Km 2 Vía Refugio, Guatiguará - Sede UIS, Piedecuesta, Colombia. Tel: 57 - (7) 655 08 07 / 09 Fax: 57 - (7) 655 08 08 A.A 40 531 Bucaramanga, Colombia. e-mail: corincor@telecom.com.co Nit: 800 254 591 3 Junio de 2007
Página 2 de 11 CONTROL DE DOCUMENTOS Este registro presenta el control de todas las revisiones realizadas al documento. Las revisiones anteriores a la última aquí indicada deben ser retiradas y/o destruidas. Rev. No. Fecha (dd, mm, aa) Elaboró Revisó Aprobó Aprobó Cliente No. Total Pags. 0 22/06/2007 F.V G.A N.R 11 Descripción Emitido para revisión del cliente
Página 3 de 11 1. OBJETIVO 1.1 Objetivo General Determinar la corrosividad del cemento conductor CELEC con respecto a un electrodo de cobre. 1.2 Objetivos Específicos Calcular la velocidad de corrosión del sistema cobre / cemento conductor CELEC. Medir la resistividad del CELEC a diferentes temperaturas. 2. ALCANCE El informe contempla las mediciones electroquímicas de Resistencia a la Polarización Lineal (LPR), Pendientes Taffel, y medidas de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (E.I.S), realizadas a un Terminal de cobre embebido en el cemento conductor CELEC. 3. METODOLOGIA Las actividades llevadas a cabo para cumplir con los objetivos, partieron de la entrega por parte de la empresa PROTECEM, de la probeta de evaluación. De igual forma se uso una probeta de acero al carbono embebida en concreto normal (cemento Pórtland), la cual fue usada para tener una referencia útil para efectos de comparación. La fotografía muestra el sistema donde el cobre esta embebido en el concreto conductor CELEC, a su vez se observan dos electrodos de grafito, los cuales actúan como electrodo de Referencia (ER), y contraelectrodo (CE) respectivamente. Fotografía 1. Cemento conductor CELEC para la evaluación.
Página 4 de 11 La fotografía 2, muestra ya el montaje del sistema en el cual se observa el equipo SOLARTRON SI1280B, el cual es la unidad de medidas electroquímicas que se uso para las mediciones. Fotografía 2. Montaje electroquímico para mediciones de corrosividad. 4. RESULTADOS 4.1 Medidas de LPR La Resistencia de Polarización Lineal (LPR), es un método electroquímico que permite determinar la velocidad de corrosión. Usualmente pueden ser hechas en menos de 5 minutos. Esta se lleva a cabo aplicando una señal de voltaje a la muestra, el electrodo de trabajo, a potenciales muy cercanos al potencial de corrosión E corr. Generalmente se usa entre 20 y 20 milivoltios. De la pendiente de la gráfica de Potencial vs corriente se obtiene la Resistencia de Polarización Lineal LPR. La figura 1 muestra las graficas de LPR, para el cobre embebido en concreto seco y en inmersión.
Página 5 de 11 2.5E-02 2.0E-02 1.5E-02 Voltaje (Voltios) 1.0E-02 celec seco 5.0E-03 Celec húmedo 0.0E+00-3.0E-02-2.0E-02-1.0E-02 0.0E+00-5.0E-03 1.0E-02 2.0E-02 3.0E-02-1.0E-02-1.5E-02-2.0E-02-2.5E-02 Corriente (amperios) Figura 1. Graficas de LPR para el cemento conductor CELEC. Se observa como la pendiente de la curva para la probeta seca es mayor que para la probeta húmeda, lo que significa que esta probeta tiene una resistencia eléctrica menor. Los valores encontrados para las LPR de cada uno de los sistemas evaluados se muestran en la tabla 1. SISTEMA VALOR DE LPR (W) Cemento CELEC seco 4.96 Cemento CELEC Húmedo 0.8 Cemento clásico (Normal) 685.5 Tabla 1. Valores de Resistencia de Polarización Lineal. 4.2 Pendientes Tafel Las pendientes Tafel (β anódica y β catódica) son la porción de una línea recta de una curva de polarización; usualmente se encuentran a 50 mvolt, a partir del potencial de corrosión, cuando esta se presenta en una gráfica semilogaritmica en términos de milivoltios por década de corriente. Para correr una curva Tafel se realiza un barrido de corriente directa entre 250 mvolt, y 250 mvolt, alrededor del potencial de Corrosión. La figura 2, muestra la pendiente Tafel para el sistema seco y en inmersión. Se observa que dichas pendientes Tafel, no sufren mayores modificaciones cuando el concreto es sumergido en una solución acuosa.
