Referencia

Antecedentes

En la actualidad el número de estructuras de concreto armado dañadas por corrosión es innumerable. En base al elevado costo de mantenimiento continuo, se ha planteado la búsqueda y el diseño de estructuras altamente resistentes a ambientes agresivos. En Estados Unidos, el costo anual directo por corrosión para las estructurad de concreto armado con acero al carbono es de 276 billones de dólares al año, que representa el 3.1% del PIB en EE.UU. [1]

Una opción para disminuir los costos de mantenimiento de estructuras de concreto se plantea el uso del acero inoxidable. El acero inoxidable es acero de bajo carbón (menos de uno por ciento) los cuales contienen cromo al menos en 10.5 % en peso [2]. El contenido de cromo permite que se genere una película de óxido de cromo invisible que se forma en la superficie de la barra y hacer que el material se encuentre "pasivo" y resistente a la corrosión, incluso cuando una cantidad muy pequeña de oxígeno está presente [3]. La resistencia a la corrosión y otras propiedades útiles de aceros inoxidables son incrementadas utilizando concentraciones mayores de cromo, o adicionándole otras como molibdeno, níquel, y nitrógeno. Los aceros inoxidables más comunes son el 304 (el de mayor uso), el 310 (usó para las temperaturas altas), el 316 (tiene la resistencia de corrosión buena).

Las primeras investigaciones sobre el comportamiento de barras de acero inoxidable en concreto contaminado con cloruros, se originaron a mediados de los años 70, los cuales fueron desarrollados por Browne et al. [4] utilizando probetas de concreto de alta porosidad (relación agua cemento, a/c, de 0.6 y 0.75), mezcladas con cloruros de 0 a 3.2% (en base al peso del cemento), con un recubrimiento de 10 a 20 mm. de concreto. Después de 10 años de exposición, los aceros inoxidables (304 y 316), no sufrieron daños por corrosión, mostrando buen comportamiento en concretos con contaminación del 1% de cloruros por peso del cemento. Bertolini et al. [5], estudiaron los efectos de los diferentes factores de corrosión del acero inoxidable. Las pruebas se llevaron acabo en barras de acero inoxidable (304 y 316). El concreto utilizado era mixto con 400 Kg. / cm³. de caliza-portland con una relación a/c de 0.55. La velocidad de corrosión de los aceros inoxidables 304 y 316, en concreto contaminado con 5% cloruro (en base al peso del cemento) fue despreciable, incluso bajo condiciones de exposición típico de ambientes muy agresivos de temperatura y humedad [5]. Hasta el momento, las investigaciones efectuadas alrededor del mundo, acerca del tema, coinciden en que los aceros inoxidables (304 y 316) ofrecen una alta resistencia a la corrosión en ambientes considerablemente agresivos. Cabe hacer mención que estas pruebas experimentales se han realizado principalmente en barras rectas, por lo que a la fecha no existen pruebas de corrosión en barras sometidas a esfuerzos residuales.

En la Península de Yucatán (México), se ha reportado la existencia de un muelle construido en 1937-1941, utilizando acero inoxidable tipo 304 como material de refuerzo, que hasta la fecha se encuentra en buenas condiciones en comparación con otro muelle construido (1970 en el mismo lugar) usando acero bajo en carbono, el cual se encuentra completamente destruido. En inspecciones realizadas a dicha estructura durante el periodo 2002-2004, se observo la existencia de barras de acero inoxidable “304”, mostrando éstas signos de corrosión principalmente en los ganchos. Es común que el acero inoxidable tenga problemas de corrosión bajo esfuerzo tomando en cuenta la presencia de cloruros [5]. Al constituirse los ganchos a 90º ó 180º, en los extremos de las barras para mejorar la adherencia de éstas en el concreto, se generan esfuerzos de tensión/compresión en el acero. Además durante las inspecciones realizadas al muelle se han determinado concentraciones de cloruros de entre 1% y 2% por peso del concreto, a la profundidad de la barra de refuerzo (10 cm.), lo que hace suponer que el acero inoxidable en esta construcción es susceptible a la corrosión.

Así, el objetivo de esta investigación es demostrar que los esfuerzos a tensión producidos en los ganchos y dobleces de las barras de acero inoxidable, pueden disminuir la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables 304 y 316. Para ello se fabricaron probetas de concreto contaminadas con cloruros y reforzadas con aceros inoxidables 304 y 316. La resistencia a la corrosión de estos aceros y en las condiciones de esfuerzo fue evaluado utilizando técnicas electroquímicas como son mediciones de potencial de media celda y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIE), comparando así los parámetros electroquímicos entre barras rectas y dobladas.

