corrosión de armaduras

CORROSIÓN DE ARMADURAS
Influencia de la Calidad del Hormigón de Recubrimiento
Ing. Edgardo Becker
Líder de Asesoría Técnica
En las últimas décadas, se han realizado varios estudios sobre el impacto económico que
presenta el mantenimiento de estructuras afectadas por corrosión. Especialmente, este
trabajo presentará la patología respecto de la corrosión de armaduras de estructuras de
hormigón armado donde sólo en Estados Unidos de América, el 40% de los puentes de
autopistas son deficientes estructuralmente debido a la corrosión, estimándose necesaria
una inversión cercana a los U$S 70.000 millones entre reparaciones y sustituciones[1].
El hormigón le confiere a las armaduras una doble protección: por un lado, el recubrimiento
es una barrera física que separa la armadura de la atmósfera y por otro lado, en la interfase
acero-hormigón se forma una capa pasivante debido a la alta alcalinidad del hormigón (12,5
< pH < 13,5). Por consiguiente, el acero permanecerá en estado pasivo mientras no se vea
afectada esta capa pasivante.
Existen factores desencadenantes que pueden generar la pérdida de la pasividad de las
armaduras que pueden clasificarse en 2 grandes grupos:
a) La carbonatación del hormigón, que genera una disminución del pH del hormigón
debido a la reacción del CO2 atmosférico con las sustancias alcalinas de la solución de
poros y los productos de hidratación de la pasta cementicia. Cuando la penetración de
carbonatación en el hormigón resulta similar al recubrimiento con pH < 9,5 (aunque no
existe acuerdo respecto de este umbral), las armaduras tienden a perder su capa pasivante.
b) La presencia de iones despasivantes, fundamentalmente cloruros, que superan el
umbral crítico necesario para romper localmente las capas pasivantes.
Una vez que la capa pasiva de la interfase acero-hormigón se ve afectada, se dice que están
dadas las condiciones para que se produzca la corrosión. Sin embargo, la velocidad de
corrosión, y su consecuente tasa de deterioro, estará fuertemente influenciada por la
disponibilidad de oxígeno y humedad. En general, los métodos de diseño por durabilidad
que utilizan modelos de predicción de vida útil por corrosión de armaduras en H°A°
tienden a retardar el tiempo de despasivación aunque algunos modelos más sofisticados
también estiman la velocidad de deterioro en función del conocimiento acabado del medio
en que se encuentra la estructura.
En la figura N°1 se observa el concepto de vida útil donde desde el aspecto tecnológico, se
puede “manejar” el tiempo de iniciación a través del control sobre la velocidad de
carbonatación y/o la penetración y/o difusión de cloruros desde el exterior mediante un
buen diseño del recubrimiento que implica resumidamente obtener en esa zona hormigones
de baja relación a/c (agua/cemento, en masa), adecuado contenido de cemento, buenas
condiciones de curado, control de fisuras y espesor de recubrimiento adecuado entre las
medidas más importantes. Sin embargo, cierta concentración de cloruros puede estar
presente en el hormigón desde su colocación a través de los materiales componentes. Es por
esta razón que el nuevo Reglamento CIRSOC 201:2005, especifica en su tabla 2.6 los
contenidos máximos de ión cloruro en el hormigón endurecido respecto del contenido de
cemento.
Tabla 2.6. Contenido máximo de ión cloruro (Cl-) en el hormigón endurecido
No obstante, el llamado “umbral crítico de cloruros” no se encuentra muy bien definido ya
que depende –entre otros aspectos- de la humedad y de la calidad y grado de carbonatación
del hormigón.
En la figura N°2 se muestra un esquema donde se indican los riesgos de corrosión y el
umbral crítico
Tabla 2.1. Clases de exposición generales que producen corrosión de armaduras
de cloruros en función de la humedad ambiente y de la calidad y grado de carbonatación del
hormigón de recubrimiento. Puede observarse que este umbral crítico resulta mínimo
(mayor riesgo) para humedad elevada y variable y aumenta considerablemente (mínimo
riesgo) cuando la HR (humedad relativa) es muy baja o muy alta en forma bastante
uniforme. Es por eso que el nuevo Reglamento CIRSOC 201:2005 presenta la tabla 2.1
donde se realiza una clasificación y descripción de los ambientes y su grado de agresividad
respecto de la corrosión de armaduras, luego –en función de la agresividad del ambienteespecifica en la table 2.5 los requerimientos mínimos respecto de relación a/c
(agua/cemento, en masa) y resistencia especificada que debe cumplir el hormigón.
