Mecanismos del deterioro indirecto

La corrosión de las armaduras deteriora las estructuras de hormigón armado, reduciendo su vida útil. Los productos de corrosión, conforme se van generando, van ocupando los espacios vacíos de la estructura de poros del hormigón. Una vez

que los poros del hormigón adyacente a la armadura se van rellenando, no va quedando espacio, por lo que se originan presiones sobre el mismo provocando, en la mayoría de los casos, la fisuración longitudinal del recubrimiento. Este tipo de fisuras, con un desarrollo paralelo a las armaduras, representa una vía rápida de llegada de los agentes agresivos hasta la armadura, lo que acelera el proceso de deterioro.

En el interior del hormigón la armadura está protegida frente a la corrosión. Esto es el resultado natural de la acción protectora de doble naturaleza que el hormigón ejerce sobre el acero. Por un lado el recubrimiento es una barrera física que aísla el acero del exterior. Por otro lado, la elevada alcalinidad (pH 12-13) de la fase acuosa supone una barrera química que causa la formación de una capa microscópica y transparente de óxidos que mantiene inalterado el acero por tiempo indefinido, proceso denominado pasivado, mientras no cambien las condiciones de servicio. Este efecto protector del hormigón hacia el acero es una de las razones que ha hecho posible que el hormigón armado sea el material de construcción por excelencia en las sociedades industrializadas. La Figura 2.22 muestra la situación de la armadura dentro del hormigón.

Figura 2.22 Armadura de acero protegida en hormigón

Dos son las causas fundamentales de la pérdida de esta capacidad protectora del hormigón:

- La presencia de iones cloruros.

- La carbonatación del hormigón de recubrimiento.

La carbonatación induce una corrosión generalizada en el acero mientras que la presencia de cloruros produce una corrosión localizada en la armadura. La corrosión

Hormigón PH= 12 - 14 Oxido pasivante

se puede identificar por la presencia de manchas de óxido en la armadura y la aparición de fisuras paralelas a la dirección de las barras de armado. La corrosión bajo tensión del acero pretensado es un tipo especial de ataque localizado.

 Penetración de cloruros.

Los iones cloruro pueden encontrarse presentes en el material cementicio debido a su presencia en la mezcla, principalmente en las adiciones, el agua de amasado o bien en los áridos. Sin embargo, este medio no es el más común ya que desde hace tiempo por normativa se controla la inclusión de estos iones en el hormigón. Por lo tanto en la actualidad el medio más frecuente de ingreso del ión cloruro es desde el exterior, ya sea porque la estructura esté localizada en ambiente marino o bien debido al uso de sales de deshielo.

Los cloruros inducen una destrucción local de la capa que pasiva el acero ocasionando un ataque localizado que se transforma frecuentemente en picaduras. Dependiendo de la expansión producida por la corrosión, puede aparecer o no la fisuración del recubrimiento. En las zonas totalmente sumergidas las armaduras se pueden corroer sin ninguna señal externa de daño en el recubrimiento. En estas zonas sumergidas o en donde el material está completamente saturado, el ión cloruro penetra por difusión. Sin embargo, en las zonas aéreas o en las zonas afectadas por ciclos, en la zona de carrera de mareas o en zonas en las que se utilizan sales de deshielo, la absorción capilar puede ser el mecanismo de penetración más rápido.

El cloruro de sodio es la sal más presente en el agua de mar y en los agentes utilizados como sales de deshielo. Una vez que la concentración de cloruro en contacto con las armaduras excede la concentración de cloruro crítica, se inicia la corrosión del acero. El tiempo hasta la iniciación de la corrosión se determina por la calidad del material de recubrimiento, el espesor del recubrimiento del acero y la cantidad de cloruros a los cuales la estructura está expuesta.

 La carbonatación

El anhídrido carbónico, CO2, contenido en el aire penetra en los poros capilares del

material de base cementica y se combina con el hidróxido de calcio (portlandita) para formar carbonato cálcico, como representa la ecuación (2.6).

Este proceso va reduciendo progresivamente la alcalinidad del material, que al principio tiene un valor de pH en torno a 12-13. Este proceso es conocido con el nombre de carbonatación.

Si el valor del pH llega a valores de 9.5 o inferiores la alcalinidad ya no es suficiente para mantener pasiva la capa de óxido protectora de las armaduras de acero. Por lo tanto, bajo la acción de la humedad y del oxígeno, el proceso de corrosión puede comenzar. En estas condiciones, el material estaría carbonatado siendo susceptible de corrosión generalizada.

Virtualmente todos los elementos constitutivos del cemento Portland hidratado son susceptibles de carbonatación. Los resultados pueden ser beneficiosos o perjudiciales, dependiendo del tiempo, la tasa y la extensión de la carbonatación, y del ambiente al cual esté expuesto el cemento. Así por ejemplo, una carbonatación inducida durante su producción puede mejorar la resistencia, dureza y estabilidad dimensional de los productos del material final, aunque siempre cuidando su durabilidad ante la posible corrosión de las armaduras por pérdida de la reserva alcalina (ACI_201, 2001).

