• septiembre 24, 2022

Los procesos de corrosión en el acero en la construcción de estructuras

El concreto reforzado con varillas de acero es uno de los materiales de construcción más ampliamente usados, sin embargo, las estructuras que los emplean tienen el inconveniente de ser susceptibles a la corrosión. El problema del deterioro de las estructuras de concreto debido a procesos de corrosión es serio y de implicaciones económicas mayores. La habilidad para evaluar la corrosión de las varillas de refuerzo en estructuras y poder estimar la vida en servicio remanente es tema de estudios en el ámbito mundial.

No obstante, los grandes avances tecnológicos, el problema de la corrosión sigue sin ser entendido completamente, debido principalmente a la complejidad del proceso. Para tratar de establecer las bases que rigen el fenómeno de la corrosión, se presentan temas elementales que permitirán al lector comprender las bases del fenómeno.

El deterioro de las estructuras de concreto reforzado ha sido un tema de gran relevancia para la industria de la construcción en los últimos años. Se calcula un costo de 300,000 millones de dólares por fallas en la infraestructura, así mismo, se estima que, de esa cantidad, es posible evitar pérdidas por alrededor de 100,000 millones de dólares tomando medidas de prevención contra la corrosión.

La corrosión del refuerzo metálico embebido es reconocida como uno de los mayores problemas en estructuras de concreto convirtiéndose en un tema que requiere la atención de los ingenieros de mantenimiento de estructuras de concreto, tales como carreteras y puentes, este fenómeno de oxidación del refuerzo metálico afecta significativamente las características funcionales del concreto armado tales como la adherencia, además de inducir la formación de agrietamientos y desprendimientos de trozos de concreto, lo que compromete la integridad estructural.

Este tipo de corrosión ha llamado bastante la atención a varios investigadores inició el desarrollo de materiales y métodos para el controlar la degradación del material, el uso de materiales poliméricos como recubrimientos de la varilla de acero fue ampliamente difundido, con la intención de formar una barrera que impidiera el contacto del acero con agentes agresivos y evitar la corrosión.

Después de evaluaciones de laboratorio y campo de corto tiempo, las varillas cubiertas con polímeros epóxicos fueron adoptadas en la construcción de carreteras como el principal medio de control de la corrosión en puentes. Consecuentemente, inicialmente, este sistema mostró buenas propiedades anticorrosivas en las cubiertas de los puentes en que se aplicaban sales deshielantes y en la subestructura colocada en medio acuíferos, pero después de varios años este material de construcción acusó signos de corrosión y algunas limitaciones, por lo que su empleo se cuestionó severamente.

Factores para la corrosión

De acuerdo con el medio ambiente en que se encuentren los metales, se pueden dar dos tipos de corrosión: la corrosión química y la corrosión electroquímica. La corrosión química ocurre por el ataque de sistemas no electrolíticos como gases y vapores a temperaturas que impiden su condensación sobre la superficie metálica, así como por líquidos no conductores de la corriente eléctrica. La corrosión electroquímica es una reacción química que ocurre en un medio acuoso y en el que hay transferencia de electrones y/o iones.

Según Mauricio Moscoso, magister en calculo estructural, “el proceso de corrosión puede darse en dos procesos individuales: el proceso anódico y el proceso catódico. El proceso anódico (donde ocurre la oxidación del hierro) es cuando se presenta la disolución del acero. En el proceso catódico, los electrones en exceso presentes en el acero se combinan en el cátodo con el agua y el oxígeno para formar iones oxidrilo, los cuales se combinan con los iones de hierro y forman óxido”, señaló.

Los efectos de la corrosión se manifiestan de cinco formas diferentes que pueden ser o no simultáneas: expansión del acero de refuerzo, fisuración interna del concreto, disminución de la capacidad mecánica del concreto, baja adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo, reducción de la sección transversal del acero de refuerzo, decreciendo su capacidad mecánica.

Elementos que inciden en la corrosión del acero de refuerzo

La corrosión del acero de refuerzo en las estructuras se da por la destrucción de la capa pasivadora que se forma naturalmente sobre el acero embebido dentro del concreto. Este fenómeno se debe a la alcalinidad del concreto cuando reacciona con sustancias ácidas o la presencia de una cantidad suficiente de cloruros. Sin embargo, uno de los factores que mayor incidencia tiene para que se presente corrosión es la permeabilidad del recubrimiento, influenciado por procesos de difusión, que generan carbonatación, reducen el pH del concreto y/o también aceleran la corrosión del acero de refuerzo.

Son especialmente sensibles a la corrosión aquellas zonas sometidas a ciclos de humedecimiento y secado. “Varios estudios han demostrado que cuando la relación agua y material cementante excede 0,6, la hermeticidad se disminuye y la permeabilidad a los fluidos e iones aumenta considerablemente debido al incremento en la porosidad capilar de las estructuras “, advirtió Moscoso.

La permeabilidad de la capa superficial del concreto puede afectarse a causa de un curado insuficiente con secado prematuro de la superficie del concreto. Por esto, las medidas de curado deben iniciar inmediatamente después de que se haya presentado el fraguado final y no deben ser interrumpidas durante mínimo siete días.

