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Introducción El concreto armado es el material de construcción más utilizado en el mundo que forma la columna vertebral de la infraestructura moderna, desde puentes y edificios hasta túneles y presas. Su éxito se debe a la sinergia entre el concreto y el acero que le proporciona, el primero, una alta resistencia a la compresión y la capacidad de absorber los esfuerzos de tensión, el segundo. Una de las características clave del concreto es su naturaleza altamente alcalina, con un pH típicamente superior a 12.5 que genera una capa pasiva de óxidos sobre la superficie del acero embebido. Esta capa es extremadamente delgada y densa que actúa como una barrera que protege al acero de la corrosión y asegura, en teoría, una durabilidad excepcional (Bertolini, 2013). En la práctica, esta durabilidad no es infinita y se compromete por los procesos de degradación que sufren los materiales, donde la corrosión del acero de refuerzo (Figura 1) representa el deterioro más significativo.
Figura 1. Vista de corrosión en columnas (izquierda) y mecanismo de corrosión en acero (derecha) Fuente:Boletín de prensa (2020). https://conexion.cinvestav.mx/Publicaciones/la-corrosi243n-es-el-principal-problema-de-las-estructuras-de-concreto-reforzado
La corrosión no solo pone en riesgo la seguridad estructural, sino que también conlleva enormes costos de reparación y mantenimiento, además de impactos ambientales y sociales por la pérdida de servicio de las estructuras. El proceso de corrosión se inicia cuando la capa pasiva se destruye (Figura 2), que ocurre principalmente por dos mecanismos: la carbonatación y el ataque por iones cloruro (Neville, 2012). En general, se puede decir que los iones cloruro provenientes de sales anticongelantes o de ambientes marinos son los principales causantes de la corrosión del acero en estructuras de concreto reforzado (Tutti, 1982).
Figura 2. Deterioro de una estructura con el tiempo Fuente: https://repositorio.uniceub.br/jspui/bitstream/235/6419/1/21129313.pdf Fuente: https://victoryepes.blogs.upv.es/2016/10/28/
Cuando la corrosión ya ha iniciado, el proceso tradicional para la reparación consiste en la eliminación del concreto contaminado y dañado, la limpieza del acero y el reemplazo del concreto con morteros de reparación. Sin embargo, este enfoque a menudo resulta en el llamado "repair syndrome", donde la corrosión se reactiva en los límites de la zona reparada o en áreas aledañas de la estructura debido a que no se elimina la causa principal, que puede ser el ataque por iones cloruro o el proceso de carbonatación (Elsener, 2001). Una vez desprotegido, se compromete la capacidad de carga del acero en la estructura (Broomfield, 2007). Métodos de conservación y protección Ante el desafío del daño que produce la corrosión se han desarrollado diversas estrategias para mitigarla, que pueden clasificarse en métodos preventivos y de rehabilitación o protección paliativa. Algunos de los preventivos son el uso de concretos de baja permeabilidad, los recubrimientos epóxicos en el acero o los inhibidores de corrosión mezclados en el concreto. De los de rehabilitación o protección paliativa, la Protección Catódica (PC) emerge como el único método probado y reconocido para detener o controlar la corrosión en estructuras de concreto armado contaminadas con iones cloruro. A diferencia de los métodos preventivos, la PC es un sistema de control electroquímico que aborda la raíz del problema. Su principio fundamental es convertir toda la superficie del acero de refuerzo en un cátodo para suprimir así las reacciones anódicas de disolución del metal. Esto se logra por medio del flujo de una corriente eléctrica continua desde un ánodo externo, instalado de forma permanente en la superficie del concreto, hacia el acero, que utiliza el concreto como electrolito y polariza el acero catódicamente (Pedeferri, 1996). Existen dos tecnologías principales de Protección Catódica para el concreto: la de corriente impresa (PCCI) y la de ánodos galvánicos (Figuras 3 y 4). El primer sistema ofrece un alto grado de control, ya que la corriente de protección puede ajustarse según las condiciones ambientales, pero requiere de un mantenimiento y monitoreo continuos. El segundo sistema utiliza un metal anódico (como el zinc), que es eléctricamente más activo que el acero y que establece una diferencia de potencial natural que hace que el zinc se sacrifique (se corroa) para proteger al acero. (Bennett & Broomfield, 2017).
