Conferencia del Dr. Alberto Sagüés sobre el tema

DURABILIDAD DE LA INFRAESTRUCTURA - AVANCES EN EL PRONÓSTICO
DE LA CORROSIÓN EN HORMIGÓN
Dr. Alberto A. Sagüés
Académico Correspondiente
Distinguished University Professor
Dept. of Civil and Environmental Engineering
University of South Florida
Tampa, Florida, EE.UU.
Keywords: Durabilidad, Predicción, Modelado, Concreto
Resumen
Mundialmente la infraestructura representa una inversión masiva de recursos
materiales y económicos. Es por ende que hoy en día muchas estructuras son diseñadas con
un servicio de vida útil de 100 años o más. Sin embargo, la construcción evoluciona, retando
la habilidad del ingeniero de predecir la durabilidad de estas estructuras, dada la corta
base de experiencia e investigación de materiales y diseños modernos. Caso en punto: el
pronóstico y control de la corrosión del acero en hormigón armado, uno de los procesos de
deterioro más costosos del inventario estructural global. En este artículo se examinan las
fronteras del entendimiento del proceso y su aplicación a evitarlo, con enfoque en el estado
actual del arte del pronóstico de durabilidad en función de las opciones de diseño y
materiales modernos. Se destacan áreas emergentes con desafíos técnico y las
oportunidades, necesidades de avance y éxito en los mismos.
Sujeto y objetivo de esta memoria
El objetivo de este trabajo es dar al lector una breve reseña de los factores más
importantes para el pronóstico del proceso de corrosión en hormigón, y destacar algunas
áreas que requieren atención actualmente con el fin de formular nuevas y más confiables
generaciones de modelos predictivos. La orientación es hacia el ingeniero que desea una
introducción breve sobre el tema con algunos ejemplos pertinentes para ilustración
específica. El tratamiento no es de ninguna forma exhaustivo, pero se dan fuentes para
consulta más detallada si fuera deseada. Se ha elegido para enfoque el caso de estructuras
marítimas donde la corrosión del acero de refuerzo es un tema crítico desde el punto de
vista de la durabilidad.
Introducción
La corrosión del acero en el hormigón (concreto) armado es un proceso costoso que afecta
una gran parte de la infraestructura mundial. El proceso merece atención para minimizar
sus consecuencias. La habilidad de pronosticar el desarrollo del deterioro por corrosión en
función de los parámetros de construcción es un elemento importante para tomar
decisiones adecuadas durante el diseño de una estructura incluyendo los planes y costos de
rehabilitación. El pronóstico, para ser de utilidad, tiene que cubrir un largo período de
1
tiempo, por ejemplo, más de un siglo cuando se trata de estructuras como los puentes
grandes o túneles.
Se recuerda que el agua presente en los poros del hormigón tiene normalmente un alto
contenido alcalino, con un pH típicamente > 13. En tales condiciones la superficie del acero
tiende a encontrarse en el estado pasivo, donde una delgada película de óxidos/hidróxidos
de Fe termodinámicamente estable retarda muy efectivamente la reacción de oxidación del
Fe y como resultado la corrosión [1]. Sin embargo, la película pasiva es susceptible al
deterioro en la presencia de iones cloruro (Cl-) cuando su concentración excede un cierto
umbral critico CT. Tal situación puede ocurrir por ejemplo cuando el hormigón está
expuesto a ambientes marítimos(uno de los casos más severos y que por brevedad será el
enfoque de este trabajo) o cuando los cloruros ya estaban presente desde el comienzo debido
a contaminación previa de los componentes de mezcla. La capa pasiva puede deestabilizarse también si el pH de la solución de poros baja hacia valores de alrededor <11,
por ejemplo debido a interacción con el CO2atmosférico, en el llamado proceso de
carbonatación. Tal caso es común en hormigones de relativamente baja calidad y con poco
espesor de recubrimiento del acero por el hormigón, siendo detallado en otras publicaciones
[1].
El concepto básico del pronóstico de la corrosión en hormigón fue propuesto por Tuuti [2]
quien dividió el proceso de deterioro en dos etapas. La primera, llamada etapa de iniciación,
es el periodo de duración ti durante el cual la concentración de los cloruros en el hormigón
en contacto con el acero aumenta (debido a la ingreso gradual desde afuera de la superficie)
hasta que la concentración finalmente llega al valor CT. En ese momento la corrosión en
forma activa comienza, iniciando la etapa de propagación durante la cual los productos de
la corrosión del acero se acumulan y finalmente causan la formación de quebraduras o
grietas. Esta etapa, de duración tp, termina cuando las quebraduras emergen en la
superficie externa del hormigón, o cuando alguna manifestación similar de la necesidad de
reparaciones aparece come ser la de-laminación del hormigón o desarrollo de
desprendimientos. Tales eventos, describiendo un “estado limite” son frecuentemente
considerados indicativos del fin de la vida normal o útil tn de la componente estructural
considerada, dando la necesidad creciente de incurrir costos de rehabilitación de ahí en
adelanteA. Por tanto, en caso de poseer los valores de ti y tp la vida útil sería dada
simplemente como tn = ti + tp.
El proceso de modelado para pronosticar la durabilidad bajo estas condiciones comienza
por hacer varias suposiciones sobre la estructura y el medio ambiente, así como sobre los
procesos de corrosión que van a tener lugar. En el caso elegido de puentes marítimos las
suposiciones incluyen:
1-El mecanismo de ingreso de los cloruros es principalmente la difusión.
Matemáticamente se toman condiciones de contorno adecuadas al sistema considerado, y se
resuelve la ecuación de difusión dentro del hormigón, calculando el tiempo necesario para
que la concentración de cloruros en la superficie del acero (ubicada a un espesor de
recubrimiento x bajo la superficie externa) llegue al valor CT. El resultado es el valor ti.
A
Naturalmente otros estados límites con deterioro mas avanzado pueden ser definidos, pero se
acostumbra usar el descripto aquí más comúnmente.
2
2-Con acero de refuerzo común (sin tratamientos epóxicos, u otras modificaciones) la
duración de la etapa de propagación es típicamente bastante corta comparada con ti. Por
tanto, es común asignar una duración fija al valor de tp. Un valor tp0=5 años se usa con
frecuencia, dado que representa las duraciones observadas empíricamente en este tipo de
sistema.
La ejecución del modelo requiere valores de los parámetros que rigen el proceso de
difusión, así como del espesor de recubrimiento y del umbral de corrosión CT. En el caso de
puentes marítimos los parámetros de la difusión incluyen el valor de la concentración de
cloruros en la superficie exterior a medida que transcurre el tiempo, el valor de la
concentración inicial de cloruros, si los había, en el hormigón, y el del coeficiente efectivo de
difusión de cloruros en el hormigón con el cual el elemento estructural fue construido. El
análisis es simplificado por varias circunstancias. La concentración superficial, dictada por
un proceso de salpicado y evaporación, tiende a llegar a un valor aproximadamente
constante Cs al cabo de solo unos pocos años, así que su variación temporal puede
ignorarse. Dado que la construcción actual realizada con alto control de calidad, la
concentración inicial de cloruros puede ser considerada aproximadamente = 0. Si el valor
del coeficiente de difusión D se considera por el momento también, como una constante y si
el hormigón se supone como un medio aproximadamente uniforme, el valor de la
concentración de cloruros dentro del hormigón se puede tratar como tal de satisfacer la
ecuación de conservación de masa de acuerdo a la 2ª ley de difusión de Fick tal que
∂ C / ∂ t = ∇2 C
1)
donde t es el tiempo medido desde el comienzo de la vida de la estructura.
La Ec. (1), resuelta por las suposiciones indicadas anteriormente para calcular el
momento ti cuando C=CT a la profundidad x, y añadiendo a ese valor la duración de
propagación tp0, da como resultado la vida útil tn indicada en la Ecuación (2)
tn 
x2

