Tesis Corrosion - Puno
Tesis Corrosion - Puno
Tesis Corrosion - Puno
TESIS
Autores:
Bach. En ing. Civil: Hugo Frank MAMANI QUISPE
Bach. En ing. Civil: Rony Ivn CONDORI CARRIZALES
JULIACA PERU
2013
Universidad andina
Nstor Cceres Velsquez
Juliaca Per
TESIS DE GRADO:
AUTORES:
Bachiller En Ingeniera Civil. Hugo Frank MAMANI QUISPE
Bachiller En Ingeniera Civil. Rony Ivn CONDORI CARRIZALES
ASESOR:
ING. HIPOLITO
JURADOS:
PRESIDENTE
PRIMER MIEMBRO
SEGUNDO MIEMBRO
Trabajo de grado, modalidad tesis de grado, presentado como requisito parcial para optar
el titulo de ingeniero civil.
JULIACA PER
2013
INTRODUCCIN
En los inicios del siglo pasado la corrosin en los puentes fue atribuida a la accin o
influencia de las lneas o campos elctricos generados por los vehculos. Fue hasta los
aos 50s, en los Estados Unidos, que finalmente se acept que los problemas de corrosin
en los puentes no eran producidos por lneas elctricas, pero la sal marina y de deshielo
estaban presentes con frecuencia en esas reas.
En la dcada de los 60s se hicieron esfuerzos por cuantificar el problema y en los 70s
los primeros sistemas de proteccin catdica fueron instalados para tratar el problema. En
los 60s en Europa y Medio Oriente, era comn y aceptable el uso agua de mar y la
CAPITULO I: EL PROBLEMA
1.1.
OBJETIVOS
Objetivo General.
-
Objetivos Especficos
-
1.4.
JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION
LIMITACIONES
SISTEMA DE HIPOTESIS
Hiptesis General
SISTEMA DE VARIABLES
VARIABLE INDEPENDIENTE
-CORROSION DEL ACERO DE REFUERZO:
a.- POR LA FUNCIN Q CUMPLE: Independiente
b.- POR SU NATURALEZA: Activa
c.- POR EL MTODO DE ESTUDIO: cuantitativo y cualitativo
INDICADORES
VARIABLE DEPENDIENTE
PERIODO DE VIDA UTIL DEL CONCRETO ARMADO.
a.- POR LA FUNCIN QUE CUMPLE: Dependiente
b.- POR SU NATURALEZA: Pasiva
c.- POR EL MTODO DE ESTUDIOS: cuantitativa
INDICADORES
-
1.8.
MARCO METODOLOGICO
NIVEL DE INVESTIGACIN
Por su naturaleza es el tipo de investigacin del presente proyecto es EXPLICATIVA
Porque explicaremos el porqu de los hechos mediante el establecimiento de de relaciones
causa-efecto, entre el clima y la corrosin del acero de refuerzo en el concreto armado.
DISEO DE LA INVESTIGACIN
1.1)
Figura 1.1.- Celda electroqumica o celda de Daniell.
Como puede apreciarse, en una celda electroqumica son indispensables los siguientes
elementos:
+ ne-
n+
(1.1)
+ ne-
n+
(1.2)
(1.3)
Los dos electrones (2e-) creado en la reaccin andica deben ser consumidos en otros
lugares sobre la superficie de acero para preservar neutralidad elctrica. En otras palabras,
no es posible para grandes cantidades de carga elctrica estar en un solo lugar sobre el
acero; otra reaccin qumica debe consumir los electrones.
Esta es una reaccin que consume agua y oxgeno:
Reaccin catdica:
HO + 1/2O + 2e- 2OH-
(1.4)
Esto se ilustra en la figura 1.3. Se observa que iones hidroxilo (2OH-) son generados en la
reaccin catdica. Estos iones aumentaran la alcalinidad y por lo tanto la resistencia de la
capa pasiva, alejando los efectos de la carbonatacin y los iones de cloruro en el ctodo.
Ntese que el agua y el oxgeno son necesarios en el ctodo al ocurrir la corrosin. La
reaccin andica y catdica (1.3 y 1.4) son slo los primeros pasos en el proceso de
creacin de corrosin. Sin embargo, este par de reacciones es vital para la comprensin de
corrosin y es ampliamente citada en cualquier debate sobre prevencin de la corrosin
del acero en el concreto (Richardson, 2002). Estas reacciones se har referencia a menudo
en este trabajo recepcional.
(1.6)
2.2. EL CONCRETO
2.1 Propiedades.
Cemento
Uso
Tipo I
Tipo II
Tipo III
Tipo IV
Tipo V
CPC
Cemento Portland con Humo de Slice
CPS
CEG
Resistencia normal.
Es la resistencia a la compresin a los 28 das. La clase resistente de un cemento de
acuerdo con la resistencia normal se indica por la designacin del tipo de cemento, seguida
por los valores 20, 30 40.
Resistencia Rpida.
Es la resistencia a la compresin a los 3 das. Para especificar que un tipo de cemento
debe cumplir con una resistencia rpida se le agrega la letra R despus de la clase. Slo se
definen valores de resistencia rpida para 30 R y 40 R.
Tabla 2.3.- Clasificacin por resistencia a la compresin.
Resistencia a la compresin N/mm
3 das
28 das
Clase
Mnimo
Mnimo
20
20
40
30
30
50
30R
20
30
50
40
40
40R
30
40
Resistente
Mximo
Descripcin
Resistente a los sulfatos
Baja Reactividad lcali-Agregado
BCH
Blanco
Frmula
Silicato diclcico(belita)
2CaO.SiO
CS
Silicato triclcico(alita)
3CaO.SiO
CS
Aluminato triclcico
3CaO. AlO
CA
Ferrialuminato tetraclcico
Aluminoferrito tetraclcico
Forma Abreviada
4CaO. AlO
CAF
FeO
deterioro.