El recubrimiento mínimo para proteger las armaduras de refuerzo debe ser 35 mm. en cuanto a la des pasivación en el área de fisuras, aquellas que siguen un patrón transversal a la armadura, son mucho menos perjudiciales que aquellas que lo hacen de forma longitudinal, en las primeras la corrosión queda confinada en una pequeña área superficial, mientras que en las segundas siempre habrá desprendimiento del recubrimiento. Los cloruros procedentes del agua o de sales de deshielo pueden acentuar la corrosión del acero de refuerzo aún si el pH del concreto está por encima de 9.

Corrosión electroquímica

El paso de corriente eléctrica directa a través del concreto o del refuerzo utilizado en él puede crear corrosión. Este tipo de corriente es producida frecuentemente por fugas de sistemas eléctricos o por no haber dispuesto de un medio permanente para conectar los sistemas eléctricos a tierra. La corrosión de los metales embebidos también puede ser causada por una corriente eléctrica generada dentro del mismo concreto, debido a que se pueden provocar diferencias de potencial eléctrico en diversos puntos, ocasionadas por los distintos contenidos de humedad, concentración de oxígeno, concentración de electrolitos o por contenido de metales diferentes.

Corrosión uniforme y corrosión localizada

La corrosión uniforme es el resultado de una pérdida generalizada de la capa pasivadora, como consecuencia de los fenómenos de carbonatación y/o la presencia excesiva de iones cloruro. También puede ser el resultado de la lixiviación de la pasta de cemento de un concreto, por la acción de aguas puras o ligeramente ácidas.

“La corrosión localizada actúa solamente en determinadas áreas de la superficie, esto puede deberse al acceso discontinuo de oxígeno, que también, si hay iones cloruro en el concreto, ellos mismos pueden acumularse en el intersticio que resulta entre el recubrimiento y el acero fomentando la corrosión localizada.

Corrosión por picaduras

Se presenta en forma de picaduras estrechas y profundas como consecuencia de una zona anódica que se corroe. Es un tipo de corrosión localizada, en la que la capa pasivadora se destruye por alguna heterogeneidad, como diferencias de composición del metal, corrosión bajo esfuerzo o el ingreso de iones cloruro.

Corrosión galvánica

También conocida como corrosión bimetálica, ocurre cuando existen dos metales diferentes embebidos en el mismo medio electrolítico. Este tipo de corrosión también puede presentarse cuando las varillas que están más cercanas a la superficie empiezan a corroerse por acción de los cloruros, mientras que las internas permanecen pasivas; es decir, se forma una macro celda de corrosión.

Corrosión bajo esfuerzo

Es un fenómeno que suele suceder en el concreto preesforzado, donde se usan aceros de alta resistencia. La corrosión bajo esfuerzo se da cuando se conjugan dos factores fundamentales: los esfuerzos de tracción sobre el acero y un medio agresivo. Si el acero empleado es sensible a las fallas de naturaleza, los procesos anódicos muy localizados pueden llevar a la fisuración del acero debido a tensiones elevadas permanentes. “La corrosión del acero de refuerzo en las estructuras se da por la destrucción de la capa pasivadora que se forma naturalmente sobre el acero embebido dentro del concreto”, señaló Moscoso.

La corrosión de las armaduras en el hormigón armado

Los elementos de hormigón armado a la intemperie, balcones, cornisas, son los lugares donde con más frecuencia donde aparecen daños debidos al desprendimiento del hormigón, que tienen su origen, la mayoría de las veces, en la corrosión de sus armaduras.

Estas patologías se manifiestan primero mediante el desprendimiento del hormigón de una forma puntual o longitudinal, dejando las armaduras próximas a la superficie, sin protección, por lo que con el tiempo quedan recubiertas por una película de óxido que se manifiesta mediante la aparición de manchas en la zona afectada.

Causas para la corrosión

Los elementos de hormigón armado a la intemperie, balcones, cornisas, son los lugares donde con más frecuencia donde aparecen daños debidos al desprendimiento del hormigón, que tienen su origen, la mayoría de las veces, en la corrosión de sus armaduras. Estas patologías se manifiestan primero mediante el desprendimiento del hormigón de una forma puntual o longitudinal, dejando las armaduras próximas a la superficie, sin protección, por lo que con el tiempo quedan recubiertas por una película de óxido que se manifiesta mediante la aparición de manchas en la zona afectada.

Descripción del proceso de oxidación

Para una acertada descripción de este fenómeno constructivista se tiene que observar el armado superficial de los elementos de hormigón está destinado a minimizar los efectos de figuración por retracción del mismo.

Como es sabido, una barra de acero en contacto con un medio húmedo acabará por oxidarse, pero en nuestro caso, los redondos de acero se encuentran recubiertos por un material denso como lo es el hormigón.

“Por lo tanto el hormigón es un medio denso, pero que presenta oquedades o Espacio hueco en el interior de un cuerpo sólido. a escala microscópica. Estas oquedades están unidas entre sí por poros muy finos, formando una red interna que pueden llegar hasta la superficie”, señaló Moscoso.