Procedimiento experimental

Para la caracterización del acero inoxidable se elaboraron 8 probetas prismáticas con dimensiones de 200 x 100 x 50 mm siguiendo la geometría utilizada en estudios anteriores [6, 7]. Estas probetas alojaron 3 barras redondas lisas de acero inoxidable de ? y un electrodo de referencia de Titanio de 30 mm de longitud. La Figs. 1 presenta las dimensiones y disposición de las barras de los prismas. Los prismas incluían tres barras de acero inoxidable, dos de las cuales se les aplicaron esfuerzos residuales de tensión mediante la deformación de éstas en ganchos de 90º y 180º. Una tercera barra recta se colocó longitudinalmente en el prisma, la cual no se le aplicó esfuerzo alguno al no deformarse. En la Tabla.1 se presenta el número de barras utilizadas y sus condiciones.

El diseño de la mezcla, se realizo simulando la estructura del muelle Progreso en Yucatán, México, el cual tiene una resistencia característica de 25 MPa., y sus proporciónes se elaboraron utilizando la proporción mostrada en la Tabla 2. La contaminación del 1% y 2% en peso del concreto se seleccionó también en función de los datos recabados en las inspecciones realizadas al muelle de Progreso

Para este diseño y elaboración de los prismas se tomo un tiempo de curado de 28 días. Una vez curadas los prismas se procedió a estabilizar sus propiedades electroquímicas en ambiente de laboratorio con una humedad relativa de 60% a 65%, en un periodo de 75 días. Posteriormente se colocaron en una cámara de humedad controlada por un periodo de 200 días, en donde la humedad relativa fue de 85% a 90% con una temperatura promedio 20±5 º C, tratando de simular un ambiente marino similar al de Progreso Yucatán, México.

Las pruebas electroquímicas realizadas fueron la de potencial de media celda y la de EIE. Estas medidas de potenciales se determinaron aplicando la Norma ASTM C-876-95 [8]. Para la medición de los 275 días de experimentación se utilizo un voltímetro de alta impedancia. Las mediciones se realizaron vs. el electrodo de referencia interno de Titanio activado (Ti/O₂) cada determinado tiempo. Estos potenciales fueron convertidos a potenciales Vs. Cloruro Sulfato de Cobre (CSC) realizando mediciones de calibración periódicas entre el electrodo interno de Ti/O₂ y el de CSC. Las mediciones de EIE se realizaron mediante un potenciostato/Galvanostato/ZRA. Los ensayos de EIE se realizaron con una frecuencia inicial de 300 KHz. y una frecuencia final de 2 mHz. Con una amplitud de 10 mV. Los datos experimentales fueron simulados utilizando un circuito equivalente tipo Randles (resistencia en serie con un capacitor en paralelo con otra resistencia).

Figura 1

Ubicación del acero, dentro de las probetas realizadas con acero inoxidable 304 y 316.y barras longitudinales y barras a 90º y 180º que es la que se muestra en la figura

Tabla 1

Barras de acero inoxidable utilizado en la experimentación

Tabla 2

Proporción de materiales para la elaboración de las probetas

Resultados y discusión

Caracterización de los Materiales

La resistencia a la comprensión a 28 días del concreto utilizado en la fabricación de los prismas fue estimada utilizando cuatros cilindros de 10 x 20 cm. El valor obtenido fue de 22 y 16 MPa, para los concretos con 1% y 2% de cloruros. La composición química de las barras de acero inoxidable 304 y 316 utilizadas en esta investigación cumple con la norma AISI-SAE.

Pruebas Electroquímicas

Las medidas de potenciales informan sobre la posibilidad de corrosión de la armadura de una estructura de concreto, pero es esencial que los resultados sean correctamente interpretados respecto a las condiciones de humedad, contaminación, calidad del concreto, etc. [10]. Según el criterio de valoración de potenciales del acero al carbón en concreto Vs. CSC, establecido en el Manual de la Red DURAR y de acuerdo a las condiciones del medio de exposición se sabe que [11].

Si el potencial vs. CSC se encuentra entre ±200mV. En condiciones de bajo contenido de cloruro, un pH > 12.5 y alto contenido de humedad relativa, el espécimen se encontrara pasivo con un riesgo de daño despreciable. Si por el contrario, el medio posee una elevada humedad relativa, concentraciones de cloruros y presencia de oxigeno y los potenciales oscilan entre -200 y -600 mV, existe un alto riesgo de daño y la posibilidad de ataque por corrosión localizada. Cabe aclarar que estos valores fueron obtenidos para acero al carbón y a la fecha no se ha generado norma alguna para el acero inoxidable, por lo que se tomará como válido este criterio para este caso.

