corrosión de armaduras en estructuras de hormigón armado

CORROSIÓN DE ARMADURAS EN ESTRUCTURAS
DE HORMIGÓN ARMADO
Pedro Garcés Terradillos
Miguel Ángel Climent Llorca
Emilio Zornoza Gómez
Título: Corrosión de armaduras en estructuras de hormigón armado
Autores: © Pedro Garcés Terradillos
Miguel Ángel Climent Llorca
Emilio Zornoza Gómez
ISBN: 978-84-8454-685-6
Depósito legal: A-1035-2008
Edita: Editorial Club Universitario Telf.: 96 567 61 33
C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante)
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previo y por escrito de los titulares del Copyright.
ÍNDICE
0. PRÓLOGO............................................................................................................................7
1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................9
1.1. Acero y hormigón .................................................................................... 9
1.2. Costes económicos de la corrosión........................................................ 10
1.3. Aspectos normativos.............................................................................. 13
2. INTERACCIÓN ACERO HORMIGÓN .....................................................................15
2.1. Introducción ........................................................................................... 15
2.2. El cemento y las reacciones de hidratación........................................... 16
2.3. Porosidad y procesos de transporte ....................................................... 18
2.4. Relación a/c y curado............................................................................. 19
2.5. Porosidad, permeabilidad y percolación ...............................................22
3. NATURALEZA ELECTROQUÍMICA DE LA CORROSION.............................25
4. CAUSAS DE LA CORROSIÓN DE LAS ARMADURAS....................................27
4.1. Tipos de corrosión.................................................................................. 28
4.2. Posibilidad, probabilidad y cinética de corrosión ................................. 28
5. LAS FASES DE LA CORROSIÓN: INICIACIÓN Y PROPAGACIÓN ..........33
5.1. Modelo de Tuutti.................................................................................... 33
5.2. Velocidad de corrosión .......................................................................... 34
5.3. Modelo de Tuutti cuantificado .............................................................. 35
5.4. Consecuencias de la corrosión............................................................... 37
5.5. Comportamiento de otros metales......................................................... 39
6. LA PASIVACIÓN DEL ACERO POR EL MEDIO MUY BÁSICO DEL
HORMIGÓN ..........................................................................................................................41
6.1. El acero en equilibrio con la disolución intersticial del hormigón en el
cemento Pórtland...........................................................................................41
6.2. Diagrama de Pourbaix del Fe ................................................................ 42
6.3. La influencia de adiciones minerales en la disolución intersticial........44
7. LA INICIACIÓN DE LA CORROSIÓN POR LA CARBONATACIÓN
DEL HORMIGÓN DE RECUBRIMIENTO...............................................................45
7.1. Mecanismo de carbonatación y determinación de la profundidad del
frente carbonatado..........................................................................................45
7.2. Penetración de la carbonatación ............................................................ 46
7.3. Factores que influyen en la velocidad de carbonatación ...................... 47
7.3.1. Humedad................................................................................. 47
7.3.2. Concentración de CO2 ............................................................ 50
7.3.3. Temperatura............................................................................ 51
7.4. Influencia de los parámetros relativos al hormigón. ............................. 51
7.5. Relación de las adiciones minerales con la carbonatación. ..................52
7.6. Velocidad de corrosión .......................................................................... 53
7.7. Hormigón carbonatado y contaminado con cloruros............................55
8. CORROSIÓN LOCALIZADA INDUCIDA POR LA ACCIÓN DE
LOS CLORUROS..................................................................................................................57
8.1. Introducción ........................................................................................... 57
8.2. Papel de los cloruros en el proceso de corrosión. ................................. 59
8.3. El papel del pH en la rotura de la pasividad.......................................... 61
8.4. Estructuras expuestas a la atmósfera .....................................................63
8.5. Estructuras sumergidas ..........................................................................64
8.6. Cloruros combinados y cloruros libres.................................................. 64
8.7. Penetración de cloruros.......................................................................... 65
8.7.1. Difusión estacionaria .............................................................. 65
8.7.2. Difusión no estacionaria ......................................................... 67
