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Jornadas SAM – CONAMET – ASS 2001, Septiembre de 2001
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MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN DEL ACERO EN
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO.
MODELADO NUMÉRICO DE LA DISTRIBUCIÓN DE SEÑAL.
W. Morris y D.A. López
División Corrosión. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales
(INTEMA). Juan B. Justo 4302. (B7608FDQ) Mar del Plata. Argentina.
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Comparando resultados experimentales y datos obtenidos a partir del modelado
numérico se evalúa la eficiencia de tres dispositivos empleados para medir la velocidad de
corrosión (VC) de las armaduras en estructuras de hormigón armado en servicio. Dichos
dispositivos son conocidos como contra electrodo de anillo simple (AS), anillo de guarda (AG)
y contra electrodo con confinación física (CF). Este último dispositivo fue desarrollado por
los autores y empleado para efectuar mediciones de velocidad de corrosión de armaduras en
estructuras civiles y viales de hormigón armado.
En el estudio se comparan las mediciones de VC obtenidas con los tres tipos de
dispositivos en probetas de hormigón conteniendo barras de acero. La distribución de la señal
eléctrica (potencial y densidad de corriente) en las probetas fue evaluada a partir del
modelado numérico efectuado empleando la técnica de elementos finitos. Se investigó la
influencia de la resistividad eléctrica del hormigón y el estado de corrosión de las armaduras
en la distribución de la señal eléctrica.
Se observaron desviaciones en los valores de VC de más de un orden de magnitud en el
caso de los dispositivos de electrodos AS y AG, particularmente en hormigones de
resistividades inferiores a 20 KΩ cm y acero en estado pasivo. El dispositivo CF mostró ser
un método sencillo para confinar en forma efectiva la señal eléctrica en el hormigón.
Palabras claves
Corrosión, Hormigón armado, Velocidad de corrosión, Modelado.
INTRODUCCIÓN
La velocidad de corrosión (VC) de las armaduras es una información clave para poder
estimar la vida útil de estructuras de hormigón armado en servicio[1]. De acuerdo al modelo
de durabilidad propuesto por Tutti [2], la vida útil de una estructura de hormigón armado
afectada por corrosión se divide en dos períodos denominados de iniciación y de propagación
de la corrosión. El período de iniciación comienza desde el momento en que la estructura es
construida y finaliza cuando, debido a la acción de los agentes agresivos existentes en el
medio o incorporados al hormigón, se produce la pérdida de la pasividad del acero. El período
de propagación comienza una vez que la armadura presenta un estado activo de corrosión y
culmina cuando la estructura alcanza un estado inaceptable, de deterioro de acuerdo a criterios
de seguridad y/o compromiso estructural [3]. Consecuentemente, la duración del período de
propagación estará gobernado fundamentalmente por la velocidad de corrosión de las
armaduras.
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La determinación in-situ de la velocidad de corrosión de armaduras mediante técnicas
electroquímicas no destructivas, como la resistencia a la polarización (Rp) y la impedancia
electroquímica (EIS), presenta diversas complicaciones que pueden conducir a resultados
erróneos [4]. Existen numerosos factores como la compensación de la caída ohmica, la
presencia de corrosión localizada o de macroceldas, la interferencia con otras señales
eléctricas y la determinación del área de la armadura ensayada, que pueden causar
desviaciones significativas del verdadero valor de VC de las armaduras. Muchos de estos
factores han sido extensamente analizados y en muchos casos exitosamente resueltos. En
particular, el problema de la distribución de señal eléctrica ha sido ampliamente estudiado por
numerosos investigadores con el fin de, ya sea, encontrar un método para confinar la señal
eléctrica o bien corregir los resultados de VC cuando no se emplea confinación[5, 6]. En el
presente trabajo se evalúa la eficiencia de tres dispositivos de electrodos conocidos como,
anillo simple (AS), anillo de guarda (AG) y confinación física (CF). Los dos primeros han
sido ampliamente empleados en el pasado para efectuar mediciones de VC en el laboratorio y
en campo. Por su parte el dispositivo CF fue desarrollado por los autores y empleado para
efectuar mediciones de VC en estructuras civiles y viales de hormigón armado en servicio.
