. En el diseño de la mezcla de concreto se debe garantizar su máxima compacidad y durabilidad, para lo cual se debe considerar lo siguiente:

La forma de proporcionar los áridos de la mezcla debe garantizar el menor volumen de vacío que será ocupado por la pasta de cemento endurecida.

La influencia que ejerce la cantidad de agua de la mezcla en la consistencia del concreto en estado fresco.

La influencia de la relación agua cemento, que puede ser mejorada con el uso de aditivos químicos.

El grado de hidratación del cemento en la cantidad de poros del concreto endurecido.

La influencia de la caracterización de los agregados inertes que se empleen en la calidad final del concreto.

La compacidad del concreto es la propiedad más importante del mismo con respecto a su resistencia a la penetración de los agentes corrosivos, es inversamente proporcional a la porosidad y mientras más alta sea el acero estará mejor protegido contra la corrosión. La compacidad del concreto se expresa en; cantidad de materia solida/unidad cubica, o como la relación entre el volumen sólido y el volumen aparente total; la cual se mide como la relación entre la suma de los volúmenes absolutos de materias solidas (grava, arena y pasta de cemento endurecida) contenida en un metro cubico de concreto, referido al volumen aparente del mismo. La compacidad puede verse afectada por un mal mezclado o transporte, por la presencia del segregado como producto de una colocación o compactación inadecuadas.

En cuanto al espesor del recubrimiento existen normas internacionales que especifican los espesores adecuados de acuerdo a la agresividad del medio ambiente, sin embargo, estructuralmente es recomendable que este espesor sea el mínimo indispensable y por ello las normas recomiendan que en ambientes agresivos se utilice una mezcla con una baja relación agua-cemento y una gran cantidad de cemento.

El agua es necesaria para la movilidad de los iones a través del electrolito y la existencia de la mínima cantidad de humedad en los poros del concreto permitirá el desarrollo de la corrosión y cuanto mayor sea el contenido de humedad menor será el valor de la resistividad eléctrica y la velocidad del proceso corrosivo se

incrementara. En el concreto seco la resistividad eléctrica es tan elevada que impide que la corrosión se produzca aun sin la capa pasivante en el acero.

La humedad que realmente está en los poros del concreto es la que se conoce como humedad relativa, en situaciones de no inmersión o saturación. Aunque el ambiente exterior del concreto este seco el interior no lo estará, a menos que el ambiente lo esté durante mucho tiempo.

En la mayoría de concretos, a partir de 3-4 cm del medio exterior, los poros siempre están saturados o casi saturados de humedad, en concretos más densos la saturación comienza en los 1-2 cm más externos.

Como se ha estado viendo el concreto además de proporcionar al acero una protección por inactividad química también lo protege físicamente contra los agentes externos causantes de la corrosión limitando el acceso del agua, el oxígeno, cloruros y otras substancias agresivas que pueden tomar parte en el proceso de corrosión. Sin embargo debido a su red de poros y fácil tendencia a la formación de grietas, el concreto no constituye una barrera perfecta. El concreto es un material poroso, por lo que se puede hablar de la existencia de dos fases: una fase solida de minerales hidratados y una fase liquida contenida en el interior de los poros (solución de poro).

La existencia de ánodos y cátodos en el acero de refuerzo está garantizada en el sistema acero/concreto debido a las heterogeneidades del sistema: En la escala macroscópica, que resulta de la estructura porosa del concreto y el empleo de agregados, así como el proceso de fabricación y las condiciones de curado, que dan origen a regiones con diferentes características tanto físicas como químicas, y en la escala microscópica, las heterogeneidades pueden estar dadas por gradientes de temperatura, acceso no uniforme de agua y sales, y a defectos durante la puesta en obra del concreto.