8.7.2.1. Contenido en la superficie (Cs)...................................... 70
8.7.2.2. Coeficiente de difusión aparente.................................... 72
8.8. Umbral de despasivación........................................................................ 74
8.9. Influencia de la naturaleza del cemento y de las adiciones minerales ....75
8.10. Importancia del ambiente exterior....................................................... 76
9. FACTORES ACELERANTES DE LA CORROSION DE ARMADURAS ......79
9.1. Influencia de la humedad en el interior del hormigón ..........................79
9.2. Influencia de la temperatura ..................................................................81
9.3. Influencia de los productos de corrosión............................................... 81
9.4. Influencia de la composición del hormigón ..........................................81
9.5. Influencia de las fisuras.......................................................................... 82
9.6. Macropares galvánicos .......................................................................... 83
10. MÉTODOS UTILIZADOS PARA EL ESTUDIO DE LA CORROSIÓN........85
10.1. Métodos gravimétricos: pérdida de peso............................................. 85
10.2. Potencial de corrosión..........................................................................86
10.3. Medida de la resistividad ..................................................................... 87
10.4. Medidas de la intensidad de corrosión. Resistencia de
polarización ...................................................................................................88
11. MÉTODOS DE PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN EN
HORMIGÓN ARMADO.....................................................................................................91
11.1. Introducción ......................................................................................... 91
11.2. Métodos de protección......................................................................... 92
11.3. Recubrimientos metálicos: Galvanizado.............................................92
11.4. Recubrimientos plásticos, resinas y pinturas sobre la armadura ........95
11.5. Protección catódica .............................................................................. 96
11.6. Utilización de aceros inoxidables........................................................ 98
11.7. Los inhibidores de corrosión .............................................................101
12. EVALUACIÓN DE LA CORROSIÓN...................................................................105
12.1. Daños visibles ....................................................................................105
12.2. Métodos de control de la corrosión en las EHA ...............................106
12.3. Inspecciones preventivas y forzadas .................................................109
13. BIBLIOGRAFIA GENERAL.....................................................................................113
14. BIBLIOGRAFIA CITADA.........................................................................................115
0. PRÓLOGO
Las estructuras de hormigón armado forman una parte importante de
nuestra infraestructura. La combinación de la elevada resistencia a
compresión del hormigón y las altas propiedades a tracción de la armadura
de acero, da un material compuesto ideal que ofrece, comparado con otros
materiales, un amplio abanico de aplicaciones en la ingeniería de
estructuras. Edificios, losas, vigas, puentes, pilares, tanques y tuberías, son
estructuras típicas que se pueden realizar con hormigón armado.
En el proceso de diseño de estructuras, los arquitectos e ingenieros
civiles están implicados por igual y frecuentemente se hace una distinción
entre las circunstancias que afectan a la seguridad del edificio y aquellas que
no constituyen un riesgo inmediato pero que pueden hacer que el edificio
sea inservible. Esta última condición se refiere al estado límite de servicio
de la estructura.
Tradicionalmente los factores estructurales y no estructurales que
afectan a la practicidad de los edificios se han tratado de forma separada por
los diseñadores y también se han repartido entre grupos distintos de
ingenieros. Pero no sólo debe considerarse la carga mecánica: toda
estructura está expuesta a un ambiente que puede tener una enorme
influencia en su durabilidad.
Normalmente esta interacción entre el material de la estructura y el
ambiente se llama corrosión. Estudiando la historia del hormigón armado se
encuentran pocos casos donde una estructura haya fallado debido a cargas
mecánicas que no se hayan considerado en la fase de diseño. Las normativas
técnicas ofrecen suficiente información a la hora de dar una guía al técnico
para diseñar una estructura adecuada a soportar todas las cargas mecánicas.
El problema, entonces, puede surgir debido a la falta de sensibilidad y
conocimiento cuando se afrontan cuestiones como la corrosión. Como se ha
señalado anteriormente, rara vez se encuentras fallos de las estructuras
debido a sobrecargas pero se conoce un alto número de estructuras en las
que la corrosión y especialmente la corrosión de la armadura ha conducido a
fallos prematuros y reparaciones costosas. Por ello la corrosión de las
armaduras en estructuras es ahora un aspecto que figura en el
7
Prólogo
mantenimiento de edificios ya construidos y que ha contribuido a cierto
número de colapsos estructurales.
