realcalinización electroquímica de concretos reforzados utilizando

XXV CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA
3RD MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS
REALCALINIZACIÓN ELECTROQUÍMICA DE CONCRETOS
REFORZADOS UTILIZANDO MORTERO CONDUCTOR COMO ÁNODO
F.J. Baldenebro-López1, C.P. Barrios Durstewitz1*, G. Fajardo2, R.E. Núñez Jaquez1, F.
Almeraya3, J.L. Almaral1, J.H. Castorena1
1
Universidad Autónoma de Sinaloa-Facultad de Ingeniería Mochis, Fuentes de Poseidón y Prol.
Ángel Flores SN, C.U., C.P. 81223, Los Mochis, Sinaloa, México.
2
Universidad Autónoma de Nuevo León-Facultad de Ingeniería Civil, Av. Universidad s/n, C.U. ,
C.P. 66450 San Nicolás de los Garza, N.L., México.
3
Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), Departamento de Física de
Materiales/Grupo Corrosión, Miguel de Cervantes 120, Chihuahua, México.
*E-mail Contacto: [email protected]
RESUMEN
La carbonatación provoca la acidificación del concreto, lo que trae como consecuencia la
pérdida de la capa pasiva permitiendo se inicie un proceso de corrosión activo. Una de las
técnicas para revertir este proceso es la realcalinización electroquímica (RAE), que consiste en
aplicar una corriente continua entre las barras de acero y un electrodo auxiliar externo con el
objetivo de restablecer la pérdida de alcalinidad que provoca la carbonatación. En el presente
trabajo se propone la utilización de una capa de mortero conductor como contra electrodo sobre la
superficie del concreto. Se evaluaron especimenes de concreto reforzado con una relación a/c de
0.65 previamente carbonatados y se aplicó la técnica de RAE utilizando como contra electrodo un
motero modificado (25% de grafito en polvo por peso del cemento) y saturado con una solución
1M de Na2CO3. Se determinó el grado de recuperación de la alcalinidad del concreto por medio
de una solución indicadora acido/base (fenolftaleína) aplicado sobre la superficie del concreto. Al
aplicar la RAE por un periodo de 5 días con una densidad de corriente de 2 A/m2 se alcanza a
elevar el valor del pH en el concreto carbonatado de un pH 8 hasta 12.
Palabras Clave: Material cementicio, Conductor eléctrico, Realcalinización electroquímica,
Carbonatación.
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CTS213
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1.
INTRODUCCIÓN
En estructuras de concreto, el ataque por corrosión es generalmente evitado por la alta
alcalinidad proporcionada por la solución de poros del concreto (pH 12.5). Así, una capa pasiva
en la superficie del acero proporciona una adecuada resistencia a la corrosión [1], la cual puede
ser destruida por la carbonatación del concreto. Este proceso es la reacción de los productos de
hidratación disueltos en el agua de los poros con el dióxido de carbono (CO2) proveniente del
ambiente reduciendo el pH de la solución de los poros del concreto de 12.5 a menos de 9 [2].
En una estructura de concreto reforzado el método de realcalinización electroquímica
detiene la corrosión inducida por la carbonatación al incrementar el pH al rededor de la varilla y
restablecer las condiciones pasivantes de la solución de poro [3]. Con el objetivo de restablecer
esta pérdida de alcalinidad que provoca la carbonatación, la densidad de corriente directa que se
aplica entre las barras de acero y un electrodo auxiliar externo e inmerso en una solución de
carbonato de sodio esta en el orden de 1 a 2 A/m2, Al nivel del acero esta restauración parece ser
proporcionada sobre todo por la generación de OH- [4]. El principio básico de la RAE se puede
ver en la Figura 1.
Malla de acero
o titanio
electrolito
ánodo
(+)
Cl-
Na+
Na2CO3
Fuente de
corriente
(-)
OHacero
cátodo
O2 + 2H2O + 4e-
4OH-
concreto
Figura 1. Principio de la realcalinización electroquímica del concreto.
El concreto es un mal conductor de la electricidad (considerado como material dieléctrico)
por tanto un mejoramiento de las propiedades eléctricas se consigue mediante adiciones
conductoras de materiales carbonosos, como polvo de grafito o coque triturado [5]. La idea de
una capa de material cementicio conductor como electrodo en técnicas electroquímicas para
atenuar o evitar la corrosión en estructuras de concreto no es nueva, en Estados Unidos a
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principios de la década de los setenta Stratfull [6] utilizó una capa conductora elaborada a base de
asfalto, concreto y coque triturado como ánodo en un sistema de protección catódica por corriente
impresa y se instaló en un puente con una superficie de 307 m2. A partir de este trabajo se ha
aplicado y estudiado la protección catódica en estructuras de concreto con ánodos de este tipo
[7,8,9]. Por otro lado Pérez et al.[10] emplearon una capa de un material cementicio conductor
adicionado con polvo de grafito como electrodo auxiliar en la extracción electroquímica de
cloruros (EEC) demostrando que es factible la utilización de este material presentando eficiencias
similares a un electrodo auxiliar de malla de Ti-RuO2.
