tesis ESTUDIO DE LA CORROSIÓN DE ARMADURAS EN HORMIGÓN CARBONATADO (STUDY OF CORROSIÓN OF CONCRETE CARBONATE REINFORCEMENTS) Director de la Tesis M.^ Cruz Alonso Alonso M.^ Carmen Andrade Perdrix Dra. en Ciencias Químicas lETcc/CSIC Prof. de Investigación lETcc/CSIC 628-6 RESUMEN SUMl\ñARY El trabajo de investigación aquí referido se basa en el estudio de la corrosión de armaduras en hormigón carbonatado. Para ello se han realizado ensayos en mortero amasado con seis tipos de cemento con y sin CaClp o NaNO^, y en disolución, estos últimos tratando de simular la composición de la fase acuosa contenida en los poros de un hormigón carbonatado. Se han empleado técnicas electroquímicas para el control de la corrosión. This investigation is based on the study of the corrosión of concrete carbonate reinforcements. Tests were carried out on mixed mortar with six types of cement (with and withoud CaCl2 or NaNOj, and in solution, these last ones trying to simúlate the aqueous phase contained in the pores of a concrete carbonate. Electro-chemical techniques were used to control corrosión. La despasivación de las armaduras se produce cuando el entorno que las rodea alcanza valores de pH 8. La humedad relativa ha resultado ser un factor determinante, pero el tipo de cemento no parece ser tan decisivo en la velocidad de corrosión de las armaduras en hormigón carbonatado. La presencia de cloruros intensifica gravemente el ataque y la presencia de nitritos reduce o elimina el efecto nocivo de la carbonatación. Alteration of reinforcements occurs when the surrounding environment reaches a pH of 8. Relative humidity turned out to be a determining factor, but the type of cement did not appear as decisive in the corrosión rate of concrete carbonate reinforcements. the presence of chiorides gravely intensifies the attack, while the presence of nitrates reduces or eliminates the harmful effect of the carbonation. Estudios realizados con acero de pretensado han demostrado que este tipo de acero es susceptible de sufrir fallos por corrosión bajo tensión en medios carbonatados. Studies carried out with pre-tensed steel have shown this type of steel to be susceptible to failure due to corrosión under stress in carbonate médiums. INTRODUCCIÓN: Objetivos y Método otros capaces de disolverse en el exceso de agua utilizado en el amasado, Ca (OH), y sulfates de sodio y potasio (fase líquida). Estos últimos son los que al disolverse proporcionan la elevada alcalinidad de un hormigón y garantizan la no corrosión de las armaduras embebidas en él. La solución acuosa resultante queda encerrada entre los productos sólidos dando lugar a la característica porosidad de un hormigón. El objetivo principal del presente trabajo consiste en realizar un estudio profundo y detallado sobre la corrosión de armaduras de acero desnudo en hormigón carbonatado, así como también comprobar la posible incidencia que la carbonatación pueda ejercer en el fallo por corrosión Bajo Tensión, fenómeno al que el acero pretensado ha resultado ser susceptible. Los constituyentes básicos del cemento al mezclarse con el agua sufren una serie de reacciones químicas por las que se forman, además de compuestos sólidos insolubles (fase sólida). Esta Tesis, leída en la Facultad de Químicas de la Universidad Complutense de Madrid, en diciembre de 1986, obtuvo la calificación de Apto "Cum Laude". © Consejo Superior de Investigaciones Científicas Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc) La porosidad hace que el hormigón sea permeable a ciertos agentes externos tales como: humedad ambiental, cloruros, COj y SO2 atmosférico, oxígeno, etc. Estos componentes penetran a través de la red de poros y en algunos casos llegan a producir modificaciones físicas y químicas del hormigón, como es el caso del COj atmosférico, que por su carácter ácido es capaz de neutralizar el hormigón. http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es 74 Informes de la Construcción, Vol. 39 n.