En el concreto reforzado, el concreto mismo ofrece condiciones ideales para la pasivación (protección) del acero debido a su pH (aproximadamente 12.5). Por lo tanto el concreto fabricado con cemento Portland proporciona a los materiales ahogados en él, una protección adecuada contra la corrosión [53].
Sin embargo, debido a su propia constitución, contiene una gran cantidad de poros, los cuales pueden estar interconectados y tornar al material permeable a líquidos y gases. Lo anterior es de gran importancia para el proceso de corrosión del acero de refuerzo, ya que tanto el oxígeno como el agua pueden difundirse hacia el acero a través de la masa de concreto.
La velocidad de corrosión del acero en concreto es generalmente baja. Esto es debido a que el acero está protegido por la pasivación inducida debido a la alta naturaleza alcalina del agua que se encuentra en los poros del concreto. La solución que se encuentra en los poros es esencialmente una mezcla de solución de hidróxido de sodio, hidróxido de potasio y pequeñas cantidades de hidróxido de calcio. La composición exacta varía dado que es una función del tiempo pero la composición aproximada es:
0.6M KOH + 0.2M NaOH + 0.001M Ca(OH)2
El grado de protección que puede dar un concreto al acero de refuerzo es, con frecuencia, una función de la calidad, del espesor del recubrimiento y de seguir buenas prácticas constructivas.
Generalmente, el concreto no es atacado por sustancias químicas secas y sólidas, para deteriorarlo las sustancias químicas debe estar en solución y sobrepasar una determinada concentración. El concreto es más vulnerable cuando se encuentra bajo el ataque de sustancias agresivas en solución ejerciendo presión sobre alguna de sus superficies, ya que la presión tiende a forzar la solución agresiva dentro del concreto.
En condiciones normales, o sea en un medio con atmósfera limpia, no debe ocurrir nada que afecte a la estructura de concreto. Sin embargo, es frecuente observar manchas en las estructuras de concreto que se encuentran preferentemente en las zonas costeras, ya que la estructura de concreto esta en contacto frecuente con los iones cloruro que se encuentran en la atmósfera en este tipo de zonas, pero la presencia de estos agentes agresivos puede provenir también de las mismas adiciones hechas al concreto durante su preparación como acelerantes del curado, o durante la preparación con agua conteniendo altas concentraciones de cloruros, los cuales a través de la porosidad del
concreto pueden llegar a las varillas de acero, atacándolas y produciendo con ello su degradación.
La herrumbre que se va formando como resultado del proceso de corrosión en el acero hace que se pierda la adherencia deseada entre el acero y el concreto, además de disminuir la sección original de la varilla. La herrumbre ocupa un volumen aproximadamente cuatro veces mayor que el acero sin corroer, por lo que a medida que aumenta la cantidad de ésta dentro de la estructura se ejerce una gran presión sobre el concreto que la rodea, provocando grietas que lo fragilizan, perdiendo así las propiedades mecánicas originales. Este proceso continúa hasta que la herrumbre llega a aparecer en la superficie del concreto y se pueden observar las estructuras manchadas [92].
La presencia de herrumbre en una determinada estructura da a conocer el avanzado proceso de corrosión que presenta la varilla de refuerzo, con ello se demuestra que la seguridad de la estructura es mínima, por lo que es conveniente tomar medidas preventivas para evitar accidentes que muchas veces ocasionan daños irreparables.
La corrosión en el concreto se presenta con mayor rapidez si hay:
Agrietamientos
Pueden proporcionar la entrada a la humedad, aire, contaminantes, etc. Las grietas más anchas, y en especial si son paralelas al acero pueden facilitar un mayor acceso a las sustancias corrosivas.
Carbonatación
El cemento Pórtland hidratado está sujeto a reacciones químicas producidas
por el CO2 de la atmósfera. Esta carbonatación aumenta la contracción del
concreto al secarse, y por consiguiente, la propensión del concreto a agrietarse, también reduce la alcalinidad del concreto reduciendo su eficiencia como un medio protector
Deterioro del concreto por otras causas
El concreto se puede deteriorar por la acción de ácidos, congelamiento y deshielo o cualquier otra causa; de cualquier forma se encontrará que el concreto se encuentra agrietado o debilitado
Tabla 1.2 Factores que afectan en la corrosión
Factores que aumentan el deterioro del concreto Factores que disminuyen el deterioro del concreto
Alta permeabilidad Bajas relaciones agua/cemento
Altas temperaturas Tipo adecuado de cemento
Alta concentración de cloruros en el concreto (≥
0.15%)
Baja concentración de cloruros y otros agentes agresivos en el concreto
Velocidad de fluidos elevadas Baja absorción
Mala compactación del concreto Buenas prácticas constructivas
Curado defectuoso Baja permeabilidad
Humedecimiento y secado cíclico Baja porosidad en la superficie del concreto
Corrosión del acero de refuerzo Humedad relativa en el ambiente < 70%
Tabla 1.3 Factores que influyen en el deterioro del concreto.