Incluso después de 50 años de experiencia con los problemas de
corrosión en estructuras de hormigón armado existe todavía la necesidad
para los diseñadores de estructuras de adquirir un mayor entendimiento de
los factores y parámetros que afectan a la corrosión de las armaduras y un
desarrollo o mejora de las normativas o códigos de práctica para poner más
énfasis en la necesidad de diseñar para la durabilidad de las estructuras. Por
supuesto, no sólo está el lado técnico del problema. Las implicaciones
prácticas se reflejan principalmente en las pérdidas económicas que pueden
llevar a la pérdida de utilidad temporal o completa, el coste las reparaciones
y la monitorización, o en el peor de los casos la necesidad prematura de
demolición y sustitución. Estos temas unidos forman un argumento válido
para una mayor concienciación de la necesidad para los diseñadores de
considerar explícitamente la implicación de sus requerimientos para la
durabilidad de las estructuras.
8
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Acero y hormigón
Durante milenios, el hormigón preparado por los romanos usando cal,
puzolana y áridos ha sobrevivido a los elementos, dando prueba de su
durabilidad. Nos han llegado desde entonces prestigiosos trabajos de
hormigón: edificios como el Panteón en Roma, cuya estructura actual fue
completada en el año 125 d.C. y también estructuras en ambientes marinos
han sobrevivido durante dos mil años.
Cuando el hormigón armado empezó a ser utilizado de forma industrial a
principios del siglo XX, muchos pensaron haber encontrado un material de
construcción tan durable como la piedra o el ladrillo, pero además dotado de
propiedades mecánicas próximas a las del acero.
Desde finales del siglo XVIII, que se construyó el primer puente
enteramente en hierro de fundición, el acero había sido el material capaz de
permitir los mayores avances en las técnicas constructivas, pero con la
contrapartida de que era necesario un mantenimiento que evitara su
oxidación. En cambio el acero dentro del hormigón alcanzaba un estado de
pasividad química tal, que lo conservaba indefinidamente sin corrosión. Esta
circunstancia, unida a la propia barrera física que supone el recubrimiento,
hizo pensar en que la asociación acero-hormigón se convertiría en un
material compuesto sin necesidad de mantenimiento. De hecho, si el diseño
de una estructura, la elección de materiales, la composición de la mezcla, la
colocación, compactación y curado se llevan acabo de acuerdo a las
normativas actuales, entonces el hormigón es capaz, bajo la mayoría de
condiciones ambientales, de ofrecer protección más allá de los 50 años
típicos requeridos de vida de servicio en muchas estructuras ordinarias, al
menos en regiones de clima suave.
En la actualidad si bien el hormigón armado y pretensado siguen siendo
el material de construcción por excelencia y no se vislumbra que se pueda
desarrollar otro que tenga tantas propiedades favorables al mismo costo, la
idea de que el hormigón es un material que no necesita operaciones
especiales de conservación, ha variado radicalmente. La constatación de que
las armaduras del hormigón se corroen bajo ciertas condiciones y muchas
9
Introducción
estructuras necesitan ser reparadas con sólo 10, 20 ó 30 años de servicio,
son realidades que han comenzado a ser asimiladas por muchos técnicos
relacionados con la construcción y cada vez son más las normativas que
dedican capítulos especiales a la durabilidad en general y a la de las
armaduras en particular.
En nuestro país empieza a ser creciente el número de estructuras que
presentan daños debido a la corrosión de sus armaduras. La mayoría de
ellas están localizadas en las zonas costeras donde debido a la acción de los
cloruros, la oxidación de las armaduras de acero puede producirse a partir de
los 10-20 años de la construcción. Muchos de los daños se reparan sin
siquiera identificar cuales han sido las causas, lo que lleva la mayoría de las
veces a la necesidad de una segunda intervención en un período corto de
tiempo.
La educación, y por lo tanto la enseñanza, tiene un papel muy
importante, no sólo formando profesionales sensibles al problema de la
durabilidad, sino también dándoles las herramientas necesarias para
resolverlos.
1.2. Costes económicos de la corrosión
Evaluaciones llevadas a cabo por comités de expertos, en corrosión y
protección contra la corrosión, fijan las pérdidas anuales causadas por la
corrosión en torno al 3,5% del producto interior bruto (PIB) de un país.
Estas cifras pueden considerarse todavía como excesivamente
optimistas, pues, en la mayoría de los casos, incluyen sólo los costes
directos de la corrosión ocasionados por las medidas preventivas, de
mantenimiento, o por sustitución de las partes corroídas, siendo así que una
evaluación más real debería incluir las ramificaciones primarias, como
pérdidas de producción, costes de las plantas durante el paro, coeficientes de
seguridad en el diseño para prevenir los desgastes producidos por la
corrosión, o disminución de la calidad en la producción a consecuencia de la
impurificación con los productos de corrosión, entre otras.
