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Resumen En un esfuerzo por contribuir a la conservación de la infraestructura carretera y portuaria, el IMT realiza la evaluación de materiales que contribuyen a garantizar que esta, alcance o supere, la vida útil para la cual fueron diseñados los elementos de concreto. Este trabajo describe una de las técnicas existentes que podría extender la vida útil de la infraestructura, deteriorada por corrosión, utilizando ánodos puntuales en sitios con reparaciones localizadas. Antecedentes La competitividad de las naciones se mide por su capacidad para ser más productivas y con ello generar mejores ingresos y mayor bienestar para sus habitantes. En gran medida ésta depende de la calidad con la cual se le da mantenimiento a su infraestructura de comunicaciones y transportes. De acuerdo con el Foro Económico Mundial, la competitividad de México y su infraestructura ocupa el lugar 68 entre 144 países (PIITyC). Mejorar la competitividad global y acrecentar el potencial de México para su desarrollo, forma parte del “Programa de Inversiones en Infraestructura de Transporte y Comunicaciones 2013-2018”. Entre las obras y acciones comprometidas, destacan la ampliación y conservación de la red carretera federal; la construcción y modernización de caminos, puentes, ferrocarriles, puertos y aeropuertos (PIITyC)
En un esfuerzo por contribuir a la conservación de la infraestructura carretera y portuaria, el Instituto Mexicano del Transporte (IMT) inició en el año 2000 el programa denominado Plan Nacional de Evaluación de Puentes Federales dañados por corrosión (EPDC) en conjunto con la Dirección General de Conservación de Carreteras (DGCC) y la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) (Torres Acosta et al 2010 ) y en el 2012 el proyecto Sistema de Gestión de Estructuras Marítimas (SIGESMAR) (Torres Acosta et al 2010) ambos bajo la coordinación del Área de Materiales del IMT. Ambos proyectos tienen el objetivo de cuantificar los puentes y muelles dañados por corrosión y generar la información suficiente y confiable que permita rehabilitarla de manera eficiente, económica y durable.
Derivado de los proyectos mencionados anteriormente, se ha reportado que se tienen aproximadamente 12,500 puentes de los cuales se estima que 3,500 pertenecen a carreteras de cuota y el resto a la red de carreteras libres de peaje, como se muestra en la figura 1a y 1b. Asimismo, del proyecto SIGESMAR se cuantificó 16 Administraciones Portuarias Integrales (API´s), dependientes de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), y dependiendo del tamaño de las operaciones portuarias, éstas cuentan con tres y hasta nueve muelles con diferentes configuraciones geométricas, como se muestra en la figura 2.
La importancia de la infraestructura portuaria y carretera, requiere especial atención, por lo cual el IMT trabaja de manera permanente estas entidades - aplicando metodologías basadas en la normatividad ACI, ASCE, ASSHTO, NACE y documentos como Manual Red Durar, Manual Contecvet y Manual Red Rehabilitar para realizar la evaluación, diagnóstico y recomendaciones adecuadas para extender su vida útil. La aplicación de dichas metodologías generan información relevante que indica cuando la estructura de concreto requiere una rehabilitación y cual es la magnitud de esta; incluyendo sistemas de protección para garantizar que ésta alcance o supere la vida útil para la cual fueron diseñados los elementos de concreto. Por lo anterior, este documento trata una de las técnicas existentes (protección catódica) que podría extender la vida útil de la infraestructura utilizando ánodos puntuales en sitios con reparaciones localizadas. La ficha técnica de diferentes fabricantes/proveedores de sistemas de protección contra la corrosión, específicamente ánodos discretos/puntuales, mencionan que la bondad de los ánodos es disminuir/minimizar la corrosión de las barras de acero y que estos pueden usarse en ambientes corrosivos incluyendo concretos contaminados con cloruros y carbonatados. Este tipo de ánodos se instalan para proteger de la corrosión a estructuras de concreto reforzado que han sido rehabilitadas en zonas localizadas o donde no es práctico o adecuado el uso de ánodos de mayores dimensiones. Aún cuando el fabricante reporta que la cantidad de ánodos puntuales está en función de la cantidad de acero existente en la estructura por proteger, el diseño establecido por el proveedor recomienda una separación ideal entre los ánodos para que el sistema funcione adecuadamente. Debido a que existe información experimental realizada en diferentes países, los resultados que se obtienen empleando estos ánodos han generado controversia, motivo por el cual se recomienda evaluar estos materiales. Resulta entonces conveniente generar información confiable que reporte las condiciones bajo las cuales se evaluó el funcionamiento del ánodo y así el responsable de la infraestructura decida/seleccione el método de protección que sea más conveniente para su estructura. Desarrollo experimental: Para el desarrollo de este trabajo, se elaboró un elemento de concreto reforzado con acero al carbono (armex) y se contaminó con iones cloruro para acelerar la corrosión del acero. En esta misma, se embebieron ánodos de sacrificio discretos de matriz cementicia. Posteriormente, para evaluar su desempeño, se monitoreó la corriente galvánica (Igalv), potencial de corrosión (Ecorr), potencial de protección (Eon), Potencial off (Eoff).
