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CORROSIÓN DEL ACERO EN EL CONCRETO ARMADO

Apunte preparado por Mgtr. Gaby Ruiz para el curso Materiales de Construcción Universidad de Piura. Mayo 2010 1

CORROSIÓN DEL ACERO El término corrosión se aplica en general a los fenómenos espontáneos y graduales por medio de los cuales se produce el deterioro de un material debido al ambiente que lo circunda, ya sea metálico o no metálico. Este fenómeno se origina por la afinidad del material con el oxígeno, agua, azufre, dióxido de carbono, etc. La mayoría de los metales de aplicación tecnológica, tienen gran afinidad por el oxígeno, el agua, el azufre, el anhídrido carbónico. Otros, como los metales nobles (entre ellos el oro), tienen menos o muy poca afinidad con el oxígeno, de modo que la formación de óxido a temperatura ambiente no es un proceso espontáneo. De este modo, el material es prácticamente inalterable. El fenómeno de corrosión es perjudicial porque provoca la pérdida gradual de las propiedades tecnológicas del material (por ejemplo brillo, resistencia mecánica, etc). Por ejemplo, la velocidad de corrosión uniforme en agua de mar para una lámina de acero puede oscilar entre 0,1 a 0,2 mm /año, pero puede ir desde 0.35 mm /año hasta 1.5 mm /año en mares fríos, agitados y ricos en oxígeno o en presencia de fenómenos abrasivos. Por ello se requiere protegerlos o crear condiciones que disminuyan el proceso. LA CORROSIÓN EN LOS METALES En el caso de los metales, la corrosión es la tendencia que tienen de volver a su estado combinado; es decir, al mismo estado en que se encuentran en la naturaleza: en forma de óxidos, hidróxidos y sales. También puede definirse en términos de una oxidación química o electroquímica, donde el metal se destruye por la reacción con el medio ambiente que lo rodea. A veces, el ataque progresa lentamente y no alcanza manifestaciones macroscópicas debido a que sobre las superficie del metal se forma espontáneamente una capa de óxido o un compuesto del metal que impide el progreso de la acción oxidante, por ejemplo, el aluminio. El aluminio tiene una capacidad de reacción con el oxígeno del aire muy alta, formándose una película transparente de óxido, aún desde el momento en que está siendo procesado. Sin embargo, este óxido es muy duro y resistente, de modo que termina constituyendo una capa de protección contra el medio exterior. En otros materiales, la cascarilla de laminación inicial más bien favorece la formación de macroceldas y puntos de inicio de corrosión localizada y sus propiedades repercuten en el mecanismo de corrosión. La corrosión electroquímica, es la que tiene lugar en los metales, cuando éstos están rodeados de un medio conductor de la corriente llamado electrolito - en el caso de las embarcaciones suele ser el agua del mar- y que es capaz de conducir dicha corriente a determinadas zonas de un mismo metal o distintos metales. Los metales están unidos eléctricamente entre sí, apareciendo zonas de distinto potencial eléctrico: ánodos y cátodos que provocan su corrosión. Mecanismo de corrosión El fenómeno de corrosión y sus mecanismos pueden ser catalogados por la similitud que presentan los diferentes procesos de corrosión. Sin embargo, la más común y elemental es la que se realiza por reacción del metal con el oxígeno. La reacción del oxígeno con los metales se puede dar en presencia o en ausencia de agua. El ataque en ausencia de agua es apreciable solamente a altas temperaturas. La reacción se puede esquematizar como: Me + O2

Oxido

La dirección de la reacción dependerá de las condiciones térmicas y según la afinidad del metal por el oxígeno. A altas temperaturas, se puede dar la reacción en ausencia de agua, pero más allá de un cierto límite se puede tener la reacción inversa de descomposición del óxido con re-formación del metal. Por ejemplo, en el caso del acero, fácilmente forma óxido muy estable y por lo tanto es necesaria la acción de la temperatura alcanzada en un alto horno y con un reductor (carbón de coke) para obtener la reducción 2