° 393, enero/febrero, 1988 La carbonatación de un hormigón se produce al reaccionar el CO2 atmosférico con el Ca(0H)2 disuelto formando CaCOg. El proceso de carbonatación del hormigón afecta no solamente a la fase líquida del mismo sino también a la fase sólida. El resultado final es que deja al acero embebido en él como si estuviera expuesto a la atmósfera, es decir sin la protección química. Aunque son muy numerosos los estudios realizados sobre las modificaciones que sufre la parte sólida del cemento hidratado debidas a la carbonatación, resultan prácticamente inexistentes los referentes a la fase líquida. Es especialmente en este segundo aspecto sobre el que se ha insistido en esta Tesis, puesto que es la composición de la solución contenida en los poros del hormigón y que rodea a la armadura, junto con otros factoreé (contenido en oxígeno, humedad ambiental, etc.), los que van a definir las condiciones de estabilidad o corrosión de la armadura. pH 'ESC' ^1 100 7A 0 8-1 -100^ 9 -200 lOH -300 11 -400 12 -500 13 -600 14-' -700 Sol.sat. Ca(Oh !k • Ecorr 0 pH t J \ 1.^ —1 1 1 1 1 12 16 20 24 1 —— 1 28 32 1 1 36 40 TIEMPO (min.) (a) ^corr Flujo de gos COz 0,1 M Na N0¿ + S o t Sol CoíOH)^ +400- o Ecorr X pH +200- Cuando la armadura está rodeada de un ambiente alcalino libre de otros iones agresivos, como son los cloruros, se encuentra trabajando bajo condiciones de no corrosión, pero si un fenómeno de carbonatación ocurre, con el correspondiente descenso del pH y variación de la composición del medio que ello implica, es de esperar que la armadura esté expuesta también a cambios en su estabilidad electroquímica y pase a sufrir procesos de disolución activa de su superficie. En algunos trabajos previos se llegó a cuantificar la velocidad de la que se corroían las armaduras embebidas en mortero carbonatado. Se comprobó que la intensidad y potencial sufrían fuertes cambios sin poder determinar claramente en qué momento y porqué éstos ocurrían. Un estudio más profundo basado en estos hechos se realiza en el presente trabajo, cuya metodología de ensayo seguida para su desarrollo es la siguiente: — Se efectúan ensayos en disoluciones que simulan la fase acuosa contenida en los poros del hormigón, con el fin de poder conocer los cambios de las variables electroquímicas que tienen lugar simultáneamente al descenso del pH durante el proceso de carbonatación (como se aprecia en la figura 1a), debido a la imposibilidad de poder realizar este seguimiento simultáneo (pH y Ecorr) directamente sobre el hormigón. Se ensaya también el efecto beneficioso que el NaNOj tiene al evitar la ruptura de la capa pasiva debida a la carbonatación del medio (Fig. 1b). © Consejo Superior de Investigaciones Científicas Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc) + 100- 0- -100- -200- -300- -400- Fig. 1 1 1 1 1 15 1 18 (b) 1 21 1 24 r 27 30 31 33 TIEMPO (min) Flujo de gas CO2 — A continuación se realiza un estudio profundo y detallado trabajando directamente en mortero, fabricado con seis tipos de cementos tanto sin aditivos como con CaClj y/o NaNOj. Las probetas de mortero utilizadas se sometieron a un proceso de curado, carbonatación acelerada en cámara saturada de CO2, y conservación a sucesivos períodos de humedad-secado (las humedades ensayadas son 100 %, 50 % y parcialmente sumergidas, P. S.). El estado de las armaduras se controla en cada una de estas etapas mediante la utilización de técnicas electroquímicas para medir la velocidad de corrosión (Resistencia de polarización e Impedancia electroquímica); algunos de los resultados obtenidos se dan en las figuras 2 y 3. - - Se estudia después el comportamiento electroquímico de armaduras tanto corrugadas como lisas en soluciones de C03= y/o HCO^ utilizando medidas de Resistencias de polarización (Fig. 4). También se efectúan estudios más detallados en los mismos medios sobre los aceros lisos mediante el trazado de curvas de polarización a velocidades de barrido de 10, 100 y 1000 mV/min http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es 75 Informes de la Construcción, Vol. 39 n.