En base a lo anterior, en el presente trabajo se propone demostrar que la utilización de una
capa de mortero conductor, adicionado con coque triturado, como contra electrodo sobre la
superficie del concreto es capaz de realcalinizar un concreto carbonatado.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1.
Especimenes de Concreto
Se elaboraron especimenes prismáticos de concreto reforzado, con las siguientes
dimensiones 15 x 30 x 7cm (Figura 2), los detalles de la mezcla se aprecian en la Tabla 1. Como
refuerzo se utilizo varilla corrugada de acero con diámetro nominal de 3/8 de pulgada y se
recubrió parte del refuerzo con pintura epóxica dejando una distancia de 15 cm descubierta
(Figura 3). El espesor de recubrimiento de concreto es de 1.5cm, posterior a su elaboración y
previo a realizar los estudios se curaron por 28 días en cuarto húmedo.
Figura 2. Especimenes de concreto reforzado.
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Figura 3. Varillas de acero recubiertas en sus extremos con pintura epoxica.
Tabla I. Mezcla de concreto y mortero conductor empleadas, kg/m3
Mezcla
H2O
a/c
Concreto
Cemento
CPC-30
300
195
0.65
Mortero conductor**
1
0.39
Agregado
grueso
1080
---
Agregado Material
fino
carbonoso*
740
--1
25
*Porciento de cemento (%)
** La mezcla de mortero se presenta en proporción.
2.2.
Carbonatación Acelerada
La carbonatación es un proceso lento, y por esta razón, para poder obtener resultados a
corto plazo se requirió acelerar el proceso. Para esto se construyo una cámara de carbonatación,
Figura 4, que permitió acelerar el proceso al incrementar el contenido de CO2, generalmente el
contenido de dióxido de carbono en la atmósfera en promedio es de 0.03% y en zonas urbanas
puede llegar hasta 0.06%. En el interior de la cámara se expusieron los especimenes de concreto a
una concentración de CO2 de 25% en vol. Una humedad relativa de 80  9 % y una temperatura
de 27  2 °C, durante un periodo de 3 semanas para garantizar que el frente de carbonatación
alcance la superficie del acero de refuerzo. Además de las vigas prismáticas se hicieron bloques
de concreto (10 x 10cm) con la misma mezcla con el objetivo de comprobar el avance de
carbonatación.
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Figura 4. Cámara de carbonatación acelerada.
2.3.
Realcalinización Electroquímica
Posterior al proceso de carbonatación acelerada se aplicó sobre la cara de la viga
prismáticas una capa de mortero conductor con un espesor de 1cm (las características de esta
mezcla se pueden apreciar en la Tabla 1) y se embebieron en cada uno de los extremos una barra
de grafito (diam ¼ “) como electrodo primario (Figura 5), el espesor de recubrimiento de
concreto en esta cara es de 1.5cm. Después de un día de aplicada la capa de mortero se atomizo
sobre la misma una solución 1M de Na2CO3 hasta empapar la superficie de la capa conductora.
Se conecto a la fuente de corriente directa (Steren PRL-25, 15V/30A) conectando la terminal
negativa al acero de refuerzo y la positiva a los electrodos primarios de grafito. La densidad de
corriente aplicada fue de 2A/m2, el área de refuerzo expuesto es de 259.26cm2, por consiguiente
la intensidad de corriente es de 52 mA, se ajusto inicialmente el voltaje de salida de la fuente
hasta 8.8V, en el cual alcanzo el nivel de corriente requerida. El periodo tratamiento fue de 5
días y durante el cual se estuvieron monitoreando los valores de voltaje de salida y la intensidad
de corriente. Los criterios para determinar si la RAE ha sido efectiva se obtuvieron de la norma
NACE SP0107-07 [11].
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Barra de grafito
(Electrodo primario)
Acero
Concreto
Recubrimiento de
mortero conductor
Figura 5. Vigas de concreto con capa de mortero conductor.
2.4.
Medición de pH
La determinación del avance de carbonatación después del tratamiento en la cámara de
carbonatación y, antes y después del la RAE, se hizo atomizando una solución de fenolftaleína al
1% en peso sobre la superficie fracturada del concreto. Adicionalmente se tomaron muestras de
polvo en la zona carbonatada y no carbonatada, se vertieron en agua dejándose en agitación por
24 horas, la obtención del polvo se hizo con un taladro, la determinación del pH se llevo acabo
por medio de una medición potenciométrica.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Figura 6 se muestra el avance de carbonatación de unos de los bloques de concreto
elaborado con la misma mezcla de las vigas despues de 3 semanas de exposición en la cámara de
carbonatación acelerada, como se puede apreciar en la imagen la profundidad de carbonatación es
de 3cm, esto se considero como criterio para asegurar que la carbonatación alcanzo el refuerzo en
las vigas prismaticas.
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Figura 6. Bloque (10 x10 cm) de concreto después de ser expuesto a la cámara de carbonatación acelerada por un
periodo de 3 semanas.