Figura 3. Representación de la protección catódica Fuente: https://cathodicprotection101.com/proteccion-catodica.htm
Figura 4. Sistema de protección catódica en estructuras Fuente: https://www.selecsrl.com/hormigon.php
La implementación exitosa de un sistema de PC requiere un diseño cuidadoso, una instalación especializada y un programa de monitoreo a largo plazo para verificar que se suministra un nivel de corriente suficiente para suprimir la corrosión, sin causar efectos secundarios perjudiciales como la fragilización por hidrógeno en aceros de alta resistencia. A pesar de su considerable costo inicial respecto al ciclo de vida completo, la Protección Catódica representa una solución económica para una estructura con un alto grado de exposición a los iones cloruro, ya que proporciona una protección duradera y evita la necesidad de reparaciones cíclicas y costosas (NACE SP0290, 2021). La correcta implementación de un sistema de protección catódica requiere de personal capacitado y certificado. Además, requiere contar con suficiente información de la infraestructura que se va a proteger, los criterios normativos que aplican y al conocimiento de la correcta aplicación o utilización de las tecnologías en este ámbito, así como de su constante evolución. Análisis de funcionamiento de la Protección catódica. Con base en el hecho de que la Protección Catódica (PC) funciona como una pila galvánica o celda de electrólisis, como se muestra en la Figura 5, la PC se ha aplicado con éxito en una amplia gama de estructuras de concreto como pilas y vigas de puentes, estacionamientos, muelles, túneles y edificios ubicados en la costa marítima. Su principal ventaja es su efectividad probada para detener la corrosión activa, incluso en presencia de altos niveles de iones cloruro donde otros métodos (como los inhibidores) pueden fallar (Carbonell, 2009). Es una solución permanente efectiva mientras el sistema esté energizado y se brinde el mantenimiento adecuado.
Figura 5. Ilustración de la celda de corrosión en la que se indica el flujo de electrones y corriente iónica Fuente: Donadio et al. (2023). Desde el punto de vista termodinámico, los diagramas de Pourbaix ayudan a entender la ocurrencia del fenómeno de corrosión. Éstos describen las condiciones de voltaje (potencial) y pH (ácido, básico y neutro) en las que sucede este fenómeno en estructuras de concreto al señalar la formación de productos de corrosión que generan películas de óxido. Las películas pueden ser protectoras y benéficas para la protección contra la corrosión del acero embebido, ya sea por el proceso de carbonatación en atmósferas urbanas o industriales, o por el proceso de iones cloruro en atmósferas marinas o condiciones salobres. La Figura 6 presenta los diagramas descritos, los cuales ilustran cómo funciona la protección catódica, ya sea por ánodos galvánicos o por corriente impresa.
Figura 6. Diagrama de Pourbaix E-pH de hierro – agua con énfasis en ambiente que produce corrosión del acero de refuerzo en concreto y formas de corrosión Fuente:Roberge, P. R. (2000). Handbook of corrosion engineering (Vol. 1128). New York: Mcgraw-hill.