Las Figs. 2 y 3 muestran el comportamiento desarrollado en los aceros 304 y 316 contaminados con un 2% de NaCl. Se presentan en esta publicación los valores para 2% únicamente, ya que los prismas que tienen una contaminación del 1% presentan datos similares. En estas figuras se muestran los valores de potencial tanto para barras rectas, así como para los ganchos de 90º y 180º. Tomando lo establecido por las normas ASTM C-876 y el manual DURAR, se determino que los valores demostraban que las varillas se encuentran en estado pasivo al tener lecturas de -200 mV vs. CSC estos valores fueron muy similares a las barras dobladas, por lo que no se encontró diferencia importante alguna. Cabe mencionar, que estos valores corresponden, según los criterios seguidos, a valores de potencial de acero al carbón pasivo.

Con los resultados de las pruebas de EIE aplicada al sistema evaluado se generaron tres diagramas: Bode Magnitud, Bode Fase y Nyquist. Éstos permitieron estudiar los parámetros electroquímicos mediante modelos de circuitos equivalentes y ajustes matemáticos. Los resultados obtenidos para los ganchos a los 270 días, permitió definir diferentes procesos en la interfase metal/electrolito, y de esa manera conocer la resistencia a la polarización aparente (Rp) y la conocer los valores de Capacitancia (C). Los promedios obtenidos se presentan en la Tabla. 3.

Se puede observar de la Tabla 3 que los valores de Rp aumentaron al transcurrir el tiempo de experimentación en todos los casos, implicando que ambos tipos de acero (304 y 316) fueron formando alguna capa de óxido en la superficie que hizo que las barras se pasivaran. Los valores de Rp obtenidos se calcularon considerando el área total de la barra de refuerzo en contacto con el concreto como activa, lo cual no corresponde a las condiciones normales de corrosión de acero inoxidable en concreto contaminado por cloruros que presenta un fenómeno de corrosión muy localizado [5, 7]. En estudios previos utilizando barras de acero inoxidable 304 y 316 rectas en concreto y soluciones de hidróxido de calcio se obtuvieron valores de Rp de entre 7,600 y 29,800 KOhms-cm² (promedio 9,400 KOhms-cm²) cuando permanecieron pasivas, y entre 4,400 y 10,300 KOhms-cm² (promedio 6,730 KOhms-cm²) para barras activas [7].

Figura 2

Lecturas de potencial eléctrico del acero inoxidable 304, el cual se encuentra contaminado con 2% de NaCl. En las tablas de potencial, (a) varillas rectas, (b) a 180º y (c) a 90º, comportamiento del acero inoxidable vs. respecto al tiempo (275 días)

Figura 3

Lecturas de potencial eléctrico del acero inoxidable 316, el cual se encuentra contaminado con 2% de NaCl. En las tablas de potencial, (a) varillas rectas, (b) a 180º y (c) a 90º, comportamiento del acero inoxidable vs. respecto al tiempo (275 días)

Cabe señalar que los valores de Rp obtenidos por Millano [7] no poseen una gran diferencia entre lo que llamaron acero pasivo y activo (< 28%). Los valores de Rp obtenidos en este estudio (menores que 4,600 KOhms-cm²) para barras rectas son del orden de acero activo presentes en investigaciones previas [7]. De la Tabla 3 se puede observar que los valores de Rp (270 días) para barras de acero tipo 316 en ganchos de 180° son los más bajos, lo cual implicaría que estas barras son más susceptibles a corroerse aceleradamente por esfuerzos residuales. Esto deberá ser comprobado con mayores datos.

Tabla 3

Valores promedio de Rp. y Capacitancia (promedio de dos barras)

.

R= Barras Rectas; Rp = Resistencia a la polarización; C = Capacitancia

Los valores obtenidos de la Capacitancia (Tabla 4) fluctuaron entre 60 y 200 μF/cm², siendo que los valores más pequeños se observaron en los ganchos de acero tipo 304. Tomando como referencia valores de investigaciones anteriores de Capacitancia para acero al carbón [11-13] y acero inoxidable [7] que fluctuaron entre 20 y 50 μF/cm² para acero al carbón pasivo, 100 y 265 μF/cm² para acero al carbón activo, 1 y 4 μF/cm² para inoxidable pasivo y 20 y 65 μF/cm² para inoxidable activo, se puede inferir que mientras menor es el valor de la Capacitancia del circuito equivalente utilizado para simular los datos de EIE, el acero se encuentra en estado pasivo. Los valores de Capacitancia para barras rectas obtenidos en esta investigación fueron todos mayores de 100 μF/cm² que corresponderían a acero activo. Para el caso de ganchos a 180° con barras de acero tipo 304, los valores de Capacitancia fueron menores de 100 μF/cm² (90 μF/cm² en promedio) indicando menor actividad de corrosión, aunque la diferencia es marginal.