4 D  erf



C 
1 
1 T 
 CS  


2
 tp 0
(2)
Donde erf-1 es la inversa de la función error, obtenible en forma tabulada o calculable
sencillamente en hojas de cálculoB. Por lo tanto, la durabilidad relacionada a la corrosión
del refuerzo de un elemento estructural bajo las condiciones asumidas anteriormente se
puede estimar directa y cuantitativamente basado en los valores de solamente 5
parámetros. De esos, x es conocido de los planos de construcción, and tp0ya es dado como se
ha dicho antes. De los restantes, Cs se puede estimar conservativamente basado en datos
empíricos obtenidos en muchas estructuras marítimas. Esos datos muestran que, debido al
proceso de concentración evaporativa, el valor de Cs tiende a ser relativamente poco
afectado por el contenido salino exacto del agua de mar o de estuarios marítimos, tal que
B
Ec.(2) presupone simple difusión unidimensional, como en el caso de una pared plana. Otros casos se
consideran más adelante.
3
un valor del orden de Cs=20 kg of cloruro por m3 de hormigón se puede suponer en primera
aproximación con cierta confiabilidad [3].
El valor de CTtambién es sujeto a una estimación razonable basado en información
básica sobre el diseño de mezcla del hormigón usado en la estructura, tal que un valor CT =
0.004ˣCF, donde CF es el contenido de cemento del hormigón por m3, se adopta de
costumbre si no hay información disponible más precisa al momento [3]. Queda solo D como
parámetro cuyo valor no se puede anticipar fácilmente. El valor de D es importante dado
que puede fácilmente variar de hormigón a hormigón sobre un rango de dos órdenes de
magnitud. Además, por la forma de Ec.(2) el valor de D afecta fuertemente (con
proporcionalidad 1/D) el valor de ti , el cual es una componente principal de t n.
Basado en lo anterior, recientemente ha habido mucho interés en la literatura en
determinar cuál es el valor de D más apropiado dada la formulación del hormigón usado, o
al menos en establecer algún tipo de ensayo que se pueda hacer con muestras de hormigón
obtenidas durante la construcción o preparadas durante el planeamiento de la estructura.
Se comenta al respecto más adelante.
Se debe destacar que la Ec.(2) se refiere a un simple elemento estructural con sus
valores de parámetros específicos, que resulta en un valor único de tn. Sin embargo, desde el
punto de vista del pronóstico de durabilidad es importante reconocer que siempre hay
variabilidad en esos parámetros y que esa afecta la naturaleza del pronóstico. Por ejemplo,
en el diseño orientado hacia el análisis de riesgos uno está interesado en saber cuál sería la
probabilidad que un cierto elemento llegue al fin de su vida útil a una cierta temprana
edad. Alternativamente, pero matemáticamente prácticamente el mismo ejercicio, se
desearía saber, dado un gran número de elementos estructurales similares como ser pilotes
en un puenteC, que fracción de esos pilotes habría llegado al fin de su vida útil a una cierta
edad del puente. La información resultante permitiría anticipar como evolucionarían los
costos de reparaciones a medida que la estructura envejece y así planear los presupuestos
de mantenimiento correspondientes. Si uno tiene información sobre la variabilidad de los
parámetros, dígase en la forma del valor de la desviación estándar alrededor de un
promedio, ya existen tratamientos probabilísticos de la corrosión en hormigón que obtienen
el resultado de tal análisis[4,5,6,7]. Por ejemplo, si la superficie de una estructura
extendida de hormigón reforzado se divide en elementos idénticos de un área tal que
corresponde al tamaño típico de un parche de desprendimiento, una extensión del concepto
que dio Ec.(2) muestra que [7]