Factores dependientes del concreto
Factores dependientes del
refuerzo metálico Factores dependientes del medio
Permeabilidad y porosidad Naturaleza física y química Humedad relativa
Tipos de cementos y
recubrimientos Condición superficial Degradación biológica y iones agresivos
Agregados y aditivos Solicitaciones mecánicas Temperatura
Tabla 1.4 Factores relacionados con el proceso de corrosión en concreto.
Para que se forme una celda de corrosión en el concreto es necesaria la presencia de un ánodo, un cátodo y un electrolito, el cual es una solución capaz de conducir la corriente eléctrica por medio de un flujo de iones. Cualquier concreto húmedo contiene suficiente electrolito como para conducir una corriente capaz de causar corrosión. Mientras más seco esté un concreto, menor será su conductividad y se corroe menos. En el mecanismo se presentan una reacción ánodica, en la cual el hierro se oxida a iones ferrosos:
Fe Fe+2 + 2e-
Una reacción catódica, en la cual el oxígeno se reduce a iones OH-:
En una segunda etapa, el ión Fe+2 disuelto, reacciona con otros aniones del agua (Cl-, OH-, etc.) y se transforma en óxidos de hierro por un número de reacciones complejas.
Figura 1.7 mecanismo de corrosión en estructuras de concreto reforzado.
La velocidad de corrosión se ve afectada por el tamaño relativo del cátodo y el ánodo, la concentración de oxígeno, la temperatura y la resistividad eléctrica del electrolito (influenciada por la concentración de sustancias disueltas). Fe Fe2+ + 2e -‐ Fe2+ + 2Cl-‐ FeCl2 2Fe(OH)2 + 1/2O2 Fe2O3 + 2H2O 1/ 2O2 + H2O + 2e -‐ 2OH-‐
FeCl2 + 2OH-‐ Fe(OH)2 + 2Cl-‐
2OH-‐ Fe3O4 γFe2O3 Fe3O4 γFe2O3 2e -‐ Cátodo Anodo
Si por cualquier razón la reacción química en el cátodo o en el ánodo no ocurre, la celda es inoperante y la corrosión no se presenta. Cuando las circunstancias permiten la corrosión, su velocidad se incrementa con la temperatura y la humedad. La velocidad de la corrosión es alta cuando la temperatura se encuentra dentro del rango de los 20 a 40ºC, especialmente cuando hay humedad.
Las reacciones de hidratación que se llevan a cabo en el cemento durante el curado, son de gran interés e importancia ya que uno de los productos de éstas, se encuentra directamente relacionado con la protección que el concreto infiere a las estructuras de concreto reforzado.
Los silicatos del cemento, producen con el agua el principal cementante y el hidróxido de calcio de acuerdo con la siguiente reacción:
2C3S + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2
o bien:
2C2S + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2
La cantidad de hidróxido de calcio producido es generalmente suficiente para mantener un pH alrededor de 13 en la solución contenida en los poros del concreto, independientemente del contenido de humedad. Una importante barrera para la actividad de la celda de corrosión es la delgada película de óxido que se presenta y mantiene en el acero como
resultado de la alta alcalinidad (alto pH) del concreto en condiciones normales. Esta película mantiene el acero en un estado pasivo y su estabilidad es grande en ambientes muy alcalinos, pero disminuye cuando el pH desciende.
1.7.1 Pasividad.
Se dice que un metal esta pasivo cuando permanece prácticamente inalterado, por largos periodos de tiempo, experimentado por ciertos metales y aleaciones bajo particulares condiciones ambientales, si se tiene en cuenta su tendencia termodinámica, es decir, a potenciales comprendidos, entre los de equilibrio del material en el medio y otro superior correspondiente al de reducción del oxigeno, o de cualquier otra sustancia del medio susceptible de reducción [80].
1.7.2 Oxidación.
La oxidación es la perdida de electrones por una sustancia. Se dice que un átomo, Ion o molécula se ha oxidado cuando se ha convertido en una partícula de carga positiva. Pero está acción no se da sola. Cuando un electrodo, pierde electrones, otro debe ganarlos. Al haber este arreglo, siempre está acompañado de la reducción de la otra, dado que los electrones son transferidos entre ellas. Cuando un átomo ha ganado electrones se dice que se ha reducido. Al conjunto de estas reacciones se le llaman oxido-reducción o reducciones redox, como se ve en la Figura 1.4.
En una reacción redox, a la sustancia que se oxida se le llama ánodo y a la que se reduce se le llama cátodo.
La transferencia de electrones que ocurre durante las reacciones de oxidación - reducción también se puede utilizar en forma de electricidad. La rama de la química que se refiere a las reacciones entre la electricidad y las reacciones químicas es la electroquímica [31].