A las reacciones qumicas que se llevan a cabo entre los componentes del cemento y el
agua se les conoce con el nombre de hidratacin. Estos productos de hidratacin, con el
paso del tiempo, producen una masa firme y dura llamada pasta de cemento endurecida.
Los productos de hidratacin del cemento poseen baja solubilidad en agua, como lo
demuestra la estabilidad de la pasta del cemento endurecida en contacto con el agua (Tabla
2.6).
La velocidad de hidratacin disminuye continuamente, de modo que, an despus de
transcurrido mucho tiempo permanece una buena cantidad de cemento deshidratado.
Las reacciones que se llevan a cabo son:
Componente
Productos de Hidratacin
(3CaO*SiO2) + 6H2O
3CaO*2SiO2*3H2O + 3Ca(OH)2
3CaO*2SiO2*3H2O + Ca(OH)2
2(2CaO*SiO2) + 4H2O
Silicato diclcico + agua
4Ca*Al2O3*Fe2O3 + 10H2O+
2Ca(OH)2
Ferrialuminato tetraclcico +agua
+ hidrxido de calcio
3CaO*Al2O3+12H2O+Ca(OH)2
Aluminato triclcico + agua +
hidrxido de Calcio
3CaO*Al2O3+10H2O+CaSO4*2H2
O
Aluminato triclcico + agua + yeso
6CaO*Al2O3*Fe2O3
Ca(OH)2*12H2O Ferrialuminato
tetraclcico Hidratado
3CaO*Al2O3*Ca(OH)2*12H2O Aluminato
triclcico hidratado
3CaO*Al2O3*CaSO4*12H2O
Monosulfoaluminato clcico
Como se observa, la hidratacin de los silicatos clcicos del cemento forma molculas
voluminosas que consumen agua y liberan Ca (OH)2, mientras que los aluminatos
La Figura 2.2 muestra de los poros que se pueden hallar presentes en el concreto.
Los poros de mayor tamao son los que influyen en la durabilidad del concreto, porque a
travs de stos acceden agentes agresivos que pueden iniciar un ataque al elemento
metlico embebido y causar corrosin.
2.3. MECANISMOS DE CORROSIN EN EL CONCRETO ARMADO.
Durante el periodo de iniciacin los agentes agresivos llegan a la superficie del metal e
inician el proceso de corrosin. Los agentes ms comunes son los iones cloruro y la
neutralizacin de la pasta de concreto conocida como carbonatacin.
La proteccin del acero se puede perder:
Por prdida de la alcalinidad del concreto. Esto ocurre cuando el concreto, por accin del
CO2 del aire, se carbonata, segn la reaccin:
CO2 + Ca (OH)2 CaCO3 + H2O (3.1)
En este proceso, el cemento hidratado reacciona con las soluciones acuosas formadas por
los gases atmosfricos cidos (el dixido de azufre y el dixido de carbono), en
condiciones de humedad. Las soluciones acuosas de dixido de azufre tendern a
disolver la superficie de concreto, pero suelen representar slo un problema superficial.
Sin embargo, el dixido de carbono penetra en el concreto por difusin y, en presencia de
humedad, reacciona con el cemento para formar carbonato clcico, lo que elimina los
iones hidroxilo de la solucin de los poros, reduciendo as el pH del hormign.
CO2
.2)
Na2CO3
2NaOH
Ca
(OH)2
CaCO3
Na2CO3
(3
+
2NaOH
(3
.3)
3Na2CO3 + 3CaO.2SiO2.3H2O 3CaCO3 + 6SiO2 + 6NaOH + 6H2O
(3
.4)
Na2CO3 + CaO.Al2O3.8H2O CaCO3 + 2Al (OH)3 + 2NaOH + 4H2O
(3
.5)
3.2 Carbonatacin.
El pH del concreto puede cambiar por el ingreso de diversas sustancias desde el medio
ambiente. Estas sustancias son principalmente el CO que se encuentra de manera natural
en el aire y el SO3 que se produce de la combustin de combustibles fsiles. De
estos, el CO2 en el aire es de mayor importancia, de ah el nombre de carbonatacin.
(Richardson, 2002).
Inicialmente el CO no es capaz de penetrar profundamente dentro del concreto, debido a
que reacciona con el grosor del concreto superficial (Fig. 3.3) de acuerdo con la
siguiente reaccin:
H O CO + Ca (OH) CaCO3 + HO
Dando como resultado un cambio en el pH:
(3.6)
pH = 12.5 a 13.5 pH 9
Figura 3.5.- Poros en el concreto: a) Poro seco, b) Poro saturado de agua, c) Poro
parcialmente lleno.
La carbonatacin se presenta comnmente en medios rurales y con mayor incidencia en
zonas urbanas, en las que se alcanzan grandes concentraciones de xidos sulfurosos (SOx)
y nitrosos (NOx), que son combinados con el agua de la humedad ambiental formando
los respectivos cidos sulfurosos y nitrosos. En zonas de alta contaminacin
ambiental y altas precipitaciones pluviales, el pH llega a tomar valores cercanos a 4, lo
que se conoce como lluvia cida, que afecta las estructuras de concreto de la misma forma
que la carbonatacin.
3.3 Cloruros.
La corrosin inducida por cloruro se presenta en nuestro pas en estructuras expuestas
al medio marino. Los iones cloruro estn presentes en el agua de mar, pero es posible que
tambin los desplace el viento de la brisa marina a la zona costera y los deposite en
estructuras de concreto cercanas a la lnea de mar. Otra fuente de cloruros es en el agua de
amasado, lo cual aumenta el alto riesgo de corrosin.
