Estudio de la corrosión de armaduras en hormigón carbonatado

tesis
ESTUDIO DE LA CORROSIÓN DE ARMADURAS
EN HORMIGÓN CARBONATADO
(STUDY OF CORROSIÓN OF CONCRETE CARBONATE REINFORCEMENTS)
Director de la Tesis
M.^ Cruz Alonso Alonso
M.^ Carmen Andrade Perdrix
Dra. en Ciencias Químicas
lETcc/CSIC
Prof. de Investigación
lETcc/CSIC
628-6
RESUMEN
SUMl\ñARY
El trabajo de investigación aquí referido se basa en el
estudio de la corrosión de armaduras en hormigón
carbonatado. Para ello se han realizado ensayos en mortero
amasado con seis tipos de cemento con y sin CaClp o
NaNO^, y en disolución, estos últimos tratando de simular la
composición de la fase acuosa contenida en los poros de un
hormigón carbonatado. Se han empleado técnicas
electroquímicas para el control de la corrosión.
This investigation is based on the study of the corrosión of
concrete carbonate reinforcements. Tests were carried out on
mixed mortar with six types of cement (with and withoud
CaCl2 or NaNOj, and in solution, these last ones trying to
simúlate the aqueous phase contained in the pores of a
concrete carbonate. Electro-chemical techniques were used
to control corrosión.
La despasivación de las armaduras se produce cuando el
entorno que las rodea alcanza valores de pH 8. La humedad
relativa ha resultado ser un factor determinante, pero el tipo
de cemento no parece ser tan decisivo en la velocidad de
corrosión de las armaduras en hormigón carbonatado. La
presencia de cloruros intensifica gravemente el ataque y la
presencia de nitritos reduce o elimina el efecto nocivo de la
carbonatación.
Alteration of reinforcements occurs when the surrounding
environment reaches a pH of 8. Relative humidity turned out
to be a determining factor, but the type of cement did not
appear as decisive in the corrosión rate of concrete
carbonate reinforcements. the presence of chiorides gravely
intensifies the attack, while the presence of nitrates reduces
or eliminates the harmful effect of the carbonation.
Estudios realizados con acero de pretensado han demostrado
que este tipo de acero es susceptible de sufrir fallos por
corrosión bajo tensión en medios carbonatados.
Studies carried out with pre-tensed steel have shown this
type of steel to be susceptible to failure due to corrosión
under stress in carbonate médiums.
INTRODUCCIÓN: Objetivos y Método
otros capaces de disolverse en el exceso de agua
utilizado en el amasado, Ca (OH), y sulfates de
sodio y potasio (fase líquida). Estos últimos son los
que al disolverse proporcionan la elevada
alcalinidad de un hormigón y garantizan la no
corrosión de las armaduras embebidas en él. La
solución acuosa resultante queda encerrada entre
los productos sólidos dando lugar a la
característica porosidad de un hormigón.
El objetivo principal del presente trabajo consiste
en realizar un estudio profundo y detallado sobre la
corrosión de armaduras de acero desnudo en
hormigón carbonatado, así como también
comprobar la posible incidencia que la
carbonatación pueda ejercer en el fallo por
corrosión Bajo Tensión, fenómeno al que el acero
pretensado ha resultado ser susceptible.
Los constituyentes básicos del cemento al
mezclarse con el agua sufren una serie de
reacciones químicas por las que se forman, además
de compuestos sólidos insolubles (fase sólida).
Esta Tesis, leída en la Facultad de Químicas de la Universidad
Complutense de Madrid, en diciembre de 1986, obtuvo la
calificación de Apto "Cum Laude".
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La porosidad hace que el hormigón sea permeable
a ciertos agentes externos tales como: humedad
ambiental, cloruros, COj y SO2 atmosférico,
oxígeno, etc. Estos componentes penetran a través
de la red de poros y en algunos casos llegan
a producir modificaciones físicas y químicas del
hormigón, como es el caso del COj atmosférico,
que por su carácter ácido es capaz de neutralizar el
hormigón.
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Informes de la Construcción, Vol. 39 n.° 393, enero/febrero, 1988
La carbonatación de un hormigón se produce al
reaccionar el CO2 atmosférico con el Ca(0H)2
disuelto formando CaCOg. El proceso de
carbonatación del hormigón afecta no solamente a
la fase líquida del mismo sino también a la fase
sólida. El resultado final es que deja al acero
embebido en él como si estuviera expuesto a la
atmósfera, es decir sin la protección química.