del óxido. En algunos casos como el óxido de aluminio es necesaria la aplicación de corriente eléctrica para obtener la reducción (proceso electrometalúrgico). En cualquier caso el deterioro es de naturaleza química e irreversible y progresa en el tiempo de manera gradual. La interacción metal - ambiente lleva a la corrosión del metal (condición de actividad) o bien a la formación de una película protectiva de productos de corrosión aunque sean sutiles e invisibles, que lo protege de posterior ataque (condición de pasividad). El estado de pasividad tiene diferentes grados que dependen de la naturaleza del metal (tipo de metal o aleación), de la geometría de la superficie (si es lisa o rugosa), de la estructura metalográfica (presencia de inclusiones), de la naturaleza de las soluciones (concentración, tipo de iones, pH, contenido de oxígeno, etc.) que determinan o no la estabilidad del estrato de pasivación. EJEMPLO En un ensayo de la gota salina depositada sobre una placa de acero, permite observar el progreso del ataque debido a un fenómeno corrosivo desarrollando una morfología característica: En el centro de la gota se observa la disolución del fierro, circundada de un anillo de productos de corrosión. En el borde externo de la gota, un anillo en el cual el metal aparece aparentemente inalterado.

La disolución del metal es debida al desarrollo de una reacción anódica, que para el caso de un metal bivalente, es escrita en forma general de la siguiente manera: M M++ + 2e Esta reacción es generadora de electrones y de acidez debida a la hidrólisis del ión metálico M++. M++ + 2 H2O - M(OH)2 + 2H+ Esta reacción anódica procede paralelamente con una reacción catódica que en un ambiente neutro, es la reacción catódica del oxígeno disuelto en la solución: 1/2 O2 + H2O + 2e 2 OHQue origina alcalinidad. El proceso corrosivo en general resulta: M + 1/2 O2 + H2O - M(OH)2 Considerando el hecho que en una solución alcalina, se ve favorecida la pasividad del fierro, se tiene esta interpretación. El oxígeno del ambiente se disuelve en la solución y al difundir llega a la superficie metálica más fácilmente en el borde de la gota, al reducirse catódicamente genera alcalinidad que pasiva localmente al metal. En cambio, la reacción anódica se realiza en el centro de la gota donde el oxígeno no llega o bien lo hace muy difícilmente y donde la hidrólisis de los iones metálicos, en parte oxidados por el oxígeno disuelto, libera acidez manteniendo al metal activo. Los iones metálicos disueltos en la solución ácida encuentran la alcalinidad catódica en el borde de la gota y dan lugar a la precipitación de productos de corrosión, bajo la forma de anillo que separa el área de funcionamiento prevalentemente anódico de aquella a funcionamiento prevalentemente catódico. Si toda la superficie del metal fuera bañada por la solución, con el tiempo se tendría a los productos de corrosión precipitados y recubriendo toda la superficie del metal. Este es el aspecto común de un trozo de hierro con herrumbre. Con el ejemplo se pone en evidencia que el mecanismo electroquímico de la corrosión da origen a morfologías típicas. Para el caso explicado, el sistema en la fase inicial experimenta el efecto de diferencias estructurales de la superficie del metal, en las cuales se diferencian las áreas anódicas iniciales: en un segundo momento el sistema tiene el efecto de la diferencias de carácter geométrico (aireación diferencial) que determina la creación de áreas anódicas, en la zona central de la gota, donde el oxígeno llega más difícilmente a través de la solución. 3