Tabla 2.5. Requisitos de durabilidad a cumplir por los hormigones, en función del tipo de
exposición de la estructura
De esta manera se intenta establecer parámetros mínimos a cumplir con el objeto de
establecer una calidad “mínima aceptable”. Sin embargo, la experiencia indica que estas
especificaciones no aseguran necesariamente un buen desempeño del hormigón e incluso
existen casos donde algunos hormigones que no cumplen estrictamente estas
especificaciones se comportan adecuadamente. Es por eso que seguramente en los
próximos años tendremos desarrollados reglamentos y especificaciones del tipo
prestacional, donde se podrá trabajar con modelos de deterioro, en el que se especificarán
condiciones de desempeño y se podrá trabajar con múltiples variables.
Obviamente, trabajar con modelos y especificaciones prestacionales nos obliga a conocer
detalladamente muchas variables a fin de utilizar modelos que predigan comportamientos
bastante parecidos a la realidad, lo que resulta –sin dudas- todo un reto para los ingenieros
diseñadores que deberán proponer estrategias adecuadas para garantizar la durabilidad de la
estructura. Entre las estrategias se destacan las siguientes [1]:
a) Seleccionar una forma estructural adecuada.
b) Considerar adecuadamente los requisitos de ejecución y mantenimiento.
c) Utilizar una calidad adecuada del hormigón de recubrimiento.
d) Controlar el ancho de fisuras.
e) Organizar adecuadamente las armaduras.
f) Utilizar medidas especiales de protección.
Resulta muy necesario diseñar elementos estructurales que posean formas adecuadas
a fin de evitar que la humedad permanezca innecesariamente sobre la estructura o se
formen zonas que tienden a acumular sólidos o a favorecer la concentración local de
sustancias agresivas. Por otro lado, resulta necesario considerar en el diseño que la
estructura se debe construir de la manera más sencilla posible y se debe prever una
adecuada accesibilidad que permita realizar adecuadamente
las tareas de inspección y mantenimiento.
En cuanto a la calidad del hormigón de recubrimiento, no caben dudas sobre la
importancia que presenta debido a que resulta la “barrera” que deben sortear las sustancias
agresivas que ingresan del 4 exterior. Es por eso que resulta necesario conocer algunas de
las variables más influyentes sobre la calidad del hormigón de recubrimiento.
En la figura N°3 se muestra un esquema donde existe penetración de sustancias agresivas
desde el exterior como ya se ha mencionado antes, las principales sustancias agresivas que
pueden despasivar las armaduras son el CO2 y los iones Cl-. En la figura N°4 se muestra
esquemáticamente la carbonatación del hormigón de recubrimiento y en la figura N°5 la
forma que evoluciona en el tiempo de acuerdo exterior indicándose claramente la
importancia de la barrera de entrada que general el hormigón de recubrimiento.
Adicionalmente, puede observarse que las esquinas resultan evidentes zonas de ataque
concentrado debido a la incidencia del ingreso de sustancias agresivas en ambas
direcciones.
La constante de carbonatación Kc. depende de la calidad del hormigón, en la tabla siguiente
se indica a modo de ejemplo la influencia que pueden tener el CUC y la resistencia sobre
esta constante [1].
En la Figura N° 6 se muestra la difusión de CL en el hormigón de recubrimiento que
responde aproximadamente a la 2da ley de Fick.
De la fórmula para determinación de la concentración de cloruros puede observarse
depende del tiempo, la profundidad y el coeficiente de difusión que varía fuertemente con
la calidad del hormigón de recubrimiento. En realidad, en la práctica se utiliza esta fórmula
con el coeficiente aparente de difusión de cloruros ya que éste no es constante debido a que
varía con el tiempo. Por lo
Es por eso que los mecanismos de transporte estudiados tienden a
valuar el tamaño, volumen e interconectividad de la red de poros destacándose la difusión,
ed de poros que nos interesa estudiar especialmente es la de los poros capilares (0,1
1 µm) ya que los vacíos mayores que tienen que ver con el aire atrapado resultan muy
obvios, en tanto, cualquiera sea la sustancia agresiva que penetre en la masa del hormigón,
resulta evidente que la calidad de la barrera de protección que forma el hormigón de
recubrimiento depende fuertemente de su resistencia a la penetración.