Aunque son muy numerosos los estudios realizados
sobre las modificaciones que sufre la parte sólida
del cemento hidratado debidas a la carbonatación,
resultan prácticamente inexistentes los referentes a
la fase líquida. Es especialmente en este segundo
aspecto sobre el que se ha insistido en esta Tesis,
puesto que es la composición de la solución
contenida en los poros del hormigón y que rodea a
la armadura, junto con otros factoreé (contenido en
oxígeno, humedad ambiental, etc.), los que van a
definir las condiciones de estabilidad o corrosión
de la armadura.
pH
'ESC'
^1
100
7A
0
8-1
-100^
9
-200
lOH
-300
11
-400
12
-500
13
-600
14-'
-700
Sol.sat. Ca(Oh
!k
•
Ecorr
0
pH
t
J
\
1.^
—1
1
1
1
1
12
16
20
24
1 —— 1
28
32
1
1
36
40
TIEMPO (min.)
(a)
^corr
Flujo de gos COz
0,1 M Na N0¿ + S o t Sol CoíOH)^
+400-
o
Ecorr
X
pH
+200-
Cuando la armadura está rodeada de un ambiente
alcalino libre de otros iones agresivos, como son
los cloruros, se encuentra trabajando bajo
condiciones de no corrosión, pero si un fenómeno
de carbonatación ocurre, con el correspondiente
descenso del pH y variación de la composición del
medio que ello implica, es de esperar que la
armadura esté expuesta también a cambios en su
estabilidad electroquímica y pase a sufrir procesos
de disolución activa de su superficie.
En algunos trabajos previos se llegó a cuantificar la
velocidad de la que se corroían las armaduras
embebidas en mortero carbonatado.
Se comprobó que la intensidad y potencial sufrían
fuertes cambios sin poder determinar claramente
en qué momento y porqué éstos ocurrían. Un
estudio más profundo basado en estos hechos se
realiza en el presente trabajo, cuya metodología de
ensayo seguida para su desarrollo es la siguiente:
— Se efectúan ensayos en disoluciones que
simulan la fase acuosa contenida en los poros del
hormigón, con el fin de poder conocer los cambios
de las variables electroquímicas que tienen lugar
simultáneamente al descenso del pH durante el
proceso de carbonatación (como se aprecia en la
figura 1a), debido a la imposibilidad de poder
realizar este seguimiento simultáneo (pH y Ecorr)
directamente sobre el hormigón. Se ensaya también
el efecto beneficioso que el NaNOj tiene al evitar
la ruptura de la capa pasiva debida a la
carbonatación del medio (Fig. 1b).
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+ 100-
0-
-100-
-200-
-300-
-400-
Fig. 1
1
1
1
1
15
1
18
(b)
1
21
1
24
r
27
30
31
33
TIEMPO (min)
Flujo de gas CO2
— A continuación se realiza un estudio profundo y
detallado trabajando directamente en mortero,
fabricado con seis tipos de cementos tanto sin
aditivos como con CaClj y/o NaNOj. Las probetas
de mortero utilizadas se sometieron a un proceso
de curado, carbonatación acelerada en cámara
saturada de CO2, y conservación a sucesivos
períodos de humedad-secado (las humedades
ensayadas son 100 %, 50 % y parcialmente
sumergidas, P. S.). El estado de las armaduras se
controla en cada una de estas etapas mediante la
utilización de técnicas electroquímicas para medir
la velocidad de corrosión (Resistencia de
polarización e Impedancia electroquímica); algunos
de los resultados obtenidos se dan en las figuras 2
y 3.
