Se estudió el comportamiento de barras de acero al carbono en mortero carbonatado mediante curvas de polarización, comparando con barras en estado pasivo. Además, se expusieron las probetas carbonatadas a diferentes ambientes y se midieron, de manera periódica, parámetros electroquímicos como potencial y velocidad de corrosión, resistividad de la matriz de mortero y disponibilidad de O₂. Los resultados muestran que las dos condiciones más agresivas, desde el punto de vista de la corrosión son: ciclos de inmersión-secado y exposición a un ambiente con humedad relativa del 98%.

Polarization behaviour of activated carbon steel rods in carbonated mortar specimens was investigated and compared with that obtained with passivated steel rods. Besides, the corrosion potential and the corrosion rate of carbon steel in carbonated mortar exposed to different environmental conditions, as well as the mortar resistivity were measured on a regular basis. The results showed that the most aggressive conditions, from the corrosion point of view, are: alternate wetting-drying cycles, and an environment with 98% relative humidity.

Introducción

El hormigón armado es un material compuesto de amplio uso ingenieril que resulta de la unión eficiente de dos materiales: el hormigón y el acero de refuerzo. Se trata del material estructural más utilizado en la construcción de obras como puentes, carreteras, muelles, etc. Si bien existen muchos ejemplos de comportamiento satisfactorio del hormigón armado por largos períodos, se encuentra que este material también se deteriora a través del tiempo, tanto debido a procesos de degradación del propio hormigón como a la corrosión de las barras de refuerzo¹.

La vida en servicio de estructuras de hormigón armado, que se degradan por corrosión, puede dividirse en dos fases: la iniciación y la propagación de la corrosión. En la fase de iniciación, el acero de refuerzo no se degrada debido a la presencia de una capa pasiva superficial que se forma debido al pH del hormigón (≈13). La etapa de iniciación es el periodo de tiempo en el cual los agentes agresivos alcanzan las armaduras y destruyen esta capa pasiva (local o generalmente). Una vez destruida la capa pasiva, la degradación del acero por corrosión comienza. La etapa de propagación es el periodo de tiempo en el cual el acero se degrada. Esta etapa de propagación termina cuando el nivel de deterioro es tal que la estructura queda fuera de servicio².

Durante la fase de iniciación, el ingreso de agentes agresivos como CO₂ y cloruros pueden depasivar la barra de refuerzo. En el caso de la carbonatación, la alcalinidad del hormigón puede ser neutralizada por el CO₂ que ingresa desde la atmósfera, reacciona con el hidróxido de calcio y disminuye el pH de la solución de poros a un valor cercano a 9, donde la capa pasiva del refuerzo ya no es estable. En el caso de los iones cloruros, ingresan al hormigón desde el ambiente y al alcanzar un nivel crítico de concentración sobre la barra de refuerzo pueden eliminar la capa pasiva de manera localizada. La duración de la fase de iniciación depende del espesor y la calidad del recubrimiento de hormigón, la concentración de agentes agresivos en el ambiente, las condiciones atmosféricas (humedad y temperatura) y la concentración de iones cloruros (umbral) o valor de pH necesario para que la capa pasiva se destruya.

En la literatura se encuentran trabajos que estudian el comportamiento a la corrosión de las barras de refuerzo mediante estructuras reales³, probetas de laboratorio⁴ y soluciones de poros simuladas (SPS)⁵.

En particular, el proceso de corrosión de barras de acero inducida por la carbonatación de estructuras de hormigón ha sido estudiado hace por lo menos 40 años. Diversos enfoques sobre los mecanismos involucrados buscaron explicar la cinética del proceso6. A partir de la medición de parámetros electroquímicos se abordó la influencia de la resistividad de la matriz de poros (electrolito) y la disponibilidad de O₂ en el proceso de corrosión. En particular, se ha considerado que el mecanismo que controla el proceso podría ser la resistividad, conocido como control óhmico. De esta manera se enfocaron en las variaciones de la resistividad de la matriz de poros como factor controlante de la conducción iónica necesaria para el proceso de corrosión, mecanismo que se probó incorrecto⁷. Luego, Glass et. al propusieron el mecanismo de control anódico-resistivo, donde la reacción anódica (disolución del Fe) estaría controlada por la resistividad mientras que el proceso de corrosión estaría bajo control anódico; de esta forma la resistividad del mortero afectaría más a la reacción anódica que a la reacción catódica (reducción del O₂ disponible)⁸.

Luego, se propuso la disponibilidad de electrolito en la superficie de la barra como un factor controlante del proceso de corrosión, siendo determinante en este sentido el grado de porosidad del mortero y de saturación de dichos poros, involucrando la humedad relativa (HR) del ambiente⁹.

En el presente trabajo se pretende contribuir a la discusión sobre el mecanismo de corrosión inducida por carbonatación estudiando el proceso a partir de barras en estado activo. De esta manera se parte de barras que están sufriendo corrosión generalizada, para luego ingresar las probetas a los diferentes ambientes de exposición.

Materiales y metódos

Se realizó una serie de experimentos para estudiar el proceso de corrosión inducida por carbonatación en mortero carbonatado. Para ello se realizaron probetas prismáticas de mortero de relación a/c/a=1/1/5, obteniéndose una pasta porosa que facilitó la carbonatación. Las probetas de mortero se fabricaron empleando moldes metálicos de 7x7x6 cm utilizando cemento portland normal (CPN 40 ARS, Loma NegraTM), cuya composición química se detalla en la Tabla 1.

