CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO Brigitte Diana Puchoc Espejo
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Lesly Scarlet Ortiz Galindo
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Mark Antony Santiago Lima
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Humberto Aldair Rojas Huaroto
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Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería RESUMEN: El fenómeno de corrosión consiste en el proceso de deterioro de ciertas sustancias (usualmente un metal), debido a que estas sustancias se encuentran expuestos a medios agresivos. En este documento se indagara acerca de, algunos tipos de corrosión que se pueden observar comúnmente, algunos factores que influencia al proceso de corrosión y su velocidad, algunos tipos de métodos para el control de la corrosión y la protección de materiales materiales ante este fenómeno fenómeno y con ayuda del docente se realizara un experimento, donde se analizara la corrosión en diferentes medios agresivos.
1 INTRODUCCIÓN
reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio con alto pH a carbonato de calcio, que tiene un pH más neutral, pero ¿Por qué es un problema la pérdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo ahogado contra la corrosión. Esta protección se logra por la formación de una capa de óxido pasivo sobre la superficie del acero que permanece estable en el ambiente altamente alcalino. Esta es la misma capa pasivadora que atacan los cloruros cuando alcanzan el acero de refuerzo expuesto a sales descongelantes y ambientes marinos. En la figura 2 se muestra un esquema que explica este proceso.
Se define la corrosión como el deterioro de los materiales (en especial los metales) frente a los diversos agentes químicos. Durante nuestra carrera como Ingenieros Civiles vamos a afrontar diversos problemas en lo que se ve involucrado el fenómeno de corrosión afectando a las diversas estructuras de concreto armado. En la figura 1 se muestra un esquema de una estructura de concreto armado
Figura 2. Corrosión de la estructura de co ncreto armado
Figura 1. Estructura de concreto armado Como podemos observar el acero se encuentra cubierto por el concreto que lo mantiene aislado del ambiente externo y le proporciona protección ya que el acero no se corroe en un medio básico, sin embargo, el concreto es atacado por el medio externo y sufres un proceso de deterioro llamado carbonatación que es la pérdida d e pH que ocurre cuando el dióxido de carbono atmosférico
A pesar p esar de los grandes esfuerzos que se realizan en la investigación sobre la corrosión y de la mayor utilización de metales y aleaciones estables frente al agua de mar, la realidad es que aún existen fallos en las estructuras por motivos de la corrosión y en algunos lugares alcanza un nivel alarmante el daño causado en estos materiales. Esto se produce ya que el agua de mar es el electrolito natural de mayor concentración salina. La corrosión se inicia en una zona localizada delimitada por un defecto en
la superficie o algo inusual en el ambiente inmediatamente adyacente a la superficie del metal. Al oxidarse el metal, los aniones tales como cloruro y sulfato migran a la zona de corrosión para contrarrestar la perdida de carga. El ambiente local, fuertemente se reduce, y el pH cae fácilmente a 1.0. La disolución del acero en un ambiente ácido es seguida por una difusión radial de iones ferrosos a pequeña distancia del lugar de la corrosión donde el pH y Eh son relativamente altos y la precipitación oxido-hidróxido férrico es termodinámicamente favorable. En la figura 2 se muestra un esquema que representa la corrosión del acero en el agua de mar.
originales de forma, calidad y aptitud de servicio, luego de su exposición al medio ambiente. Aun así la durabilidad puede confundirse con el tiempo de servicio correspondiente a la responsabilidad legal del tiempo de servicio correspondiente quinquenal o decenal, que en algunos países requiere un seguro obligatorio. (Carlos, 2001) Cuadro 1: FACTORES Aumentan el deterioro: Temperaturas más altas
Disminuyen el deterioro: Menor relación aguacemento
Velocidades de fluidos incrementadas Mala compactación del concreto
Tipo adecuado de cemento(en algunos casos) Baja absorción
Curado defectuoso Figura 2. Corrosión en el agua de mar En este presente trabajo se ha desarrollado un experimento que ayuda a la detección de la c orrosión del acero en diferentes medios no solo el agua de mar sino también en el agua de rio y agua acidulada. El comportamiento de la corrosión es similar en los distintos tipos de agua sin embargo la intensidad con la que corroen el acero es distinta en cada una de ellas ya que poseen propiedades diferentes.