La eficiencia de los electrodos es evaluada efectuando mediciones de VC con cada
dispositivo en probetas de hormigón conteniendo barras de acero y mediante el modelado
numérico de la distribución de señal eléctrica (potencial y densidad de corriente) en las
probetas empleando para ello la técnica de elementos finitos.
EXPERIMENTAL
Dos probetas de hormigón conteniendo barras de acero fueron preparadas de manera de
reproducir en el laboratorio la hipotética situación de la medición de VC en una losa de
hormigón armado. Dos diseños de mezcla fueron seleccionados para el estudio de manera de
considerar por un lado un hormigón pobre y contaminado con cloruros y por el otro un
hormigón estándar sin cloruros. La tabla 1 presenta las principales características de los
diseños de mezcla ensayados. Las probetas tienen 50 cm de longitud, 33 cm de ancho y 11 cm
de alto y contienen tres barras de acero de 10 mm de diámetro equiespaciadas entre sí según
se observa en la figura 1. Previo a su desmolde, las probetas fueron curadas por 7 días
cubriendo su superficie expuesta con nylon.
Tabla 1. Diseño de mezcla de las probetas de hormigón.
Probeta
A
B
Variable
Relación agua - cemento (a/c)
0.40
0.70
Contenido de cemento (kg/m3)
350
350
Tipo de cemento
Portland normal
Incorporación de cloruros (% Cl-/c)
2
Agregado grueso [kg/m3]
Piedra partida TMA 12 mm [1000]
Agregado fino [kg/m3]
Arena de río [850]
La velocidad de corrosión de las barras fue medida empleando la técnica de resistencia a
la polarización (Rp). Los ensayos fueron realizados efectuando barridos catódicos de 0.01 V a
partir del potencial de corrosión (Ecorr) a una velocidad de 10-4 V s-1. Los resultados fueron
corregidos para compensar la caída ohmica en el hormigón. La densidad de corriente de
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corrosión (icorr) fue determinada a partir de la ecuación de Stern Geary [7]. El valor de B
asumido para los cálculos fue 0.052 V para acero en estado pasivo y 0.026 V para acero en
estado activo de corrosión [8]. El valor de Rp de la barra central de cada probeta fue
determinado empleando las dos barras laterales como contra electrodo. Dado que esta
medición se efectúa ensayando la barra en toda su extensión, el valor de Rp resultante fue
asumido como el valor promedio a los fines de comparar con los resultados obtenidos al
emplear las demás configuraciones de electrodos. Los ensayos fueron realizados empleando
un potenciostato Gamry Instruments Modelo CMS100. A continuación se presenta una
descripción de los tres tipos de dispositivos de electrodo.
Contra electrodo AS
Electrodo de referencia CSE
Electrodo de trabajo (barras)
11 cm
33 cm
50 cm
Figura 1. Representación esquemática de la probeta de hormigón con barras de acero durante
la ejecución de un ensayo de Rp empleando un dispositivo AS de electrodos.
Dispositivo de anillo simple (AS).
Debido a su simplicidad, este dispositivo de electrodos ha sido ampliamente utilizado en
el pasado para efectuar mediciones de velocidad de corrosión en el laboratorio y en el
campo[5]. El método consiste en emplear un anillo metálico como contra electrodo el cual es
colocado sobre la superficie de hormigón de manera de que quede ubicado sobre la armadura
(ver Figura 1). El anillo empleado en el estudio presenta un diámetro exterior de 40 mm y un
diámetro interior de 10 mm. Un electrodo de referencia de cobre sulfato de cobre saturado
(CSE) fue colocado en contacto con el hormigón a través del orificio del anillo. Las tres
barras fueron eléctricamente conectadas entre sí y empleadas como electrodo de trabajo. Este
tipo de configuración de electrodos provee una distribución no uniforme de la señal eléctrica a
lo largo de la barra, presentando elevados valores de potencial y densidad de corriente en los
sectores próximos al contra electrodo los cuales disminuyen con la distancia. Debido a que el
área de la armadura siendo ensayada se desconoce a priori, se obtiene un valor aparente de
resistencia a la polarización (Rpap). Basados en el modelo de línea de transmisión, Freliu y
coautores desarrollaron una expresión a partir de la cual se obtiene un valor promedio de Rp
expresado en Ω cm2. De acuerdo a estos estudios la resistencia a la polarización (RpAS)
obtenida con la configuración AS se determina como:
Rp (AS) (Ωcm 2 ) =
F⋅ρ
h ⋅ α2
(1)
donde F es el cociente entre el área del electrodo de trabajo (armadura) y la superficie
rectangular de la probeta, ρ es la resistividad eléctrica del hormigón, h es la altura de la
probeta y α es un coeficiente que depende de Rpap y el tamaño del contra electrodo (anillo
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metálico). El valor de α puede obtenerse gráficamente de la referencia [5] numéricamente de
la siguiente expresión:
1  E x1
x 
α=
− 0.5 ln 2 
(2)
ln
x2 − x1  E x 2
x1 
donde Ex1 y Ex2 es el potencial que adquiere la barra polarizada a la distancia x1 y x2 de su
centro.
