Referencia

Introducción

La armadura embebida en concreto esta normalmente protegida de la corrosión. Esta protección se debe a la alta alcalinidad del concreto (pH > 12.5)[1], y a la barrera física que el concreto proporciona entre la armadura y los agentes externos del ambiente[2]. Esta protección produce que el acero se mantenga pasivo hasta que agentes externos penetran y activan la armadura. El modelo más conocido para determinar la vida útil de una estructura (o elemento estructural) por corrosión es el propuesto por Tuutti[3]. En este modelo se define a T₁ como al tiempo de inicio de la corrosión que comprende desde la fabricación de la estructura y el inicio de la corrosión, y a T₂ como al período de propagación comprendido entre el inicio de la corrosión y la manifestación de daños externos, llegando a un grado de deterioro inaceptable desde el punto de vista de la seguridad, funcionalidad o estética de la estructura.

Para el acero en estructuras de concreto que pueda estar sujeto al ataque por corrosión, es deseable, y frecuentemente necesario, establecer primero si realmente existe la corrosión en éste. Si se descubre que el acero de refuerzo (o presfuerzo) esta corroyéndose, entonces se necesitaría una investigación más completa para distinguir el tipo de la corrosión a la que está sometido, identificar el grado de ésta en función del tipo de manifestación, y hacer el seguimiento del estado de la corrosión. Finalmente, una evaluación del daño de la estructura se podría predecir conociendo la velocidad de corrosión y pérdidas de la sección del acero al momento de realizarse dicha evaluación.

Con el propósito de determinar si la armadura manifiesta corrosión, es necesario realizar una inspección visual periódica. Evidencias visibles como manchas de óxido en la superficie, agrietamiento y desprendimiento en la cobertura del concreto podrían indicar que la estructura ha sobrepasado prematuramente la vida útil para la que fue diseñada. Sin embargo, muchos otros métodos más sofisticados y costosos podrían ser utilizados para obtener el estado de corrosión antes de presentarse dichas evidencias.

Los métodos más usados para determinar la velocidad y el estado de corrosión de la armadura embebida en el concreto se basan en su mayoría en técnicas electroquímicas. Entre las técnicas usadas se encuentran: sensores eléctricos embebidos en el concreto[4], espectroscopía de impedancia electroquímica[5], métodos de mapeo de potencial[6] y técnicas de polarización lineal[5]. Recientemente el uso de métodos de emisión acústica[7], barrido infrarrojo y barrido por radar[8] han proporcionado nuevas técnicas no-electroquímicas para investigar de una manera no-destructiva, la calidad y condiciones del concreto y detectar la presencia de corrosión en la armadura de acero.

Además de las etapas T₁ y T₂ del modelo de Tuutti[3], se ha definido a la etapa de vida remanente, la cual inicia en el momento de la aparición visible de algún síntoma de degradación como por ejemplo grietas anchas de espesor > 0.1 mm, delaminaciones de la cobertura de concreto, pérdida visible de la sección del acero, etc. La Figura 1 muestra un ejemplo típico de una estructura que se encuentra en esta etapa. Se podría definir que la vida remanente sería el tiempo que el propietario de la estructura tendría para repararla antes de que ésta sufra un colapso.

La etapa donde aparecen grietas anchas o delaminaciones, es la más sencilla de detectar durante una inspección visual. Para evaluar si la estructura se encuentra en las etapas T₁ o T₂, es necesario realizar un diagnóstico más complejo y costoso que una simple inspección visual. Esta debe incluir, por ejemplo, extracción de testigos de concreto para determinar la concentración de cloruros en la posición de la armadura, mapeo de potenciales para saber si el acero está o no activo, estimación de la velocidad de corrosión, etc. Pero en el caso de estructuras que presenten grietas anchas o delaminaciones es fácil evaluar que esa estructura en particular se encuentra en su etapa de vida remanente.