2 PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA Para hablar de la corrosión del concreto primero tenemos que saber ¿Qué es el concreto? El concreto como la mezcla de aglomerante, agua y aditivos, utilizado en la construcción. La obtención del concreto parte de utilizar un aglomerante, que por lo general es cemento Portland, agua y fragmentos de agregados. Éstos últimos son elementos áridos que presentan un diámetro promedio y que se catalogan como arena fina o gruesa, gravilla y grava. Las variaciones en esta mezcla es lo que modificará las propiedades mecánicas y de aplicación del material (Umacon, 2017) En materia de construcción, la mezcla de cemento, agua y arena se ha denominado como mortero. Para lograr un producto más estable, resistente y duradero, hace falta un agregado con dimensiones similares a piedras pequeñas o un poco más grandes. Dependiendo de estos factores, el concreto será utilizado para los distintos elementos estructurales que conforman una determinada obra. (Umacon, 2017) Además, tenemos que saber qué es y de qué depende la durabilidad del concreto, según el American Concrete Institude la durabilidad es la capacidad para resistir las acciones del medio, el ataque químico, la abrasión o cualquier otro proceso que pueda causar deterioro. El concreto es durable cuando retiene las condiciones
Baja permeabilidad Humedecimiento secado cíclico
y
Corrosión del acero de refuerzo Fuente: Committe ACI 201 Ya explicada la durabilidad, podemos explicar la corrosión. El fenómeno de corrosión es un sinónimo de destrucción o deterior, este no solo se da en los metales como está ampliamente estudia sino que también se presenta en materiales pétreos y plásticos. Se sabes que el concreto es un material durable, sin embargo en muchos casos sufre deterioro prematuro, esto debido a factores internos o externos, dependiendo de las características del material que lo forman así como el medio en que se encuentra. El concreto es parte fundamental en una estructura, pero esta puede corroerse dependiendo del medio en que se encuentre. Los metales se encuentran, en general, en la naturaleza formando compuestos (óxidos, sulfuros, etc.) con otros elementos. Para usarlos en su forma elemental hay que extraer el metal mediante un proceso de reducción. El proceso inverso por el que el metal vuelve a su estado natural, va acompañado de un descenso de su energía Gibbs, esto quiere decir que tiene lugar mediante una reacción espontánea. Este proceso, que corresponde a una oxidación, se conoce como corrosión. La corrosión metálica del acero dentro del concreto cuando tiene lugar en medio acuoso es un fenómeno de carácter electroquímico. En estos casos, dentro del concreto y a lo largo de una varilla de refuerzo o de otro artículo contenido se crea una celda de corrosión. Así la corrosión ocurre como resultado de la formación de una celda electroquímica, la cual consiste en cuatro elementos básicos:
Un ánodo: donde ocurrirá la oxidación (existe la corrosión) Un cátodo: donde ocurrirá la reducción (no se corroe) Un conductor metálico Un electrolito: en este caso el concreto.
Para que se forme una celda de corrosión es necesario la presencia de un electrolito, es cual será capaz de conducir una corriente eléctrica por medio del flujo de iones. Cualquier concreto húmedo contiene suficiente electrolito como para conducir una corriente capaz de causar corrosión. Mientras más seco el concreto, menor será su conductividad. Habrá peligro de que ocurra la corrosión siempre que el concreto este expuesto por soluciones acuosas como el agua de mar, agua que contenga sulfatos. Por esta razón hace que la construcción de puertos y/o presas hidráulicas sea más compleja que la construcción de otras estructuras. La corrosión electroquímica del acero en el concreto resulta de la falta de uniformidad en el acero (diferentes aceros, soldaduras, sitios activos sobre la superficie del acero), contacto con metales menos activos, así como también de las heterogeneidades en el medio químico o físico (concreto) que rodea el acero. A pesar de esto, aunque el potencial de la corrosión electroquímica del acero pueda deberse a la falta de uniformidad del acero en el concreto, la corrosión normalmente se previene por la formación de una película de óxido de hierro que actúa como pasivante.