De acuerdo al modelo de vida til, tambin es necesario que los iones cloruro avancen
desde el exterior hasta llegar al nivel de la varilla. Una vez que llegan al acero, se
acumulan hasta alcanzar una concentracin crtica, la cual tiene la capacidad de
romper la estabilidad de la capa pasiva y dar inicio al proceso de corrosin.
Los iones cloruro pueden estar presentes en el concreto de tres maneras: enlazados,
adsorbidos y disueltos en el agua que se conserva en los poros, lo que constituye la
disolucin poro. La figura 3.8 ilustra los tres casos, e indica los equilibrios que se
establecen para los cloruros en el concreto. (Richardson, 2002).
En cuanto al tiempo que tardan los cloruros en llegar al acero en una estructura ya
construida, lo importante es averiguar a qu profundidad han penetrado en el momento de
hacer la inspeccin, ya que el recubrimiento de concreto debe ser superior a la
profundidad que sean capaces de alcanzar estos iones en el tiempo previsto de vida til de
la estructura.
La velocidad de avance de los cloruros es, en general, una funcin de la raz cuadrada
del tiempo ya que, en general, tanto los procesos de difusin pura, como los de absorcin
capilar, siguen una ley potencial.
XC = KC * t
XC1 (t)=KC*t1
XC2 (t)=KC*t2
Si se determin que, para el momento t de la medicin, el umbral crtico se present a x
mm de profundidad, ser posible estimar cunto tiempo tardar en alcanzarse el umbral
crtico para el espesor de recubrimiento.
Si se asignan valores numricos a estos parmetros, suponiendo que la evaluacin se
realiz a la edad de 10 aos, el espesor del recubrimiento es 25 mm y el umbral crtico
se alcanz a los 18 mm, dividiendo miembro a miembro ambas ecuaciones y despejando
t2, queda:
t2 = (25/18) x 10aos = 19aos
A los 19 aos, desde que se ejecut la obra, se alcanzar el contenido crtico de iones
cloruro en la posicin de las armaduras. Este dato nos permitira efectuar tareas de
mantenimiento preventivo sobre una base racional. (Revista Cemento).
Figura 3.9.- Representacin doble logartmica de la ley de la raz cuadrada del tiempo: el
valor de K se manifiesta en lneas paralelas de pendiente 0.5.
En cuanto al lmite para la despasivacin, puede ser lgicamente diferente en el concreto
endurecido que en el fresco, aunque los cdigos no abordan este problema y se considera
el mismo lmite para las dos circunstancia. Sin embargo, se ha detectado que muchos
concretos soportan cantidades muy superiores a este lmite sin que las armaduras
muestren signo alguno de corrosin.
Ello es debido a la influencia de factores como el potencial elctrico del acero (que refleja
el contenido en oxgeno entre otras circunstancias) y el pH de la solucin de los poros
(relacin Cl-/OH-).
Esta seccin explica las tcnicas de evaluacin ms importantes, as tambin, sus alcances
y limitaciones y los recursos necesarios para llevarlas a cabo. A continuacin se presenta
una tabla conteniendo las principales tcnicas de evaluacin.
TECNICAS DE
EVALUACION.
PERSONA QUE
EJECUTA
General.
Profundidad de
carbonatacin.
Fenolftalena.
General.
Presencia de cloruros.
Extraccin de muestras
para anlisis de laboratorio.
General/Especialista.
General/Especialista.
Fisuracin
Delaminacin de la superficie del concreto.
Manchas de cal en la superficie del concreto.
Presencia de salitre.
Manchas de oxido.
Cambios de propiedades: color, textura o resistencia.
Filtraciones en juntas: por agua o agua contaminada.
Abrasin: prdida de masa progresiva de la superficie del concreto.
Exposicin a malas condiciones ambientales.
a)
b)
c)
Figura 4.1.- Principales daos a detectar: a) oxidacin, b) humedad, c) fisuras.
cloruros totales y la norma ASTM C1218 para cloruros libres en el concreto. Para
determinar los cloruros totales, se toma una muestra de 20 g de concreto y se procede a
pulverizarlo y pueda pasar por el tamiz de 850 m (#20). Se homogeniza la muestra y se
utiliza 10 g para realizar la determinacin. Se diluye la muestra en 75 ml de agua; se
aaden 25 ml de acido ntrico diluido (1:2). Si huele a sulfuro de hidrogeno, se aaden 3
ml de perxido de hidrogeno (solucin de 30%). Se aade indicador de anaranjado de
metilo y se agita. Se cubre el recipiente y se deja reposar durante 1 2 minutos. Si
aparece una coloracin amarilla o amarilla anaranjada sobre los slidos precipitados, la
solucin no es suficientemente acida, por lo que hay que aadir ms acido ntrico diluido,
agitando a la vez, hasta que queda un color rojo o rosa. Entonces hay que aadir 10 gotas
ms. Calentar hasta ebullicin, manteniendo el recipiente tapado. A continuacin se
filtra la solucin y se deja enfriar. Se valora por potenciometra por nitrato de plata
(Bermdez, 2007).
Para determinar los cloruros libres, se toman 20 g de la muestra de concreto y se pulveriza
hasta que pueda pasar por el tamiz de 850 m (#20). Se homogeniza la muestra, y se
utiliza 10 g para realizar la determinacin: se aaden 50 ml de agua y se hierve durante 5
minutos. Se deja reposar 24 hrs, se filtra y se aaden 3 ml de acido ntrico concentrado
(1:1) y 3 ml perxido de hidrogeno (solucin al 30%; para evitar la interferencia de los
sulfuros. Se hierve unos segundos, y se valora por potenciometra con nitrato de plata
(Bermdez, 2007).
