Corrosión de Acero de Refuerzo en El Concreto

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Microsoft Word - EL FEN.MENO DE LA CORROSI.N EN ESTRUCTURAS.DOC

CORROSIN DE ACERO DE REFUERZO EN EL CONCRETO

1. Introduccin

El deterioro de las estructuras de concreto reforzado ha sido un tema de gran relevancia para la industria de la construccin en los ltimos aos. Se calcula un costo de 300,000 millones de dlares por fallas en la infraestructura en los Estados Unidos de Amrica1. As mismo, se estima que de esa cantidad, es posible evitar prdidas por alrededor de 100,000 millones de dlares tomando medidas de prevencin contra la corrosin.

La corrosin del refuerzo metlico embebido es reconocida como uno de los mayores problemas en estructuras de concreto convirtindose en un tema que requiere la atencin de los ingenieros de mantenimiento de estructuras de concreto, tales como carreteras y puentes. El fenmeno de oxidacin del refuerzo metlico afecta significativamente las caractersticas funcionales del concreto armado tales como la adherencia, adems deinducir la formacin de agrietamientos y desprendimientos de trozos de concreto, lo que compromete la integridad estructural.

Desde la dcada de 1960 varios investigadores iniciaron el desarrollo de materiales y mtodos para el control de la corrosin. El uso de materiales polimricos como recubrimientos de la varilla de acero fue ampliamente difundido en los aos 70, con la intencin de formar una barrera que impidiera el contacto del acero con agentes agresivos y evitar la corrosin. Despus de evaluaciones de laboratorio y campo de corto tiempo, las varillas cubiertas con polmeros epxicos fueron adoptadas en 1981 por la Administracin Federal de Carreteras de los Estados Unidos y algunas Direcciones Estatales de Transporte como el principal medio de control de la corrosin en puentes. Consecuentemente, las varillas con recubrimientos epxicos fueron colocadas en cientos de estructuras a lo largo del territorio norteamericano. Inicialmente, este sistema mostr buenas propiedades anticorrosivas en las cubiertas de los puentes en que se aplicaban sales deshielantes y en la subestructura colocada en medio marino. Sin embargo, despus de varios aos este material de construccin acus signos de corrosin y algunas limitaciones, por lo que su empleo se cuestion severamente.

Otra opcin que se ha ensayado es el uso de sustancias que reduzcan la velocidad de corrosin del acero de refuerzo, las cuales se adicionan durante el mezclado del concreto y se conocen como inhibidores, que ha dado buenos resultados a nivel laboratorio, pero su eficiencia no est comprobada en estructuras reales.

Ante las limitaciones encontradas, se recurri a utilizar un mtodo que ha demostrado gran efectividad en estructuras la proteccin catdica. El principio del funcionamiento es una pila galvnica en la que se hace pasar una corriente elctrica a una pieza metlica para que se comporte como ctodo; al comportarse como ctodo, una estructura queda protegida contra la corrosin.

Existen dos mtodos de aplicacin de la proteccin catdica: por nodos de sacrificio y por corriente impresa. En ste ltimo mtodo, la corriente es aplicada mediante rectificadores que introducen un flujo de corriente necesario para mantener el sistema en un estado termodinmico que impide que se desarrolle la corrosin. Con este mtodo se tiene la ventaja de aplicar la corriente suficiente para la proteccin, pero se requiere de un mantenimiento constante.

La proteccin catdica por nodo de sacrificio implica el utilizar un metal ms activo electroqumicamente que el que se va a proteger, provocando que el nodo se corroa y se sacrifique, de ah su nombre. Los nodos galvnicos de zinc, magnesio y aluminio se probaron desde la dcada de lo ochentas, con resultados poco satisfactorios debido a su baja eficiencia. Sin embargo recientemente se ha iniciado el sistema de proteccin por nodo galvnico mediante el rociado trmico de materiales activos y susaleaciones. Whiting et. al 3 Hart4 , Funahashi et.al.5 y Rincn6 reportan estudios en los que se muestran los resultados de la proteccin catdicacon zinc, aluminio y magnesio, as como algunas de sus aleaciones aplicadas por rociado trmico a probetas y estructuras de concreto. Encontraron que el aluminio y el zinc tienen mayor eficiencia y que la resistividad del concreto es fundamental para el funcionamiento de la proteccin. Bermdez et. al .7 realizaron pruebas con nodos de aluminio aleado con zinc y estao rociados trmicamente, encontrado una eficiencia muy elevada. Brousseau et.al 8,9 y Holcomb et. al.10 reportan resultados de zinc aplicado por rociado trmico, mencionando las ventajas en costo y eficiencia. Brousseau et. al.11 utilizaron placas de zinc con un gel adhesivo conductor para mantener la conductividad que garantizara la continuidad elctrica y con ello la proteccin del acero.