3 DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN Son múltiples los sistemas de protección existentes, para ello se requieren esfuerzos multidisciplinares y la experiencia ha demostrado que muchas veces la solución óptima se alcanza integrando varios de ellos. En general para paliar el efecto de la corrosión se tiene impedir que se desarrollen reacciones electroquímicas, por lo que se debe evitar la presencia de un electrolito que actúe como medio conductor que facilite la transferencia de electrones desde el metal anódico. La selección de un material resistente a la corrosión, siempre es el primer tipo de control que se debe considerar. Esto en muchas ocasiones no es posible, ya que este es limitado por las condiciones del medio circundante; las condiciones dimensionales y geométricas necesarias en el material en función de la aplicación requerida; y un costo económico elevado. Lo cual hace que la selección de un material resistente no sea factible y/o posible, por lo que se deben considerar otros tipos de métodos para esto. Explicaremos brevemente sobre los actuales métodos que existen para la protección del acero contra la corrosión.
3.1 INHIBIDORES Un inhibidor es una sustancia química que, al añadirse al medio corrosivo, disminuye la velocidad de corrosión. Existen varios tipos de estas sustancias; los más conocidos son los anódicos y catódicos.
3.1.1 INHIBIDORES ANÓDICOS Los inhibidores anódicos, también llamados pasivadores son sustancias oxidantes, por lo g eneral, inorgánicas, que aumentan el potencial electroquímico del material por proteger, volviéndolo más noble.
3.1.2 INHIBIDORES CATÓDICOS Los inhibidores catódicos controlan el pH del medio corrosivo, que impide que las reacciones de reducción ocurran, Estos evitan la reducción ya sea, de iones de hidrógeno en moléculas de hidrógeno, en medios ácidos, o de oxígeno, en medios alcalinos.
3.2 RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS 3.2.1 PINTURAS Y BARNICES
Figura 3. Formación de la pila de corrosión
Método económico. Precisa que la superficie del material a proteger se encuentre limpia de óxidos y grasas. El minio, pintura que contiene en su composición óxido de plomo, es uno de los más empleados.
lo cual se conoce como un ánodo de sacrificio. 3.2.2 PLÁSTICOS
3.5.2 CORRIENTE IMPRESA
Son muy resistentes a la oxidación. Tienen la ventaja de ser muy flexibles, pero tienen muy pobre resistencia al calor, el más habitual es el PVC.
Es un proceso similar al de ánodo de sacrificio, cuya diferencia consiste en inyectar una corriente externa al sistema debido a que, por sí solo, este sistema no generaría suficiente corriente para poder formar la celda electroquímica, siendo ineficaz contra la corrosión.
3.2.3 ESMALTES Y CERÁMICOS Tiene la ventaja de resistir elevadas temperaturas y desgaste por rozamiento.
3.3 ELECTRODEPOSICIÓN Se hace pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que están inmersos en un líquido conductor que actúa de electrolito. Uno de los metales será aquel que queremos proteger de la oxidación y hará de cátodo. El otro metal hará de ánodo. Al pasar corriente eléctrica, sobre el metal catódico se crea una película protectora. Con este método se produce el cromado o niquelado de diversos metales.
3.4 PROTECCIÓN POR CAPA QUÍMICA Se provoca la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos de un pequeño espesor en su superficie, dando lugar a una película protectora por ejemplo:
La corriente impresa hace posible la protección del material en cuestión, al promover las reacciones electroquímicas, empleando el ánodo de sacrificio.
3.6 PROTECCIÓN ANÓDICA Mucho menos conocida que el método de protección catódica, la protección anódica consiste en disminuir el potencial electroquímico del material a proteger, a través de la inyección de una corriente externa, volviéndolo más anódico, lo cual induce al material hacia un estado de pasivación, formándose la capa pasivada que protege al material. Al mantener la corriente externa, la capa de pasivación continúa en constante regeneración, evitando que se deteriore el material. Solo puede ser empleado en algunos tipos de materiales, sobre todo los metales de transición.
4 RESULTADOS
3.4.1 CROMATIZADO. Se aplica una solución de ácido crómico sobre el metal a proteger, formándose una película de óxido de cromo que impide su corrosión.