En general, los agentes externos que pueden agredir al hormigón (agua pura o con iones
agresivos, CO2, oxígeno, etc.) pueden ingresar –en la mayoría de los casos- como líquidos o
gases a través de la porosidad de la pasta cementicia.
penetración y absorción (y variantes con combinaciones de éstos). Como variable adicional,
resulta necesario considerar que el hormigón de recubrimiento resulta siempre de menor
calidad debido al efecto de exudación y otras formas de segregación localizada, además del
menor grado de hidratación que se obtiene.
En la figura N°7 se muestra un esquema donde que brinda información respecto de los
tamaños
absolutos y relativos de los sólidos y la porosidad de la pasta. Desde el punto de vista de la
durabilidad, la racambio, las burbujas de aire intencionalmente incorporado pueden
presentar cierta influencia sobre la succión capilar. También existen los denominados poros
de hidratación que por su tamaño extremadamente pequeño (< 2,5 nm) no influyen sobre
los mecanismos de transporte.
Respecto del volumen de poros capilares, existe una clara influencia de la relación a/c y del
grado de hidratación del cemento (ver figuras N°8 y 9) entendiendo que existe una especia
de regla general que indica que a mayor volumen de poros hay mayor interconectividad por
lo que la “permeabilidad” aumenta y, consecuentemente, en la medida que las condiciones
de exposición resulten desfavorables, la durabilidad disminuye. Dentro del grado de
hidratación –sobre todo en el hormigón de recubrimiento- no hay que dejar de considerar la
importante influencia de las condiciones de exposición y curado del hormigón además de
algunas características en estado fresco, siendo fundamental la importancia de la exudación.
Por lo comentado hasta ahora parecería que los mecanismos de transporte te podrían ser
estudiados a partir del estudio de la pasta cementicia sin embargo, el hormigón al ser un
material compuesto juega un rol muy importante la interacción entre la pasta y los
agregados, teniendo gran influencia la interfase pasta-agregado donde el efecto pared y la
alta porosidad resultan muy influyentes.
Por otro lado, las adiciones minerales activas tienden a disminuir el volumen y radio de
poros. A modo de ejemplo, la figura N°11 muestra la influencia que puede tener un 40% de
reemplazo por escoria granulada de alto horno sobre la porosidad de la pasta cementicia.
De acuerdo a L. Fernández Luco [7] “la determinación experimental de la estructura de
poros puede llevarse a cabo mediante distintas técnicas, que se basan en los procesos de
transferencia de masa y de la interacción vapor-líquido-sólido. La geometría particular y la
complejidad de la estructura de poros condicen a soluciones aproximadas y, por lo general,
es difícil aislar, en forma individual, los diferentes mecanismos de transporte. En los casos
reales, éstos se superponen y por este motivo algunos autores prefieren hablar de conceptos
más integradores, menos específicos, definiendo la penetrabilidad del hormigón”. Es
decir, el término “permeabilidad” (entre comillas) utilizado anteriormente en este artículo
es reemplazado por el término “penetrabilidad”.
Vista una reseña general sobre algunos de los factores influyentes sobre la “penetrabilidad”
del hormigón, a continuación se describirán algunos de los mecanismos y los ensayos
utilizados para su evaluación haciendo especial hincapié en la permeabilidad, la difusión, la
absorción y la
succión.
Permeabilidad
En general, cuando se evalúa permeabilidad puede evaluarse el coeficiente de
permeabilidad o la penetración de agua en el hormigón. Por otro lado, existen ensayos
donde se evalúa la permeabilidad al aire y/o al vapor o a la penetración de iones cloruro en
el hormigón. En cualquier caso, la permeabilidad del hormigón depende de la
permeabilidad de la pasta (y esta a su vez del grado de hidratación, del tipo y finura del
cemento, del tipo y contenido de adiciones minerales, de los aditivos, etc.), del tipo y
contenido de agregados.
A continuación se indicará un cuadro con datos del Neville donde se comparan coeficientes
de permeabilidad de diferentes rocas y las relaciones a/c necesarias para lograr una pasta de
similar k:
Por otro lado, en la figura N°14 se indica la influencia de la relación a/c sobre el coeficiente
de permeabilidad de la pasta cementicia. Encontrándose que la permeabilidad crece muy
rápidamente para relaciones a/c > 0,50, es por eso que los reglamentos especifican utilizar
a/c < 0,50 cuando existen problemas de durabilidad.
