Ing. L.P. Traversa, Ing. Y.A. Villagrán, Ing. A.A. Di Maio, Ing. S.S. Zicarelli. LEMIT
Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica.
Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires.
La Plata, Argentina.

Cuando el factor determinante del deterioro de la estructura es la corrosión de armaduras, el período de vida útil de la misma queda determinado por la suma del tiempo necesario para que se produzca la despasivación de las armaduras (de iniciación) y el necesario para que el proceso de corrosión produzca un grado de deterioro no aceptable para el tipo de estructura (de propagación).

Para prolongar la vida útil de la estructura, siempre resulta económicamente más conveniente controlar el período de iniciación que el de propagación.

En ambientes marinos, dado que el ingreso de cloruros es el principal factor desencadenante del proceso de corrosión, es fundamental asegurar los parámetros mínimos que conlleven a un ingreso de cloruros a una velocidad inferior a la requerida para la vida en servicio estipulada.

En este trabajo se presenta una revisión de los parámetros ambientales, locales y de los materiales que afectan la vida útil de las estructuras de hormigón armado en ambientes marinos, como así también los métodos químicos y electroquímicos que permiten estimar la vida útil remanente de la estructura. Se incluyen además resultados y análisis de evaluaciones de parámetros de corrosión en el tiempo sobre hormigón armado bajo exposición atmosférica marina.

When the determining factor of a structure deterioration is reinforcement corrosion, its service life period is determined by the sum of the time which is necessary so that the depasivation of reinforcements takes place (initiation period), and the time which is necessary so that corrosion process produces a degree of non acceptable deterioration for the particular type of structure (propagation period). In order to prolong the service life period of the structure, always it turns out economically more advisable to control the initiation period instead of the propagation period.

In marine atmospheres, as chloride ingress is the main leading factor of the corrosion process, it is primary to assure the minimum parameters which lead to a chlorides ingress rate lower than the one required for the stipulated service life period.

This paper discus environmental, local and materials parameters that affect the service life of reinforced concrete structures in marine atmospheres, as well as chemical and electrochemical methods that allows to evaluate the remaining service life period of the structure. In addition, results and analyses of corrosion parameter measurements on reinforced concrete under marine atmospheric exposure along time are included.

La vida útil de una estructura respecto a procesos de degradación de los materiales puede ser estimada mediante la aplicación del modelo propuesto por Tutti¹. Sin embargo, al hablar del período de vida útil, éste concepto debe ser explicitado, ya que no es lo mismo la vida útil proyectada o estipulada, la vida útil remanente o residual, o la vida útil extendida o incrementada. Estos son tres períodos conceptualmente diferentes.

La vida útil estipulada es el período que ha sido contemplado durante el proyecto de la estructura para que esta cumpla con los requerimientos de servicio con un nivel superior al mínimo aceptable (de seguridad, confort, estética). Durante el proyecto de la estructura, pueden haberse visto desatendidas ciertas solicitaciones ambientales, o bien puede ser que estas fueran desconocidas o no se presentaran al momento de la construcción o proyecto. Esto conduciría a que el período de vida útil real sea menor al estipulado, presentándose alguna patología en la estructura (Figura 1).

Alcanzada cierta edad de la estructura, ya sea por requerimientos del proyecto o por señales que indican un estado de deterioro excesivo, se presenta la necesidad de una evaluación del estado de la estructura. Esta evaluación permite establecer el nivel de comportamiento actual de la estructura. Mediante la comparación con el nivel mínimo requerido y la comprobación de la tasa de deterioro, puede estimarse la vida útil remanente de la estructura, siendo posible evaluar la conveniencia de una reparación que conduzca a una extensión de la vida útil hasta valores cercanos al período de vida útil proyectado inicialmente.

Para establecer el período de vida útil remanente es necesario disponer de métodos de evaluación de la estructura que determinen la velocidad de deterioro y el nivel de comportamiento en forma previa a la aparición de síntomas graves. En estos casos la reparación resulta económicamente aceptable y el nivel de servicio de la estructura una vez reparada podría recuperar el valor inicial.