En el hormigón, durante su primer año de vida, estas oquedades son ocupadas por partículas de cal que provienen del cemento y que son el residuo de las reacciones químicas que dan lugar a la solidificación del hormigón, algunos días después de su vertido. Esta cal es de gran utilidad porque es la que origina la formación en las armaduras de una película protectora contra la formación del óxido, donde el acero es pasivo. Pero con el tiempo, de esta situación varía, primero con la lluvia, que puede penetrar en el hormigón hasta 2 ó 3 cms de profundidad en ciclos alternos de humedad-secado.

Por otra parte, el aire del ambiente contiene un gas carbónico y oxigeno que siguen el mismo camino que el agua, penetrando a través de los poros del hormigón, son los los ingredientes necesarios para desencadenar el proceso de oxidación.

“El gas carbónico en primer lugar, va a producir lo que se llama la carbonatación del hormigón reaccionando químicamente con los residuos de cal libre de la capa pasiva y protectora de los aceros va a romperse. A partir de este estado el oxígeno, podrá atacar al acero siempre que el ambiente sea húmedo y se desarrolla la reacción de corrosión propiamente dicha, dando lugar a la formación de sales de hierro en capas superpuestas en el acero”.

La particularidad de estos compuestos es la de formarse con un importante aumento de volumen, con lo que la reacción produce la figuración y después el desprendimiento de la delgada capa de hormigón que recubre la armadura.

prevención de la corrosión

En la industria, es necesario utilizar la ciencia como una aliada para crear productos y procesos. Sin embargo, a veces la naturaleza juega en contra de industria y de nuestro día a día, por lo que los ingenieros y diseñadores han desarrollado maneras de prevenir la corrosión en metales, existen distintos tipos de corrosión, como la galvánica, por erosión, bacteriana, electroquímica o atmosférica.

Métodos para prevenir la corrosión

Prevenir la corrosión en metales se ha vuelto una tarea indispensable, por lo que aquí te presentamos 5 métodos y técnicas efectivas para aplicarse de manera inmediata.

La primera es el recubrimiento con capas que protegen las estructuras de la exposición a la intemperie y de otros agentes que generan corrosión en metales, estos recubrimientos pueden ser de dos tipos: los no metálicos y metálicos.

Los recubrimientos no metálicos incluyen las pinturas, barnices y esmaltes cerámicos, que una vez aplicado, se crea una armadura protectora que evita la formación de corrosión en metales, inhibiendo por completo el paso de la humedad, la formación de hongos, el daño por abrasión y el daño de otros agentes químicos.

Por otro lado, los recubrimientos metálicos varían según su aplicación, como lo puede ser la inmersión en otros metales fundidos como el estaño, zinc, aluminio o plomo, el cromatizado o la fosfatación.

“Para una la prevención se tiene que observar la situación de los materiales en algunos casos, la mejor forma de prevenir la corrosión en metales es cambiar esas piezas por otras de otro material, como lo puede ser el plástico, el concreto o la fibra de vidrio”, señaló Moscoso.

Existen plásticos como el PVC, CPVC o el polipropileno, entre otros, que fueron desarrollados para resistir la corrosión, el calor, humedad, impactos e incluso químicos dañinos, racias a estas características, algunas piezas metálicas pueden sustituirse, mas no siempre será el caso de muchas estructuras que requieren la resistencia del metal. 

Otro método de prevención es la modificación del entorno, bajo la premisa de que la corrosión en metales se genera en gran medida por las condiciones del ambiente, una forma de prevenirla es cuidar que en el entorno no existan factores de corrosión.

“Cuidar que la temperatura no sea elevada ayudará a que las reacciones químicas sean más lentas y la corrosión no sea tan sencilla de formarse. De igual forma, la corrosión en metales se puede prevenir si se elimina el oxígeno de las soluciones acuosas o reducir la concentración de iones corrosivos en el electrolito que puede sufrir corrosión”, advirtió el experto en estructuras.

La oxidación controlada de las superficies en ocasiones, puede prevenirse la corrosión en metales generando oxidación a propósito, para formar una capa protectora, para que esta técnica funcione, es necesario crear una capa de óxido con un volumen casi igual al del metal donde se formó. Así, dicha capa de óxido será uniforme e impermeable, impidiendo el paso de la corrosión en el metal, sin embargo, de presentarse fisuras o desprendimientos de la capa protectora, el metal podría quedar expuesto y continuar su corrosión.

La Protección catódica y aplicación de corriente eléctrica, estas técnicas de prevención para la corrosión en metales se utilizan comúnmente en conducciones subterráneas con tendencia a sufrir corrosión electroquímica, la protección catódica requiere instalar otro metal en contacto con el metal que se busca proteger. Al primero se le llamará ánodo de sacrificio, el cual es más electronegativo y por lo tanto se oxida primero. 

“Una variación es el de la protección por aplicación de corriente eléctrica, donde se aplica una corriente eléctrica entre ambos metales que incrementa el paso de electrones libres, estas son las formas de prevención más efectivas en el orden de cuidar las estructuras de edificio, puentes o carteras”, puntualizó Moscos.

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