Dispositivo de anillo de guarda (AG).
El dispositivo de electrodos AG tiene por finalidad confinar la señal eléctrica resultante
de una configuración de electrodos del tipo AS [6]. El método consiste en emplear dos anillos
metálicos concéntricos como contra electrodo. El anillo interior es el encargado de drenar la
corriente que será empleada para determinar Rp mientras que el anillo exterior es el encargado
de polarizar el resto de la armadura de modo de obtener un campo eléctrico uniforme en el
centro del conjunto. De cumplirse esta condición, la corriente drenada por el anillo interno
fluirá directamente hacia la armadura que se encuentra ubicada por debajo del anillo (ver
figura 2). El área de la barra ensayada se determina como A = π φ . DAG, donde φ es el
diámetro de la armadura y DAG la longitud de la barra ensayada (DAG ≈ (di + de)/2, siendo di y
de los diámetros de los contra electrodos interno y externo respectivamente). La resistencia a
la polarización (Rp(AG) se determina como Rp.A (Ωcm2)).
El dispositivo de electrodos empleado en los ensayos de Rp consistió de un anillo
interior con di = 40 mm y un anillo exterior cuyo diámetro interno y externo son 60 y 100 mm
respectivamente. Mediante un segundo potenciostato conectado entre los dos anillos (interno
y externo) se proveyó la corriente de polarización necesaria de manera que la diferencia de
potencial entre ambos anillos sea cero.
Dispositivo con confinación física (CF).
Este método consiste en restringir el área de la armadura ensayada efectuando un corte
en el hormigón con una broca tipo copa. El corte se realiza hasta alcanzar una profundidad de
aproximadamente 0.5 cm respecto de la posición de la barra, sin llegar a ésta (ver figura 3).
Anillo central
RE
AC
AE
ET
ET
ER
CE
Anillo externo
Electrodo de
referencia (CSE)
Contra
electrodo
Líneas de
corriente
HORMIGÓN
ARMADURA
Corte
ARMADURA
D
D
HORMIGÓN
Figuras 2 y 3. Representación esquemática de los dispositivos de electrodos
AG (izquierda) y CF (derecha).
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Sobre la superficie de hormigón limitada por el corte se coloca un contra electrodo
similar al empleado para efectuar los ensayos empleando el dispositivo AS. Al igual que en el
caso anterior, la resistencia a la polarización (Rp(CF)) se determina dividiendo el valor de Rp
aparente por el área de la armadura (A) delimitada por la distancia DCF . El valor de DCF fue
determinado experimentalmente tal que DCF = 2.dc, donde dc es el diámetro del sector del
hormigón confinado por el corte (ver figura 2).
Los ensayos fueron realizados empleando un potenciostato Gamry Instruments Inc.
Modelo CMS100. La restividad eléctrica del hormigón fue determinada a partir de la
medición de la resistencia eléctrica Rs entre los electrodos de referencia y de trabajo. El valor
de Rs fue multiplicado por la constante geométrica de celda Ks para obtener el valor de ρ[10].
Modelado numérico.