A pesar de las múltiples ventajas que tiene la PC, también enfrenta desafíos y limitaciones significativas, como se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Comparativa de las características principales de la protección catódica por ánodos de sacrificio y por corriente impresa
Fuente: Elaboración propia. Diversos estudios de investigación reportan la efectividad de la protección catódica (PC) como una técnica que mitiga la corrosión en las estructuras de concreto (Dae et al 2004, Hartt 1997, Etcheverry et al 1999, Howell et al, 2000, Pedeferri, 1996, Callon et al, 2004 y Bertolini et al, 2002). De igual forma, otros trabajos reportan que la protección catódica es un método altamente confiable para prevenir la corrosión en las estructuras de concreto expuestas al agua de mar (Solís et al, 2011; Rousseau et al, 2010; Akamine et al, 2003; Neville et al, 2002; Hartt et al, 1984; Humble et al, 1948; Laque et al, 1950; Leeds et al, 2004; Wolfson et al, 1981; Luo et al, 1991; Mohammad et al, 2007; Yang et al, 2012). Como ya se comentó, la técnica se basa en proteger un metal de la corrosión en un medio iónicamente conductor a través de una fuente de corriente que suministre electrones al metal (acero de refuerzo). Esto induce que la corriente iónica viaje por el electrólito a un segundo electrodo (ánodo) por migración iónica, con lo que se logra el control de la corrosión por protección catódica ya sea por ánodos galvánicos o por corriente impresa. Hay reportes (Koleva et al, 2006; 2007; 2009) que mencionan que la aplicación de protección catódica transforma los productos de las reacciones electroquímicas y químicas en la superficie del acero e indican que el mecanismo fundamental de la eficiencia de la protección catódica está fuertemente relacionado con la morfología y formación de los productos de corrosión (formación de magnetita Fe3O4) sobre la superficie del acero. La formación del producto mencionado depende del adecuado diseño, instalación y mantenimiento del sistema de protección catódica. Lo anterior sugiere el uso de sistemas de PC a través de pulsos catódicos para garantizar su efectividad, ya que se basa en la transformación de los productos de corrosión (ver Figura 7). Cabe mencionar que, aun cuando la aplicación de corriente catódica es una técnica eficiente para la protección de una estructura de concreto reforzado, ésta podría causar alteraciones microestructurales en la matriz del concreto. La repulsión de iones agresivos (por ejemplo, iones cloruro) se presenta junto con la migración de otros iones presentes en el concreto, lo que crea heterogeneidad e inestabilidad inherente a su matriz y puede llevar a una distribución no uniforme de la corriente y, por lo tanto, tener áreas localizadas sobreprotegidas. Como ya se comentó, se reconoce la efectividad de la protección catódica (PC) como una técnica que mitiga la corrosión de las estructuras de concreto y de que se ha aplicado en algunos casos de forma exitosa. Sin embargo, continúan los trabajos de investigación para incrementar su eficiencia en estructuras de concreto, lo cual consta ante el desarrollo de nuevos materiales anódicos. La funcionalidad de todos estos desarrollos debe ser valorada sistemáticamente antes de ser usada para la infraestructura de la SICT, ya que los valores de resistividad del concreto limitan el suministro de la corriente. En este sentido, se han innovado y desarrollado materiales que envuelven el metal anódico con la finalidad de lograr una mejor distribución de corriente.
Figura 7. Diagramas de Pourbaix que señalan la formación de óxidos protectores en condición acuosa y parcialmente seca Fuentes: López Baltazar, E. (2010) y 4.6: Diagramas de Pourbaix - LibreTexts Español, n.d Por otro lado, el efecto de la resistividad eléctrica del concreto y la densidad de corriente aplicada son de suma importancia para una adecuada distribución de corriente eléctrica dentro de un sistema de PC para el acero embebido y considerar que la resistencia eléctrica del concreto se incrementa con el envejecimiento. Se reporta que el aumento en la densidad de corriente aplicada y la resistividad del concreto conducen a una mala distribución de corriente en el sistema (Hassanein et al, 1998). De igual forma, se indican alteraciones en la estructura de los poros del concreto como desfavorables (Koleva et al, 2006), dado que se producen propiedades eléctricas no uniformes que alteran el paso de corriente por el electrolito (la demanda de corriente se incrementa). Chang, (1981), reportó que la corriente de PC provoca alteraciones estructurales en la matriz del concreto y, en consecuencia, en los poros. Esto provoca microgrietas que, junto con el ablandamiento del silicato de calcio hidratado (C-S-H) entre la pasta de cemento y agregados en la zona de transición interfacial, conlleva a la reducción de la durabilidad del concreto. Es importante destacar que un suministro de corriente excesiva puede producir un aumento de las reacciones de desprendimiento de hidrógeno sobre la superficie de acero y llevar a su fragilización, lo cual es particularmente severo en el acero pretensado o en la unión acero / pasta cemento. Con el propósito de observar el efecto de la resistividad en el desempeño de la protección catódica, en la Tabla 2 se muestra la resistividad encontrada en suelos y una interpretación de cómo se afecta la eficiencia de la protección catódica en estructuras de concreto. Esto, debido a que no existe una "gráfica universal" o estandarizada para la selección del sistema de PC.