Tabla 1: Composición química del cemento portland normal utilizado.

Compuesto	%p/p	Compuesto	%p/p
SiO₂	19,86	MgO	1,60
CaO	63,82	Na₂O	0,01
Al₂O₃	4,11	K₂O	0,93
Fe₂O₃	4,19	Cl–	0,03
SO₃	1,73
Residuos insolubles	2,65	Pérdida por calcinación	0,87

En total se fabricaron 14 probetas prismáticas con 4 barras de refuerzo cada una (C1 a C14) con un espesor de recubrimiento de 10 mm, algunas de las cuales poseían un electrodo de óxido mixto (MOM por sus siglas en inglés) en el centro para realizar mediciones electroquímicas. Como barra de refuerzo se utilizó un acero al carbono (AC) SAE 1040 de 6mm de diámetro, cuya composición química se presenta en la tabla 2.

Tabla 2: Composición química del acero SAE 1040 utilizado

Aleante	%p/p	Aleante	%p/p
C	0,39	S	0,005
Si	0,30	Cr	0,04
Mn	0,66	Ni	0,02
P	0,007	Mo <	0.003
Fe	Balance

En todos los casos, antes de ser colada la pasta de mortero se delimitó el área de las barras con cinta aisladora para tener una superficie expuesta de 6,6 cm², y evitar la corrosión por rendija en la interfaz mortero-aire. Además, se fabricaron 10 probetas cilíndricas sin barra de refuerzo (T1 a T10) para medir el avance del frente de carbonatación (algunas de las cuales se muestran en la Fig. 1). Todas las probetas se dejaron carbonatar naturalmente en el ambiente de laboratorio presentado en la Fig. 1.

Una vez confirmado que las barras de AC de las probetas prismáticas se encontraban en estado activo producto de la carbonatación natural del mortero que las rodeaba, se ingresaron las probetas a los diferentes ambientes (Fig. 4).

Se midieron cada 15 días diversos parámetros electroquímicos: potencial decorrosión (Ecorr), densidad de corriente de corrosión (icorr), velocidad de corrosión
(Velcorr), resistividad de la matriz de mortero (ρ) y disponibilidad de oxígeno (iO₂).Para el procesamiento de los datos se desarrolló un programa mediante el software Matlab. A continuación se presentan los resultados luego de 255 días de medición.

En la Fig. 6 se presenta la evolución de la densidad de corriente de corrosión (icorr) y de la velocidad de corrosión (Velcorr) a lo largo del tiempo, distinguiendo diferentes niveles de corrosión en base a lo sugerido por McCarter et. al¹². Se observa que para el ambiente H98 las barras de refuerzo presentan un nivel de corrosión alto, alcanzando una pérdida de material estimada de 40 μm/año. Para los ambientes SH₂O y LAB se observa un comportamiento similar, alcanzando un nivel moderado de corrosión entorno a los 10 μm/año. Finalmente, en el ambiente AH₂O nuevamente se observa un comportamiento alternado pero con un nivel de corrosión promedio en aumento, ubicándose en los 4 μm/año en los ciclos de secado y superando los 40 μm/año en los ciclos de inmersión.

A partir de los gráficos presentados, se observa que los valores de velocidad de corrosión se mantienen elevados para los ambientes SH₂O, AH₂O y H98, más allá de una reducción en la disponibilidad de O₂ a lo largo del tiempo. De esta manera se observa que la disponibilidad de O₂ no es un factor limitante para el proceso de corrosión en mortero carbonatado, coincidiendo con lo propuesto por González et. al¹³. La búsqueda de relaciones entre parámetros electroquímicos como Ecorr y ρ con icorr resulta de interés al momento de realizar mediciones en estructuras reales. La posibilidad de realizar mediciones de Ecorr y ρ sin requerir acceso a la barra de refuerzo simplifica las inspecciones. Sin embargo, a partir de las mediciones realizadas no se comprueba la relación lineal entre icorr y ρ propuesta por Feliu et. al⁷. Tampoco se observa una relación entre icorr y el Ecorr, como la propuesta por Glass et. al para probetas de mortero similares a las de este trabajo pero con 0,4% de Cl⁸. En la Fig. 9a se presenta un gráfico de icorr vs Ecorr, utilizando los valores de icorr correspondientes sólo al estado activo¹²; no se observa la relación lineal propuesta por Glass et. al para ninguno de los ambientes. En la Fig. 9b se presenta un gráfico icorr vs ρ y tampoco se puede establecer una relación entre ambos parámetros.

Los resultados muestran que las dos condiciones más agresivas desde el punto de vista de la corrosión son: ciclos de inmersión-secado y exposición a un ambiente con humedad relativa del 98%. A su vez, los valores de resistividad de la matriz de mortero carbonatado son mayores a los de un mortero sin carbonatar. Por otro lado, la disponibilidad de oxígeno, medida a partir de iO₂, no pareciera ser un factor limitante para el proceso de corrosión. No se encontraron relaciones entre Ecorr y ρ con icorr, por lo que la medición directa de la densidad de corriente de corrosión sigue siendo el parámetro que mejor representa el estado de la barra de refuerzo desde el punto de vista de la corrosión.

Se agradece el apoyo de la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica a través del proyecto PICT 2016-0082.