No obstante, en general, es más frecuente que la evaluación sea requerida cuando el nivel de comportamiento de la estructura ha sido comprobado como no aceptable (Figura 2). Si se ha traspasado el comportamiento mínimo aceptable, sólo cabe establecer el grado de comportamiento de la estructura para evaluar la conveniencia económica de una reparación. En estos casos no resulta útil evaluar la tasa de deterioro actual, y en cambio sí resulta provechoso evaluar la tasa de deterioro de la estructura una vez reparada, con vistas a estimar el período de vida útil añadido y comprobar el beneficio económico de la reparación.

El deterioro de una estructura de hormigón armado debido a la corrosión de armaduras se manifiesta por diversos mecanismos de trascendencia creciente² (Figura 3). Inicialmente las armaduras se encuentran pasivas dentro del hormigón, hasta que el proceso de corrosión se inicia con la despasivación de las armaduras, perdiéndose la protección química frente a la corrosión. Ya comenzado el deterioro a una velocidad apreciable, un volumen suficiente de productos de corrosión conduce a la fisuración del hormigón de recubrimiento, perdiéndose la protección física frente al exterior. Si la fisuración avanza sin control, comienza el desprendimiento del recubrimiento y las armaduras se ven más expuestas al medio. Finalmente, ya sea por la pérdida de adherencia entre acero y hormigón o por la pérdida de sección de las armaduras, se produce el colapso de la estructura. Como referencia, generalmente se concibe como límite mínimo del nivel de comportamiento al que produce una fisuración generalizada^3,4. De manera que los métodos de evaluación y diagnóstico de la vida útil remanente deben evaluar principalmente a los mecanismos de despasivación de las armaduras y de fisuración del recubrimiento.

Se establecen entonces dos períodos de desarrollo del proceso comprendidos dentro de la vida útil¹, uno de iniciación y otro de propagación (Figura 4). El período de iniciación es el tiempo esencial de incubación de las condiciones necesarias para el comienzo de la degradación. El período de propagación es el tiempo transcurrido entre el inicio del proceso y el momento en el cual el grado de deterioro de la estructura es tal que no cumple con las condiciones de servicio requeridas. Ya que el período de propagación de la corrosión de armaduras se desarrolla a una velocidad relativa elevada, resulta conveniente la evaluación de los parámetros que gobiernan el desarrollo del período de iniciación. En general se concibe como período de iniciación a aquel que se requiere para la despasivación de las armaduras, mientras que los mecanismos de fisuración y desprendimiento del recubrimiento se conciben dentro del período de propagación.

Los factores que influyen en la duración del período de iniciación pueden ser internos o externos. Los factores internos se relacionan principalmente con las características del hormigón de recubrimiento. Entre ellos, los de mayor peso son los que determinan la resistencia del material al transporte de materia por su estructura: porosidad de la matriz cementícea^5,6 (determinada por la relación agua/cemento y el curado utilizado), contenido y tipo de cemento^5,7, calidad de la interfase matriz-agregado⁸, y porosidad de los agregados⁹. Los factores externos están determinados por la agresividad del medio^10,11, caracterizada por la temperatura media y humedad relativa, condición de los vientos y las precipitaciones, distancia y altura respecto al nivel del mar (en el caso de ambiente marino), películas protectoras y revestimientos de la estructura.

El ambiente con cloruros es considerado como severo desde el punto de vista de la durabilidad del hormigón armado, ya que la presencia de sales en el agua y en la atmósfera que rodea a las estructuras, interactúan con el hormigón y con las armaduras.

Las condiciones climáticas pueden ser estudiadas en distintos niveles de extensión, definiéndose condiciones macro climáticas, meso climáticas y micro climáticas. Las condiciones macro climáticas son características del territorio en el que se implanta la estructura, incluye a la humedad relativa, la temperatura, las precipitaciones, los vientos. Las meso climáticas son propias de la estructura: altura respecto al nivel del mar, distancia a la costa. Finalmente, las micro climáticas se definen específicamente para las superficies de cada elemento estructural, quedando establecidas de acuerdo a la frontalidad de vientos, la orientación de la superficie, su verticalidad y planicidad.

