CORROSIÓN DEL HORMIGÓN Y EL HIERRO
CORROSIÓN DEL HORMIGÓN
La
corrosión del hormigón es un proceso electroquímico que provoca la degradación
(oxidación) del acero en el hormigón. Los factores que afectan a este fenómeno
están asociados fundamentalmente a las características del hormigón, al medio
ambiente y a la disposición de las armaduras en los componentes estructurales
afectados. Los daños causados por corrosión del hormigón generalmente se manifiestan a través de
fisuras en el hormigón paralelas a la dirección de los refuerzos, de laminación
y/o desprendimientos del recubrimiento.
En
componentes estructurales que presentan un elevado contenido de humedad, los
primeros síntomas de corrosión se evidencian por medio de manchas de óxido en
la superficie del hormigón. En la Foto 1.1 se presentan distintos casos de
estructurales afectados por corrosión del hormigón. Los daños por corrosión
pueden afectar la capacidad portante de los componentes estructurales
afectados, debidos fundamentalmente a la disminución de sección transversal de
las armaduras, la pérdida de adherencia entre el acero y el hormigón y a la
fisuración de éste. Así mismo, el progresivo deterioro de las estructuras por
corrosión provoca desprendimientos de material que pueden comprometer la
seguridad de personas.
En
la Figura 1.1 se muestran en forma esquemática las fallas típicas observadas en
vigas afectadas por distintos niveles de deterioro por corrosión del hormigón.
Foto 1.1 Daños en
estructuras de hormigón armado causados por corrosión.
a) Corrosión por
cloruros en fachada de edificio,
b) Corrosión por carbonatación en estructura
de hormigón armado, c) Corrosión por cloruros en pilote
EL PROCESO DE CORROSIÓN
La
corrosión es un proceso que ocurre en fase acuosa, en el caso del hormigón
armado, el fenómeno tiene lugar en la solución existente en los poros
interiores. El fenómeno se observa con frecuencia en hormigones de baja
calidad, elaborados con altas relaciones agua – cemento y por consiguiente que presentan
elevada porosidad, así como en componentes estructurales afectados por humedad
o ciclos de mojado.
La
elevada alcalinidad que presenta la solución de los poros del hormigón (pH >
12/5) le provee al acero de un medio protector en el cual su velocidad de
corrosión ( VC ) es prácticamente nula. Esta condición se denomina
pasividad siendo que los valores de VC de las armaduras son
inferiores a 1 µm/año. El estado pasivo de las armaduras puede perderse debido
fundamentalmente a la acción de dos mecanismos; ataque por cloruros y pérdida
de la alcalinidad en el hormigón.
ATAQUE POR CLORUROS
Los iones cloruro pueden
romper el estado pasivo en que se encuentran las armaduras dejando el acero sin
protección, formándose un compuesto soluble, el cloruro ferroso (Fe2Cl), al
entrar en contacto los cloruros con las armaduras. Una vez que se ha perdido la
pasivación, el acero es susceptible de corroerse si están presentes todos los
elementos necesarios: oxígeno y humedad. En ausencia de oxígeno o de humedad el
proceso corrosivo no se produce, o es tan lento como para no alterar la vida
útil del hormigón aún en presencia del ión cloruro, por ejemplo en hormigones
permanentemente sumergidos donde la presencia del ión cloruro es elevada, el
acero no se corroe debido a que el suministro de oxígeno es muy limitado.
La presencia del ión cloruro
en el hormigón puede darse por dos casos:
- Ingreso en el momento de preparación de la mezcla: se puede evitar con un adecuado control de los componentes de la mezcla. Las situaciones más comunes son que los iones cloruro integren el agua de amasado de la mezcla, aparezcan en impurezas de los distintos constituyentes del hormigón o que formen parte de los aditivos empleados.
- Ingreso durante la vida de servicio del hormigón: son situaciones típicas de hormigones salpicados por agua marina, o de hormigones en regiones frías, en donde se suelen utilizar cloruros para provocar el deshielo. En estos casos el ingreso del ión cloruro al hormigón está vinculado al transporte de fluidos en un medio poroso, que tiene lugar por cuatro mecanismos que son: succión capilar, difusión, permeabilidad y mecha (combinación entre succión y permeabilidad).