Tabla 2. Criterios generales de resistividad eléctrica para selección del tipo de PC
Figura 8. Rango aproximado de resistividad del electrolito y selección del sistema de protección catódica Fuente: Jorge Joaquín Cantó Ibáñez (2025). Tal como señala la Tabla 2, para suelos con resistividades entre 0 y 5,000 Ohm-cm se suele usar material de relleno (empaque) alrededor del ánodo para reducir la resistencia de contacto y asegurar una distribución de corriente homogénea. Es de interés mencionar que, si no se hacen estudios previos a los elementos de concreto para determinar su conductividad y/o resistividad, es muy probable que no se alcancen los niveles de protección que mencionan los proveedores de dichos productos. Lo anterior requiere que el diseño, instalación y monitoreo de sistemas de protección catódica se realice por personal certificado. Además, debe tenerse en cuenta que para estructuras de concreto se recomienda usar ánodos de zinc aun cuando la resistividad es alta. Esto se hace para prevenir la falla por fragilización de hidrógeno en el caso de refuerzo de acero pretensado y evitar la degradación de la unión acero / pasta cemento. En la Figura 8 se indican los intervalos de aplicación de ánodos de zinc o aluminio (baja resistividad), ánodos de magnesio (resistividad media-alta) y la región donde la corriente impresa podría ser necesaria (muy alta resistividad). Se observa que, a valores de resistividad extremadamente altas, la protección galvánica es ineficiente y requiere de un sistema de PCCI con fuente externa. Los limites mostrados en la figura no son estándar, pero se toman como referencia los intervalos de 1500 – 2000 Ohm-cm como límite entre usar zinc/aluminio vs. magnesio, y por encima de 7500 – 10000 Ohm-cm se evalúa corriente impresa “Soil Resistivity Testing” (2018). La interpretación de la gráfica considera también el ensayo de demanda de corriente de la estructura. Para conocer la eficiencia y funcionamiento de los sistemas de protección catódica, la Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión (NACE Internacional) propuso en 1969 los criterios de protección catódica a través de la norma NACE RP-01-69 (1969). Dicha norma fue revisada y cuestionada por Gummov, R.A. (1986), quien señaló que, a pesar de su amplia aceptación, algunos de los criterios del estándar contenían "errores graves con respecto a la ciencia fundamental" y estaban en conflicto con otros estándares. Lo anterior demuestra que la comunidad científica contribuye constantemente en la mejora de los criterios establecidos y en el sustento de argumentos técnicos para la validación de los criterios de protección catódica propuestos. Por lo anterior, el control de la corrosión de estructuras metálicas enterradas o sumergidas requieren suministrar una corriente directa a la estructura metálica a través del suelo, concreto y agua, por una fuente externa al metal. Surge entonces un par de preguntas fundamentales: ¿cuánta corriente directa es requerida para controlar la corrosión? y ¿cómo se mide la efectividad de un sistema de protección catódica? Para responder esto la NACE (ahora Asociación para la Protección y el desempeño de los Materiales, AMPP) reconoció la necesidad incorporar varios criterios para evaluar las instalaciones de protección catódica en la práctica recomendada RP-01-69 (1969). La versión original de esa práctica contempló cinco criterios básicos para materiales ferrosos, dos para aluminio y uno para cobre, de los cuales para estructuras de hierro fundido y acero son: Þ Un voltaje catódico de -0.850 volts referido a una celda de Cu/CuSO4 con corriente aplicada. Þ Un cambio mínimo de voltaje catódico de 300 mV producido por la aplicación de corriente protectora, (dirección negativa). Þ Un cambio mínimo de polarización catódica de 100 mV. El cambio de voltaje se determina por la medición del decaimiento de la polarización (dirección negativa y compensar caída IR). Þ Un voltaje al menos más catódico como el inicio del comportamiento de Tafel de la curva E-log I. Þ Un flujo de corriente neta protectora del electrolito a la estructura determinado por una técnica