El desarrollo teórico de los modelos de deterioro de estructuras requieren la evaluación de los parámetros ambientales. Sin embargo, al evaluar una estructura, se puede establecer su tasa de deterioro mediante el seguimiento en el tiempo de índices de deterioro, extrapolando su tendencia hacia el futuro.

En exposición marina, la presencia de cloruros resulta la solicitación más severa respecto a la corrosión de armaduras. Los cloruros rompen la capa pasiva del acero en forma localizada posibilitando la corrosión a altas velocidades. Para que esta corrosión localizada (denominada picado) sea posible, debe alcanzarse una concentración mínima de cloruros en la interfase entre acero y hormigón. Si los materiales constituyentes del hormigón no tienen un contenido de cloruros suficiente para alcanzar este límite, el picado se iniciará recién cuando los cloruros que ingresan desde el medio externo lleguen a las armaduras en cantidad suficiente. En procesos avanzados, un contenido muy alto de cloruros conduce a una corrosión generalizada.

La corrosión de armaduras debido a la presencia de cloruros se presenta como de gran riesgo mucho antes de que se desarrolle en forma generalizada, donde el volumen de los productos de corrosión es importante y comienza la fisuración del recubrimiento. En procesos de picado el volumen de productos de corrosión no es importante y la fisuración del recubrimiento no se da en un período inmediato, sino que se requiere un contenido aún mayor de cloruros. Por lo que la afectación local avanzada disminuye sensiblemente la sección resistente de las armaduras sin síntomas externos.

Aunque depende de numerosos factores¹² y el tema todavía no ha sido totalmente dilucidado, en general se adopta un contenido de cloruros del 0,4 % en peso del cemento en el hormigón como límite inferior para el inicio del picado¹³. Además son necesarias las presencias de oxígeno y de humedad para que la reacción electroquímica de la corrosión tenga lugar.

El tiempo requerido para alcanzar el contenido límite de cloruros en la proximidad de las armaduras depende de la resistencia al ingreso de cloruros que posee el hormigón de recubrimiento. Lo habitual es definir a esta resistencia de acuerdo al denominado coeficiente de difusión aparente de cloruros⁵, Dap, que establece la mayor o menor velocidad con la que ingresan los iones. En definitiva, el tiempo que se requiere para alcanza la concentración crítica de cloruros en la interfase acero-hormigón resulta proporcional al cuadrado del espesor de recubrimiento (Ecuación 2). El coeficiente de difusión no es un parámetro fijo del material, sino que su valor disminuye en el tiempo¹⁴, debido principalmente a la hidratación tardía de fases de cemento anhidro y a la carbonatación.

Mientras que las condiciones necesarias para el inicio del picado en la estructura no quedan establecidas con suficiente precisión, los modelos de predicción de vida útil de tipo probabilístico cobran interés. Se define una probabilidad de corrosión, que evoluciona con el tiempo y para la cual se debe establecer un límite máximo. Cuando se alcanza el límite prefijado, puede decirse que se ha cumplido el período de iniciación. Los valores de la probabilidad de corrosión pueden establecerse de acuerdo a mediciones del coeficiente de difusión del hormigón, o de parámetros de corrosión.

Las mediciones del coeficiente de difusión se realizan mediante el análisis de la concentración de cloruros a distintas profundidades desde la superficie. Transcurrido un período determinado, se analizan los contenidos de cloruros y se presenta el perfil de ingreso, contenido de cloruros versus profundidad (Figura 5). Mediante una regresión matemática a una solución de la segunda ley de Fick para medios semi infinitos (Ecuación 1), se determinan los coeficientes de concentración superficial (C_s) y de difusión (D_ap), y se grafica la curva de difusión.

Debe mencionarse que las condiciones de borde de la exposición en laboratorio son diferentes a las de la estructura. Mientras que en el primer caso los hormigones se encuentran en inmersión en una solución de cloruro de sodio en el segundo se encuentran expuestos a la atmósfera marina.

Obtenido el valor de D_ap, y la concentración de cloruros en la zona inmediata a las armaduras, puede calcularse el tiempo requerido hasta alcanzar la concentración crítica de cloruros de acuerdo a la Ecuación 2, una expresión equivalente a la Ecuación 1, en la que x_rec y C_crit corresponden al espesor de recubrimiento y concentración crítica de cloruros, respectivamente.

