DURABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS: CORROSIÓN POR CARBONATACIÓN. INFLUENCIA DEL ESPESOR Y CALIDAD DEL RECUBRIMIENTO

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1 DURABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS: CORROSIÓN POR CARBONATACIÓN. INFLUENCIA DEL ESPESOR Y CALIDAD DEL RECUBRIMIENTO Revista Cemento Año 6, Nº 25 Con frecuencia se comenta que el acero y el hormigón pueden conformar el "hormigón armado" porque presentan buena adherencia y sus coeficientes de dilatación térmica son del mismo orden. Pero no se debe olvidar otro factor, no menos importante: la protección que el hormigón brinda a las armaduras contra la corrosión. El ph fuertemente básico del hormigón (aproximadamente 12,5) conduce a la formación de un "film protector" sobre las armaduras y, en estas condiciones se dice que el acero está " pasivado "; esto es, aún en presencia de oxigeno y humedad, no se oxida. Esta característica permite asegurar una prolongada vida útil al material y a las estructuras, la que dependerá de cuando se inician los procesos de corrosión y con qué velocidad avanzan luego que se hayan iniciado. Dicho en otros términos, al período de tiempo hasta que las armaduras empiezan a corroerse se lo denomina "período de incubación" y el correspondiente al avance de la corrosión propiamente dicha, "período de propagación. La experiencia muestra que la corrosión de la armadura es el problema más frecuente entre las causas de patologías en estructuras de hormigón armado. Comprender cuáles son los factores más comunes que alteran el mecanismo de protección que brinda el hormigón al acero, permitirá encontrar los medios para retardar el inicio de la corrosión o, lo que es lo mismo, prolongar el período de incubación y aumentar la vida útil. Los factores externos que mayor influencia tienen sobre la corrosión de las armaduras son el ingreso de iones cloruro y la carbonatación. En este artículo se analiza esta última. Proceso de carbonatación En el proceso de hidratación del cemento portland se producen silicatos de calcio hidratados, responsables de la resistencia y un compuesto alcalino, hidróxido de calcio o portlandita, que provee el ph básico del hormigón. En contacto con el aire, este hidróxido de calcio se combina con el dióxido de carbono para formar una sal, el carbonato de calcio, reduciendo el ph del hormigón a valores cercanos a 9, o sea menos alcalinos (recordemos que ph = 7 representa una solución neutra). Esto se representa químicamente del modo siguiente:

2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O (en presencia de humedad) El fenómeno de carbonatación es progresivo pero lento, pudiendo idealizarse un "frente de carbonatación" que avanza hacia el interior del hormigón. Hacia el exterior de este "frente", el ph es aproximadamente 9 y hacia el interior, se mantiene alrededor de 12,5. Para ph inferiores a 11, se pierde la condición de pasividad para las armaduras y, si las condiciones del medio son favorables para la corrosión (humedad, oxígeno, temperatura), el acero se oxida, provocando un aumento localizado de volumen, fisuras y hasta descascaramiento del hormigón que lo recubre. Paralelamente, se va reduciendo la sección resistente de las armaduras, pudiendo llegarse a situaciones de riesgo y hasta colapso. Períodos de incubación y de propagación Se acepta que los primeros signos aparecen cuando la profundidad de corrosión en el acero ha alcanzado el valor de 100 µm [CEN, 1992]. O sea que la condición límite de diseño debe ser que la profundidad de corrosión del acero alcance dicho valor a la edad proyectada para la vida útil. El Período de Incubación, que corresponde al proceso de penetración del frente de carbonatación, está caracterizado por un tiempo t j que es el necesario para que el mismo alcance la posición de la armadura y ésta se despasive. Este período depende básicamente del espesor y de la calidad del recubrimiento. El Período de Propagación corresponde al proceso de corrosión propiamente dicho de la armadura, una vez despasivada por la carbonatación. Este período está caracterizado por un tiempo t p que es el necesario para que el fenómeno de corrosión de la armadura haya alcanzado los 100 µm de profundidad en el acero y que comiencen a manifestarse fisuras visibles sin desprendimiento del recubrimiento. Este tiempo depende básicamente de la humedad relativa en el hormigón de recubrimiento ya carbonatado y de la conductividad eléctrica del hormigón. La vida útil en servicio será igual a la suma del tiempo de incubación más el de propagación; en nuestro caso: t j + t p El tiempo de propagación t p se estima en función de la humedad relativa (HR) prevista para la condición de exposición y el tiempo de incubación t j se obtiene por diferencia a la vida útil de proyecto. La Figura 1 ilustra esquemáticamente estos conceptos, supuesta una vida útil proyectada de 50 años.