Por lo que respecta a las características de la solución de poro que controlan la corrosión del refuerzo se tiene:

Composición y cantidad de la solución contenida en los poros del concreto

La composición de la solución de poro es un factor decisivo para determinar si la barra esta corroída o no. Varias investigaciones han demostrado que cuando la solución del poro contiene cantidades elevadas de álcalis, como las sales de sodio y potasio, el pH de estas se mantiene elevado, teniendo de esta manera un ambiente muy alcalino alrededor del refuerzo, que contrarresta la acción de los cloruros.

De acuerdo con la cantidad de solución que contengan los poros en el concreto, se puede determinar el grado de saturación, el cual incide fuertemente en la cinética de la corrosión y determina el estado de corrosión en la interface acero/concreto.

Estructura y distribución de la red de poros de concreto:

El tamaño, la distribución y la interconexión de los poros, determina la disponibilidad de oxígeno y humedad necesarios para la permanencia de la capa pasivante, así como la tasa de ingreso de iones agresivos y otros agentes iniciadores de la corrosión.

Presencia de hidróxido de calcio [Ca (OH)2] precipitado:Este compuesto tiene una solubilidad limitada en soluciones acuosas y el volumen del producto de la reacción de hidratación permanece como una substancia solida embebida en la pasta de cemento. Contribuye muy poco a la resistencia mecánica del concreto, sin embargo, mantiene la solución de poro a un valor alto de pH.

Durante el desarrollo del proceso de corrosión del acero embebido en concreto, ocurren las siguientes reacciones electroquímicas parciales:

En las zonas anódicas formadas en la superficie del refuerzo de acero ocurre la siguiente reacción de oxidación

Fe ⟶ Fe2+ + 2e-

Dicha reacción libera electrones que fluyen a través de la misma barra metálica hacia las zonas catódicas, donde se consume en una reacción de reducción, la cual (dependiendo de la disponibilidad de oxígeno y del pH de la solución acuosa de los poros) puede ser:

2H2O + O2 + 4e- ⟶ 4OH- ó2H+ + 2e- ⟶ H2

El circuito electroquímico se cierra a través del transporte de especies cargadas (iones hidroxilo y ferrosos) presentes en la solución acuosa de los poros del concreto. En la Figura 3 se muestra el esquema del proceso de corrosión en el concreto reforzado en ausencia de cloruros.

Figura 3: Formación de pila de corrosión en el concreto reforzado

En el acero de refuerzo embebido en concreto se pueden distinguir la formación de dos tipos de pilas de corrosión: las microceldas (figura 3), en donde los sitios de actividad anódica y catódica están uniformemente distribuidos sobre el metal, y las macroceldas (figura 4), en donde los sitios de actividad anódica y catódica están localizados y separados entre sí.

Figura 3: Microcelda de corrosión

Durante la corrosión la rapidez de la transferencia de iones dependerá de la temperatura, el contenido de humedad de los poros, la concentración de iones en la solución y de la permeabilidad del concreto. Para que se dé el proceso de corrosión es necesaria la presencia del oxígeno en contacto con la armadura, en cuyo caso también es muy importante el recubrimiento y la red de poros formada, hoy en día se utilizan mediciones de porosidad o índice de huecos accesibles para intentar determinar la calidad del concreto en base a su permeabilidad. Por lo que respecta a la temperatura, además de su influencia en la rapidez de transferencia de iones es importante mencionar su relación con la condensación en la estructura de concreto debida a la disminución de la temperatura; lo cual pude dar paso a incrementos locales importantes del contenido de humedad del material.

La corrosión en el acero de refuerzo puede deberse como ya se vio antes a la presencia de sulfuros, sulfatos y cloruros, de los cuales son los cloruros los más comunes y agresivos, estos pueden desencadenar la corrosión localizada en el acero de refuerzo del concreto.

Figura 4: Macroceldas de corrosión

El ingreso de los cloruros puede deberse a su paso a través de los poros del concreto, a el uso de aditivos durante la fabricación del concreto o por el uso de materiales contaminados. Algunos aditivos que pueden contener cloruros son los acelerantes de fraguado y los reductores de agua.