Conclusiones

Los resultados hasta ahora obtenidos han demostrado que los aceros inoxidables tipo 304 y 316 no presentan problemas de corrosión en concretos con alta contaminación por cloruros de hasta 2% en peso. Esto apoya la versión que las barras de acero en el muelle de Progreso, ubicado en Yucatán, México, no sen encuentren aún mostrando signos de corrosión. Hasta ahora los resultados muestran diferencias marginales en el comportamiento electroquímico entre barras rectas de inoxidable y barras que presentan esfuerzos residuales (formación de ganchos), aunque se pudo observar que 270 días de exposición en este ambiente, las barras de inoxidable 316 presentan una leve disminución de su resistencia a la corrosión cuando son utilizadas como ganchos a 180°. Por otro lado, las barras inoxidables tipo 304 presentaron valores de capacitancia menores que las otras condiciones cuando están siendo usadas como ganchos de 180°, indicando así un comportamiento de mayor pasividad que los otros casos estudiados.

Agradecimientos

Los autores agradecen al proyecto CONACYT U42362-K “Facillitating Collaborative Research in the Americas: the materials science of portland cement-based materiales,” y por las facilidades otorgadas para la participación en el simposio Fib 2005. Y al Instituto Mexicano del Transporte, por brindar sus laboratorios en la Coordinación de Ingeniería Vehicular e Integridad Estructural. Las opiniones y resultados en esta publicación son del autor.

*   Referencias

[1] Koch, G.H., Brongers, M.P H., Thompson, N.G., Virmani, Y.P., and Payer, J.H., (2002). “Corrosion Cost and Preventive Strategies in the United States”, Federal Highway Administration, Final Report No. R315-01, March 2002, Springfield, VA.

[2] Uso selectivo del acero inoxidable. Internet: www.arminox.com.au

[3] Aceros inoxidables. Desarrollo y aplicaciones, Internet: www.monografia.com

[4] B.L Brown, D. Harrop, K.W.J. Treadaway, (1978). “Corrosion testing of steel for reinforced concrete”, Building Research Establishment, Garston, 45/78.

[5] Bertolini Luca, Gastaldi Matteo, Pedeferri P., Redaelli E., (2002). “Factors influencing the corrosion resistance of austenitic and duplex stainless steel bars in chloride bearing concrete”, Dipartamento di Chimisca Física Aplicata, Politécnico de Milano, Milano, Italia.

[6] Moreno, E. I., (1999). "Carbonation of blended cement concretes”, Disertación Doctoral, University of South Florida, 1999, Tampa, Florida, EE.UU.

[7] Millano, V. (2004), “Estabilidad de la película pasiva de los aceros inoxidables austeniticos 304 y 316 en concreto carbonatado o contaminado con cloruros”, Trabajo especial de Magíster scientiarum en corrosión”, mayo 2004, pp. 48.

[8] ASTM C876 – 95 “Test Method for Half - Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in concrete”. ASTM, Philadelphia, 1999.

[9] Sagües A. A, Peach-Canul M. A (2003) “Corrosion macrocell behavior or reinforcing steel in partially submerged concrete columns”. Corrosion Science, Vol. 45, Pp. 7-32.

[10] DURAR. “Manual de Inspección, evaluación y diagnostico de corrosión en Estructuras de Concreto Armado”. CYTED. Tercera Edición. Agosto, 2000.

[11] J.A Gonzalez, J.M. Miranda, N. Birbilis, and S. Feliu (2005) “Electrochemical Techniques for Studying Corrosion of Reinforcing Steel: Limitations and Advantages”, the journal of science and engineering Corrosion. Vol. 61, No.1 January 2005, pp. 37-50.

[12] M. Saremi, E. Mahallati. (2002) “A Study on chloride-induced depassivation of mild steel in simulated concrete pore solution”, Cement and Concrete Research Pergamon, Vol. 32, June 2002.pp. 1915-1921.

[13] Glass, Page, Short, Zhaug (1994) “The analysis of potentiostatic transients applied to the corrosion of steel in concrete”. Vol. 39, No.9, September 1994, pp. 1657-1663.

Andrés TORRES
Miguel MARTÍNEZ
Augusto RAMÍREZ
Gerardo SERRANO