En la Figura 7(superior) se pueden observar el frente de carbonatación en las viga depues
de ser sometida a carbonatacaión acelerada, con lo que se puede ver que la carbonatación alcanzó
al refuerzo en la mayor parte de la superficie, los valores de pH de la zona rosa y la neutra se
pueden ver en la Tabla 2.
Tabla II. Valores de pH de las zonas rosa y neutra de las vigas carbonatadas antes y después de aplicar la RAE.
Color de viraje
fenolftaleina
Rosa
Antes
RAE
9.14
Despues
RAE
11.95
Neutro
8.00
8.3
En la Figura 7(inferior) se presenta el frente de carbonatación despues de aplicada la RAE,
la profundidad máxima de carbonatación en la cara donde se aplico el mortero depues del
tratamiento es de 0.8cm, y en la zona alrededor de la varilla del lado izquierdo la coloración rosa
de la fenolftaleina alcanzó 1.07 cm, en cuanto a la varilla derecha se aprecia que esta distancia es
de 1.5cm, abarcando la totalidad del recubrimiento de concreto, en este ultimo caso se atribuye a
que presento el efecto combinado de generación de OH- sobre el refuerzo y la penetración de la
solución de Na2CO3.
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Figura 7. Frentes de carbonatación antes (superior) y después de la aplicación de la RAE (inferior).
En la Figura 8 se muestran los valores de densidad de corriente durante los 5 dias de prueba,
así como los valores de voltage de salida de la fuente de corriente directa (CD), las variaciones
observadas se deben a la perdida de humedad de la capa de mortero por lo cual fue necesario
ajustar el voltaje de salida para mantener la corriente necesaria. De la grafica de corriente se
cálculo el area bajo la curva, esta area es la densidad de carga, dando un valor de 235.26 A-h/m2.
5
12
4
3.5
8
3
2.5
6
2
4
1.5
Voltage
Corriente
2
0
1
Densidad de corriente
(A/m2)
Voltaje de salida (V)
4.5
10
0.5
0
0
50
100
Tiempo (horas)
Figura 8. Comportamiento del voltaje de salida de la fuente de CD y la intensidad de corriente aplicada durante el
desarrollo de la RAE.
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Ahora bien de acuerdo a la norma NACE SP0107-2007, los criterios para determinar si el
tratamiento de RAE en concreto ha sido efectivo son básicamente dos, el primero establece que la
densidad de carga, por unidad de área de acero, mínima durante el tratamiento debe ser de 200Ah/m2. Y el segundo criterio dicta que la efectividad del proceso de RAE queda demostrada por la
prueba de pH, utilizando una solución de fenolftaleína, indicando que el grado de realcalinización,
por la coloración rosada alrededor del refuerzo, tenga un mínimo de 10mm. Como se puede
apreciar estos dos criterios quedaron satisfechos ya que la densidad de carga en el presente
estudio alcanzo un valor de 235 A-h/m2 y la extensión mínima de la coloración rosa alcanzo
1.07cm. En base a lo anterior queda demostrado que la utilización de un electrodo auxiliar de
material cementicio conductor con adición de 25% de coque triturado es capaz de realcalinizar
de forma electroquímica un concreto carbonatado.
4.
CONCLUSIONES
La realcalinización electroquímica de concreto reforzado puede realizarse utilizando un
mortero conductor adicionado con polvo de grafito como ánodo. De esta manera se puede
restablecer un pH de 12 en las cercanías del acero de refuerzo.
5. AGRADECIMIENTOS
Los autores externan su gratitud a la UAS por el apoyo financiero mediante el proyecto
PROFAPI 2009/025. Al CIMAV y la UANL por su apoyo en la realización del presente trabajo.
6. REFERENCIAS
[1].
W. Yeih, et al., Construction and Building Materials, 19, 516, (2005).
[2].
T. Gonen, et al., Construction and Building Materials, 21, 1040, (2007).
[3].
R.B. Polder, Electrochemical Techniques for Corrosion Protection and Maintenance, H.
Böhni, Corrosion in reinforced concrete structures, p. 231 CRC Press. USA. (2005).
[4].
M. Castellote, Physica B, 385–386, 526, (2006).
[5].
P. Garcés, L. Andión, Memorias 3er Congreso Nacional ALCONPAT, ISBN 978-60795042-0-5, Chihuahua, México (2008).
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[6].
Stratfull R.F. Experimental Cathodic Protection of a Bridge Deck. Transport Res. Rec.
500 USA, (1974).
[7].
L. Bertolini, et al. Cement and Concrete research, 34,681,(2004).
[8].
J. Xu, W. Yao, Construction and Building Materials, 23, 2220, (2009).
[9].
J. Hou, D.D.L. Chung, Cement and Concrete Research, 27, 649, (1997).
[10].
A. Pérez, M.A. Climent, , and P. Garcés, Corrosion Science, 52,1576, (2010).
[11].
NACE SP0107-2007, Electrochemical Realkalization and Chloride Extraction for
Reinforced Concrete, NACE International, Houston, USA, (2007).
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