Cobre/Sulfato
de Cobre
> -200mV
Plata/Cloruro
de Plata/4M
KCl
>-106mV
Electrodo
Standard de
Hidrgeno
>+116mV
+116mV a
-34mV
<-350mV
< -256mV
< -34mV
Calomel
Cloruro de
Mercurio
>-126mV
-126mV a
Condicin de
la Corrosin
Bajo(10% riesgo
de corrosin
Intermedio
riesgo de
corrosin
-276mV
<-276mV
Alto(<90%
riesgo de
corrosin
<-500mV
< -406mV
< -184mV
< -426mV
Corrosin
Severa
Esta es una funcin de la medida en que el acero esta en despasivacin, es decir, la accin
de la carbonatacin alrededor del acero o la presencia de cloruro suficiente para romper la
capa pasiva, y la presencia de oxgeno para mantener la capa pasiva. Sin oxgeno, el hierro
se disuelve pero permanecer estable en la solucin mientras no hay ninguna reaccin
catdica de compensacin, por lo que el potencial puede ser muy negativo. Sin embargo,
el ndice corrosin ser bajo. Pero puede haber un potencial muy grande (negativo) en una
media celda standard.
El procedimiento para la evaluacin de la corrosin del acero de refuerzo embebido en
concreto est contenido en la Norma ASTM-C 876-91, la cual establece criterios que
relacionan al potencial de corrosin y su condicin de corrosin, mostrados en la tabla
anterior.
Clasificacin
A1
2) En suelos no agresivos
A2
3) En suelos agresivos
A1
B1
A2
2) Ligeramente agresivos
B1
3) Agresivos
B2
B1
B2
B2
B2
Sumergida permanentemente
B2
1 Se deben considerar agresivos los suelos permeables con pH < 4.0 o con agua fretica
que contiene ms de un gramo (1 g) de iones de sulfato por litro. Suelos ricos en sales
con pH entre 4 y 5 deben considerarse como clasificacin de exposicin C;
2 Cuando se emplee en aplicaciones industriales, se deben considerar los efectos sobre el
concreto de los procesos de manufactura que all se realicen; en tales casos se puede
requerir una reclasificacin de la exposicin a D;
3 La frontera entre los diferentes ambientes exteriores depende de muchos factores los
cuales incluyen distancia desde la fuente agresiva, vientos dominantes y sus intensidades;
4 Para establecer las caractersticas de dureza del agua se requiere analizarla
(ASTM E 1116).
A1
30
25
25
20
20
20
15
A2
50
40
35
30
25
25
20
B1
65
50
40
35
30
30
25
B2
50
45
40
35
30
70
65
Tabla 4.3.- Contenido mximo de iones cloruro para la proteccin contra la corrosin del
refuerzo (ACI 318).
Tipo de elemento
Concreto preesforzado
0.06
0.15
1.00
0.30
Tabla 4.4.- Valores mximos de contenido de ion cloruro en el concreto al momento del
colado (RCDF).
Tipo de miembro
Concreto preesforzado
Concreto reforzado expuesto a humedad
o a cloruros en condiciones de servicio
Concreto reforzado que estar seco o
protegido de la humedad en condiciones de
servicio
1.6
4.4 Fisuras.
El riesgo de corrosin en el acero has sido continuamente relacionado al ancho o tamao
de las fisuras en el concreto. En aos pasados, las normativas solo recomendaban un
lmite mximo para este parmetro que variaba, desde 0.3 mm para elementos interiores en
ambiente no agresivo, hasta 0.1 mm para exposicin en ambientes agresivos. Tiempo
despus, otros estndares ms detallados fueron publicados para tomar en cuenta el tipo
de acero de refuerzo y el hecho que el tamao de la agrieta podra variar con el tiempo.
Se debe comprender que las fisuras o grietas en las estructuras de concreto pueden tener
diferentes orgenes y caractersticas.
Actualmente, un vasto nmero de experimentos muestran que no hay una precisa
correlacin entre el tamao de la fisura (mientras sea menor de 0.5 mm) y el riesgo
de corrosin. Este riesgo depender de muchos factores tales como la condicin
ambiental y las propiedades del concreto (descritos anteriormente), y determinaran el
comportamiento de la corrosin de en acero aun cuando no haya grietas. Generalmente, si
el tamao de la fisura es pequea (talves menor de 0.30.5 mm), despus de iniciarse la corrosin, el avance de esta es lento.
Este captulo discutir las tcnicas disponibles para que los ingenieros puedan proteger las
estructuras de concreto reforzado corrodas.
Todos estos tratamientos son aptos para tratar el acero de refuerzo. A pesar de esto, el paso
de altos niveles de corriente elctrica pueden tener efectos adversos en el concreto y en el
acero. Estos tratamientos solo pueden ser aplicados con demasiado cuidado a estructuras
que contienen acero pretensado y estructuras que sufren de reactividad lcali-slica.
7.1 Proteccin catdica.
La proteccin catdica es una tcnica que se emplea desde el siglo antepasado (XIX), Sir
Humpherey Davy desarroll en 1824 una forma de proteger los cascos de cobre de los
barcos, empleando nodos de hierro. Por tal razn se considera el padre la proteccin
catdica. Despus de esto se continu la investigacin sobre la proteccin catdica, por
lo que en 1840 Robert Mallet produjo una aleacin de Zn muy adecuada para nodos de
sacrificio (SCT, 2006).
La primera aplicacin de proteccin catdica por corriente impresa o inducida, para la
proteccin de estructuras enterradas se efecto en Inglaterra y en Estados Unidos; desde
entonces, el empleo de la proteccin catdica se ha usado con xito, extendiendo su
aplicacin por todo el mundo.
Sin embargo, no fue sino hasta 1970 cuando esta tcnica a emplear en estructuras de
concreto reforzado, ya que se considera la nica capaz de detener el proceso de corrosin,
aun en condiciones elevadas de cloruros y con deterioros muy avanzados en las
estructuras.