En la figura N°15 se muestra un ejemplo de correlación encontrada para estas 2
determinaciones.
Como regla general, los valores de permeabilidad a los gases resultan de 6 a 100 veces
superiores a los valores de permeabilidad al agua. Por otro lado, la permeabilidad al aire se
encuentra fuertemente influenciada (adicionalmente a la relación a/c) a las condiciones de
curado y a la humedad que presenta el hormigón al momento del ensayo. Mientras que
hormigones curados al aire pueden experimentar permeabilidades al aire del orden de 1,5 a
6 veces superior a hormigones curados húmedos, las determinaciones sobre un mismo
hormigón en estado cercano a la saturación pueden arrojar valores del orden del 50% de los
valores que arrojaría el hormigón seco debido a la presencia de poros saturados, por esta
razón resulta necesario que las normas definan el contenido de humedad a la que se
realizará la determinación.
Existe también una norma ASTM C1202 que permite evaluar en forma muy rápida la
penetración o “permeabilidad” a los cloruros del hormigón. En la figura N°16 puede
observarse los resultados de ensayo de 6 mezclas de hormigón clase H-30 elaborados con
diferentes cementos comercializados en el mercado Argentino y los rangos de
permeabilidad recomendados por la norma.
Adicionalmente, puede observarse la influencia del tiempo de curado (o madurez) de la
mezcla sobre esta propiedad.
Difusión
Se conoce como difusión a través del hormigón al mecanismo de transporte por el cual un
gas o vapor se da a través de un gradiente de concentraciones. De acuerdo con la primera
ley de Fick, la difusión de aire y vapor de agua puede expresarse como:
Dc dL
Donde: d c/d L es el gradiente de concentración [kg/m4]
es el coeficiente de difusión [m2/s]
es la velocidad de transporte de masa [kg/m2]
es el espesor de la muestra [m]
En general, suele ser importante la determinación del coeficiente de difusión del CO2,
encontrándose –como era de prever- una importante influencia del contenido de humedad y
de la porosidad de la pasta de cemento. A fin de dar idea acerca de estas influencias, el
coeficiente de difusión a través del agua resulta unas 4 veces inferior respecto del aire. Por
otro lado, correlacionando las figuras N°13 y N°15 puede estimarse la influencia de la
porosidad de la pasta sobre el coeficiente de difusión.
Por otro lado, la difusión de cloruros en el hormigón, que resulta muy importante de
analizar en estructuras de H°A° expuestas a ambiente marino, cumple aproximadamente la
segunda ley de Fick. Aquí, es importante analizar el avance del perfil de cloruros a fin de
determinar el momento en el cual el hormigón llegó a una concentración de Cl- tal que la
armadura se despasiva localmente (umbral de cloruros). Este perfil y el coeficiente de
difusión varían con el tiempo y dependen fuertemente de la concentración de cloruros sobre
la superficie y de la “calidad” del hormigón de recubrimiento, jugando un rol muy
importante, la relación a/c, el contenido de cemento, el tipo de cemento, la exudación de la
mezcla y las condiciones de protección y curado. Respecto del tipo de cemento, en
ambiente marino se prefiere el uso de cementos con contenidos “moderados” de C3A
de manera de “fijar” cloruros a través de la formación de la llamada sal de Friedel. Por otro
lado, el uso de escoria granulada de alto horno demostró ser efectiva para fijar cloruros.
Absorción
La absorción de agua del hormigón se encuentra íntimamente relacionada con el volumen e
interconectividad de poros. La determinación de la absorción de agua del hormigón se
realiza comparando las masas de la probeta en estados seco a peso constante con el
aumento de masa desarrollado durante su inmersión en agua. Pese a que este concepto
resulta extremadamente sencillo se han encontrado diferencias significativas en los valores
de absorción determinados mediante diferentes métodos. En la tabla siguiente (sacada del
Neville) puede observarse los diferentes valores de absorción que pueden experimentar los
hormigones en función de la mezcla, de la condición de secado y de las condiciones de
inmersión. Luego en la figura N°17 se observa la influencia del cemento y del grado de
madurez de hormigones clase H-30 elaborados a partir de cementos comercializados en el
mercado Argentino. Por otra parte, esta propiedad no es de evaluación rutinaria sobre
control de calidad de hormigones convencionales aunque suele ser de utilidad cuando se
realiza la extracción de testigos ya que brinda información adicional (además de
la resistencia) a fin de interpretar los resultados.