Figura 1

Fotografía de la subestructura de un muelle expuesto a un ambiente marino que se encuentra en su etapa de vida residual

Basado en la información experimental que se encuentra en la literatura versada en este tema[9-20], es en la etapa de vida remanente en donde la estructura comienza a disminuir considerablemente su capacidad de carga (resistencia) remanente, CC_COR. Por esto, si es posible, el propietario de la estructura, o las personas encargadas del mantenimiento de ella, deberán evitar a toda costa que dicha estructura llegue a un grado de deterioro similar al mostrado en la Figura 1. La pregunta ahora es cómo poder estimar aproximadamente el valor de CC_CORR de un elemento estructural que presente corrosión generalizada en función de algún síntoma de degradación que sea fácil de obtener en dicho elemento. Uno de estos síntomas podría ser, por ejemplo el ancho promedio de la grieta (por corrosión) presente en la superficie de concreto. Para ello se recabó información obtenida en la literatura que relacionaba los síntomas de agrietamiento por corrosión de la armadura (ancho promedio de las grietas en el concreto) con la pérdida de diámetro (o sección) de la armadura por corrosión. La Figura 2 muestra esta relación.

Figura 2

Relación empírica entre ancho máximo de grieta, AG_MAX, y pérdida promedio del

radio de la barra por corrosión [21]

En esta Figura se puede observar una tendencia bien definida en donde a mayor pérdida de radio, x_PROM/r₀ (en donde x_PROM = penetración de la corrosión promedio), mayor es el ancho máximo de las grietas, AG_MAX, producidas por la misma corrosión del acero. Cabe aclarar que los símbolos obscuros son datos experimentales de probetas corroídas naturalmente expuestas a un ambiente marino o probetas en donde una cantidad de cloruros fueron adicionados al concreto mediante ciclos de mojado con agua salada. Los demás corresponden a datos donde procedimientos más acelerados de corrosión fueron utilizados, como aplicación de un potencial anódico o densidad de corriente anódica sobre la o las barras de refuerzo a corroer.

Con los resultados presentados en la Figura 2 se pueden observar diferencias en las tendencias de la relación empírica entre corrosión y agrietamiento, siendo la pendiente de los datos acelerados menos pronunciada que los datos de corrosión natural. Por eso la importancia de obtener mayor información sobre agrietamiento por corrosión natural, siendo éste el objetivo de la presente investigación.

Procedimiento experimental

Fabricación de las vigas

Se fabricaron 24 vigas de 120 x 10 x 15 cm con 1 barra de acero de 9,5 mm del diámetro, un espesor de recubrimiento de 2,5 cm, una resistencia a la compresión de 330 kg/cm² y relación a/c = 0,6. Dieciseis (16) vigas se fabricaron añadiendo sal común (1 %Cl^-/base a cemento) en el agua de amasado y ocho (8) vigas sin sal, para poder utilizarlas como patrón. Las vigas fueron rociadas en un área central de 25 cm, 3 veces por semana, con solución salina al 3,5%p/p, con la finalidad de acelerar el proceso de corrosión de la barra de refuerzo en esta área.

Evaluación electroquímica

Periódicamente se realizaron medidas de potencial con un electrodo de Cu/CuSO₄ (Norma ASTM C 876-95) y velocidad de corrosión con el Gecor6[22]. Esto se hizo con el fin de evaluar la pérdida de sección de la barra (área bajo la curva de velocidad de corrosión vs. tiempo) y poder correlacionarla con el agrietamiento del concreto. Para esto se calculó la pérdida de masa de la armadura utilizando la fórmula de conversión de Faraday:

DW_F = 55.85 ( ∫ Idt) / nF (1)

En donde DW_F = pérdida de masa Faradáica (g), 55.85 g/mol es el peso atómico Fe, ∫ Idt = ∫icorr (A)dt = área bajo la curva icorr vs tiempo, n = valencia del hierro (+2) y F = Constante de Faraday = 96 500 C/mol. Este valor de pérdida es utilizado después para estimar la pérdida de radio promedio por corrosión (x_PROM) el cual es calculado utilizando la Ecuación 2:

x_PROM = (DW_F · 1000) / (ρ · π · f · L) (2)

En donde ρ = densidad del Fe (7.86 g/cm3), f = diámetro de la barra (9,5 mm) y L = longitud de la barra (120 mm).