La proteccin catdica se considera el nico mtodo de verdadero control de la corrosin
al permitir que la estructura se comporte como ctodo, llegando a disminuir la velocidad
de corrosin. El gran desarrollo de esta tcnica a llevado a crear organizaciones para
controlar la corrosin como la NACE (National Association of Corrosion Engineers).
La proteccin catdica es una tcnica que funciona produciendo un flujo de corriente
directa (CD) de una fuente externa a la estructura metlica a proteger (ctodo). Para que el
sistema funcione correctamente, la corriente debe descargarse del nodo al electrolito; al
descargar la corriente, el nodo se corroe.
Existen dos tipos de proteccin catdica: por corriente inducida y por nodos de sacrificio.
Estos dos tipos se estudiarn en este captulo.
7.1.1. Proteccin catdica por corriente impresa.
La proteccin catdica por corriente impresa trabaja haciendo pasar una pequea corriente
directa (CD) desde un nodo permanente colocado sobre la superficie o dentro del
concreto. La fuente suministra corriente desde el nodo hacia el acero
para forzar a la reaccin andica a detenerse:
+
Fe Fe+ 2e- (7.1)
Y hace que la reaccin catdica sea la nica que ocurra en la superficie del acero.
Entonces la reaccin catdica ocurrir a travs del acero:
An as, otra reaccin puede llevarse a cabo si el potencial se vuelve muy negativo:
HO + e- H + OH- (7.3)
Por lo tanto podemos ver que existen tres factores que deben ser tomados en cuenta
cuando se controla un sistema de proteccin catdica (Broomfield, 2007):
1.- Debe existir suficiente flujo de corriente para disminuir las reacciones andicas y
detener o restringir el ndice de corrosin.
2.- La corriente debe permanecer tan baja posible para minimizar la acidificacin
alrededor del nodo.
3.- El acero no debe exceder el potencial de evolucin del hidrgeno, especialmente para
acero pretensado, para reducir el debilitamiento por hidrgeno.
Una buena definicin de una proteccin catdica efectiva es el reducir el potencial de los
ctodos al nivel del de los nodos, esto es, deteniendo el flujo entre las reas andicas y
catdicas.
Otra manera de ver tericamente la proteccin catdica es observar el diagrama de
Pourbaix para el acero en solucin de cloruros. Este muestra que hay condiciones donde el
acero se corroe, y reas donde la formacin de xidos protectores y un rea de inmunidad
a la corrosin dependiendo del pH y el potencial del acero. Idealmente se quisiera
reducir suficientemente el potencial para alcanzar la zona inmune. En la prctica esto no
se logra por razones que sern descritos posteriormente.
Como sabemos, existen dos formas de proteccin catdica, por corriente impresa o
inducida y por nodos de sacrificio. La primera ya fue descrita en la seccin anterior y
es el sistema usado comnmente para estructuras de concreto reforzado en exposicin
atmosfrica. El mtodo alterno es conectar directamente el acero a un nodo de sacrificio
como el zinc, sin usar una corriente inducida. Estos nodos se corroen, liberando
electrones con el mismo efecto que el sistema
de corriente impresa (Broomfield, 2007):
Este mismo fenmeno es usado en el galvanizado donde una cubierta de zinc es aplicada
sobre el acero a corroerse, protegindolo. An as, la principal restriccin en este sistema
es que el zinc solo puede conducir un voltaje pequeo cuando se combina con acero. Esto
es alrededor de 1000 mV para acero en corrosin.
Mientras que un sistema galvanizado coloca los dos metales en contacto directo, con la
proteccin catdica con nodos de sacrificio existe un electrolito para transportar la
corriente.
La resistencia del electrolito es muy importante para el funcionamiento del sistema PCAS.
La resistividad del concreto en tierra (sin ser expuesto a accin marina) es alta, comparada
con el concreto continuamente expuesto al agua marina, existen electrolitos no
cementantes donde los nodos de sacrificio de zinc son comnmente usados. La baja
resistividad es esencial para una efectiva PCAS. Esta resistividad puede aumentar por la
formacin de xidos mientras el nodo de sacrificio se corroe.
Caractersticas de un nodo de sacrificio (SCT, 2001):
hidrgeno.
3. El metal debe tener un elevado rendimiento elctrico, expresado en amperes- hora por
kg (A-h/kg), lo que constituye su capacidad de drenaje de corriente.
4. En su proceso de disolucin andica, la corrosin deber ser uniforme.
5. El metal debe ser de fcil adquisicin, y poderse fundir en diferentes formas y tamaos.
6. Bajo costo.
Reaccin
Au3+ + 3e- Au
Pt2+ + 2e- Pt
1,500
Hg2+ + 2e- Hg
Ag2+ + 2e- Ag
Cu2+ + 2e- Cu
0,857
H2+ + 2e- H2
Fe3+ + 3e- Fe
0,000
1,190
0,799
0,337
-0,036
Ni2+ + 2e- Ni
Fe2+ + 2e- Fe
Zn2+ + 2e- Zn
-0,250
Mg2+ + 2e- Mg
-2,370
-0,990
-0,762
Los elementos que comnmente se emplean para evitar que el acero de refuerzo sufra
dao por corrosin son el zinc y el magnesio; ya que como se observa en la serie
electromotriz, sus potenciales de media celda se encuentran por debajo del potencial del
fierro. (SCT, 2006).
Ya se seal que en este tipo de sistemas, debido a que la cantidad de electrones que se
suministra al ctodo est controlada slo por la cantidad de elemento activo que
acta como nodo, es necesario que el electrolito tenga una resistencia baja al paso de
corriente para que el proceso sea eficiente.
Lo anterior es difcil que se presente en el concreto, por lo que este tipo de sistemas se ve
limitado a situaciones de altos niveles de humedad en puentes y en estructuras metlicas
expuestas al medio ambiente.