° 393, enero/febrero, 1988 tE3 ÍT IE3 Y 1E2 r 1E2 -t CURADO CARBONATACION 0 0 % lE» lEO i lE) t fV lEO r~\ ^ lE-li \E-\ lE-24r lE-2 lE-3 -& -t ^ H lE-3 h 150 200 -^ 25o 300 350 400 450 500 550 50 l¿0 150 2D0 2^0 sSo -SU 350 SIN Tiempo(dias) -P450ARI SIN ^ 350 4Ío Tiempo(diQs) 1E3 í u o :: 1E2 é o lEl ÍEO ^ lE-1 1E-2Í 50 lío -P350Y SIN 1?0 200 250 300 350 4Ío Tiempoídias) Ó 50 100 lio PUZ350SIN 2Í)0 2¿0 3¿0 3Í0 4¿0 44o sÓo Tiempoídias) 1E3 I I •*£ ^^5 f - lE-3 1E2 f /v/^^ IE-3 O 50 100 •3ó 150 3¿0 350 400 46o 5Ó0 Tiempo(dias) P-i-SO*/*CENIZAS SIN Fig. 2 © Consejo Superior de Investigaciones Científicas Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc) http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es 76 Informes de la Construcción, Vol. 39 n.° 393, enero/febrero, 1988 con el fin de conocer el proceso de corrosión y la morfología del ataque (Fig. 5). — Se realizan ensayos de tracción lenta con acero pretensado en medios de NaHCOg. Las condiciones de trabajo se deducen a partir de los resultados obtenidos en los ensayos electroquímicos. Las fracturas obtenidas se observan al microscopio electrónico y se determina la presencia o no de fallos por Corrosión Bajo Tensión según el aspeto de la fractura, tomando siempre como referencia una ruptura con fractura dúctil (Fig. 6). Conclusiones De los resultados obtenidos emerje como conclusión fundamental que la carbonatación del mortero entraña un grave peligro para la estabilidad de la armadura. El acero que embebido en un hormigón sano está pasivo, sufre debido al proceso de carbonatación una ruptura de la capa pasiva y comienza a corroerse a velocidades elevadas. La ruptura de la capa pasiva tiene lugar cuando el pH alcanzado en la solución de los poros se sitúa entorno a 8. Es necesaria una humedad mínima en las proximidades de las armaduras para /xA/cm Atmósfera de HR = 100 7o 10 Atmosfera de HR = 5 0 7o Parcialmente sumergidas (P.SJ P.l. 10 10-^. 30 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 ñcero Acero Rcoro ñcero Rcero 1 2 3 4 5 6 Mortero carbonatado sin aditivos (a los 3 0 dios de conservación por humedad) pretensado pretensado pretensado pretensado pretensado 1 lE-1 lE-2 lE-3 lE-4 M M M M M NaHC03 NaHC03 NaHC03 NaHC03 NaHC03 35 <0 Tiempo (d í as) Fig. 4 ^A/cm Atmosfera de HR=100 7o 10' Atmosfero de HR = 5 0 7o Parcialmente sumergidas 120 01 M Na HCO3 10°J 100 - < 10 4-» 80 - / Velocidad de barrido rápida 60 40 lo'j •O 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Mortero carbonatado + 37© Na NO2 (a los 3 0 dios de conservación por humedad) 1. P 450 ARI; 2. P 350Y; 3. —P +30 % cenizas; 4. Sil 350; 5. PUZ 350; 6. Cenizas Fig. 3 © Consejo Superior de Investigaciones Científicas Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc) '/ - *\ Velocidad de barrido lenta O •g 20 - c 0 Q 1 -800 -600 -400 L. -200 1 — 0 1 200 1 400 1_ 600 Potencial, mV, esc Fig. 5 http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es 77 Informes de la Construcción, Vol. 39 n ° 393, enero/febrero, 1988 ^ #- ^ ^V ív^^^. > '^ %í- Fig. 7 Fig. 6 que la corrosión se mantenga a lo largo del tiempo. Este ataque se hace más intenso a las humedades del 100 % o condiciones parcialmente sumergidas de las probetas carbonatadas. El NaNGj es siempre capaz no sólo de reducir, sino anular, el ataque provocado por la carbonatación sobre las armaduras y su efecto se hace más favorable cuanto más elevada es la humedad del medio que las rodea. También se ha encontrado que el acero pretensado puede sufrir fallos por Corrosión Bajo Tensión en soluciones acuosas de bicarbonato sódico, definiéndose una concentración crítica 0,1M en condiciones aireadas y agitadas, donde el proceso está más favorecido. Siempre el fallo se encontró íntimamente ligado a una zona de potenciales y por su aspecto parece que al menos la propagación de la grieta es debida a un fenómeno de fragilización por hidrógeno (Fig. 7). © Consejo Superior de Investigaciones Científicas Licencia Creative Commons 3.0 España (by-nc) Bibliografía 1. BAKKER, R.: Corrosión of Steel in Concrete State of the Art. Report RILEM - Technical commite 60 CSCC (1986). 2. ANDRADE, C; GONZÁLEZ, J. A.: Werks Korrs, 29 (1978) 391. 3. SCHIESSL, R: Corrosión of reinforcementDurability of Concrete Structures (CEB-RILEM) mayo (1983). 4. GONZÁLEZ, J. A.; ALCOBA, S.; ANDRADE, C: Br. Corrs. J. Vol. 15 (1981) 135. 5. PARKINS, R. N.; O'DELL, C S.; FESSLER, R. R.: Corr. Se. 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