El diseño de la viga se realizó con las siguientes dimensiones: 20 x 20 x 100 cm, con varilla de refuerzo de 0.635 cm de diámetro (armex) y 96 cm de largo, con estribos distribuidos a una distancia de 15 cm, el recubrimiento de concreto fue de 5 cm, como se muestra en la figura 3.
Se utilizó un molde de madera (figura 4a), para el colado de la viga. Posterior a ello, se colocó el acero con los ánodos de sacrificio discretos a una distancia de 30 cm, sin que el ánodo quedara eléctricamente unido al acero, como se observa en la figura 4b. Asimismo, se unió un cable a la punta de una de las barras del armex y se colocó el concreto, como se aprecia en la figura 4c.
El concreto se fabricó con una relación agua/cemento de 0.65 (a/c = 0.65), agregando cloruro de sodio (NaCl = 3.5 % en peso de cemento), para acelerar el proceso de corrosión. Posterior al colado de la viga (ver figura 9C), se descimbró y curó la viga (figura 5a y 5b) (ASTM C31).
Medición de potenciales de corrosión.
Para verificar el estado del acero se realizó el monitoreo del potencial de corrosión (Ecorr) del acero de acuerdo con la norma ASTM C 876 por un periodo de 135 días. Las mediciones se realizaron en tres puntos equidistantes de la viga (P1, P2 y P3) figura 6.
Medición de potencial de los ánodos Este ensayo se realizó colocando el electrodo en un punto cercano a la posición de cada ánodo (1 - 3), para verificar si estos están activos figura 7.
Medición de potencial de protección. Después de un periodo de tiempo de monitorear el potencial de corrosión, se realizó la conexión eléctrica entre ánodos y acero para verificar el funcionamiento del sistema de protección catódica. La medición de potencial de protección se realizó de la siguiente forma: primero se realizó la conexión: acero + ánodo 1 + ánodo 2 + ánodo 3, posterior a ello se efectúa la conexión del multímetro como recomienda la normatividad NACE y ASTM, figura 8.
Medición de corriente galvánica. La medición de corriente galvánica se realizó conectando en serie el multímetro entre el acero y los ánodos, como se observa en la figura 9, se registró el valor de la corriente medida.
Resultados y discusión de resultados En la figura 10 se muestran los valores de potencial de corrosión (Ecorr), el cual fue monitoreado desde el inicio del proceso de curado (28 días) el cual se encuentra en valores que señalan la presencia de corrosión del acero, según la norma ASTM C 876 (desde el día 1 -135). Después del día 135, se conectaron los ánodos con el acero y se observó que el potencial se desplazó a valores más negativos respecto del potencial de corrosión. Es decir, en algunos días (142, 172, 193, 200, 235, 272) se alcanzaron valores de potencial más negativos que -500 mV. Este desplazamiento de potencial indica que el acero se polariza (Eon), lo cual sugiere que en esos días el acero se encuentra protegido. Para validar que este sistema se encuentre funcionando se desconectaban los ánodos del acero de acuerdo con las normas ISO/DIS 12696, UNE – EN 12696 y NACE RP0100 para poder ver que los potenciales de depolarización (Eoff) alcanzan 100 mV de depolarización.
