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Alcances del tratamiento de curado respecto a la corrosión de hormigón armado en ambiente marino

Tema:  ADITIVOS Y FIBRAS
Autor: Y. A. Villagrán Zaccardi , A. A. Di Maio, S.S Zicarelli y L. P. Traversa. LEMIT-CICPBA
Fecha Publicación: 31/12/2008

Buenas prácticas de tratamiento de curado del hormigón durante las primeras edades favorecen la protección que el hormigón de recubrimiento provee a las armaduras frente a la corrosión por cloruros. En este trabajo se presentan resultados de la exposición por períodos prolongados de dos hormigones convencionales ubicados en ambiente marino, con y sin tratamiento de curado.

Durante la exposición se evaluaron velocidad de ingreso de cloruros, capacidad de fijación de cloruros, potenciales y velocidades de corrosión. La velocidad de ingreso de cloruros se evaluó con la determinación de perfiles de ingreso a edades determinadas. La cinética de corrosión se evaluó por técnicas potenciostáticas, determinando la resistencia de polarización. El período total de exposición fue de 56 meses. Los resultados indican valores de contenidos umbrales de cloruros y la importancia del curado respecto a la despasivación de armaduras en ambiente marino.

Introducción

El curado es un proceso indispensable en el desarrollo de la hidratación temprana del hormigón, debiéndose procurar evitar la pérdida de agua hacia el exterior y mantener condiciones de humedad y temperatura adecuadas. La durabilidad del hormigón armado se relaciona con la resistencia del recubrimiento al ingreso de agentes agresivos [1, 2]. Los mecanismos de transporte y la velocidad con que se producen están determinados por la magnitud, tamaño y conectividad de poros.

El curado limita las vías de acceso de los agresivos al contribuir a la disminución de la conectividad de poros. En ambiente marino, la presencia de cloruros en cantidad suficiente a nivel de las armaduras produce la rotura localizada de la capa pasiva del acero[3].

La corrosión activa se origina junto a la presencia simultánea de alta humedad relativa y oxígeno en el medio. La capacidad de fijación de cloruros del cemento constituye un factor de retardo del ingreso al impedir su movilidad y reducir la concentración de cloruros libres capaces de despasivar al acero.

La probabilidad y velocidad de corrosión de armaduras en hormigón pueden ser evaluadas mediante técnicas electroquímicas. Las mismas brindan información del estado actual de la estructura y herramientas de predicción de su comportamiento futuro.

Parámetros de corrosión

El potencial de corrosión (Ecorr) resulta del estado estacionario en el cual se igualan las velocidades de reacciones de oxidación y de reducción. El acero de la armadura en contacto con la solución de poros constituye una hemicelda, que se completa con la del electrodo de referencia en contacto con el hormigón húmedo para cerrar el circuito de medición.

El potencial de corrosión permite verificar la condición pasiva/activa de las armaduras, pero en la práctica resulta indicativo y no siempre concluyente. En estructuras de hormigón armado, el estado de humedad es el parámetro que genera mayor variabilidad en las lecturas [4]. Se define, entonces, una probabilidad de corrosión de acuerdo al valor del potencial medido (por ejemplo, versus electrodo de calomel saturado, ECS, Tabla 1).

Mientras que Ecorr es un parámetro termodinámico que determina la estabilidad de las especies (probabilidad de corrosión), la velocidad de corrosión (icorr) es un parámetro que determina la cinética del proceso. Se refiere a la densidad de corriente originada en la pila electroquímica de corrosión, que es proporcional a la velocidad de disolución del metal bajo corrosión uniforme.

La velocidad de corrosión puede determinarse mediante la técnica de la resistencia a la polarización. Se parte del potencial Ecorr y se polariza +10/30mV y -10/30mV, dependiendo del potencial de equilibrio[6]. Se miden las corrientes respectivas y se calcula la resistencia de polarización Rp, siendo la pendiente de la curva corriente-potencial registrada. Esta resistencia es inversamente proporcional a la velocidad de corrosión[6]. La constante de proporcionalidad es la relación de pendientes de Tafel, igual a 26mV en estado pasivo y a 52mV en estado activo.

La velocidad de corrosión es indicativa también en el período de propagación al marcar la velocidad de crecimiento del volumen de los productos de corrosión. Permite así estimar el período a partir del cual son esperables daños en la estructura (Tabla 2).

Las lecturas experimentales de corriente en la zona activa localizada se diluyen debido a su relación de áreas con la zona catódica. La profundidad máxima de penetración del picado puede ser 4 a 8 veces el valor medio de ataque[7]. Se asume que existe un contenido umbral de cloruros por debajo del cual es muy baja la probabilidad de que se produzcan picaduras, posiblemente debido a la capacidad de la capa pasiva para regenerarse rápidamente.

Valores hallados del contenido umbral de cloruros totales van desde 0,2 a 2,5% en peso del cemento[8-9]. Existen numerosas variables que ocasionan que el contenido umbral de cloruros no sea fijo. Entre ellas se encuentran la rugosidad superficial del acero[10], las propiedades del hormigón[6, 11-12] y la agresividad del ambiente[11-13]. Estos parámetros también determinan la naturaleza de la capa pasiva, y por lo tanto es intuida una relación directa entre el potencial de corrosión y el contenido umbral de cloruros.