Tabla 7.2.- Ventajas y desventajas de los sistemas de proteccin catdica. (SCT, 2006).
nodos De Sacrificio
Corriente impresa
VENTAJAS
Fcil de instalar
5 amperios
Resistividad elctrica ilimitada
Amperaje limitado
Los sistemas de zinc metalizado ofrecen muchas ventajas sobre los mtodos
convencionales de control de la corrosin, ya que tienen un costo mnimo de reparacin
reduciendo la remocin de concreto contaminado con cloruros, proporcionando una
efectiva proteccin contra la corrosin del acero de refuerzo en estructuras de concreto
contaminadas con cloruros.
Es el sistema con menor costo por ciclo de vida; requiere de un mantenimiento mnimo
durante el tiempo de vida del sistema; y los sistemas de sacrificio pueden ser convertidos
fcilmente a sistemas de corriente impresa, sin implicar un diseo de zonas complejas con
extenso cableado y requerimientos de monitoreo; puede ser protegido con una variedad de
recubrimientos finales para propsitos estticos y para maximizar la vida efectiva del
sistema. Se aplica a columnas, vigas y pilotes de puentes de concreto contaminadas por
iones cloruros, y en estructuras en contacto con sales anticongelantes o ambientes
marinos.
El funcionamiento es muy sencillo, ya que los nodos de zinc al tener una diferencia de
potencial con el acero; dado el ambiente marino y la alta humedad crea una reaccin
electroqumica entre ellos, que protege el acero hacindolo ctodo en el sistema. Existe
un tipo de nodos denominados genricamente bulk, los cuales tienen diferente
geometra y que se usan externamente en la proteccin catdica de tuberas enterradas.
(Bertolini, 2004).
La idea de este sistema es que los nodos instalados en la reparacin por parcheo se
corroan en forma sacrificada, y de esta manera reducir la potencia que pueda generar una
nueva corrosin en el acero de refuerzo. Como resultado se obtiene una vida de servicio
ms larga en la reparacin por parcheo. (SCT, 2006)
Este sistema consiste en un nodo galvnico embebido en el concreto, protegiendo el acero
en donde el concreto no ha sido removido. Dichos nodos estn constituidos por un ncleo
de zinc rodeado por una matriz activa de componentes cementantes. Una vez instalado,
el ncleo de zinc se corroer ejerciendo la proteccin catdica del acero de refuerzo. Se
ha indicado que estos nodos proveen una proteccin localizada contra la corrosin; son
efectivos en concreto carbonatado o contaminado con cloruros; son econmicamente
rentables, ya que extienden la vida de servicio (10 a 20 aos) en reparaciones por parcheo;
son de fcil instalacin, sin embargo, solo son adecuados para estructuras pequeas, pues
en grandes estructuras resulta un costo muy elevado.
formado por la corriente elctrica desde el acero hacia la superficie del concreto, donde se
encuentra situado el nodo exterior. Como resultado de la migracin de los iones disueltos
en la solucin porosa del concreto y de las reacciones que ocurren en los electrodos, hay
cambios en la concentracin de los iones que intervienen en la extraccin.
Este es uno de los factores ms importantes. Dentro del rea a ser reparada las densidades
de corriente ms altas sern las de las zonas donde la cubierta es ms delgada (la
resistencia entre el acero y el nodo es la ms baja). Esto significa que la eficiencia
de la EEC en el concreto de grosor variable ser ms baja en las zonas donde el
recubrimiento sea ms gruesa y relativamente alta en reas donde sea ms delgada. Es
importante prestar especial atencin en reas de baja resistencia porque puede haber
peligro que el electrolito externo toque directamente la superficie del acero. Por tanto, las
grietas y otros defectos deben ser sellados antes de comenzar el tratamiento de EEC.
Pasando grandes cantidades de electricidad a travs del concreto puede acarrear efectos en
la qumica y tambin en sus condiciones fsicas. Una coloracin marrn alrededor de la
barra de acero ha sido observada en especmenes donde grandes corrientes son usadas.
Niveles de corriente deben mantenerse en un rango menor de 2 Am -2. (Broomfield,
2007).
7.3 Realcalinizacin.
En ecuaciones anteriores vimos como el dixido de carbono reacciona con el agua para
formar cido carbnico el cual luego reacciona con el hidrxido de calcio para formar
carbonato de calcio. Este remueve los iones hidroxilo de las soluciones y el pH decae,
as que la capa pasiva se debilita y la corrosin puede presentarse.
La reaccin catdica (7.2) muestra que aplicando electrones al acero podemos generar
nuevos iones hidroxilos en la superficie del acero. Esto regenera la alcalinidad y
eleva el pH hasta alrededor de 12.
Los nodos usados son los mismos que los usados en la proteccin catdica o EEC. En la
regeneracin de iones hidroxilo, los investigadores afirman que usando electrolito de
Los tipos de nodo son similares a los usados para la EEC. La celulosa rociada es usada
por propietarios de los sistemas patentados con malla de acero o titanio recubierto. En la
realcalinizacin es ms apropiado usar el acero mientras el tiempo de tratamiento sea
corto y el acero es menos apropiado para ser consumido completamente.
7.3.2 Electrolitos.
1. stas tratan a un rea muy grande de una estructura, no solo parchando de de forma
inmediata las reas corrodas.
2. stas no dan lugar a problemas por nodos incipientes.
3. La reparacin del concreto en reas daadas es ms barato y fcil que las reparaciones
convencionales.
PCCI
PCAS
EEC
Realcalinizacin
Ventajas
Larga duracin, de
20-50 aos.