Dhi
Nd(t)
1

N
 Ni
i
N
i
i
Dli
Cshi

 C
Pcumxi  2 D (t  tp i ) erf 1  1  T
 CS

Csli

  Pcsi (Cs) PDi (D) dCs d D


(3)
donde
Nd(t) es el número de elementos que llegarán al fin de la vida útil cuando la edad del
C
O incluso una dada parte del pilote, como ser la zona ubicada a una cierta altura sobre el nivel del agua.
4
puente tendrá un valor t.
N es el número total de elementos en la estructura.
Ni es el número de partes o zonas de la estructura donde las condiciones ambientales, el
tipo del hormigón y el espesor de recubrimiento tienen características comunes pero
diferentes de las prevalentes en otras zonas.
Pcsi y Pdi son las respectivas densidades probabilísticas para la concentración
superficial de cloruros Cs y el coeficiente de difusión de los cloruros en la zona i.
Pcumxi es la probabilidad cumulativa de la distribución de espesor de recubrimiento en
la zona i.
tpi es la duración de propagación de la etapa de propagación supuesta para la zona i.
Dli, Dhi, Csli and Cshi son los valores mínimo y máximo de D y de Cs en la zona i.
Se aclara que la Ec. (3) se dedujo con la importante suposición que el comienzo y
desarrollo de la corrosión en cada elemento es completamente independiente de lo que
pasara en los otros elementos del sistema. Esta suposición, como se discute más adelante,
tiene sus limitaciones.
El resultado Nd(t)/N se puede llamar la función de deterioro del sistema, vocabulario
usado en lo siguiente. La Figura 1 ejemplifica tal función obtenida para un grupo de
puentes existentes, para los cuales había que decidir si era económicamente deseable
expandir la superestructura para acomodar más tráfico mientras reteniendo la
subestructura presente, o en vez demoler los puentes y reconstruirlos con más capacidad [8.
La respuesta se basaría en parte en la proyección de costos en reparar deterioro debido a la
corrosión en el resto de la vida de los puentes. Naturalmente, conocimiento de la función de
deterioro era un elemento crítico en la decisión y al análisis, del tipo obtenido por medio de
Ec.(3) proveyó esa información. Es claro que en tales casos la habilidad de pronosticar
corrosión en esa forma es extremadamente deseable.
5
Supuesto CT = 1.6
3
kg/m de hormigón.
Área
deteri
orad
a
2
(m )
Edad de los puentes (Años)
Figura 1 - Ejemplo de funciones de deterioro proyectadas para un grupo de puentes
marítimos. Las abreviaciones TS1k a TS3k corresponden a 3 zonas diferentes de los
puentes. TSAk es la suma del deterioro de todas las zonas. Ver referencia [8].
Limitaciones y frentes de desarrollo
El tipo de pronóstico descripto arriba representa en gran parte el estado presente de
desarrollo de estas actividades. Sin embargo, el desarrollo al momento presenta
limitaciones, con las correspondientes oportunidades de mejoramientos, en dos amplios
frentes. Uno es la disponibilidad de datos experimentales adecuados, y el otro la inclusión
de todos los fenómenos de importancia en los modelos. Ambos frentes están relacionados
pues un modelo puede incluir ecuaciones muy elaboradas que dependen en el valor de un
6
cierto parámetro, pero sin utilidad debido a la escasez de datos experimentales sobre ese
parámetro.
En lo siguiente, se introducen brevemente algunas de las áreas de importancia más
destacables en esos frentes, con comentarios sobre la necesidad de mejoramiento para hacer
predicciones más confiables con las generaciones siguientes de modelos. Como dicho antes,
la selección de áreas no es exhaustiva; se recomiendan al lector interesado varias
publicaciones recientes que analizan estos y otros temas relacionados en más detalle
[9,10,11].
Formulación del proceso de penetración de cloruros - hormigónsólido.
Como dicho antes la Eq.(1) representa el comportamiento de un sistema bajo condiciones
ideales de difusión de acuerdo a las leyes de Fick [12]. Varios factores complican la difusión
en hormigón. Aun en hormigón sólido, sin grietas u otras irregularidades, esos factores
incluyen una componente de absorción durante ciclos de humidificación, secado y
permeación cuando hay gradientes de presión hidráulica significantes. En hormigón de alta
impermeabilidad, como se usa en ambientes muy agresivos, la absorción tiende a afectar
solo una capa de corto espesor (generalmente < 1 cm) [1] que se puede despreciar en
primera aproximación. En ambientes marítimos, donde la concentración superficial es
máxima cerca de o encima del nivel del agua [3], y en otros ambientes de superficie, la
permeación es generalmente un proceso secundario cuyos efectos igualmente tienden a no
ser considerados. Un factor más importante sin embargo es la combinación química de los
iones cloruro con compuestos en la pasta del cemento hidratado, formando cloruros
enlazados [1,13,14]. Ese proceso retarda efectivamente el ingreso de cloruros en el
hormigón, y resulta en un perfil de penetración que es matemáticamente más complicado de
describir que el resultante de una difusión idealmente simple. Por tanto, fórmulas como la
Ec. 2 ya no son tan precisas para calcular la durabilidad. Al presente se conocen métodos
matemáticos para calcular el efecto del enlazado en el perfil penetración de los cloruros, y se
aplican en algunos modelos especializados [15, 16], pero en el ámbito más amplio faltan la