La distribución de potencial en el interior del hormigón que resulta al efectuar un
ensayo de Rp puede ser determinada matemáticamente resolviendo la ecuación de Laplace
expresada como:
(3)
∇2 E = 0
donde E es el potencial eléctrico. Una vez conocida la distribución de potencial. La densidad
de corriente en cualquier punto del componente de hormigón puede ser determinada a partir
de la ley de Ohm. Las ecuaciones constitutivas empleadas para modelar los sistemas de
corrosión son las mismas utilizadas para los problemas de transferencia de calor en estado
estacionario [10]. Los programas comerciales existentes en el mercado generalmente no
contemplan el modelado de problemas de corrosión. Por esta razón, el modelado numérico de
los problemas de corrosión se realizan generalmente estableciendo una analogía entre
parámetros electroquímicos y térmicos. Este planteo es únicamente válido para sistemas en
donde se efectúan pequeñas desviaciones del potencial de corrosión (Ecorr) y el potencial
presenta un comportamiento lineal con la corriente. El modelado se efectuó empleando un
programa comercial de elementos finitos (Akgor). Debido a la simetría que presentan las
probetas de hormigón, solo se procedió a modelar un cuarto de las mismas.
Los valores de Rp de ρ empleados en el modelado se indican en la tabla 2.
Tabla 2. Valores de resistividad eléctrica (ρ) y resistencia a la polarización (Rp) empleados.
Velocidad de corrosión
Resistividad
2
2
Rp (Ωcm )
ρ (Ωcm)
icorr (µA/cm )
Alta
10
2500
200000
Media
1
25000
20000
Baja
0.1
250000
2000
RESULTADOS.
La tabla 3 presenta los resultados experimentales de los ensayos de Rp obtenidos con
los tres dispositivos de electrodos en las probetas con barras de acero.
Las figuras 4 y 5 muestran la distribución de densidad de corriente y de potencial a lo
largo de la barra central de las probetas que resultan del modelo para los tres tipos de
dispositivos de electrodos. En el modelo se asume que la barra presenta un estado de
corrosión uniforme con un valor de Rp = 2500 Ωcm2 y que la resistividad eléctrica del
hormigón es 2000 Ωcm.
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Morris y López
Tabla 3. Valores de Rp obtenidos a partir de ensayos de resistencia a la polarización
efectuados con los distintos tipos de dispositivos de electrodos.
Dispositivo de electrodos
Rp (Ω cm2)
a/c = 0.4
a/c = 0.7
6
Valor promedio
1.56 10
5.23 104
Anillo simple (AS)
4.2 x 109
3.78 106
7
Anillo de guarda (AG)
1.79 10
1.84 105
Confinación física (CF)
8.32 106
2.68 104
Resistividad del hormigón (ρ)
15000 Ω cm
13500 Ω cm
12
1E-5
8
SR
i / A cm-2
10
E / mV
GR
PC
SR
GR
6
4
PC
1E-6
1E-7
2
1E-8
0
0
5
10
15
20
0
25
5
10
15
20
25
x / cm
x / cm
Figuras 4 y 5. Distribución de potencial (izquierda) y densidad de corriente (derecha) en la
barra central de la probeta obtenidos al modelar ensayos de resistencia a la polarizaci;on con
AS (anillo simple), AG (anillo de guarda) y CF (confinación física).
8
7
2500
25000
4
% I tot
5
Rp / Ω cm2
5
2000
20000
200000
6
% I tot
6
ρ / Ω cm
4
3
250000
3
2
2
1
1
0
0
0
5
10
15
20
25
x / cm
0
5
10
15
20
25
x / cm
Figuras 6 y 7. Influencia de la resistividad eléctrica (ρ) (izquierda) y del estado de corrosión
de la barra, expresado en términos de la resistencia a la polarización (Rp) (derecha), en la
distribución de corriente al efectuar un ensayo de Rp empleando un dispositivo tipo AS.
Las figuras 6 y 7 reflejan la influencia de la resistividad eléctrica del hormigón (ρ) y
del estado de corrosión de la barra, expresado en términos de la resistencia a la polarización,
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en la distribución de corriente al efectuar un ensayo de Rp empleando un dispositivo tipo AS.
Se representa el porcentaje de la corriente total (% itot), drenada por el contra electrodo, que
ingresa a la barra central de la probeta.
DISCUSIÓN
Modelado numérico
Los resultados presentados en las figuras 3 y 4 reflejan las diferencias existentes en las
distribuciones de potencial y densidad de corriente observadas en los 3 tipos de dispositivos.
Según lo esperado, el dispositivo AS presenta un perfil de potenciales y densidad de corriente
que presenta los mayores valores de E e i en las cercanías al contra electrodo y disminuye
gradualmente con la distancia. El valor de Rp puede ser calculado a partir de la ecuación (1).