Si el coeficiente difusión es medido en hormigones jóvenes, debe tenerse en cuenta que el valor medido disminuirá con el transcurso del tiempo, pudiendo originar una subestimación importante del período de iniciación. Para cuantificar el coeficiente de minoración en el tiempo de la difusividad son necesarias evaluaciones a distintas edades, preferentemente con grandes intervalos de tiempo entre ellas¹⁴. Esto no es posible si no ha sido considerado desde el momento de construcción de la obra o si no se cuenta con datos experimentales del comportamiento de un material de características similares estacionado en un ambiente semejante. Entonces, la estimación en estructuras construidas prácticamente queda limitada a la adopción de difusividades constantes en el tiempo, resultando en períodos de iniciación relativamente cortos y tiempos de vida útil remanente conservadores.

Otro método que se utiliza para determinar el inicio de la corrosión es la determinación del potencial de corrosión, que permite identificar en cierto modo si la barra se encuentra en estado pasivo o activo. Su valor depende de muchos factores, y en la práctica resulta indicativo pero no siempre concluyente. En estructuras de hormigón armado, el estado de humedad es el parámetro que genera mayor variabilidad en las lecturas¹⁵. Por esto, se define una probabilidad de corrosión de acuerdo al valor del potencial medido (Tabla 1), aludido siempre a un electrodo de referencia (por ejemplo, versus electrodo de calomel saturado, ECS). En el caso de estructuras es útil realizar un mapeo de potenciales que determine las zonas más críticas respecto a la corrosión de armaduras, a partir de la estimación de la probabilidad de corrosión que este valor conlleva de acuerdo a los potenciales de corrosión medidos. El esquema para medir el potencial de corrosión puede verse en la Figura 6.

Debe tenerse en cuenta que la corrosión por picado también es posible para valores de potenciales de corrosión con los cuales la armadura se encontraría pasiva si los cloruros no estuvieran presentes. De manera que en estructuras en ambiente marino, la corrosión por cloruros no puede ser identificada solamente mediante mediciones aisladas de potenciales de corrosión.

Un tercer método para estudiar la condición de pasividad de las armaduras es la medición de la velocidad de corrosión indica. Consiste en la comprobación de la densidad de corriente originada en la pila electroquímica de corrosión. Esta corriente resulta proporcional a la velocidad a la cual disminuye el espesor de la armadura, cuando la corrosión se desarrolla uniformemente en la superficie.

Una técnica para la medición de la corriente de corrosión consiste en determinar la resistencia a la polarización del sistema. Aplicando sobrepotenciales respecto al potencial de corrosión (de alrededor de 10 a 30 mV), y midiendo la intensidad de corriente, se determina la pendiente de la curva, denominada resistencia de polarización, Rp. La densidad de corriente de corrosión, icorr, se calcula dividiendo la constante de relación entre las pendientes anódica y catódica (B, 26 mV en estado pasivo, 52 mV en estado activo) por Rp, y por el área superficial del tramo de la armadura que se mide.

La velocidad de corrosión es además indicativa en el período de propagación, permitiendo estimar el comienzo de la fisuración del hormigón de recubrimiento, ya que marca la velocidad de crecimiento del volumen de los productos de corrosión. Ya que este aspecto se torna sumamente complejo debido a los parámetros que inciden en la fisuración del hormigón por corrosión de armaduras, las mediciones resultan simplemente estimativas del período a partir del cual puede esperarse daños en la estructura (Tabla 2). Existen numerosos métodos que permiten calcular el tiempo requerido para la fisuración a partir de una corriente de corrosión instantánea medida¹⁷, pero su precisión no está completamente comprobada. Una vez despasivado el acero, estos métodos pueden ser útiles, pero debe tenerse en cuenta que la velocidad de corrosión medida no se mantiene constante y tiene una tendencia creciente, acortando la estimación teórica. Adicionalmente, siendo la corrosión por picado localizada, cuando se toman lecturas experimentales la corriente de corrosión en la zona activa se diluye debido a su relación de áreas con la zona pasiva.