Página 6 de 11 1.0E+00-2.0E-01-1.5E-01-1.0E-01-5.0E-02 0.0E+00 5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 Voltaje aplicado (voltios) Celec seco Celec húmedo Figura 2. Pendientes Tafel para el cemento conductor CELEC húmedo y seco. El valor calculado para las pendientes Tafel anódica y catódica es de 193 mv/dec y 170 mv/dec respectivamente para el sistema seco. De la misma forma para el sistema húmedo los valores son de 194 mv/dec y de 180 mv/dec para las pendientes anódicas y catódicas. 4.3 Medidas de EIS Las curvas de EIS, al igual que las curvas de LPR y Pendientes Tafel, se realizaron con una unidad de medidas electroquímicas SOLARTRON SI 1280B, con una amplitud de excitación del sistema de 20 mv, y un barrido de frecuencia entre 20 Khz y 7 mhz. La figura 3 muestra los resultados para el concreto CELEC, es posible observar como en la curva de Fase vs Frecuencia (magenta), a las bajas frecuencias el ángulo de fase tiende a cero, lo que significa que no hay reacciones en la interfase del metal (cobre). Esto muestra que en el momento de la evaluación (3 días de inmersión) aun no hay reacciones de corrosión detectables en la interfase Metal / concreto.
Página 7 de 11 1.00E+01-12 -10 limpedancial Z theta -8-6 -4 Fase (grados) -2 1.00E+00 0 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 Frecuencia (hz) Figura 3. Gráfico de EIS para el cemento conductor CELEC húmedo. Para corroborar la anterior afirmación sumergimos un electrodo de acero al carbono en un concreto normal, luego de lo cual fue evaluado de idéntica forma al concreto CELEC. La figura 4, muestra los resultados de dicha evaluación. 1.0E+03-6 -5 Impedancia (ohm) 1.0E+02 1.0E+01 Z -4-3 -2 Fase (grados) theta -1 1.0E+00 0 1.0E-03 1.0E-02 1.0E-01 1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 1.0E+05 Frecuencia (hz) Figura 4. Gráfico de EIS para el acero al carbono en cemento tradicional. En el círculo se observa como a las frecuencias medias (10 hz 0.1 hz) existe una nueva constante de tiempo (Aumento en la fase), lo cual es característico de sistemas que poseen reacciones en la interfase metal / Concreto. Lo anterior corrobora que efectivamente hay una actividad electroquímica en la superficie metálica.
Página 8 de 11 4.4 Medición de Resistividad Eléctrica del Concreto El cálculo de la resistividad eléctrica se llevó a cabo midiendo la resistencia eléctrica de la muestra de concreto de un área transversal de 3 cm y una longitud de 12 cm. Las resistividades se calcularon bajo los procedimientos establecidos en la norma ASTM G-57 Field Measurements of Soil Resistivity Using the Wenner Four Electrode Method. Este ensayo es uno de los más utilizados para evaluar rápidamente la agresividad por corrosión de un terreno. La resistividad del suelo es una propiedad de tipo eléctrico, y guarda una relación directa con la resistencia que presenta el terreno al paso de cargas iónicas y eléctricas que en su defecto depende de las propiedades y los elementos característicos de cada suelo, tales como sulfatos, sales, contenido de humedad, compactación, entre otros. Para calcular la resistividad del concreto, se midió la resistencia eléctrica utilizando un equipo Nilsson modelo 400. Se aclara que el valor de la resistividad del concreto depende de la relación geométrica entre el área transversal de la muestra y la distancia entre pines de la misma Los valores de resistividad ( ρ ) se calculan de acuerdo a la ecuación Donde: ρ = R A L A: es el área transversal de la muestra (cm 2 ) L: es la distancia entre pines (cm.) R: es la resistencia eléctrica de la muestra (O) Con los resultados obtenidos se procedió a clasificar el concreto según los ensayos de Corrosividad obtenidos y de acuerdo a los parámetros que aparecen registrados en la tabla 2 de NACE. El resultado de la medición se registra en la tabla 3.