3 Fig. 1. Proyección de los períodos de incubación y propagación de la corrosión Determinación de la posición del frente de carbonatación. Una forma sencilla de determinar la posición del frente de carbonatación es el empleo de una solución de fenolftaleína en alcohol, que muestra un color fucsia intenso en la zona no carbonatada. En la fotografía 1 se observa un testigo de hormigón con un avance del frente de carbonatación de más de 40 mm. Otras técnicas, más sofisticadas, permiten determinar con precisión la ubicación del frente de carbonatación. La fotografía 2 muestra una lámina delgada de hormigón observada con luz polarizada. El color marrón en la pasta corresponde a la zona carbonatada. Foto 1. Testigo de hormigón donde se detecta la zona carbonatada por ausencia de color fucsia Foto 2. Corte delgado de hormigón observado con luz polarizada y lámina retardadora de yeso

4 Velocidad de avance del frente de carbonatación Dado que el ingreso del dióxido de carbono es un proceso de tipo difusivo, puede estimarse que el espesor de la capa carbonatada es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Dicha proporcionalidad puede expresarse como una ecuación si se conoce el valor de la constante K o constante de carbonatación. e = K Tiempo (1) (*) La constante K depende básicamente de 4 parámetros: La concentración de CO 2 en el aire. La permeabilidad del hormigón de recubrimiento. La humedad relativa del hormigón de recubrimiento (que depende de la humedad relativa ambiente y en parte, de la calidad del material). El contenido de CaO en la pasta de cemento hidratada del recubrimiento (que depende del contenido de cemento en el hormigón, de su grado de hidratación y del tipo de cemento). (*) Nota: para hormigones expuestos a la intemperie (mojado y secado frecuentes), la velocidad de carbonatación suele ser sensiblemente menor a la indicada por la ecuación (1). Mejorando la calidad del hormigón se puede reducir el valor de la constante y retrasar el avance del frente de carbonatación, lo que equivale a aumentar el período de incubación y, por lo tanto, la vida útil de la estructura. Características del hormigón de recubrimiento Si se analiza una sección esquemática de un elemento de hormigón armado se ve que, en lo que respecta a la protección de las armaduras, poco importa la calidad del hormigón interno. Es justamente el hormigón del recubrimiento el que debe servir de "barrera" adecuada al ingreso de agentes agresivos. [Figura 2] El hormigón de recubrimiento (o "covercrete", en inglés) presenta por lo general una calidad inferior al hormigón interno, ya sea como consecuencia de secado prematuro, insuficiente compactación, excesiva exudación, segregación y microfisuración. Por estos motivos, las determinaciones tradicionales de resistencia de probetas y testigos calados de la estructura no representan la calidad del hormigón de recubrimiento y por lo tanto son malos indicadores de la futura durabilidad de la estructura.

5 En la actualidad, existen medios eficaces para evaluar la calidad del hormigón de recubrimiento, aplicables tanto "en condiciones de laboratorio como in situ. Estos métodos permiten establecer pautas claras para determinar condiciones de aceptación en estructuras construidas y son útiles para diseñar hormigones capaces brindar una vida útil determinada. Fig.2. Calidad del hormigón de recubrimiento en una estructura real