cantidad suficiente de datos experimentales y los detalles precisos del mecanismo de
enlazado para incorporarlo en forma rutinaria en las ecuaciones que predicen la duración
del periodo de iniciación. Por tanto, el proceso se reconoce solo empíricamente basado en
mediciones de perfiles de penetración de cloruros con muestras extraídas en el campo, o en
ensayos con muestras de hormigón, que serán descritos con detalle más adelante. Los
perfiles de penetración de cloruros se ajustan matemáticamente para obtener un valor
aparente de D por medio de soluciones de Eq. 1, sabiéndose que el resultado está afectado
de incertidumbre por lo ya indicado anteriormente. Ampliar la base de datos sobre
parámetros de enlazado y entender en más detalle su mecanismo permitiría incrementar la
exactitud de modelos predictivos futuros.
Otra área que merece atención es la validez del uso de ensayos rápidos de laboratorio
para obtener valores de D basados en muestras de hormigón. Tales ensayos (por ejemplo
ver [17,18]) son importantes si el diseño y la construcción involucran requerimientos
basados en el rendimiento de los materiales durante los ensayos. Como los ensayos tienen
lugar con muestras hormigones que han sido curadas por periodos cortes, per ejemplo 1
mes, el resultado tiene que ser sujeto a extrapolación dado el mucho más largo periodo de
servicio típico de una estructura. Se conoce que a medida que el hormigón envejece se
hidrata más, su red de poros tiende a afinarse y ser menos interconectada. Cuando hay
7
aditivos puzzolánicos (como por ejemplo la ceniza volante) la reacción correspondiente causa
aun mayor refinamiento [3]. Tales fenómenos son beneficiosos pues resultan en
paulatinamente menores valores de D. El proceso se ha cuantificado por medio de
relaciones funciónales para extrapolar el valor futuro de D, usando parámetros específicos
de cada formulación de hormigón. Los parámetros y las funciones aplicables han sido
extraídos de ensayos de laboratorio y de campo [19], pero todavía existe mucha
incertidumbre sobre los valores de los parámetros, incluyendo su variabilidad, y el periodo
de tiempo hasta el cual serán válidas esas relaciones. La incertidumbre en este aspecto se
acentúa grandemente cuando se trata de predecir durabilidad más allá de unas pocas
décadas de servicio. Tal incertidumbre tiene consecuencias importantes en el caso de obras
mayores diseñadas para larga duración de servicio, pues obliga a tomar medidas
conservadoras que podrían ser innecesarias. Tales medidas incrementan el costo e incluso
pueden impactar desfavorablemente otras áreas de diseño estructural. Por ejemplo, cuando
se incrementa el espesor del recubrimiento del acero para retardar la corrosión siempre hay
un cierto riesgo adicional de inducir la formación de grietas en ese recubrimiento debido a
solicitaciones estructurales. Ese riesgo se tomaría para reducir el otro, que es mayor, de
desprendimientos debidos a la corrosión, pero tal suposición es inválida si resultara que la
probabilidad de corrosión había sido muy sobreestimada. Por tanto, es importante al
presente desarrollar más conocimiento de los factores necesarios para interpretar los
resultados de ensayos de corto tiempo para predecir el transporte de cloruros sobre largos
períodos de servicio, especialmente en el tema de la reducción del valor de D con el tiempo.
Se observa también que muchos de los datos y modelos para la penetración de cloruros
consideran solamente la condición donde el agua de poro está en condición saturada. Esa
condición es la más severa desde el punto de vista de la velocidad de penetración, pero
constituye solo una pequeña parte de las situaciones de interés, donde la mayoría de las
veces los poros no están saturadosD. Usar los valores de D estimados para una situación de
saturación, cuando no la hay, lleva la desventaja de una posible sobreestimación del riesgo
de iniciación de la corrosión, con el tipo de desventajas posibles mencionado anteriormente.
Hay algunos modelos especializados para atacar este problema [15,16,20]pero una
aplicación más amplia se necesita todavía.
Formulación del proceso de penetración de cloruros - hormigón con
deficiencias locales.
La mayoría del esfuerzo en pronosticar corrosión en hormigón se ha concentrado en el
caso de hormigón sin imperfecciones, en parte debido al fácil desarrollo correspondiente de
los modelos de transporte, e históricamente porque los hormigones asociados con problemas
tempranos de corrosión tienen alta permeabilidad. En tal caso la penetración de cloruros a
través de la matriz del medio es relativamente rápida y el contraste con la penetración a lo
largo de las grietas no es tan pronunciado. Sin embargo, a medida que los hormigones de
baja permeabilidad se han empezado a usar con mucha más frecuencia que en el pasado, la
penetración de cloruros en las grietas y en el hormigón en su inmediata vecindad es mucho
más notable en comparación a la de las regiones sin deficiencias. Efectivamente, se está
llegando al punto en algunos casos donde las únicas ubicaciones que se espera mostrarán
alguna corrosión son aquellas donde existen grietas u otro tipo de deficiencia local , tal como
D