3.4.2 FOSFATACIÓN. Se aplica una solución de ácido fosfórico y fosfatos sobre el metal. Formándose una capa de fosfatos metálicos sobre el metal, que la protegen del entorno
3.5 PROTECCIÓN CATÓDICA Radica en modificar relativamente el valor del potencial electroquímico del material por proteger, haciendo que este material se comporte como un cátodo. Se emplea mayormente en sistemas enterrados o inmersos en agua de mar. Existen 2 formas de realizar esto, mediante una corriente impresa o un ánodo de sacrificio. 3.5.1 ÁNODO DE SACRIFICIO Se conecta eléctricamente un material con menor potencial electroquímico, el cual se comporta como el ánodo del sistema. Este ánodo protege al material, al s er degradado por la corrosión en lugar de dicho material, por
El concreto, al estar humedecido, actúa como solución en una corrosión electroquímica. Mientras más seco este el concreto mayor será su conductividad (1). La corrosión electroquímica del acero en el concreto resulta de la falta de uniformidad en el acero ( diferentes aceros, soldaduras, sitios activos sobre la superficie del acero), contacto con metales menos activos y un concreto heterogéneo(2). La corrosión de la armadura de concreto genera la disminución del acero, convirtiendose este en óxido, lo cual se expande y genera la fisura de concreto rompiéndose la adherencia entre la armudra-concreto. La agresion quimica que se da por el medio exterior es un factor determinante en la corrosion del concreto, ya que esta al estar constituida por el flujo de sales en la solucion(fundamentalmente sulfatos) se forma sulfoaluminatos que tienen la propiedad de aumentar el volumen. (3) Si el concreto es de buena calidad, es decir conserva sus caracteristicas fisico-quimicas, conservara de manera adecuada al acero. Lo recubrirá con una capa pasiva de óxidos muy adherente, compacta e invisible, que lo preserva de la corrosión.(4)
La corrosion no solo manifiesta cambios visibles, si no tambien cambios en sus materiales, disminuyendo sus resistencia. (5)
5 CONCLUSIONES
La elección de un buen concreto puede evitar la corrosión de este. El ambiente en el que se encuentra la armadura, es propicio para la conservación de es te. La agresividad de una sustancia externa en el concreto, dependerá de su concentración. El control de agua y temperatura es esencial para evitar daños. La dosificación y homogeneidad del concreto y el espesor del recubrimiento influyen en la corrosión del concreto. Los concretos porosos se carbonatan a gran velocidad.
6 ANEXO ANEXO A.
una gran concentración de iones H+, lo cual atacó rápidamente al fierro sumergido. En fierro sumergido en el agua de rio, cuyo pH es 7, tuvo una alta corrosión; pues este, mostraba un color rojizo en su solución y un color marrón alrededor del fierro sumergido, siendo este una evidencia de que se ha corroído. El fierro sumergido en el agua de mar, cuyo pH es 7.2 tuvo una corrosión más ligera con respecto a las anteriores. Los fierros doblados al igual que los anteriormente mencionados, se corroyeron, pero la diferencia fue, que este se corroyó más en la parte doblada. ANEXO B. Fotos e imágenes
Experimento la corrosión del acero en diferentes medios
Objetivos Observar y describir la corrosión del acero según el medio en que se encuentra. Materiales 7 placas Petri c/ tapa 7 vasos de 250 mL 7 Varilla de vidrio 2 vasos de 1000 mL Pisceta de plástico 7 Rejillas con cerámico Trozos de metal diversos de acero: pedazos de fierro de construcción de ¼” de 8 cm de largo ( doblados y normales) Mecheros de bunsen 7 trípodes Reactivos Gel agar – agar K3[Fe(CN)6] Diversas soluciones: NaCl, (NH4)2SO4, agua de mar, agua de río, HCl, etc.
Figura 6. Fierro de construcción en Agar agar. El 24 de mayo de 2018.
Proceso experimental 1. Medir 100 mL de solución problema, calentar hasta 80 °C y agregar 2 a 3 g de gel agar – agar y revolver bien hasta disolución final. 2. Agregar 2 – 3 gotas del K3[Fe(CN)6] y agitar. 3. Verter la solución en un Petri y colocar el trozo de metal. 4. Repetir con otras soluciones y muestras hasta emplear las ocho (8) placas Petri. Dejar enfriar y almacenar por dos semanas. Resultados observados En el fierro sumergido en agua acidulada, cuyo pH es 1.5, reaccionó a los pocos segundos de haberlo sumergido en la solución, adquiriendo un color rojo tenue, lo cual se debe a que el agua acidulada generó
Figura 7. Fierro de construcción en agua acidulada. El 24 de mayo de 2018.
Figura 8. Fierro de construcción doblado en agua de mar. El 26 de mayo de 2018
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Figura 12. Fierro de construcción en agua de río. El 6 de junio de 2018.
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