En algunos países de clima frio el uso de sales (NaCl) como anticongelante en puentes y carreteras ocasiona un gran desgaste por la corrosión del acero de refuerzo. Como ya se mencionó los cloruros pueden ingresar a través de la red de poros del concreto, lo cual puede deberse al fenómeno de succión capilar del agua salada en el concreto más o menos seco. Sin embargo en estructuras sumergidas, los cloruros pueden penetrar principalmente por difusión, debida al gradiente de concentraciones de la solución de poro.

Una vez que los cloruros han llegado a la barra de refuerzo en cantidades suficientes, pueden destruir la pasividad natural del acero ocasionando su corrosión. Existen varias teorías aun en estudio acerca del mecanismo por el que estos iones destruyen la capa pasiva, una de ellas es la de formación del compuesto en la que los cloruros libres forman un compuesto soluble con los iones de fierro.

2Fe + 6Cl- ⟶ 2FeCl-3 + 4e-

Estos se difunden hacia otra zona alejada del ánodo, donde el pH y la concentración de oxígeno disuelto son altos. En consecuencia, el compuesto se disocia precipitando el hidróxido de fierro liberando los iones de cloro:

FeCl-3 + 2OH- ⟶ Fe (OH)2 + 3Cl-

El proceso continúa por sí mismo emigrando los iones de fierro desde el acero y reaccionando con el oxígeno para formar óxidos o hidróxidos, esto debido a que los cloruros no se agotan y la concentración de fierro en el acero es alta. Es a causa de este patrón que en vez de que la corrosión se propague a lo largo del acero de refuerzo, continua en las zonas anódicas, desarrollándose picaduras muy profundas en el acero.

En la Figura 5, se muestra un esquema de cómo se rompe la capa pasivante del acero debido al ataque de los iones cloruro y de cómo se comienza a corroer.

Figura 5: Mecanismo de corrosión por picaduras

Para que los cloruros rompan la capa pasivante del acero y comience el proceso de corrosión es necesario que se encuentren en una concentración llamada nivel indicador de la corrosión. Este valor depende de varios factores entre los que se encuentran:

El proporcionamiento del concreto El tipo de cemento (finura, contenido de yeso, contenido de aluminato

tricalcico, etc.) La relación agua-cemento (a/c) El contenido de sulfatos Las condiciones de curado, edad, e historia ambiental del concreto. Rugosidad y limpieza de la barra de acero, etc

Debido al número de variantes no es posible establecer un valor fijo general para todos los tipos de concreto. Aun así se han desarrollado varias investigaciones para conocer el nivel de cloruros indicadores de la corrosión, en la siguiente tabla 1 se muestran los resultados de algunos investigadores y los niveles límite, establecidos por algunos reglamentos.

Tabla 1: Nivel de cloruros indicadores de la corrosión en el concreto reforzado

Varios investigadores opinan que el nivel límite de cloruros también está en función de la cantidad de hidroxilos que se encuentran en la solución de poro y que el cociente Cl-/OH- es el factor más importante para determinar si la barra está aún pasivada.

En cuanto al ion sulfato, este se puede encontrar en aguas residuales industriales en forma de disolución de ácido sulfúrico. El contenido de sulfato es expresado en mg/L de la concentración de anión SO4-2. Los sulfatos perjudiciales para el concreto se encuentran por lo general en suelos arcillosos o en sus capas freáticas por lo regular en forma de sales.

Los sulfatos más peligrosos para el cemento portland son los amónicos, cálcico, magnésicos y sódicos; los sulfatos potásico, cúprico y alumínico constituyen un riesgo menor, y los sulfatos báricos y el de plomo son insolubles, por lo que son inofensivos para el concreto.

Uno de los problemas causados por los sulfatos es la formación de yeso debida a la reacción entre el Ca (OH)2 (liberado por el cemento) y el agua, el producto de la reacción se deposita en los poros del concreto en donde se cristaliza con absorción de dos moléculas de agua. El proceso de reacción y cristalización está

acompañado de un incremento en el volumen, lo cual puede generar el desprendimiento de una parte del concreto en la estructura.

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