Sin suministro de
energa
Estndares y
especificaciones
disponibles
Mantenimiento
mnimo
Tratamiento
Tratamiento
completado de dos a completado de seis a
cuatro semanas
ocho semanas
Sin
mantenimiento
futuro
Sin cableado ni
equipos electrnicos
Sin
mantenimiento
futuro
Sin red elctrica
requerida
Desventajas
Suministro
Vida limitada del
Pocos
Pocos
permanente y constante nodo (15 +/-5 aos)
estndares y
estndares o
de energa
especificaciones an especificaciones an
disponibles
disponibles
Mantenimiento y
monitoreo regular
Sin estndares
publicados
Tiempo de vida
del tratamiento an
no definido
Tiempo de vida
del tratamiento an
no definido
4.3. REHABILITACION.
Una de las mayores cuestiones que todo propietario o encargado de una estructura, que
sufre carbonatacin o ataque por cloruros, es que forma de reparacin se debe llevar a
cabo. Como hemos visto en captulos previos, existen recubrimientos, selladores,
membranas, materiales de parcheo, reemplazo parcial o total del material, proteccin
catdica por corriente inducida o galvnica, remocin electroqumica de cloruros,
realcalinizacin e inhibidores de corrosin. Todos estos pueden ser aplicados en la
estructura que sufren diferentes grados de corrosin por ataque de cloruros o
carbonatacin o una combinacin de estos dos. Cada tratamiento tendr consecuencias
para los futuros requisitos de mantenimiento en la estructura, y tambin en la vida de
servicio ltimo de sta.
La solucin prctica para la mayora de los propietarios de estructuras corrodas ser tomar
el consejo necesario de un ingeniero civil asistente o especialista en estructuras de
concreto expuestas a la atmsfera. Los proveedores de materiales y aplicadores tambin
pueden asesorar acerca de sus sistemas particulares y as crear una conciencia acerca de la
reparacin efectiva de la estructura basada en el conocimiento local, experiencia y
disponibilidad de los materiales y sistemas.
Diferencias tcnicas entre opciones de reparacin.
Diferentes opciones de reparacin se adecuan a aplicaciones diferentes, an as, no existe
una clara metodologa, y el realizar una decisin de la tcnica o del costo resulta difcil ya
que cada estructura es diferente. Lo que es aceptable en un puente vehicular, no lo
puede ser en una subestructura o en un edificio.
En las tres figuras siguientes se ilustra una metodologa de reparacin. stas requieren
primero, una evaluacin de la estructura usando las tcnicas discutidas en al captulo 4,
luego escoger entre las opciones disponibles.
Rastros o huellas
de corrosin
Inspeccin
preliminar
Resultados del
anlisis
Estudio de
escritorio
Especificacin del
anlisis principal
Inspeccin
principal
Resultados del
anlisis
Salir
Es la
corrosin el
problema?
No
S
Carbonatacin?
Tratamiento de la
carbonatacin. Si se
presentan ambas,
tratar por cloruros
No
S
Cloruros?
Tratamiento de
cloruros
Figura 8.1.- Diagrama de flujo para la evaluacin de una estructura corroda previo la seleccin de la
reparacin. (Broomfield, 2007).
En todos los casos existe una opcin de hacer nada. Esto quiere decir que la corrosin
no es muy severa y los beneficios de esperar pueden ser mejores que los beneficios de
reparar y rehabilitar en ese momento. Esta opcin suele ser atractiva en muy pocas
veces ya que las implicaciones estructurales y de seguridad del avance de la corrosin
deben ser totalmente evaluadas y entendidas. Cual sea la opcin que se escoja, sus
mritos y limitaciones deben ser examinados como se hizo en los captulos 6 y 7.
Para la carbonatacin las opciones comunes son la reparacin por parchado con un
recubrimiento anticarbonatacin aplicado posteriormente y la realcalinizacin. La
realcalinizacin es muy difcil de realizar en estructuras preesforzadas. La
realcalinizacin (y todas las tcnicas electroqumicas) se vuelve menos costosa si existe
un gran nmero de barras de refuerzo no conectadas. La realcalinizacin se vuelve ms
costosa en grandes reas y las estructuras requieren de mucho tiempo para realizar una
siguiente intervencin o tratamiento mayor.
Una tercera opcin es disponible en forma de inhibidores de corrosin. stos pueden
ser aplicados en la superficie del concreto, en el rea a ser reparada y en el material para el
parchado.
101
Parcheo Cap.6
Posible revestimiento
Secc.6.3
Monitoreo Cap. 5
S
Vida
corta?
No
No
Mucho
acero
activo?
No
Continuidad
del acero
buena?
No
S
Considera
electroqumica?
S
Proteccin
catdica
galvnica
Secc. 7.2
Anlisis de
costo del
ciclo de vida
Realcalinizacin
electroqumica
Secc. 7.3
Reconsiderar
S
Preesforzado?
No
Electricidad
disponible a
costo
razonable?
Anlisis de
costo del
ciclo de vida
Proteccin
catdica corriente
impresa Secc. 7.2
Figura 8.2.- Diagrama de flujo para la seleccin del tratamiento para la corrosin por carbonatacin.
(Broomfield, 2007).
102
Parcheo y revestimiento.
Es competitiva
Pero las cuestiones principales a plantearse cuando se considera esta opcin son:
Cunto tiempo durar? Es ese tiempo compatible con los requerimientos
de la vida de servicio de la estructura?
Es posible y aceptable repetir el tratamiento si reaparece la carbonatacin al final de la
vida de servicio del tratamiento (por decir, despus de 10 aos)?
Existen problemas con mi estructura que no podran interactuar con el proceso de re
alcalinizacin?
Los requerimientos principales para la re alcalinizacin son:
Continuidad elctrica del
acero; Nivel razonable y uniformidad de conductividad del concreto fresco;
Sin
cortos circuitos metlicos (electrnicos) no deben estar presentes al nodo;
Sin riesgo
de provocar o acelerar reactividad lcali-slica; Sin riesgo de debilitamiento del acero
pretensado; Disponibilidad de energa elctrica para el periodo de tratamiento; Sin capas
que resguarden electricidad entre la superficie y el acero de refuerzo. (Bertolini, 2004).