Y que por tanto permiten la rápida penetración del oxígeno, con velocidades de corrosión más rápidas
en promedio durante la etapa de propagación.
8
consolidación imperfecta, o planos que separan dos coladas, una de las cuales fraguó
primero. Lamentablemente, el modelado predictivo hoy en día no está muy avanzado en
esta área. Son de notar algunas tentativas al respecto de parte de Lau [21] y Busba [22],
pero esas son basadas en las simple suposiciones que el valor de D es un orden de magnitud
más grande en la zona de deficiencia que en la del hormigón sólido, y que el área superficial
externa afectada tiene una anchura en el orden del espesor de recubrimiento. Es necesario
desarrollar modelos más avanzados que tengan en cuenta este fenómeno. Un camino
posible para realizar eso sería primero consolidar una base de datos basados en
observaciones de campo, de las cuales existen relativamente pocas al momento y poner en
lugar algún tipo de coeficiente empírico como una adición en los modelos presentes.
Segundo, se debería desarrollar una base teórica expandiendo los modelos simplificados que
existen al presente con validación basada en las observaciones de campo a medida que se
hagan disponibles.
Otros factores geométricos
Ya se había reconocido por mucho tiempo que la penetración de cloruros es más rápida
en las esquinas y en los elementos circulares de una componente estructural, debido a que
la difusión es multidimensional en esas partes con contribuciones viniendo de más de un
lado. Tales factores ya están incluidos en los modelos de uso más común [5], con el valor de
ti acortado correspondientemente. Un aspecto sin embargo todavía espera la aplicación en
forma rutinaria. El tal consiste en reconocer que la presencia misma de la barra de
refuerzo actúa como un obstáculo a la difusión hacia más adentro, y causa el
amontonamiento acelerado de cloruros sobre la barra [23]. Por tanto, el valor de ti se acorta,
a veces considerablemente, comparado con el resultado obtenido cuando este efecto se
ignora. El resultado de ignorarlo es un pronóstico afectado en la dirección menos
conservativa, con riesgo asociado de corrosión ocurriendo más temprano que lo previsto.
Naturalmente este fenómeno, que recién ahora se empieza a reconocer en algunos modelos
[9,24], necesita atención rutinaria en las nuevas generaciones de modelos.
Tratamiento del umbral de corrosión.
Los modelos presentes tienen bastante en cuenta la información disponible en la
literatura científica de cuáles son los valores de CTmás esperados en función del tipo y
composición del hormigón, al menos en lo que se refiere al desarrollo de los primeros
eventos de corrosión en una estructura (más sobre esto más adelante). Menos atendida es
la asignación del tipo o valor de la variabilidad de CT a ser usada en modelos estadísticos.
Los tratamientos presentes o simplemente ignoran esa variabilidad, o suponen ciertas
funciones estadísticas y parámetros descriptivos de la variabilidad con relativamente poca
información en su apoyo. Esa situación incrementa la incertidumbre del pronóstico en una
dirección que puede ser más conservativa o también en el sentido opuesto, con posibles
consecuencias adversas en ambos casos.
Otra área todavía menos considerada, pero cuya importancia ha sido reconocida
recientemente, es el efecto en CT en un cierto punto de la armadura que tiene la activación
previa de otras partes cercanas de la armadura. Se conoce bien que al momento de la
activación el potencial del acero con respecto al hormigón se hace más negativo que antes,
por un valor que puede ser de varios cientos de mV [1]. Por el fenómeno de macrocelda de
corrosión [25], ese cambio de potencial afecta también en la misma dirección al acero
9
adyacente. Por tanto, el potencial en el punto considerado ya se ha hecho más negativo en
virtud de la previa activación del acero cercano. Independientemente, se conoce que si al
potencial del acero que está todavía en el estado pasivo se lo hace más negativo de alguna
manera, el valor de CT se incrementa substancialmente [26,27]. El resultado final es que el
valor de CT en un punto de la armadura que esté todavía en el estado pasivo se incrementa
si el acero adyacente se empezó a corroer activamente primero. Tal fenómeno no estuvo
considerado en la deducción de la Ec.(3), que supone que todos los elementos evolucionen
independientemente, y la cual o sus equivalentes son la base de la mayoría de los modelos
predictivos usados hoy en día.
Las consecuencias de introducir esta dependencia del umbral en el potencial (DUP) son
importantes pues naturalmente si CT se eleva, la corrosión se retarda en las partes de la
armadura que estaban todavía en el estado pasivo. La figura 2 ilustra el efecto de introducir
esta nueva consideración en un modelo que sea ha presentado recientemente [28,29,30]. La
función de deterioro del caso DUP es visiblemente menos severa que la obtenida con el
tratamiento tradicional, donde hay independencia del umbral en el potencial (IUP). Como
se ve, este efecto puede ser muy grande, y si se ignora los modelos predictivos dan
resultados que pueden ser muy conservativos, con las consecuencias adversas posibles ya
comentadas antes. Al momento ya se está desarrollando una nueva generación de modelos