Aplicación de carga permanente en las vigas

Se aplicó carga a flexión en 12 vigas de concreto reforzadas de dimensiones 120 x 10 x 15 cm (6 con 1%p/p de Cl^- y 4 sin contaminar), montando 6 sistemas con dos vigas cada uno, con la finalidad de evaluar el efecto de la corrosión en las barras de refuerzo en una estructura de concreto sometida a esfuerzos de flexión. El sistema consistió en aplicar la carga en el centro de las vigas, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3

Sistema de carga aplicada en los extremos de las vigas de concreto

por medio de tornillos

La carga aplicada en el centro de la viga fue de 475 kg, que corresponde a aproximadamente la mitad de la carga necesaria para alcanzar el esfuerzo de ruptura por flexión del concreto de las vigas estudiadas (carga última de diseño de las vigas=1064 kg). Esto se logró apretando 2 mm cada uno de los cuatro tornillos que conforman el sistema de carga, según los cálculos realizados (Figura 2); de tal manera que con cada uno de los tornillos se aplicó una carga de 118 kg, aproximadamente.

Levantamiento de grietas

Para monitorear las grietas aparecidas después de la aplicación de la carga, al igual que su longitud y ancho, se realizó el levantamiento de grietas de cada una de las 12 vigas sometidas a flexión. A tal efecto, se utilizó una cuadrícula hecha en acetato de 5 cm x 5 cm, en la que se podía medir la longitud y ubicación de cada una de las grietas. El ancho de grietas se midió utilizando una plantilla transparente, la cual tiene impreso distintos espesores.

Resultados y discusión

Evaluación electroquímica

La Figura 4 muestra el comportamiento típico de las vigas con NaCl. Nótese que la barra nunca se pasivó (velocidades de corrosión > 0,1 μA/cm²). Para evaluar la pérdida de masa en las probetas, donde la barra estaba activa, se integró el área bajo la curva de la Figura 4. Esto se realizó para cada una de las probetas contaminadas y cargadas, con las mediciones realizadas en la zona central y en cada extremo de la viga. Las Tablas 1 y 2 muestran los cálculos típicos realizados en la parte central y en los extremos de las vigas, respectivamente.

Figura 4

Velocidad de corrosión vs. Tiempo de la Viga 1

Levantamiento de grietas en las diferentes probetas que contienen iones cloruro.- La Figura 5 muestra un levantamiento típico de grietas (Sistema 1/vigas 1 y 2), de las probetas mostradas en la Figura 6, lo cual se realizó a los dos meses de aplicada la carga. Al momento de la aplicación de la carga (aproximadamente dos años después de haberse éstas colado), ya las vigas presentaban grietas paralelas a la barra de refuerzo en la zona central debido a su corrosión, producto del concreto contaminado con NaCl y acelerado en la zona central debido al regado 3 veces por semana con solución salina. Luego de aplicada la carga, aparecieron algunas grietas perpendiculares que se desplazan hasta 3 cm por debajo del refuerzo (espesor de recubrimiento igual a 2,5 cm), observadas en la Figura 5 e identificada como lado superior.

Tabla 1

Valores obtenidos para el cálculo típico de pérdida por corrosión de las diferentes vigas contaminadas con NaCl. Zona central de la viga (r₀ = 4.76 mm)

Tabla 2

Valores obtenidos para el cálculo típico de pérdida por corrosión de las diferentes vigas contaminadas con NaCl. Extremos de la viga (r₀ = 4.76 mm)

Figura 5

Mapa de grietas de la Viga 1

Las vigas no cargadas y contaminadas con NaCl presentan grietas a nivel de la armadura, las cuales indudablemente se deben a la corrosión de la misma. El ancho de las grietas medido con la plantilla, como se muestra en la Figura 6, alcanza para las grietas paralelas a la barra valores mínimos de 0,10 mm y valores máximos de 0,40 mm. Para las grietas perpendiculares a las barras estos valores alcanzan un mínimo de 0,05 mm y un máximo de 0,25 mm.