Estos requerimientos pueden ser una extensin de la condicin de supervisin en forma de
una inspeccin muy prctica. Si existen problemas con la continuidad o cortos o parcheos
con alta resistencia elctrica, stos pueden ser tratados pero el costo debe ser analizado
para asegurar que el proceso sigue siendo rentable. El problema del debilitamiento por
hidrgeno y el acero pretensado ha sido discutido anteriormente.
El proceso de realcalinizacin aplica de 20-50 V CD entre el nodo y el acero. Por lo
tanto se debe tener mucho cuidado al aplicar la realcalinizacin en estructuras que
contienen acero pretensado bajo carga. Un monitoreo muy cuidadoso debe llevarse a
cabo para asegurarse que el acero est completamente protegido del riesgo de evolucin
del hidrgeno o el acero debe ser examinado cuidadosamente para asegurar que no existe
susceptibilidad de debilitamiento por el hidrgeno generado. Debido a los problemas con
el acero pretensado, la realcalinizacin probablemente no debera ser usada como una
alternativa de la reparacin por parcheo y revestimiento para lograr soluciones
costeables.
En cualquier caso, sera inusual que se generar carbonatacin en estructuras
preesforzadas debido al alto contenido de cementantes y al gran recubrimiento que tienen
los elementos. Si la carbonatacin ha ingresado, entonces sera concerniente evaluar la
resistencia de la estructura. Opciones para el ataque por cloruros.
Si los cloruros son la causa de corrosin entonces el parcheo (incluyendo
sobrerecubrimiento y encajonado), proteccin catdica y extraccin electroqumica de
cloruros son las tres mejores opciones. Como se discuti anteriormente todas las tcnicas
tienen diferentes alcances y limitaciones.
104
Parcheo y sellamiento.
Algn grado de parcheo debe ser requerido aunque otro tipo de reparacin se lleve a
cabo. Los alcances y limitaciones de las reparaciones por parcheo y revestimiento
son diferentes para estructuras contaminadas por cloruros comparadas con las estructuras
carbonatadas. Si el ingreso del cloruro es limitado y efectivas reparaciones por parcheo se
llevan a cabo, removiendo cloruros por debajo del umbral de corrosin y controlando la
humedad y el ingreso de cloruros, entonces, se puede lograr una extensin de vida
costeable en la estructura.
Si los poros del concreto contienen una significante cantidad de agua y aire, el sellamiento
no puede ser efectivo para detener la corrosin una vez que los cloruros han penetrado
en el concreto. Tambin existe un efecto higroscpico una vez que los cloruros forman
sales que absorben humedad en el concreto. (Broomfield, 2007).
Existen dos excepciones al requerir de una reparacin por parcheo como parte del proceso
de rehabilitacin:
1. Los cloruros han sido detectados y un tratamiento preventivo como la proteccin
catdica es aplicada antes que la delaminacin comience.
2. El nivel de agrietamiento y fisura es aceptable y la proteccin catdica o la remocin de
cloruros es aplicada como un tratamiento preventivo del futuro deterioro.
105
Parcheo Cap.6
Posible revestimiento
Secc.6.3
Monitoreo Cap. 5
Vida
corta?
No
No
Mucho
acero
activo?
No
Continuidad
del acero
buena?
No
S
Considera
electroqumica?
S
Proteccin
catdica
galvnica
Secc. 7.2
Reconsiderar
Preesforzado?
No
Anlisis de
costo del
ciclo de vida
EEC
Secc. 7.2
Electricidad
disponible a
costo
razonable?
Anlisis de
costo del
ciclo de vida
Proteccin
catdica corriente
impresa Secc. 7.2
Figura 8.3.- Diagrama de flujo para la seleccin del tratamiento contra cloruros. (Broomfield, 2007).
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El anlisis de costo
Las cuestiones principales a plantearse cuando se considera esta opcin son similares para la
realcalinizacin.
Por qu elegir la proteccin catdica galvnica?
La proteccin catdica por nodos de sacrificio tiene sus propias ventajas y desventajas relativas a
la proteccin por corriente impresa y otras tcnicas electroqumicas. Los diferentes sistemas
andicos tambin tienen sus propios alcances y limitaciones.
Las principales ventajas de la proteccin catdica galvnica son:
La proteccin catdica ha sido descrita como la nica solucin del ataque de cloruros que puede
detener efectivamente el proceso de corrosin. Los problemas en la proteccin catdica son los
requerimientos para una fuente permanente de energa, monitoreo y mantenimiento regular.
De forma similar, la remocin de cloruros puede detener la corrosin a travs de toda la estructura
y tiene la ventaja que, como el parcheo, es un tratamiento de una sola ejecucin. Se puede
utilizar un generador durante el periodo de tratamiento, as que, las redes de electricidad no son
necesarias. El mantenimiento a largo plazo no es necesario pero el sistema trata a toda la
estructura.
La desventaja es que no se conoce la duracin de la efectividad del sistema. No se puede remover
todos los cloruros del concreto. Si se logra detener el ingreso futuro de cloruros entonces el sistema
puede ser efectivo por muchos aos (10-20 aos). Si los cloruros continan afectando la
estructura entonces el tiempo de retratamiento ser menor o tal ves deba ser requerido un
revestimiento o sellador). La remocin de cloruros no puede ser aplicada a estructuras
preesforzadas debido al riesgo del debilitamiento por hidrgeno. El uso de electrolitos a base de
litio puede controlar la RAS.
Las principales ventajas de la remocin de cloruros son las siguientes:
Selladores
109