El valor de α puede determinarse reemplazando los valores de Exi y xi, extraídos de la figura
3, en la ecuación (2). Haciendo los reemplazos correspondiente se obtiene un valor de RpAS =
10600 Ωcm2, lo cual resulta ser cuatro veces mayor al valor de Rp asignado a la armadura en
el modelo (Rp = 2500 Ωcm2).
En el caso de los dispositivos AG y CF el área de la barra considerada para evaluar Rp
se encuentra restringida a la longitud D (ver figuras 2 y 3), debido a la confinación de la señal
eléctrica. La eficiencia de estos dispositivos de electrodos y de sus respectivos métodos de
confinación de señal también puede ser evaluada a partir de los resultados del modelado
numérico. El valor de Rp asignado a la barra de acero en el modelo (Rp = 2500 Ωcm2) debería
ser aproximadamente igual a los respectivos valores que resultan del cociente entre ED y iD,
donde ED e iD son los valores promedio de potencial y de densidad de corriente evaluados en
la longitud de barra D. Empleando la información provista en las figuras 2 y 3, se obtiene que
RpAG = 66000 Ωcm2 y RpCF = 4050 Ωcm2. De lo expuesto se observa que el valor de RpAG
obtenido con el anillo de guarda es más de un orden de magnitud mayor al valor asignado a la
barra, mientras que RpCF difiere de éste valor en un factor menor que 2. Estudios similares
realizados por Kranc y Sagués [11] revelan que la eficiencia del anillo de guarda depende en
gran medida del tamaño del anillo externo empleado. Cuando el diámetro del anillo externo es
comparable al espesor de recubrimiento de hormigón las lecturas tienden a sobre estimar el
verdadero valor de Rp.
Al evaluar la incidencia de la resistividad eléctrica del hormigón (ρ) y del estado de
corrosión de las barras (figuras 6 y 7), se observa que a mayor valor de ρ y a menor valor de
Rp se obtiene un gradiente más pronunciado de E e i en el entorno del contra electrodo, lo
cual contribuye al confinamiento de la señal eléctrica. El estado de corrosión de las armaduras
y, en menor medida, la resistividad eléctrica del hormigón tiene una marcada incidencia en la
distribución de la señal eléctrica en el hormigón al realizar ensayos de Rp.
Resultados experimentales.
La eficiencia de los tres dispositivos de electrodos puede ser evaluada evaluando los
resultados experimentales presentados en la tabla 3. En el caso del dispositivo AS las
diferencias con los valores promedio de Rp fueron superiores a dos órdenes de magnitud. Por
su parte las mediciones efectuadas con el dispositivo AG arrojaron valores de Rp
sustancialmente superiores a los valores promedio siendo, en el caso de la probeta a/c = 0.4,
su diferencia superior a un orden de magnitud. Finalmente los valores de Rp obtenidos de los
ensayos realizados con el dispositivo CF presentaron diferencias menores a un orden de
magnitud que variaron en un factor de 5 para la probeta a/c = 0.4 y de 0.5 para la probeta a/c
= 0.7.
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Morris y López
CONCLUSIONES
La determinación in-situ de la velocidad de corrosión (VC) de las armaduras mediante
técnicas electroquímicas no destructivas, como la resistencia a la polarización (Rp), presenta
diversas complicaciones que pueden conducir a resultados erróneos. El empleo de un
dispositivo de electrodos eficiente es de fundamental importancia de modo de poder confinar
apropiadamente la señal eléctrica y limitar el área de la armadura a ensayar. Los dispositivos
de electrodos conocidos como anillo simple (AS) y anillo de guarda (AG) han demostrado
subestimar las mediciones de VC en valores que en ocasiones superan el orden de magnitud.
El dispositivo de electrodo con confinación física (CF) resulta ser un método sencillo y eficaz
para confinar la señal eléctrica en el hormigón, permitiendo cuantificar apropiadamente la
velocidad de corrosión de la armadura.
El estado de corrosión de las armaduras (activo – pasivo) y, en menor medida, la
resistividad eléctrica del hormigón, tienen una marcada incidencia en la distribución de la
señal eléctrica en el hormigón al efectuar ensayos de Rp. A medida que disminuye el valor de
Rp y ahumenta el valor de ρ se observa un gradiente más pronunciado en la distribución de
potencial y densidad de corriente en las cercanías del contra electrodo, lo cual contribuye a
confinar la señal eléctrica.
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