A pesar de haber buenas cualidades en el sistema de proteccin con rociado trmico, Brousseau et. al.11, Bullard et. al. 12 y Covino et. al.13 han encontrado inconvenientes debido a la prdida de adherencia en la interfase zinc-concreto, con la consecuente disminucin en la eficiencia del flujo de corriente. El parmetro que ms afecta a la adherencia es el cambio en la humedad del concreto inducida por los periodos de secado en condiciones reales. Sags et.al.14 encontraron estos inconvenientes en puentes del estado de Florida. Cuando la humedad relativa del medio decrece, provoca que una fraccin del agua contenida en los poros del concreto fluya hacia el exterior, secndose parcialmente. Esta prdida de agua es la causante de que la adherencia del zinc al concreto se reduzca, ala vez de que la resistividad del concreto aumente dificultando el paso de corriente de proteccin.

2. Introduccin a la electroqumica de la corrosin

La corrosin metlica en medio ambiente hmedo es un proceso de naturaleza electroqumica que involucra reacciones de oxidacin y reduccin, ocasionando el deterioro del material metlico y de sus propiedades. El origen del fenmeno es la presencia de heterogeneidades en la superficie de los metales, que producen zonas de diferentes niveles de energa y propician la formacin de la celda electroqumica (Figura No. 1).

Figura No. 1. Celda electroqumica

Como puede apreciarse, en una celda electroqumica son indispensables los siguientes elementos:

Anodo. Porcin de una superficie metlica en donde se lleva a cabo la reaccin de oxidacin (proceso de corrosin). En este proceso hay una prdida o liberacin de electrones como consecuencia del paso del metal a su forma inica, que se representa con la siguiente reaccin:

Ctodo. Porcin de la superficie metlica donde se lleva a cabo la reaccin de reduccin, en la cual los electrones producidos en el nodo se combinan con determinados iones presentes en el electrolito. En este proceso hay una ganancia de electrones.

En el ctodo se cierra el circuito elctrico a travs de un conductor externo.

Electrolito: Sustancia a travs de la cual las cargas elctricas son transportadas por un flujo de iones.

Diferencia de potencial. Desigualdad en el estado energtico entre los dos electrodos que provoca un flujo de electrones desde el nodo hasta el ctodo.

Conductor metlico. Cable externo que conecta elctricamente los electrodos (conduce los electrones desde el nodo hacia el ctodo).

Los electrones que se pierden en el nodo durante la reaccin de oxidacin son utilizados en el ctodo para que suceda la reaccin de reduccin.

Durante el proceso de corrosin en estructuras de concreto, la zona andica y la zona catdica estn localizadas en la superficie del acero de refuerzo, mientras que el concreto acta como el electrolito, completndose as los elementos que se requieren para formar la celda electroqumica. En algunos textos, la celda electroqumica tambin es llamada "pila de corrosin", celda electroltica o celda galvnica.

El estudio de la cintica las reacciones involucradas es til para predecir la velocidad a la cual el metal se va a corroer.

La frontera entre un metal y un electrolito recibe el nombre de interfase y es la regin en la que se llevan a cabo las reacciones de oxidacin y reduccin.

En la interfase, tambin llamada doble capa electroqumica se considera que existe una distribucin de cargas en cada una de las fases (metal y electrolito) que limita, pero es elctricamente neutra.

Vista la interfase como la porcin de una celda galvnica, es la zona comprendida entre la superficie del electrodo metlico y la disolucin electroltica o electrolito. La diferencia de potencial en una interfase es la que existe entre los potenciales de la fase metlica y de la fase disolucin.

A la reaccin qumica heterognea que ocurre en la interfase metal/disolucin, con la consecuente transferencia electrnica con produccin neta de corriente, se le denomina proceso electrdico.

La interfase entre un metal y su disolucin podra ser visualizada como una lnea con un exceso de cargas negativas en la superficie de metal por la acumulacin de la carga de los electrones y un nmero igual de cargas pero positivas en la disolucin cuando est en contacto con el metal. Y aunque cada fase tiene un exceso de cargas, la interfase es elctricamente neutra.

La separacin de cargas en la interfase metal/disolucin resulta de un campo elctrico en el espacio entre la capa cargada y la diferencia de potencial a travs de los extremos y aunque la diferencia de potencial sea relativamente pequea, la mnima distancia de separacin de las capas cargadas produce un campo elctrico intenso, que facilita el paso de los electrones en la interfase durante las reacciones de electrodo. Un pequeo cambio en el exceso de cargas en la interfase puede tener un significativo efecto en la diferencia de potencial y la velocidad del proceso de electrodo.

En la disolucin se forman tres zonas inicas, esto es para compensar el exceso de cargas en el electr