PÉRDIDA DE ALCALINIDAD EN EL
HORMIGÓN
La disminución del pH en el hormigón (pH≤9),
provoca la pérdida de la pasividad del acero. Este proceso puede ocurrir como
resultado de la lixiviación de las sustancias alcalinas existentes en los poros
del hormigón o bien debido al proceso de carbonatación. La carbonatación ocurre
como resultado de la reacción química entre el hidróxido de calcio Ca(OH)2 y
otros álcalis (Sodio y Potasio) presentes en la solución de los poros con el
dióxido de carbono (CO2) atmosférico. Como resultado de esta reacción se forma
carbonato de calcio (CaCO3) y se acidifica el hormigón. Este fenómeno avanza
hacia el interior del hormigón a una velocidad que es generalmente proporcional
a t 1/2, siendo t el tiempo.
La carbonatación es el resultado de la
reacción química que ocurre entre el dióxido de carbono (CO2) presente en la
atmósfera y ciertos productos de hidratación del cemento disueltos en la
solución de los poros del hormigón. Como resultado el pH del hormigón se reduce
a valores por debajo de 9. Una vez que el frente carbonatado de hormigón
alcance la armadura, se rompe la pasividad del acero siendo susceptible de
corrosión. Igualmente que en el caso anterior, una vez carbonatado el hormigón
en contacto con la armadura, deben de darse todos los factores para que se produzca
la corrosión de acero (humedad, oxígeno…).
Sobre el proceso de carbonatación influyen
varios factores tanto internos como externos. En los factores internos el más
importante es la porosidad por encima de la composición del hormigón ya que los
procesos de carbonatación tienen lugar en los poros del mismo. En cuanto a los
factores externos, la humedad es el más significativo, adquiriendo un
desarrollo máximo para humedades medias, del orden del 50%.
La carbonatación es un proceso lento que solo
se hace notar después de años o decenios.
Sin dudas, uno de los procesos de corrosión
más difíciles de identificar y predecir en la práctica es el que ocurre
ocasionalmente en el acero de alta resistencia utilizado en las estructuras de
hormigón post y pretensadas. Este fenómeno se denomina.
CORROSIÓN BAJO TENSIÓN
CBT
y se caracteriza por ser de tipo localizado y no presentar pérdida de masa
significativa. En consecuencia, la CBT puede provocar la falla de elementos
estructurales sin que se observen signos visibles de corrosión en la
estructura. El fenómeno está asociado a la aparición de fisuras que se propagan
con relativa rapidez, provocando una rotura de tipo frágil del material. La
susceptibilidad a la CBT depende en gran medida de la alcalinidad del hormigón y
del contenido de iones cloruro. Este fenómeno puede ocurrir en hormigones que
presentan valores de pH < 12.8 y concentraciones de cloruros aún menores a
los niveles establecidos como límite para el inicio de la corrosión del acero
en el hormigón armado. En consecuencia, los componentes estructurales
construidos con hormigones de baja calidad, elaborados con aditivos que
disminuyen su alcalinidad o expuestos a ambientes con cloruros serán más
propensos a presentar problemas de CBT.
Proceso de corrosión
Todo
proceso de corrosión electroquímica requiere de la presencia de al menos cuatro
elementos, a) un ánodo, donde ocurre la oxidación del acero, b) un cátodo,
donde ocurre la reacción de reducción, c) un conductor eléctrico por donde
circulan los electrones liberados en el ánodo y consumidas en el cátodo y d) un
electrolito, donde ocurren dichas reacciones. En la Figura 1.1.2 se representa
esquemáticamente el proceso de corrosión del hormigón en el hormigón. Los productos de corrosión
del acero ocupan un volumen que es varias veces superior al del metal de
origen. La acumulación de estos productos en la interface entre el acero y el
hormigón genera tensiones de tracción en este último que provocan la fisuración
y el posterior desprendimiento del recubrimiento.
Figura
1.1.2. Representación esquemática del proceso electroquímico de corrosión de
las armaduras en el hormigón
El
tiempo de aparición de fisuras depende fundamentalmente de la calidad y el
espesor del recubrimiento de hormigón, así como del diámetro y la ubicación de
la armadura y del tipo de producto de corrosión generado. A modo de ejemplo,
una barra # 4 con un espesor de recubrimiento de aproximadamente 4 cm provocará
fisuras en el hormigón luego de producirse una disminución del 1 % en su sección
transversal.