En función de las características de exposición que tendrá la estructura de hormigón, deberá
determinarse el mecanismo que se adecue y el método a utilizar en su evaluación.
Succión capilar
El método de succión capilar del hormigón intenta evaluar la capacidad y velocidad de
absorción de agua por succión capilar de una muestra no saturada. Como resulta obvio, los
valores resultantes de este ensayo no solamente se encuentran fuertemente influenciados
por el volumen, distribución de tamaños e interconectividad de poros de la pasta, como
muestra la figura N°19, sino de las condiciones de ensayo, encontrándose una muy
importante influencia del contenido de humedad del hormigón y de las condiciones de
secado de la muestra.
En la siguiente tabla se indica la influencia del secado de la muestra y del equipamiento
utilizado para el mismo sobre probetas de un mismo hormigón de relación a/c = 0,40. Los
datos son parciales sobre un estudio interlaboratorio de discusión de la norma IRAM 1871.
Todos los métodos de secado se realizaron a 50°C, las diferencias consisten en la condición
final de humedad.
Mientras el secado A establece una humedad del 2±0,1% por debajo de la condición SSS,
el secadoB del 50% de la absorción total y el secado C del 1,5% sobre la condición seca.
Resulta evidente que cada laboratorio, al disponer de diferentes estufas, logra las
condiciones de humedad a diferentes tiempos de secado y los resultados presentan una baja
reproducibilidad interlaboratorio lo que dificulta la posibilidad de establecer límites
normativos o reglamentarios de control.
Otro aspecto a considerar es el ancho de fisuras, ya que resultaría en vano lograr
hormigones impermeables en el laboratorio sin en obra se generan fisuras de anchos
suficientes como para permitir una rápida penetración de Cl- y/o CO2 a través del hormigón
de recubrimiento.
En la figura N°20 se sugiere que las fisuras con anchos de mayores de 0,4 mm generan
problemas de corrosión. Sin embargo, otros autores sugieren anchos inferiores para evitar la
rápida penetración de sustancias agresivas. En mi opinión, sólo las fisuras de anchos
inferiores a 0,2 ó 0,3 mm tienden a auto sellarse por lo cual sería necesario establecer
dichos límites en ambientes de alto riesgo de corrosión de armaduras (A3, M1, M2 y M3)
aunque pueden tolerarse anchos de fisura superiores en ambientes de menor agresividad o
en caso de presentar una baja penetración (inferior a ¾ del espesor del recubrimiento).
Por otra parte, la distribución y diámetro de armaduras juega un importante respecto
de la corrosión. Si bien desde el punto de vista de la adherencia acero-hormigón suele
recomendarse mantener la cuantía necesaria mediante armaduras de diámetro relativamente
pequeño que permita colar y compactar adecuadamente el hormigón. Por el contrario, desde
el punto de vista de la corrosión el daño será menor cuando mayor sea el diámetro del
acero. Es por ello, que resulta necesario lograr, desde el diseño, un adecuado equilibrio
entre adherencia y riesgo de corrosión.
En los últimos años se han desarrollado otras medidas de protección entre las que se
destacan:
- Colocación de barreras exteriores
- Incorporación de aditivos inhibidores de corrosión
- Protecciones especiales de las armaduras
- Uso de acero inoxidable u otros materiales resistentes a la corrosión
Cada uno de estas acciones tienen el objeto de mejorar la durabilidad ante corrosión en
ambientes especialmente agresivos, donde –en general- se tiene dudas sobre la eficiencia de
la protección del hormigón de recubrimiento, tanto por problemas de permeabilidad y/o
costos relativos como de vida útil. Otra medida especial de control es el monitoreo
permanente o rutinario de la estructura
con una adecuada estrategia de mantenimiento que permita mantener adecuadas
condiciones de servicio de la estructura durante la vida útil proyectada a costos razonables.
CONSIDERACIONES FINALES
Por lo expuesto en este artículo, en ambientes agresivos respecto de la corrosión de
armaduras, resulta muy importante diseñar y ejecutar un recubrimiento de espesor y calidad
adecuado para lo cual vale la pena advertir que resulta tan importante considerar un
adecuado diseño geométrico y tecnológico de la estructura y del material hormigón armado
como respeto por las “reglas del arte” mediante un especial cuidado en las técnicas de
construcción donde se deberá hacer especial hincapié en la importancia del curado como
arma fundamental para maximizar el grado de hidratación de la pasta cementicia del
hormigón de recubrimiento.
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