de corriente a tierra. Además del criterio específico, la práctica recomendada NACE SP0169 (2024) incluye requerimientos generales aplicables a cada criterio específico. Estos requerimientos generales son: Þ Las mediciones hechas con el electrodo de referencia deben hacerse tan cerca como se pueda de la tubería. Þ Consideración de las caídas de voltaje además de aquellas en el límite estructura-electrolito. Þ Consideración de los metales diferentes. Þ Consideración de corrientes de interferencia. Þ Consideración de condiciones anormales como temperaturas elevadas, daños del recubrimiento, ataque de bacterias y contaminación del electrolito. Lo descrito anteriormente se muestra en la Figura 9, la cual señala los criterios de Tafel, 100 mV y 850 mV. Los criterios de 300 mV con la corriente en “ON” y el de un flujo de corriente que protege la superficie metálica quedan implícitos dentro de esta figura. Se discutieron solo los que tienen un fundamento científico y técnico, desde el punto de vista de la termodinámica y la cinética electroquímica.
Figura 9. Curva de polarización catódica que representa los criterios de protección
Conclusiones El requerimiento de demanda de corriente del cátodo esta influenciado por la concentración de iones presentes en el electrólito; por tanto, in situ es indispensable efectuar pruebas de demanda de corriente para cada sistema en particular. Esto, con el fin de diseñar el sistema de protección catódica específico para cada estructura a proteger, ya que la composición química del electrolito varía y, a su vez, modifica la resistividad. Debe entenderse, con esas consideraciones, que la selección del sistema de PC depende de parámetros técnicos de diseño y económicos. La selección entre un sistema de Protección Catódica tanto por Ánodos Galvánicos (PCAG) como por Corriente Impresa (PCCI) depende de parámetros técnicos como la resistividad. Se recomienda evitar la sobreprotección en estructuras con acero pretensado para no favorecer la formación de hidrógeno. Es importante profundizar en la investigación de la aplicación de corriente catódica por pulsos que conduzcan a proporcionar una protección suficiente del acero con la formación de la magnetita, de forma que minimice la influencia del flujo de corriente y evitar daños microestructurales en el concreto. El criterio E – log I o Criterio de Tafel es de difícil aplicación en la práctica de la ingeniería de la corrosión por al control mixto de activación-difusión que se presenta en la región catódica de la curva de polarización experimental, especialmente para pH neutros. Esto, debido a la reacción de reducción de oxígeno, aunque supone la menor demanda de corriente en comparación con los criterios de protección catódica comúnmente utilizados. En este sentido, su utilización debería restringirse a estructuras nuevas y sin interferencias con otras estructuras metálicas. Se debe cumplir con los estándares y calidad de materiales en el diseño, instalación monitoreo y adquisición, además de verificar que la composición química de la aleación cumpla con las especificaciones para garantizar el comportamiento esperado. Así se valida el diseño adecuado del sistema y la correcta selección de los materiales según la resistividad del medio, con el fin de proporcionar décadas de protección confiable a las estructuras, evitar fallas catastróficas por corrosión y optimizar costos de mantenimiento. Finalmente, es conveniente actualizar la normativa con la que cuenta la SICT que mencione y actualice los criterios de protección catódica, que considere la valoración previa del contenido de cloruros o la carbonatación de los elementos a proteger para que el sistema funcione eficientemente. Por lo anterior, se debe elaborar un programa de actualización de la normativa SICT relacionada con las nuevas tecnologías de protección catódica de elementos de concreto. Bibliografía Akamine K. y KashikiI. (2003). Corrosion Protection of Steel by Calcareous Electrodeposition in Seawater: Part 1. Mechanism of Electrodeposition. Engineering Review, 36. (3), 141-146
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