que tratan de introducir el efecto de DUP, pero todavía falta establecer la implementación
rutinaria en los modelos en uso común. Se nota que implementar DUP en un modelo
requiere computaciones bastante elaboradas así que al momento su implementación
práctica está limitada al uso de factores aproximados de corrección basados en cálculos
genéricos [11,24].
Hormigón sumergido
La corrosión de la armadura en las partes de la subestructura que está
permanentemente sumergida se ha considerado tradicionalmente como de relativamente
poca importancia. Las razones por tal consideración eran que primero, en las partes
sumergidas el proceso de enriquecimiento de cloruros por la evaporación no ocurre y por
tanto Cs es bastante menor que poco encima de la superficie del agua[31]. Segundo, el
oxígeno, que es necesario para la reacción catódica en el proceso de corrosión, se difunde
muy despacio en hormigón con poros saturados de agua como es el caso en la parte
sumergida [25]. Por tanto, la velocidad de corrosión es limitada por el lento proceso difusión
y la velocidad de corrosión así calculada resulta ser muy baja. Finalmente, en soporte de lo
indicado no ha habido mucha evidencia de daño por corrosión en zonas sumergidas de los
puentes.
10
Figura 2 - Ejemplo de proyecciones de función de deterioro para una columna semisumergida, calculadas usando el tratamiento tradicional (IUP) y teniendo en cuenta la
dependencia del umbral en el potencial. Ver referencia [30].
No obstante lo anterior, existe interés renovado en esta área pues el diseño actual de
muchos puentes es para vidas de servicio muy largas, y se teme que fenómenos como este
cuyas consecuencias se consideraban despreciables anteriormente, puede que no lo sean en
el largo plazo. Con respecto al valor disminuido de Cs, aunque t i fuera más largo todavía
podría ser superado si un ciclo de vida muy largo (como ser 100 años) se consideraba. El
alivio de la corrosión debido a la baja difusividad del oxígeno ha sido sometido también al
escrutinio por medio de modelos exploratorios [31]. Se ha determinado que mientras la
velocidad de corrosión de la armadura en promedio debe ser muy pequeña, es todavía
suficiente para soportar velocidades de corrosión mucho mayores que el promedio si las
zonas activas son suficientemente concentradas en tamaño. El efecto es tal que si por
ejemplo solo 1% de la superficie del acero entra el estado activo, su velocidad de corrosión es
suficiente como para causar un decremento substancial del área transversal de la barra en
ese punto. El fenómeno se acentúa por el mismo proceso notado previamente con respecto al
umbral de corrosión, pues en la zona sumergida hay acoplamiento muy efectivo entre
cátodos y ánodos fomentando la actividad de macrocelda. Por tanto la zona catódica tiende a
11
permanecer en el estado pasivo debido a su incremento en el valor de C T, y las zonas
anódicas mantienen sus dimensiones pequeñas quedando así vulnerable. Se ha demostrado
la realidad de este fenómeno y el acuerdo aproximado con las predicciones de modelado, por
medio de examinación de pilotes sumergidos extraídos de un puente de 60 años de edad
[31]. La carestía de evidencia similar ha sido atribuida a la poca cantidad de investigaciones
ejecutadas al respecto (que son costosas y no han atraído tanta atención comparados con los
casos más obvios de corrosión sobre el agua). Además, es muy posible que las
manifestaciones de la corrosión bajo agua sean fácilmente escondidas por los crecimientos
biológicos que ocurren comúnmente en la superficie de los pilotes. Por otro lado, aun cuando
la pérdida de metal sea substancial, es esperable también que en condiciones de saturación
los productos de corrosión estén más disueltos en el agua de poros y/o se transporten lejos
de la interface metal-hormigón. Por tanto, la corrosión bajo agua no se considera tan
conducente a la formación de grietas como en los casos de exposición atmosférica. Si es así,
el caso límite para ese sistema seria de perdida de área transversal de acero a un cierto
nivel (por ejemplo, perdida de un 5% del área original, que es en el orden de la tolerancia en
dimensiones para construcción), en lugar de la aparición de grietas visibles externamente.
La discusión precedente concierne un área que recién ahora está recibiendo atención
pero que ya necesita tratamiento cuantitativo en vista de las metas de durabilidad
ambiciosas que se plantean al presente para estructuras marítimas. Debido a la propensión
para la formación de macroceldas en el hormigón sumergido, los tratamientos de este tema
en las nuevas generaciones de modelos van a tener que considerar ele sistema desde el
punto de vista del DUP mencionado arriba [28].
Barras de refuerzo con resistencia a la corrosión
El refuerzo resistente a la corrosión de más uso al presente es la barra de acero simple al
carbono cubierta con epóxicos (BCE), usado empezando ya hace unos 40 años
principalmente en los EE.UU., en unos 70,000 tableados de puentes expuestos a sales de
deshielo [32,33]. Hay una cantidad menor de puentes donde la BCU se usa para ambientes
marítimos. Para los pronósticos el concepto de etapas de iniciación y propagación todavía