En la literatura pueden encontrarse relaciones orientativas entre el contenido de cloruros del hormigón y el riesgo de corrosión[14-15], aunque deben observarse las particularidades de cada caso.

Desarrollo experimental

Los hormigones en estudio fueron elaborados con cemento Pórtland normal, arena silícea natural de río y piedra partida granítica (densidad saturada superficie seca, Dsss = 2,64 kg/dm³; absorción de agua en 24 horas, Aw = 0,5%; según[ 17]). El tamaño máximo nominal de los agregados[18] fue de 19 mm. Las proporciones y algunas propiedades tecnológicas de estos hormigones se muestran en la Tabla 3. Se confeccionaron probetas, divididas en dos series luego de moldeadas: la serie c fue curada en cámara húmeda (HR: 95%, T: 20 ± 2ºC) durante 7 días[19]; y la serie sc fue expuesta a la intemperie sin tratamiento de curado luego del desmolde a las 24 horas en la ciudad de La Plata (HR media anual: 80%, T media anual: 23ºC). La resistencia a compresión[20] se determinó sobre probetas cilíndricas de 150 x 300 mm.

La porosidad fue determinada en base a la capacidad de absorción de agua de las muestras y la densidad de las mismas[21]. Se moldearon probetas prismáticas de 75 x 75 x 300 mm para las mediciones de ingreso de cloruros. Estas probetas fueron impermeabilizadas lateralmente, lográndose el ingreso unidireccional de cloruros a través de las caras extremas (de 75 x 75 mm).

Para las mediciones de los parámetros de corrosión de armaduras, se moldearon probetas cilíndricas de 100 x 150 mm, empotrándose dos barras conformadas de 12 mm de diámetro, con 2 y 4 cm de espesor de recubrimiento. Las mediciones electroquímicas fueron realizadas durante una exposición de 56 meses en diferentes períodos del año, teniendo valores estacionales representativos. El sitio de exposición se ubicó aproximadamente a 15 metros de la línea de costa marina y a cinco metros de altura, en la ciudad de Mar del Plata (Foto. 4).

Para la evaluación de cloruros se cortaron los núcleos de las probetas en secciones transversales de un espesor cercano a los 5 mm, con profundidades crecientes desde la cara expuesta. En las muestras molidas se determinaron los contenidos de cloruros solubles en agua en 24 horas, mediante titulación colorimétrica con nitrato de plata por el método de Mohr[22], y contenidos de cloruros totales por el método Volhard[22].

En las mediciones de parámetros de corrosión se empleó un electrodo de referencia de Calomel saturado (ECS). Las corrientes de corrosión se determinaron potencioestáticamente mediante la técnica de resistencia de polarización. Las mediciones electroquímicas se realizaron en tres probetas por cada serie.

Resultados y análisis

En la Fig. 5 se muestran los perfiles de ingreso de cloruros solubles en agua en peso del hormigón correspondientes a determinaciones a los 6, 12 y 18 meses de exposición. Los parámetros de difusión a dichas edades se muestran en la Tabla 6. La concentración superficial (Cs) y la difusividad aparente (Dap) se calcularon por regresión numérica de los datos a la ecuación C(x,t)=Cs·erfc[x/ (2 Dap·t)], solución de la segunda ley de Fick[23]. No se aprecian diferencias significativas entre ambas condiciones de curado en cuanto a las formas de los perfiles de ingreso surgidos.

Sin embargo, cuando se calculan los coeficientes de difusión aparece cierto contraste debido a la diferencia en la concentración superficial de cada hormigón. Las mayores velocidades de ingreso se dan en los hormigones sc.

Mientras que la velocidad de succión capilar del hormigón sc resultó un 14% más alta que la del hormigón c, en el ingreso de cloruros este aumento resultó ser de un 59%. La difusividad parece verse más afectada por la falta de curado que la porosidad capilar. Las relaciones entre cloruros solubles en agua y totales se muestran en la Fig. 7, donde además se indica una relación exponencial (según Freundlich) conjunta para ambos hormigones. En la Fig. 8 se muestran los potenciales de corrosión medidos en barras con 2 y 4 cm de recubrimiento. Las condiciones ambientales momentáneas al momento de cada lectura ocasionan variaciones aleatorias.

Sería esperable que a mayor recubrimiento se presentara menor sensibilidad a variaciones climáticas, pero el comportamiento no puede diferenciarse en este sentido entre las barras con distinto recubrimiento. La variación en la resistividad del hormigón de recubrimiento parece afectar indistintamente a ambas barras. Sin embargo, al analizar la tendencia de los comportamientos, la evolución diferencia claramente a las barras con 4 cm y con 2 cm de recubrimiento.