Cabe mencionar que el cambio de potencial, hacia valores más positivos está fuertemente relacionado con los efectos causados por la conexión ánodo–acero. Se destaca que los valores más negativos (-511 a -560) corresponden a lecturas registradas cuando la muestra de concreto se encontraba en condición húmeda (muestra saturada) y que los valores que solo alcanzaron un desplazamiento de potencial cercano a -500 corresponden a lecturas registradas durante el tiempo en que la muestra se encontraba seca; en este caso, se aclara que la muestra no se humectó en el tiempo que recomienda la norma ASTM C 876 (1 hora). Bajo estas condiciones experimentales, los resultados indican que los ánodos solo entrarán en funcionamiento cuando el contenido de humedad sea alto, en condiciones de baja humedad la resistividad se incrementará y la demanda de corriente disminuirá. Respecto a la diferencia del potencial alcanzada, entre el potencial de corrosión y el potencial de protección (medido después de conectar el sistema de protección catódica), se obtiene que el sistema de protección catódica sí protege al acero. Como se mencionó anteriormente, una forma de verificar que el sistema de protección catódica se encuentra funcionando y, que se muestra en la figura 11, es con el empleo del criterio de los 100 mV establecido por la norma NACE SP0290, RP0100, ISO/DIS 12696 y UNE-EN-12696. La figura 11, muestra algunas lecturas hechas para verificar que el sistema de protección catódica funciona de manera apropiada. Estas lecturas fueron: potencial de corrosión (Ecorr), potencial con el sistema conectado (Eon), Potencial con el sistema desconectado (Eoff) y potencial (Eoff a 1 hora y 4 horas de depolarización). Se observa que cuando se conecta el sistema hay un desplazamiento de potencial a valores más negativos respecto del potencial de corrosión y cuando se desconecta el sistema, éste alcanza una depolarización de al menos 100 mV. Como se puede observar en la gráfica, después de una y cuatro horas de depolarización del sistema, el acero muestra una tendencia hacia el potencial de corrosión o valores de potencial más positivos; esto sugiere que el sistema de protección catódica - con este tipo de ánodos - se encuentra funcionando bajo las condiciones experimentales empleadas.
Una forma adicional de verificar que el sistema de PC funciona, es midiendo la corriente galvánica que fluye entre ánodo y cátodo. La figura 12, muestra valores representativos del registro de corriente galvánica, que indican que el conjunto de ánodos está suministrando corriente al acero, aun cuando la corriente medida durante la parte experimental no corresponde con la que el proveedor reporta en sus especificaciones que es de 1 mA de corriente galvánica.
Conclusiones Los resultados preliminares obtenidos en este trabajo señalan que el sistema de protección catódica funciona, siempre que la muestra se mantenga húmeda. En condiciones de no humedad, la resistividad aumenta disminuyendo así la potencialidad de corrosión y, en consecuencia, la demanda de corriente se ve minimizada y la efectividad del sistema se verá mermada. Recomendaciones Es necesario continuar con estas investigaciones a fin de determinar la eficiencia de los ánodos puntuales al mediano y largo plazo, así como bajo distintas condiciones de operación, para así sugerir su empleo en procesos de rehabilitación de estructuras de concreto dañadas por corrosión. Referencias Programa de inversiones en infraestructura de transporte y comunicaciones (PIITyC) 2013-2018 Plan Nacional de Evaluación de Puentes Federales, Libres de Peaje Dañados por Corrosión (2000 -2005). Una cuantificación de resultados, proyectos y colaboraciones, Andrés Torres Acosta, Angélica del Valle Moreno, Miguel Martínez Madrid, José Trinidad Pérez Quiroz, Miguel Backhoff Polhs, Publicación Técnica 327, Sanfandila, Qro. 2010 Proyecto No. EE 23/13: Sistema de Gestión, Evaluación en Detalle por Durabilidad y Capacidad de Carga de la Infraestructura de Los Puertos Federales Mexicanos. ACI 201.2R-08: Guide to Durable Concrete ACI 222.3R-11 Guide to Design and Construction Practices to Mitigate Corrosion of Reinforcement in Concrete Structures AASHTO (1994). “Manual for condition evaluation of bridges”. AASHTO (2010) “Bridge Element Inspection Guide Manual, 1st Edition. ACI 364.1 R-94 (1999). ”Guide for Evaluation of Concrete Structures prior to Rehabilitation” NACE SP0308-2008, Inspection methods for corrosion evaluation of conventionally reinforced concrete structures
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NACE SP0100-2014 (formerly RP0100), Cathodic Protection to Control External Corrosion of Concrete Pressure Pipelines and Mortar-Coated Steel Pipelines for Water or Waste Water Service
ISO/DIS 12696 (2009) Cathodic protection of steel in concrete.
UNE – EN 12696 (2001) Protección catodica del acero en el hormigon
PÉREZ Trinidad TORRES Andrés MARTÍNEZ Miguel |