rige, pero se reconoce que la protección de este material es provista principalmente en la
etapa de propagación. La corrosión ocurre como resultado de imperfecciones en el
recubrimiento, algunas de la cuales ocurren normalmente durante manufactura y el resto
durante transporte y construcción de obra. Esos dos factores últimos tienen gran
variabilidad de obra a obra así que el pronóstico está afectado de incertidumbre en forma
correspondiente. En un programa de pronóstico de amplio uso [5] la predicción se efectúa en
forma simplificada, asignando al BCE un periodo de iniciación similar al de las barras
comunes, pero dando un crédito de 20 años para el periodo de propagación en vez del valor
normal de 5 años. El comportamiento de BCE en tableros de puentes se ha visto como
exitoso en muchos de los lugares de aplicación [32,33], pero no en todos y ha habido
desacuerdo al respecto [34]. En subestructuras marítimas la experiencia ha sido altamente
insatisfactoria en el caso de una serie de puentes mayores en el estado de Florida, donde el
deterioro del hormigón debido a la corrosión ya empezó a ocurrir al cabo de solo unos 6 años
de servicio [21,35,36] . Se determinó que en ese caso ocurrió una combinación adversa de
rápida penetración de cloruros, relativamente alta incidencia de imperfecciones de
recubrimiento, baja resistividad del hormigón que acentuaba la actividad de macroceldas, y
propensión del recubrimiento a perder adherencia al acero luego de solo unos pocos años de
servicio. El resultado fue una gran cantidad de de laminaciones del hormigón inducida por
12
la corrosión del acero, que creaba productos sólidos expansivos en el intersticio entre el
recubrimiento y el acero, efectivamente operando por un mecanismo de corrosión por
rendijas (“crevicecorrosion”)[36].
El proceso fue modelado probabilísticamente [9,36]postulando que la corrosión del acero
reflejaba el grado de presencia de imperfecciones del recubrimiento, y que el efecto tenía
lugar en la etapa de propagación, la que resultó dominando la función de deterioro
predicha por el modelo. El modelo fue más tarde usado exitosamente para interpretar el
desarrollo de la corrosión de las BCE en otros puentes marítimos que habían sido
construidos con hormigón menos permeables que el del primer grupo. El mismo modelo
correctamente predijo, confirmado por observaciones de campo, que la corrosión de BCE
sería muy baja por largo tiempo si el hormigón era de muy baja permeabilidad, sin grietas,
y con buen espesor de recubrimiento sobre las barras. Por supuesto tal predicción sería de
esperar también para barras de acero comunes, pues la protección en tal caso es dada por el
hormigón y no por la naturaleza de la barra. Sin embargo, se debe notar que aun en
hormigones muy impermeables se observó también que la adherencia del recubrimiento se
deterioraba, y queda la pregunta de si cuando los cloruros finalmente se acumulen
suficientemente sobre la barra pudiese haber una vulnerabilidad adicional debida al efecto
de corrosión por rendijas.
Una modificación del modelo se usó también en forma exploratoria para analizar el
desarrollo de corrosión en BCE puesta en hormigón de muy baja permeabilidad, pero en la
presencia de grietas preexistentes[21]. Tal caso se dio frecuentemente en el campo y ya se
han observado varias situaciones de corrosión severa de las BCE en un puente en esas
condiciones. La predicción del modelo (ya mencionado anteriormente) indica que el
resultado, como era de esperar, depende del número de grietas y su orientación con respecto
a las barras, siendo peor cuando la grieta está alineada con la barra [21]. Este modelado
exploratorio sirve como un buen comienzo, pero dado el gran inventario de puentes
construidos con BCU es muy deseable desarrollar el tema adicionalmente en todos los
frentes incluyendo tanto el efecto de grietas como la condición de hormigón normal, y para
subestructuras marítimas así como para tableros y otras partes de la superestructura en
servicio de deshielo.
Aparte de un cierto uso de barras con un modesto contenido de Cr (~9%), en la última
década ha habido interés creciente en el uso de barras metálicas de aceros inoxidables,
mayormente austeníticos de tipo 316 y similares, y también aleaciones dúplex (ferrítico austenítico) [37]. El modelado predictivo de corrosión para estos materiales puede también
seguir el planteo de iniciación y propagación, y hay cierto acuerdo sobre el valor de C T que
se puede usar (más o menos un orden de magnitud más alto que el valor para barras de
acero comunes) [38]. Sin embargo, excepto por unas propuestas basadas en consideraciones
teóricas y experimentos exploratorios, y en unas pocas observaciones experimentales
preliminares [39,40], hay muy poca información sobre la longitud esperada para el periodo
de propagación [41]. Este último se espera que será más largo que el de las barras comunes,
pero lamentablemente hay mucha incertidumbre todavía sobre los valores que deben ser
usados. Esta información es un elemento crítico para crear un modelo predictivo para hacer
decisiones bien informadas sobre la aplicación de barras de acero inoxidable en hormigón, y
merece atención dedicada.
13
Conclusiones / Sumario