Para investigar la relación entre las propiedades tecnológicas del hormigón y la durabilidad respecto a la corrosión por picado de armaduras se han expuesto muestras de variadas características en dos estaciones situadas en la ciudad de Mar del Plata, una en Punta Cantera y otra en Ruta 11 Km 17 (Figura 7, a y b).

Las características de los hormigones con los que se han confeccionado las probetas expuestas incluyen el uso de cementos tipo CPN, CPC y CPF, de agregados gruesos graníticos triturados, silíceos de canto rodado, y hormigón triturado, relaciones agua / cemento de entre 0,40 y 0,60, y tratamientos de curado desde nulo hasta de 28 días en cámara húmeda. Se confeccionaron probetas de hormigón armado para realizar mediciones electroquímicas de corrosión, y de hormigón simple para evaluar los coeficientes de difusión aparente de las mezclas, habiéndose expuesto probetas simultáneamente en la atmósfera marina mencionada y en inmersión en solución de cloruro de sodio al 3%.

La medición de los perfiles de cloruros se realiza mediante el corte de secciones transversales, que son pulverizadas para determinar el contenido de cloruros solubles en agua y de cloruros solubles en ácido¹⁸.

En la Figura 8 se muestran la relación hallada entre la probabilidad de corrosión (de acuerdo al potencial de corrosión medido) y el contenido de cloruros al nivel de las barras. Se observa que se supera el 10% de probabilidad de corrosión para contenidos del orden del 0,08%. Aunque en la despasivación localizada, la presencia de cloruros puede no verse reflejada claramente en la medición de la corriente de corrosión (ya que la densidad de corriente medida es la media del área en la que se mide), en la Figura 9 puede notarse un rango de contenido de cloruros, entre 0,05 y 0,085 % para el que se aumenta de corrientes del orden de 0,2 μA/cm² a corrientes de más de 0,3 μA/cm².

Los resultados obtenidos son consecuentes con los de la bibliografía^12,19, donde el contenido límite de cloruros se estima entre 0,05 y 0,075%. Es importante destacar que los cloruros analizados corresponden a la fracción soluble en agua, que es algo mayor que la que se encuentra en la solución de poros²⁰, desencadenante del picado y generalmente considerada en la bibliografía consultada.

En la Figura 10 se muestra la relación entre las velocidades de ingreso en atmósfera marina natural y en inmersión en solución de cloruro de sodio al 3%. El mecanismo de ingreso en ambos casos es diferente, mientras que en inmersión el hormigón se encuentra permanentemente saturado, en exposición atmosférica existen ciclos de absorción y desorción de agua. Debido a que la porosidad es el principal factor de importancia en ambos casos, puede apreciarse cierta relación entre las mediciones. Hay que indicar que existen otros factores intervinientes y tenidos en cuenta, se permitiría la estimación de estructuras en servicio a partir de mediciones de la difusividad en probetas de laboratorio.

Los métodos de medición de perfiles de cloruros y de mediciones electroquímicas de corrosión son aplicables en la práctica al momento de la evaluación de la vida útil de estructuras. La estimación de los parámetros que permiten el cálculo de la vida útil remanente, como son el coeficiente de difusión, el potencial de corrosión y la corriente de corrosión, pueden ser medidos conforme a un rango de incertidumbre relativamente bajo, pudiéndose estimar períodos de servicio confiables.

De acuerdo a los resultados presentados se puede plantear que la probabilidad de corrosión de las estructuras aumenta notablemente cuando el contenido de cloruros en la interfase acero-hormigón alcanza valores entre 0,05% y 0,085% en peso del hormigón. En general, este límite no podría ser considerado como un valor fijo, resultando meramente estimativo del comportamiento futuro de una estructura. Una aproximación más certera se obtendría si se evalúa específicamente al hormigón de la estructura en estudio expuesto en las mismas condiciones que la estructura, pero una correlación entre el coeficiente de difusión medido en exposición atmosférica y en inmersión en solución salina permitiría un estudio previo del comportamiento futuro de la estructura basándose en mediciones de laboratorio.

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