Página 9 de 11 Resistividad del suelo (Omh-cm.) Corrosividad del suelo 0-500 Muy Corrosivo 500-1000 Corrosivo 1000-2000 Moderadamente Corrosivo 2000-10000 Ligeramente Corrosivo Mayor de 10000 Baja Corrosividad Tabla 2. Grados de Corrosividad según la Resistividad del Suelo (fuente NACE) Temperatura de la muestra Resistividad eléctrica del concreto (Omh*cm) Corrosividad del concreto 25 C 24 Muy Corrosivo 35 C 24 Muy Corrosivo 45 C 24 Muy Corrosivo 55 C 23 Muy Corrosivo 65 C 23 Muy Corrosivo Tabla 3. Clasificación de los cementos por temperatura 4.5 Calculo de la Velocidad de Corrosión Para realizar los cálculos de la velocidad de corrosión del sistema tenemos se tienen en cuenta los valores encontrados de LPR y Pendientes Tafel. Con cada uno de los anteriores de LPR y Tafel es posible encontrar entonces las velocidades de corrosión. A partir de las siguientes ecuaciones. Donde: i corr = 2.3( β + β )( ) a ββ a c c Rp A (Ecuación 1) i corr :es la corriente de corrosión. b c y b a :son las pendientes catódica y anódica, respectivamente. Rp: es la resistencia de Polarización
Página 10 de 11 A: es el área de la superficie del electrodo en contacto con el electrolito. Finalmente la velocidad de corrosión puede calcularse de la ecuación Donde: ( )( ) Vel ( mpy) 0.13 i corr W e = corr (Ecuación 2) d Vel corr (mpy) es la velocidad de corrosión en milipulgadas por año. i corr es la corriente de corrosión en µa/cm 2. We es el equivalente electroquímico (peso molecular/ # de electrones transferidos) d es la densidad del material de prueba en g/cm 3. La tabla 4, muestra las velocidades de corrosión calculadas de acuerdo a las ecuaciones anteriormente mostradas. CALCULO DE VELOCIDADES DE CORROSIÓN EN LOS MATERIALES P. CATODICA (mv/dec) P. ANODICA (mv/dec) I CORR. (ua) V. CORR. (mpy) METAL LPR (KOhmios) Cobre en CELEC seco 0.0008 194 182 5.103E+04 1094.7486 Cobre en CELEC húmedo 0.0049 193 170 8.020E+03 172.037308 Tabla 4. Valores de velocidad de corrosión calculados. 5. ANALISIS DE RESULTADOS Los cálculos de la velocidad de corrosión encontrados a partir de las medidas de LPR y Pendientes Tafel y que son mostrados en la tabla 4, realmente no corresponden a las reacciones en la interfase metal/cemento, sino que corresponden a medidas de resistencia eléctrica del cemento como tal. Esta afirmación es sustentada además por las mediciones de resistividad del concreto, las cuales muestran valores muy cercanos a las resistencias reportadas por las técnicas electroquímicas, considerando que la distancia entre el electrodo de referencia y el electrodo de cobre es de tres milímetros aproximadamente. Los gráficos de EIS, mostraron claramente como no existe aun reacciones en la interfase metal concreto, por lo cual podemos afirmar que hasta el momento de la evaluación, después de tres días de inmersión del sistema en una solución salina (agua al 2 %) no hay reacciones en la interfase metal / concreto, lo que
Página 11 de 11 significa que aun no es posible determinar un valor específico de velocidad de corrosión. 6. CONCLUSIONES En las condiciones de evaluación actual no hay aun un proceso corrosivo formado sobre la superficie del cobre, por lo cual la velocidad de corrosión del cobre inmerso en el concreto conductor CELEC, aun no es posible de determinar. En otras palabras la velocidad de corrosión del sistema cobre / cemento CELEC 0aun no es detectable.