La reacción del cemento Portland hidratado con el CO2 del aire generalmente es un

proceso lento. Este proceso depende fuertemente de la humedad relativa ambiente, la temperatura, la permeabilidad del hormigón y la concentración de CO2. Las mayores tasas de carbonatación se producen cuando la humedad relativa

se mantiene entre 50 y 75%. Para una humedad relativa inferior al 25%, el grado de carbonatación se considera insignificante. En el otro extremo, si la humedad relativa es superior al 75%, la humedad presente en los poros restringe la penetración de CO2. Los hormigones relativamente permeables sufren una carbonatación más

rápida y extensa que los hormigones densos, bien compactados y curados. Una menor relación a/c y una buena compactación reducen la permeabilidad y limitan la carbonatación a la superficie (ACI_201, 2001). En las áreas industriales, donde hay mayor concentración de CO2 en el aire, las tasas de carbonatación pueden ser

mayores (Gaal, 2004).

Procesos de corrosión en el hormigón

La corrosión del acero en el hormigón es un proceso electroquímico. Los potenciales electroquímicos que forman las pilas de corrosión se pueden generar básicamente de dos formas (Noguera, 2004; Gaal, 2004):

 Las pilas de composición se pueden formar cuando se colocan dos metales diferentes dentro del hormigón, como las armaduras de acero y los conductos de aluminio, o cuando existen variaciones significativas en las características superficiales del acero.

 Las pilas de corrosión se pueden formar debido a diferencias en la concentración de los iones disueltos cerca del acero, como los álcalis, los cloruros o el oxígeno.

Como consecuencia, uno de los dos metales (o algunas partes del metal si sólo hay uno) se convierte en ánodo y el otro en cátodo.

En condiciones normales, el acero embebido en el hormigón se encuentra aislado por el doble mecanismo protector explicado anteriormente, que sitúa al acero en la zona de pasividad del diagrama de Pourbaix. Cuando el acero se encuentra en esta situación su superficie se recubre de una capa protectora de óxido férrico Fe2O3 de

espesor muy pequeño, del orden de 100.000 Å, que protege el acero de la corrosión. Las reacciones que son responsables de la formación de esta capa protectora de óxido se presentan en las ecuaciones (2.7-2.9) (Bermúdez, 2007):

4Fe2+ → 4e- + 4Fe3+ (2.7)

3O2 + 12e- → 6O2- (2.8)

4Fe3+ + 6O2- → 2Fe2O3 (2.9)

En realidad esta capa pasiva no consiste sólo en Fe2O3, sino en una mezcla de Fe2O3

y Fe3O4, junto con hidratos del cemento. El Fe3O4 tiene una porosidad muy elevada

en comparación con la del Fe2O3, lo que hace que realmente no sea un óxido pasivo.

La formación del Fe3O4 se puede representar por las ecuaciones (2.10 y 2.11):

2O2 + 8e- → 4O2- (2.10)

2Fe3+ + Fe2+ + 4O2- → Fe3O4 (2.11)

Cuando el acero se encuentra pasivado en una estructura, el proceso anódico no puede producirse hasta que la capa protectora del acero se elimina por exposición a un ambiente ácido, por ejemplo por carbonatación, o bien se hace permeable por la acción de iones Cl-, por ejemplo por exposición a ambiente marino. Igualmente es necesario disponer de suficiente cantidad de oxígeno y agua sobre la superficie del acero para que se produzca el proceso catódico. Las reacciones involucradas en estos procesos se presentan en las ecuaciones (2.12 y 2.13) (Ramachandran, 2002; Mehta, 2003; Bermúdez, 2007):

Ánodo: Fe → 2e- + Fe2+ (2.12)

En primer lugar se produce hidróxido ferroso de color verdoso. Con mayor grado de oxidación se produce óxido ferroso-férrico, de color negro, e hidróxido férrico, de aspecto rojizo. Si no se dispone de suficiente oxígeno, no se puede desarrollar la formación de hidróxido férrico, por lo que no se producen óxidos expansivos. Las reacciones que tienen lugar en la formación de los distintos óxidos se presentan en las ecuaciones (2.14 - 2.16) (Bermúdez, 2007):

Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 Formación de hidróxido ferroso (2.14)

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 F. de hidróxido férrico (2.15)

2Fe(OH)3 → Fe2O3.H2O + 2H2O F. de óxido de hierro hidratado (2.16)

Cuando el hierro metálico existente en el acero se transforma en óxido, de acuerdo con la fórmula genérica (FeO.(H2O)x), se produce un incremento de volumen

importante, que puede llegar a ser del 600% respecto al tamaño original del metal. Este aumento de volumen puede considerarse la principal causa de expansión y fisuración del hormigón (Bermúdez, 2007).

En el caso de que existan cloruros en contacto con las armaduras, estos iones reaccionan con el hierro para formar el cloruro de hierro según la ecuación (2.17).

Fe2+ + 2Cl - → FeCl2 (2.17)

Este compuesto es incoloro o de color verdoso, y es muy soluble. Se trata de un compuesto que puede emigrar lejos del acero, llegando incluso a la superficie del hormigón, donde es oxidado a hierro, óxidos que tienen un color rojo o marrón. Estas manchas marrones en la superficie del hormigón indican que la corrosión por cloruro se ha iniciado.

El cloruro de hierro reacciona parcialmente con el agua para formar el hidróxido ferroso y ácido clorhídrico, según la ecuación (2.18). El ácido clorhídrico causa una nueva caída del pH, acelerando la disolución local de hierro (Gaal, 2004).

FeCl2 + 2H2O → 2HCl + Fe(OH) (2.18)

El estado pasivo del acero depende del valor del pH y de la concentración de cloruros. Si el valor del pH cae por debajo de 10, los átomos de hierro cada vez se disuelven más de la capa pasiva del óxido y se generaliza la corrosión.