El concepto de iniciación y propagación de la corrosión ha servido
exitosamente de base para formulaciones predictivas de la corrosión del acero en
hormigón. Se notan en lo siguiente algunos ejemplos donde hay necesidad de
investigación adicional y mejoramiento de los modelos.

Se debe ampliar a base de datos sobre parámetros de enlazado de cloruro en
hormigón y entender en más detalle su mecanismo, para obtener mejores
predicciones de perfiles de cloruros y por tanto de la iniciación de la corrosión.

Es necesario desarrollar más confiabilidad en la extrapolación de datos de
laboratorio y de campo para predecir la difusividad de los cloruros, pues la
incertidumbre presente afecta seriamente la confiabilidad de predicciones de
durabilidad a largo plazo.

Al momento hay solo modelos exploratorios para predecir corrosión en
hormigón con grietas u otras deficiencias locales. Es importante desarrollar modelos
más elaborados al respecto dado que con hormigones modernos de baja
permeabilidad es posible que en muchos casos la única corrosión de importancia
ocurra asociada con esas deficiencias.

Solo ahora se ha comenzado a formular modelos donde se considera la
interacción entre la corrosión de partes de la estructura que son adyacentes. Esa
consideración, especialmente en lo que se refiere a variaciones del umbral de
corrosión, es de importancia pues ignorarla puede resultar en sobreestimación
substancial del deterioro pronosticado al largo plazo.

El desarrollo de la corrosión en el hormigón sumergido se ha descontado en el
pasado pero trabajo reciente muestra que puede ser severa a nivel local. Se necesita
modelado del problema, teniendo en cuenta la interacción entre partes del sistema,
mencionada anteriormente.

El modelado de corrosión en barras con recubrimientos epóxicos necesita más
desarrollo, especialmente considerando la gran cantidad de estructuras usando esas
barras. Similarmente, se necesita un modelo predictivo para hacer decisiones bien
informadas sobre la aplicación de barras de acero inoxidable en hormigón.
Agradecimientos
El autor agradece la colaboración de sus colegas y estudiantes graduados en muchos de
los trabajos citados aquí, en particular aquellos resultando de la colaboración con la ahora
Dra. Andrea Sánchez. Muchos de los estudios realizados en el tema por el autor han sido
posibles debido al generoso apoyo de fondos del Departamento de Transporte del estado de
Florida (FDOT). De acuerdo a sus especificaciones contractuales, se indica que las opiniones
y conclusiones de este trabajo son las del autor mismo, y no necesariamente las de la
14
agencia que proveyó los fondos de investigación.
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