CORROSIÓN DEL ACERO EN EL CONCRETO ARMADO Los aceros de baja aleación contienen pequeñas cantidades de elementos que mejoran el comportamiento a la corrosión, tales como el cromo, aluminio y en menor tenor el níquel, cobre y fósforo; dosificados oportunamente de manera que tengan un efecto benéfico sobre las propiedades de las superficies que se corroen; el molibdeno por ejemplo reduce la susceptibilidad a corrosión localizada. Sin embargo, en los aceros al carbono, la resistencia a la corrosión es escasa y por lo tanto las estructuras en acero al carbono, deben ser adecuadamente protegidas. Afortunadamente, dentro del concreto, el acero se encuentra protegido. El concreto, con su ambiente altamente alcalino (rango de pH de 12 a 13), y baja conductividad eléctrica, 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. Sin embargo, esta capa se puede romper y facilitar el inicio de la formación de óxido de hierro, que produce la pérdida de adherencia entre el acero-concreto y se manifiesta como una delaminación y exfoliación de la superficie de las barras de acero. Además de la pérdida de adherencia, hay una reducción de la sección transversal del acero, reduciéndose su capacidad resistente. La corrosión electroquímica de los elementos consiste básicamente en la conexión eléctrica o electrolítica entre un cátodo y un ánodo. En relación con el acero embebido en el concreto, las barras de refuerzo actuarán como un conductor eléctrico y el agua en los poros de la pasta actuará como electrolito. Durante el proceso de corrosión, el oxígeno es consumido y genera los productos de corrosión; el agua se necesita para permitir que el proceso de corrosión se mantenga y continúe, su presencia se relaciona con la generación de óxido férrico. La corrosión del acero de refuerzo dentro del concreto se ve influenciada fundamentalmente por dos factores: 1. La carbonatación del concreto produce la pérdida de pH del concreto y reduce su alcalinidad. Su avance es lento y progresivo hacia adentro desde la superficie expuesta del concreto, y asalta al 1 acero de refuerzo causando la corrosión . 2. La presencia de cloruros en el concreto, que provocan la ruptura de la capa pasiva de protección del acero. Al romperse esta protección, el acero será susceptible de reaccionar con el aire y oxidarse. Los cloruros en el concreto pueden ingresar durante su fabricación o penetrar disueltos 2 en agua de mar, deshielos o la exposición a sales descongelantes . La carbonatación del concreto La carbonatación es un proceso químico natural, donde el dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio con alto pH, presente en la mezcla del cemento, a carbonato de calcio, que tiene un pH más neutral. El resultado de la carbonatación es una reversión del hidróxido de calcio a carbonato de calcio (piedra caliza) que tiene insuficiente 3 alcalinidad para soportar la capa pasiva de óxido . Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Cuando progresa la carbonatación hacia la profundidad del refuerzo, la capa de óxido protectora y pasivadora deja de ser estable. A este nivel de pH (por debajo de 9.5), es posible que empiece la 4 corrosión, resultando finalmente en el agrietamiento y astillamiento del concreto .

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Rick Montani. La carbonatación, enemigo olvidado del concreto. Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. Revista Construcción y Tecnología. Diciembre 2000. http://www.imcyc.com/revista/2000/dic2000/carbonatacion.htm (consulta 27.05.2010) 2 3 4

Rick Montani. Op. Cit. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonatation Rick Montani. Op. Cit.

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La difusión del dióxido de carbono a través de los poros de concreto pueda requerir años antes de que ocurra el daño por corrosión. Por ello, el tiempo requerido para que la zona carbonatada alcance el nivel del refuerzo es función del espesor de la cobertura de concreto, de la porosidad del concreto, el nivel de 5 humedad y el grado de exposición al gas de dióxido de carbón. En general, se ve favorecida, en gran 6 medida, por el contenido de humedad y la permeabilidad del concreto . La manera más fácil de detectar la carbonatación en una estructura es romper un pedazo de concreto (preferentemente cerca de un borde) en donde se sospeche que hay carbonatación. Después de soplar todo el polvo residual del espécimen o del substrato, se pulveriza una solución de 1 o 2 por ciento de fenolftaleína en alcohol sobre el concreto. Las áreas carbonatadas del concreto no cambiarán de color, 7 mientras que las áreas con un pH mayor de 9 a 9.5 adquirirán un color rosado brillante . Por otro lado, la absorción de las sales establece áreas anódicas y catódicas; la acción electrolítica resultante conduce a una acumulación de producción de la corrosión sobre el acero, con la consecuente ruptura del concreto que lo rodea, de tal manera que los efectos se agravan. Ataque por cloruros en el concreto Como ya se ha referido anteriormente, la pasta de cemento no carbonatada tiene un pH mínimo de 12.5 y el acero de refuerzo no se corroe en esa circunstancia, fundamentalmente por la presencia de una película pasivante microscópica de óxido que evita su disolución anódica. No obstante, si el pH disminuye a menos de 10, puede iniciarse la corrosión. Cuando el pH disminuye a niveles de 8 o 9, se da al proceso de corrosión del acero. La presencia de humedad y los iones cloruro disueltos en agua en niveles por encima de 0.2 por ciento relativos a la masa 8 de cemento, aceleran la corrosión . El resultado principal y más grave de la acción de los cloruros sobre el acero de refuerzo lo constituye la corrosión acelerada que éste sufre a consecuencia de su acción como catalizador en el proceso electrolítico de oxidación del acero. En el concreto nuevo que tiene un pH de 12 a 13, se requieren aproximadamente de 7,000 a 8,000 partes por millón (ppm) de cloruros para comenzar la corrosión del acero ahogado. Sin embargo, si el pH baja a un rango de 10 a 11, el umbral de cloruro para la corrosión es significativamente menor -100 ppm o 9 menos- . Los cloruros pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla de concreto fresco (disueltos en los agregados, en los aditivos o en el agua). Se refieren como cloruros totales calculados y se expresan como el porcentaje de ion cloruro respecto al peso de cemento. Los cloruros totales en el concreto se pueden subdividir químicamente en ligados y libres. Los cloruros ligados son los que están íntimamente asociados al cemento hidratado y no son solubles en agua, por lo 10 que no causan corrosión. Los cloruros libres son responsables de la corrosión del acero de refuerzo . Actualmente, no es posible calcular con precisión la proporción de los cloruros libres en relación con el contenido total de cloruros, ya que varía con los cambios en el contenido de cloruros totales. Girón sugiere que, dado que el cloruro libre es soluble en agua, se lo puede extraer y así determinar su proporción. 5

La reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa en el concreto se encuentra entre 50% y 55%. A humedad más baja, no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima de 75%, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente con agua. Aunque esto permite la disolución de hidróxido de calcio, limita el ingreso del dióxido de carbono. 6 7

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Rick Montani. Op. Cit. Campbell, D.H., R.D. Sturm y S.H. Kosmatka, "Detecting Carbonation", Concrete Technology Today, marzo de 1991. Girón, Humberto. Ataque por cloruros en el concreto. Rick Montani. Op. Cit.

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Girón, Humberto. Op. Cit.

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La carbonatación libera cloruro ligado, mientras que la presencia de sulfatos la impide hasta cierto punto; la reacción entre el cloruro y el aluminato tricálcico incrementa así los cloruros libres. El contenido de C3A en el cemento forma un complejo insoluble, hidrato de cloroaluminato de calcio, el cual inhibe cierta proporción de los cloruros totales y disminuye así el riesgo de corrosión. Sin embargo, en un ambiente con presencia de sulfatos y cloruros, los iones sulfato alteran ese complejo debido a la formación preferencial de hidrosulfoaluminato de calcio, lo que resulta en la liberación de algunos cloruros ligados que quedan así disponibles para la corrosión del acero. Un proceso similar de liberación de cloruros se genera bajo la acción del dióxido de carbono presente en la atmósfera, ya que también puede descomponer los hidratos de cloroaluminato. RECOMENDACIONES EN EL CONCRETO ARMADO Cuidar la colocación de acero limpio, sin trazas de oxidación durante su manipulación en obra. Dejarlo en la tierra o expuesto al ambiente desde que es adquirido hasta el momento en que se coloca produce una ligera reacción con el oxígeno. Fabricar un concreto de buena calidad, que tenga posibilidades bajas de carbonatación y baja permeabilidad, que impida el ingreso de cloruros. La relación a/c es uno de los parámetros que mejor contribuyen a estos resultados. Una relación a/c menor a 0.5 reduce el ritmo de carbonatación del acero; y un a/c menor a 0.4 contribuye a un concreto tan denso que minimiza la penetración de cloruros. Fabricar el concreto con compactación apropiada por vibración, uso de puzolanas tales como ceniza volante o humo de sílice y curado apropiado. Limitar el uso de ingredientes que contengan cloruros, en el agua, en los agregados, etc. Usar un recubrimiento adecuado. Limitar los defectos de superficie. Los pequeños hoyos pueden, a veces, dar como resultado la pérdida de 12 mm o más del recubrimiento protector del concreto. Si ha de usarse un recubrimiento protector anticarbonatación, los pequeños hoyos y otros defectos de la superficie deben rellenarse primero con un 11 "mortero nivelante" para evitar roturas en el recubrimiento protector .

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Rick Montani. Op. Cit.

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