CORROSIÓN: FENÓMENO NATURAL, VISIBLE Y CATASTRÓFICO
Los últimos estudios llevados a cabo sobre el impacto económico de la
corrosión muestran resultados alarmantes. De 1999 a 2001, Estados Unidos tuvo
un total anual de costos directos de aproximadamente 276 mil millones de
dólares, algo así como 3.1% del PIB de ese país. De la misma manera, en Perú, de
acuerdo con la empresa Teknoquímica, en el año 2000 las pérdidas por corrosión
representaron 8% del PIB, es decir, aproximadamente 1,200 millones de dólares.
En México todavía no se ha hecho
ningún estudio para estimar los gastos que representan las pérdidas por
corrosión. Pese a este desconocimiento, se pueden palpar los problemas debidos
a este fenómeno, por lo que es clara entonces la necesidad de instrumentar las
medidas pertinentes. Hay diferentes razones por las que el fenómeno no se ha
controlado de manera apropiada, que van desde las climáticas hasta las
políticas. La situación, como es de suponerse, afecta por igual a la mayoría de
países latinoamericanos en que los gobiernos y las condiciones medioambientales
son similares. Y es que el Estado prácticamente no presta atención alguna al
problema de la corrosión, no por falta de personal capacitado sino por la falta
de una política de mantenimiento de obras.
Es sabido que poco a poco la empresa privada está comenzando a tomar
conciencia del tema de la corrosión y de los perjuicios que este fenómeno
ocasiona al no recibir la atención debida. ¿Qué es la corrosión? La corrosión
se puede definir de muchas maneras. Algunas definiciones son muy directas y se
enfocan a una forma específica de corrosión, mientras que otras son muy
generales y cubren muchas formas de deterioro. La palabra “corroer” se deriva
del latín corrodere, que significa “roer las piezas”. Para nuestros propósitos,
la corrosión se puede caracterizar como una reacción química o electroquímica
entre un material – usualmente un metal– y su ambiente que produce un deterioro
del material y de sus p r o p i e d a d e s.
Los metales son rara vez encontrados en estado puro; casi siempre se les
halla en combinación química con uno o más elementos no metálicos, y el mineral
es generalmente una forma oxidada de metal; por tanto, se debe aplicar una
cantidad significativa de energía para transformar el mineral en metal puro.
Esta energía puede aplicarse por vías metalúrgicas o químicas; también debe aplicarse
energía adicional bajo la forma de trabajo en frío o mediante procesos de
fundición necesarios para transformar el metal puro en una pieza de trabajo.
La corrosión de los metales es un proceso electroquímico, esto es, las
reacciones corrosivas del metal normalmente involucran reacciones químicas y un
flujo de electrones. Una reacción electroquímica básica que provoca la
corrosión de los metales es la corrosión galvánica, que consiste básicamente en
dos procesos de transferencia de electrones en lugares físicamente diferentes
de la estructura metálica (procesos anódicos y catódicos). Este proceso de
corrosión implica la generación y transferencia del catión metálico a la
solución, la transferencia del oxígeno al cátodo metálico, la transferencia electrónica
del metal al oxígeno, el paso de los electrones del ánodo al cátodo
(electroneutralidad metálica), y la difusión de los iones Fe2 + y OH- en el
electrolito (electroneutralidad iónica).
En general, puede concluirse que para lograr la protección metálica se
tiene que anular, o al menos disminuir, cualquiera de estos pasos.
EFECTOS DE LA CORROSIÓN
Los efectos de la corrosión en nuestra vida diaria se clasifican en
directos e indirectos. Los directos son aquellos que afectan la vida útil de
servicio de nuestros bienes, y los indirectos son aquellos en que los
productores y consumidores de los bienes y servicios tienen influencia sobre
los costos de la corrosión. En el hogar, el fenómeno se observa directamente en
el automóvil, el enrejado del patio o las ventanas, o en las herramientas
metálicas.
El otro efecto nocivo de este fenómeno es el daño al medio ambiente. Por
mencionar un caso real, en diciembre de 1999, frente a las costas de Vizcaya,
al norte de España, el buque-tanque E r i k a zozobró debido a la ruptura de su
casco provocada por la corrosión. El resultado: aproximadamente 20 mil toneladas
de petróleo crudo se derramaron en el mar y causaron un gran daño al ecosistema
marino.
Es posible que entre todos los problemas que causa la corrosión uno de
los más peligrosos sea el que ocurre en las plantas industriales, como las de
generación de energía eléctrica o de procesos químicos. La inhabilitación total
de estas plantas podría ocurrir debido a la corrosión. Precisamente, esta es
una de las muchas consecuencias indirectas que conllevarían graves efectos
económicos. Algunas de ellas se presentan a continuación:
•Reemplazo de equipo corroído.