Figura 6

Ejemplo típico de la presentación de grietas en la Viga 1

Análisis conjunto de la evaluación de grietas y velocidad de corrosión de la armadura

La Figura 7, muestra los valores de la relación x_PROM/r₀ vs. el Ancho Máximo de Grieta (AMG), con los resultados obtenidos en ocho vigas contaminadas por cloruros en en la parte central y cinco vigas contaminadas por cloruros en sus extremos y que se listan en las Tablas 1 y 2. De la Figura 7 se puede observar que la zona que presenta grietas más anchas hasta el momento es la central por el regado continuo con solución de NaCl, y los valores de las zonas extremas de las vigas, que no fueron regadas, presentan anchos menores. Estos valores son comparados con los resultados de otras investigaciones en la Figura 8 en donde la información fue obtenida también con corrosión natural [21].

Figura 7

Relación empírica entre Ancho Máximo de Grietas (AMG) y pérdida de radio promedio por corrosión de la armadura (x_PROM/r₀)

En la Figura 8 se puede observar un comportamiento similar entre los valores obtenidos en esta investigación y los obtenidos en investigaciones anteriores con corrosión natural. Es claro observar que los resultados, aunque presentan un comportamiento un tanto disperso, la tendencia es clara: a mayor pérdida de radio mayor es el ancho máximo de grieta, siguiendo la tendencia presentada también en la Figura 2 en donde todos los datos son colocados en una misma figura, tanto los datos de corrosión natural como los de corrosión acelerada. La Figura 9 muestra todos los resultados, tanto de corrosión natural como acelerada, incluyendo los resultados de esta investigación. Es claro observar que los resultados de esta investigación (corrosión natural), siguen una tendencia similar a todos los resultados obtenidos de la literatura, aunque se sesgan hacia valores menores de AMG con el mismo valor de x_PROM/r₀ que los obtenidos con corrosión acelerada.

Figura 8

Comparativo entre los resultados de esta investigación e investigaciones

previas con corrosión natural

Figura 9

Correlación entre los resultados de corrosión natural y corrosión acelerada

Cabe aclarar que falta por determinar los anchos de grieta de otras vigas de esta investigación, principalmente de los extremos que aún no se han medido, por lo que se pretende al final tener una mayor cantidad de datos con velocidades de corrosión variables y así determinar cómo la velocidad de corrosión afecta la propagación de las grietas (ancho y largo). Igualmente se podrá determinar el efecto de si la carga aplicada aumenta la propagación de estas grietas en la zona central en comparación con los resultados de las vigas de esta misma investigación sin carga aplicada.

Conclusiones

El efecto de la corrosión en la propagación de grietas longitudinales ha sido estudiado experimentalmente utilizando vigas de concreto reforzado en proceso de corrosión sujetas a una carga estática permanente. Este trabajo incluye también la información para formular una relación empírica entre la pérdida de la cantidad de acero (pérdida de radio del refuerzo) por corrosión y el ancho máximo de las grietas longitudinales formadas por la expansión de los productos de corrosión. Basado en los resultados experimentales obtenidos, se pueden definir las siguientes conclusiones:

1. Para un proceso de corrosión natural, las grietas generadas en el concreto, por la expansión de los productos de corrosión, se desarrollan más lentamente (en ancho y longitud) que aquellas generadas por corrosión acelerada, corroborando los resultados obtenidos en investigaciones anteriores en este tema.
2. Los resultados obtenidos a la fecha indican que para una pérdida de radio del refuerzo (x_PROM/r₀) de un 4% y un 10% debido a la corrosión de éste, producen grietas con un ancho máximo (AMG) de 0,1 mm y 1 mm respectivamente.
3. La tendencia obtenida en esta investigación es similar a la obtenida en investigaciones anteriores con corrosión natural y corrosión acelerada, dándose así una posible relación empírica entre cantidad de corrosión y ancho máximo de grieta que podrá utilizarse como una relación universal y deberá de comprobarse con recopilación de un mayor número de datos en la literatura y que esta investigación obtendrá y presentará en publicaciones próximas.

Referencias

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TORRES Andrés

HERNÁNDEZ Yolanda

TROCÓNIS Oladis

DELGADO Sebastián

RODRÍGUEZ José