En el Informe Hoar, modelo del que parten todos los estudios sobre los
costes sociales de la corrosión, dado a conocer ya hace más de 3 decenios
[0], se estimaba que las pérdidas por corrosión ocasionadas en el sector de la
construcción representaban el 18,3% del total (250 millones de Libras de
entonces), siendo superadas exclusivamente por las pérdidas atribuidas a los
sectores del transporte y las aplicaciones marinas. En la Figura 1 se
condensan los datos fundamentales del citado informe, huyendo de dar
valores absolutos, que carecen de validez actual, mientras que,
aproximadamente, los porcentajes o valores relativos conservan su vigencia.
10
Corrosión de armaduras en estructuras de hormigón armado
Ahorros parciales
potenciales
Agua
Transporte
Construcción
Alimentación
lngenieria en
gral.
Energía
Administración
Petroquímica
Semifabricación
y refino de
metales
Marina
Figura 1. Costes portcentuales de la corrosión en el Reino Unido y estimación de los
ahorros potenciales derivados de un uso correcto de los conocimientos en corrosión y
protección.
Admitiendo que los costes de la corrosión puedan ascender hasta un
3,5% del PIB, los debidos al sector de la construcción se situarían algo por
encima del 0,6% de dicho índice.
Existen muy pocos estudios, realizados sistemáticamente y con rigor,
sobre las consecuencias económicas que acarrea la corrosión de armaduras.
Sin duda los más fiables son los realizados en EE.UU., de los que se darán
algunas cifras, aunque no son extrapolables a otras áreas geográficas que
tengan climas más templados. De todas formas pueden dar una idea del por
qué en algunos países se están adoptando estrategias muy extremas para
evitar que las cifras crezcan de forma exponencial, como hasta el presente.
J. Slater publicó, en 1979 [2], los costes asociados al uso de sales de
deshielo. Si se exceptúan los daños causados en el parque automovilístico,
las pérdidas mayores son las causadas en puentes y carreteras, que
ascendían entonces a 500 millones $ USA/año, según la Enviromental
Protection Agency (EPA) y a 152 millones según el Salt Institute. En el
mismo trabajo, Slater avanzaba una previsión de gastos realizada por la
Federal Highway Administration (FHWA) en reparación de estructuras sólo
de las afectadas por sales de deshielo. El coste total de reparación y
protección de puentes se estimó en 2,6 billones $ U.S.A para 1996.
En 1980, Kiliareski publicó otro trabajo [3] en el que citaba un censo de
234.000 puentes en el Sistema Federal y unos 6.900 en el resto de la red
viaria, necesitados de reparaciones estructurales debido a la corrosión de
11
Introducción
armaduras. Calculaba el costo de la reparación o reconstrucción de estas
puentes en 12,5 billones $ USA, que elevaba a 100 billones al considerar
todo el sistema viario del país, lo que representaba un 10% del Producto
Interior Bruto (GNP). Dramatizaba, finalmente, que además esta situación,
se producía en puentes con una vida de alrededor de 5 años, cuando habían
sido calculados para 30 ó 40 años.
En 1982, Craig, O'Conner y Ahlskog [4] vuelven a insistir sobre las
estadísticas, refiriéndose a un inventario de puentes reciente de la FHWA.
De los 500.000 puentes censados, 39.000 necesitaban rehabilitación para ser
usados de forma segura. Esto suponía 33 millones de m2 de tablero, que
calculando un costo de reparación de 215$ /m2 suponía 7,2 billones $ USA.
En el mismo trabajo, citan la intervención del Secretario de Transporte en
marzo de 1981 en el "Report to Congress on the Highway Bridge
Replacement and Rehabilitation Program" en el que alude a que 209.000
puentes tienen deficiencias cuya reparación necesitaría 41 billones $ USA.
Skalny [5], en 1987, en nombre del comité “Concrete Durability” y en
un informe al National Research Council de USA, resume la situación de la
siguiente manera: el valor de todos los edificios o estructuras de hormigón
fue calculado en 1981 por el Bureau of Census en alrededor de 6 trillones $
USA. Por otro lado, en 1985 el volumen de negocio en construcción fue de
unos 300 billones $ USA, empleando alrededor de 5,5 millones de
trabajadores (17% de la fuerza trabajadora estadounidense). En relación a
este volumen de negocio, los costos estimados en 1984 de reparación y
construcción por el Transportation Research Board son de 50 billones $
USA.