•Sobre diseño para controlar la corrosión.
•Sobre diseño para controlar la corrosión.
•Mantenimiento preventivo, como
el pintado.
•Paro de equipo debido a las
fallas por corrosión.
•Contaminación de un producto.
•Pérdida de eficiencia cuando el
sobre diseño y los productos de corrosión disminuyen la rapidez de
transferencia de calor en intercambiadores de calor.
•Pérdida del valor del producto, como el de un contenedor que tiene sus
partes corroídas, etc.
•Seguridad (por ejemplo, alguna falla repentina puede causar fuego,
explosión, fuga de productos tóxicos y colapso de construcciones).
•Salud (por ejemplo, contaminación debido a la fuga de productos del
equipo o tubería corroídos o debido a los mismos productos de corrosión).
•Agotamiento de fuentes naturales, incluidos metales y combustibles
usados para manufacturarlos.
•Apariencia, pues el material
corroído no muestra buenas condiciones a simple vista.
Por supuesto, todos los precedentes efectos sociales también tienen que
ver con la economía. Es por eso que hay muchas razones para buscar alternativas
para controlar la corrosión. Pero antes de esto, es necesario conocer el
proceso o mecanismo de corrosión, o la forma en que se origina. Formas de
la corrosión La corrosión ocurre de manera grave de diferentes formas.
La clasificación se basa usualmente en uno de estos tres factores:
La clasificación se basa usualmente en uno de estos tres factores:
1. Naturaleza del electrolito: la corrosión se puede clasificar como
“húmeda” o “seca”. Es necesaria una solución líquida o una mezcla para la
corrosión húmeda, y la corrosión seca implica por lo regular la reacción con
gases a alta temperatura.
2. Mecanismo de corrosión: implica reacciones electroquímicas o químicas
directas.
3. Apariencia del metal corroído: la corrosión puede ser uniforme y el
metal se corroe a la misma velocidad a lo largo de la superficie, o puede ser
localizada, en cuyo caso solamente se ven afectadas pequeñas áreas.
La palabra corrosión
evoca en muchas personas la imagen tan conocida de la "herrumbre",
propia de los metales ferrosos, como si sólo el hierro fuera susceptible de
presentar este fenómeno.
En
realidad, la corrosión es la causa general de la alteración y destrucción de la
mayor parte de los materiales naturales o fabricados por el hombre. Si bien
esta fuerza destructiva ha existido siempre, no se le ha prestado atención
hasta los tiempos modernos, como efecto de los avances de la civilización en
general y de la técnica en particular. El desarrollo de los métodos de
extracción y uso de los combustibles, muy especialmente del petróleo, así como
la expansión de la industria química, han modificado la composición de la
atmósfera de los centros industriales y de las aglomeraciones urbanas.
La
producción de acero y la mejora de sus propiedades mecánicas han hecho posible
su empleo en los dominios más variados. Desgraciadamente, el desarrollo en la
utilización de los productos siderúrgicos va acompañado, paralelamente, de un
aumento en el tributo que cada año se paga a la corrosión. Para tener una
pequeña idea de lo que esto pueda suponer, sépase que aproximadamente un 25% de
la producción anual de acero es destruido por la corrosión.
La
corrosión de los metales constituye por lo tanto, y con un alto grado de
probabilidad, el despilfarro más grande en que incurre la civilización moderna.
Las roturas en los tubos de escape y silenciadores de los automóviles, la
sustitución de los calentadores de agua domésticos (cerca de 2.5 millones de
unidades en los
EUA en 1967),
explosiones por fugas de gas en los tanques de almacenamiento o tuberías de
conducción, roturas en las conducciones de agua, incluso el derrumbe de un
puente, son algunos de los problemas con los cuales se encuentra el hombre.
Nada metálico parece ser inmune a este tipo de acontecimientos.
A veces
los daños causados por un problema de corrosión pueden ser muy amplios.
Pensemos en la reparación de la falla de un oleoducto de crudo, resultante de
problemas de corrosión interna o externa. Aparte del costo inherente a la
sustitución del tramo de tubería dañado, hay que tener en cuenta el daño
causado por el aceite derramado al terreno, muchas veces irreversible, así como
el posible paro de la refinería y los consiguientes problemas de
desabastecimiento que ello puede llegar a acarrear. Y sin embargo, un proceso
esencialmente de corrosión lo utilizamos diariamente para producir energía
eléctrica: la pila seca. En el capítulo III se describe el principio del
funcionamiento de la pila seca, pudiéndose comprobar cómo una de las partes
esenciales de la misma es precisamente una reacción de corrosión.