- - Se estudia después el comportamiento
electroquímico de armaduras tanto corrugadas
como lisas en soluciones de C03= y/o HCO^
utilizando medidas de Resistencias de polarización
(Fig. 4). También se efectúan estudios más
detallados en los mismos medios sobre los aceros
lisos mediante el trazado de curvas de polarización
a velocidades de barrido de 10, 100 y 1000 mV/min
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tE3
ÍT
IE3 Y
1E2
r
1E2 -t
CURADO
CARBONATACION
0 0 %
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lE-24r
lE-2
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H
lE-3
h
150 200 -^
25o 300 350 400 450 500 550
50
l¿0
150
2D0
2^0
sSo
-SU 350 SIN
Tiempo(dias)
-P450ARI SIN
^
350
4Ío
Tiempo(diQs)
1E3 í
u
o
:: 1E2 é
o
lEl
ÍEO ^
lE-1
1E-2Í
50
lío
-P350Y SIN
1?0
200
250
300
350
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Tiempoídias)
Ó
50
100 lio
PUZ350SIN
2Í)0 2¿0 3¿0 3Í0
4¿0 44o sÓo
Tiempoídias)
1E3 I
I •*£ ^^5 f
-
lE-3
1E2 f
/v/^^
IE-3
O
50
100
•3ó
150
3¿0 350 400
46o 5Ó0
Tiempo(dias)
P-i-SO*/*CENIZAS SIN
Fig. 2
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con el fin de conocer el proceso de corrosión y la
morfología del ataque (Fig. 5).
— Se realizan ensayos de tracción lenta con acero
pretensado en medios de NaHCOg. Las
condiciones de trabajo se deducen a partir de los
resultados obtenidos en los ensayos
electroquímicos. Las fracturas obtenidas se
observan al microscopio electrónico y se determina
la presencia o no de fallos por Corrosión Bajo
Tensión según el aspeto de la fractura, tomando
siempre como referencia una ruptura con fractura
dúctil (Fig. 6).
Conclusiones
De los resultados obtenidos emerje como
conclusión fundamental que la carbonatación del
mortero entraña un grave peligro para la
estabilidad de la armadura. El acero que embebido
en un hormigón sano está pasivo, sufre debido al
proceso de carbonatación una ruptura de la capa
pasiva y comienza a corroerse a velocidades
elevadas. La ruptura de la capa pasiva tiene lugar
cuando el pH alcanzado en la solución de los poros
se sitúa entorno a 8. Es necesaria una humedad
mínima en las proximidades de las armaduras para
/xA/cm
Atmósfera de
HR = 100 7o
10
Atmosfera de
HR = 5 0 7o
Parcialmente
sumergidas (P.SJ
P.l.
10
10-^.
30
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6
ñcero
Acero
Rcoro
ñcero
Rcero
1 2 3 4 5 6
Mortero carbonatado sin aditivos
(a los 3 0 dios de conservación por humedad)
pretensado
pretensado
pretensado
pretensado
pretensado
1
lE-1
lE-2
lE-3
lE-4
M
M
M
M
M
NaHC03
NaHC03
NaHC03
NaHC03
NaHC03
35
<0
Tiempo (d í as)
Fig. 4
^A/cm
Atmosfera de
HR=100 7o
10'
Atmosfero de
HR = 5 0 7o
Parcialmente
sumergidas
120
01 M Na HCO3
10°J
100 -
<
10 4-»
80 -
/
Velocidad de barrido rápida
60 40
lo'j
•O
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6
Mortero carbonatado + 37© Na NO2
(a los 3 0 dios de conservación por humedad)
1. P 450 ARI; 2. P 350Y; 3. —P +30 % cenizas; 4. Sil 350; 5. PUZ 350;
6. Cenizas
Fig. 3
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'/
-
*\
Velocidad de barrido lenta
O
•g
20 -
c
0
Q
1
-800
-600
-400
L.
-200
1
—
0
1
200
1
400
1_
600
Potencial, mV, esc
Fig. 5
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^ #- ^
^V ív^^^. > '^
%í-
Fig. 7
Fig. 6
que la corrosión se mantenga a lo largo del tiempo.
Este ataque se hace más intenso a las humedades
del 100 % o condiciones parcialmente sumergidas
de las probetas carbonatadas.
El NaNGj es siempre capaz no sólo de reducir,
sino anular, el ataque provocado por la
carbonatación sobre las armaduras y su efecto se
hace más favorable cuanto más elevada es la
humedad del medio que las rodea.
También se ha encontrado que el acero pretensado
puede sufrir fallos por Corrosión Bajo Tensión en
soluciones acuosas de bicarbonato sódico,
definiéndose una concentración crítica 0,1M en
condiciones aireadas y agitadas, donde el proceso
está más favorecido. Siempre el fallo se encontró
íntimamente ligado a una zona de potenciales y por
su aspecto parece que al menos la propagación de
la grieta es debida a un fenómeno de fragilización
por hidrógeno (Fig. 7).
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