Para sc -2 cm, la media cruza el límite de -200 mV vs. ECS para un período de exposición aproximado de 18 meses. Este período resulta sumamente breve cuando se considera la vida útil de diseño habitualmente adoptada en estructuras de hormigón armado. Es notable que los potenciales caen rápidamente para presentar valores por debajo de -200 mV vs. ECS, pero la tendencia posteriormente se ubica en el rango de -200/-300 mV vs.

ECS por un período prolongado. Las barras c -2 cm son las siguientes en cruzar este mismo límite, pero manteniéndose en el rango del límite hasta casi 45 meses. Esta diferenciación entre los hormigones sc y c es quizá más importante de la esperable en un principio. Las barras en sc -4 cm traspasan los -200 mV vs. ECS para mediciones realizadas a los 47 meses de exposición, pero su comportamiento no se aleja del de las barras c -2 cm. Esto coloca a un tratamiento adecuado de curado con una importancia tal que permite lograr una protección con 2 cm de recubrimiento casi equivalente a la de 4 cm de un hormigón de las mismas proporciones sin tratamiento de curado.

Finalmente, las barras c -4 cm se mantienen con potenciales de corrosión superiores a -200 mV vs. ECS durante todo el período de estudio. En la Fig. 9 se presentan las velocidades de corrosión. Estos valores se ajustan coherentemente con los de potenciales de corrosión. Nuevamente, se presenta a las barras sc -2 cm diferenciadas en su comportamiento respecto al resto de las series. La serie c -2 cm se muestra en el orden de 0,1 μA/cm² a partir de los 24 meses de exposición, manteniéndose durante todo el período de estudio.

Estos datos también permiten equiparar a las series sc -4 cm y c -2 cm, resaltando de nuevo la importancia de un tratamiento adecuado de curado. En la Fig. 10 se muestran las relaciones entre los contenidos de cloruros solubles en agua a nivel de las barras y los potenciales. Los puntos llenos corresponden a mediciones efectuadas del contenido de cloruros y los puntos vacíos corresponden a estimaciones para cada medición del contenido de cloruros a nivel de las barras en base a los coeficientes de velocidad de ingreso de la Tabla 6.

La tendencia indica que contenidos por sobre 0,06 % de cloruros solubles en agua producen potenciales más negativos que -200 mV vs. ECS. No se aprecia una diferenciación clara entre las series sc y c, de lo que surge que la influencia del tratamiento de curado sería mínima o nula sobre el contenido umbral de cloruros. En la Fig. 11 se muestra una relación similar entre el contenido de cloruros y las corrientes de corrosión.

La corriente de corrosión del pit de corrosión localizada se ve diluida en las determinaciones mostradas, que están calculadas tomando como base el área superficial de la armadura. La relación de áreas anódica/catódica es baja y la densidad real de corriente en el pit cuando el acero se ha despasivado es varias veces mayor a los valores presentados. Existe una mayor dispersión de los puntos de icorr – Cl(%) respecto a los Ecorr -Cl(%).

Esto tiene que ver con la determinación de cada parámetro de corrosión. La determinación del potencial de corrosión es un procedimiento rápido, directo y relativamente sencillo, pero la determinación de la corriente de corrosión es algo más compleja y sobre todo indirecta, siendo calculada de acuerdo a la pendiente de la curva de polarización y el potencial de equilibrio Ecorr.

Sin embargo, de los valores de velocidad de corrosión también surge que el contenido de cloruros solubles en agua que producen densidades de corriente consideradas altas encuentra el umbral a partir de 0,06% en peso del hormigón.

El contenido de cloruros totales correspondiente al rango umbral determinado, calculado según las relaciones mostradas en las Figs. 10 y 11, es 0,06-0,07% en peso del hormigón. Este mismo contenido referido al peso del cemento resulta en el rango 0,47-0,55% de cloruros totales en peso del cemento. Habitualmente, valores de contenidos de cloruros totales de 0,4% en peso del cemento son citados en la bibliografía como límite máximo aceptable para el inicio de la corrosión.

En este estudio, indicios de despasivación en base a mediciones electroquímicas surgieron para valores levemente mayores al habitualmente citado. En otras investigaciones[9, 11, 13-14], diversos métodos arribaron a rangos umbrales relativamente variados, entre los que podrían ubicarse los de este estudio.

Conclusiones

Los resultados muestran que la diferencia en el tratamiento de curado estudiada tiene una incidencia apreciable sobre la capacidad de protección del hormigón de recubrimiento. Se puede precisar lo siguiente:

  • La falta de tratamiento de curado se tradujo en una mayor velocidad de ingreso de cloruros y en una mayor velocidad de corrosión luego de la despasivación. Esto confirma que el tratamiento de curado favorece ampliamente la protección física que provee el hormigón sobre las armaduras despasivadas, controlando la velocidad de propagación del deterioro.
  • No se mostraron indicios de que un tratamiento de curado de 7 días modifique el contenido umbral de cloruros respecto al de armaduras en un hormigón con las mismas proporciones sin tratamiento de curado.
  • El contenido umbral de cloruros, determinado mediante el potencial de corrosión y mediante la corriente de corrosión, resultó en un rango de 0,47-0,55% de cloruros totales respecto al peso del cemento, independientemente del tratamiento de curado.