Veamos,
con un poco más de detalle, algunos ejemplos de corrosión que ocurren con
cierta frecuencia en la vida diaria.
La
corrosión forma parte del diario quehacer. Desgraciadamente, no sufrimos sus
efectos hasta que estos se hacen visibles.
Un
ejemplo común lo constituye la rotura de una tubería de agua. Inicialmente, al
abrir el grifo, el agua, en vez de presentar su claridad habitual tiene una
cierta tonalidad o coloración castaña. Al probarla, nos parece percibir un
sabor que nos recuerda bastante al de las sales de hierro. Ha empezado a
atacarse el material base de la tubería galvanizada: el acero de la red de
distribución de agua potable.
La
continuación puede ser una historia conocida para muchos. Al cabo de poco
tiempo, al abrir el grifo del agua caliente del lavabo, especialmente al
aumentar la salida del agua, empieza a salir ésta turbia y rojiza, con gran
cantidad de partículas en suspensión. Algunas de éstas parecen ser de arcilla
que estarían sedimentadas sobre la pared de las tuberías de conducción y
distribución y que se han incorporado al agua al pasar ésta a régimen
turbulento. Otras partículas tienen un aspecto gelatinoso y una coloración
pardo rojiza (característica del hidróxido férrico). A continuación hacemos la
misma comprobación con el grifo del agua fría. El agua sale limpia, incolora.
Sólo cuando el régimen de circulación es claramente turbulento se observa una
cierta turbiedad y algunas partículas en suspensión que parecen provenir del sedimento
que pudiera existir ya en el interior de la tubería de conducción de agua.
Aquellas partículas rojizas, gelatinosas, no se observan en esta ocasión.
La
aparición de humedades y goteras es una consecuencia que no se deja esperar. Al
inspeccionar con más detalle la zona en que ha aparecido la gotera, podemos
tener la sorpresa de que la aparición de la humedad, que creíamos debida a la
perforación de la tubería por el lado del agua, ya que el agua rojiza que salía
por el grifo desde tiempo atrás así lo hacía presagiar, ha tenido lugar en
cambio en la parte exterior. Retirado el tubo que presentaba la perforación,
pudimos observar en él que el ataque perforarte provenía del exterior.
En este
caso, el responsable de la avería no era el agua transportada, sino el material
de construcción que se hallaba en estrecho contacto con el exterior del tubo.
Un análisis más cuidadoso nos permite observar claramente que la zona afectada
coincidía con la existencia de "restos" de yeso que sin duda pusieron
los albañiles en la etapa de fijación de los tubos.
El yeso
tiene la particularidad de que además de ser corrosivo por sí mismo frente al
hierro y acero galvanizado, entre otros materiales metálicos, es higroscópico,
por lo cual tiene tendencia a captar y retener la humedad y con ello proseguir
la corrosión hasta sus últimas consecuencias.
CORROSIÓN DEL HORMIGÓN POR AGUAS SULFATADAS
¿Qué es la Corrosión?
La corrosión es un proceso electroquímico capaz de destruir una estructura metálica por la acción de numerosas celdas galvánicas que se forman en su superficie cuando dicha estructura está inmersa en un medio acuoso conductor.
La corrosión es un proceso electroquímico capaz de destruir una estructura metálica por la acción de numerosas celdas galvánicas que se forman en su superficie cuando dicha estructura está inmersa en un medio acuoso conductor.
Los
sulfatos son muy solubles en agua y penetran con facilidad en estructuras de
hormigón expuestas a los mismo, también solubles como hidróxido de magnesio,
que se expande y explosiona dentro del hormigón en los moldajes (causa grietas
y fisuración).
Cuando el concreto reforzado se sometido
a sales des congelantes, es necesario proporcionar una protección especial
contra la corrosión al acero de refuerzo. El refuerzo se oxidara si no está
bien protegido; al oxidarse, los óxidos resultantes ocupan un volumen mucho
mayor que el del metal original, el
resultado de todos factores son grandes presiones hacia el exterior que
ocasiona un severo agrietamiento y astillado del concreto, esto hace que se
reduzca la vida útil de la estructura.
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