Más recientemente, se ha estimado que los costes totales de la corrosión
en USA han pasado de 5,5·109 $ en 1949 a 2,76·1011 $ en 2002 [6].
Por último, en nuestro país, una estimación reciente cifra el coste de las
reparaciones y sustituciones a causa de los deterioros provocados por la
corrosión en las estructuras de hormigón armado en España en 1.200
millones de euros anuales [7]. Cifras ambas que vuelven innecesario
cualquier argumento adicional sobre la importancia del tema que nos ocupa.
A pesar del relativo pequeño porcentaje de estructuras dañadas, respecto
del total del parque construido, la repercusión de estas reparaciones en la
economía particular del afectado es grande, lo que le crea una desconfianza
en la durabilidad del hormigón armado y le hace tender a buscar soluciones
más duraderas en otros tipos de material, como el acero, en el que, a pesar
de sus mayores gastos de mantenimiento, encuentra al menos una mayor
sensación de “seguridad”.
12
Corrosión de armaduras en estructuras de hormigón armado
Esta sensación de seguridad se desprende de que el usuario es capaz de
seguir visualmente el estado de deterioro, mientras en el hormigón armado,
el deterioro solo se aprecia cuando ya el daño es grande y más costosa su
reparación que la del acero visto.
1.3. Aspectos normativos
Por regla general, cualquier disposición que implique una limitación de
la porosidad del hormigón contribuye a la durabilidad del sistema
hormigón-armadura. Las reglas que conciernen a la necesidad de un curado
húmedo del hormigón tendrán una importancia muy particular, puesto que
los primeros centímetros del recubrimiento del hormigón son muy sensibles
a los efectos de la desecación.
Las otras disposiciones, directamente relacionadas con la corrosión de
las armaduras, conciernen a la limitación en el contenido de iones cloruros,
la fijación del espesor del recubrimiento mínimo y la limitación del tamaño
de las fisuras en el hormigón armado.
•
Limitación del contenido de iones cloruro
Si bien los distintos componentes del hormigón, agua, cemento, árido y
aditivos tienen sus respectivas limitaciones parciales, la Instrucción del
Hormigón Estructural (EHE) establece en su artículo 30.1 que la cantidad
total de ión cloruro aportado por los componentes a la mezcla no excederá
de un 0,2% en peso del cemento para hormigones pretensados ni de un 0,4%
en peso del cemento para hormigón armado o en masa conteniendo
armaduras (de control de fisuración). También la norma europea ENV-206,
apartado 5.5 establece valores máximos de contenidos de cloruros en el
hormigón.
• Espesor mínimo de recubrimiento
El artículo 7.2.4. de la Instrucción EHE establece los recubrimientos
mínimos de hormigón sobre las armaduras, que dependen de la clase de
exposición del elemento, del tipo de elemento (in situ, prefabricado,
láminas) de la resistencia del hormigón y del control de ejecución. Deberá
ser indicado en el proyecto por el autor del mismo, los valores han
aumentado respecto de los que indicaba la anterior Instrucción EH-91. La
tabla 4.2 del Eurocódigo 3, Parte 1.1, establece también los valores de
recubrimiento mínimo según el tipo de exposición, para hormigones
armados y pretensados.
13
Introducción
Tabla 1. Espesores mínimos de revestimiento de las armaduras a respetar en función de las
condiciones de exposición según la EHE.
Condiciones de exposición
Entorno seco en el interior de
locales
Entorno húmedo y agresivo para
obras expuestas a las inclemencias,
condensaciones y en contacto con
los líquidos
Entorno muy agresivo por
exposición al mar, a las brumas,
nieblas salinas, sales fundentes y en
atmósfera químicamente agresiva
Espesor mínimo de revestimiento de
las armaduras (en cm)
1
3 ó 2, si la resistencia característica
del hormigón es superior a 40 MPa
5 ó 3, si las armaduras están
protegidas por un procedimiento
eficaz
• Limitación del ancho de fisura
La Instrucción EHE y el Eurocódigo 2, Parte 1.1, establecen los valores
máximos del ancho de fisura en los artículos 4.9.2.4 y 4.4.2
respectivamente. Dichos valores máximos, diferentes para el hormigón
armado y pretensado dependen también del tipo de ambiente. Los estudios
que conciernen a la fisuración superficial no han revelado una agravación
determinante de la corrosión cuando el ancho de la fisura no excede los 0,4
mm en ausencia de cloruros.
14