PRESENTACIÓN: La corrosión del acero de refuerzo en las estructuras de concreto es un problema que preocupa seriamente al sector de la construcción en todo el mundo. Este trabajo, producto de la investigación, proporciona un panorama del estado actual de las dificultades ya que, luego de exponer de una manera clara y concisa las causas y el desarrollo del fenómeno, pasa revista tanto a las técnicas de medición y monitoreo como a los métodos de control que hoy día se utilizan.

En la actualidad, y desde hace tiempo, el material de construcción más difundido es el concreto; su consumo supera el de cualquier otro. Una parte muy importante de las estructuras de concreto está reforzada con varillas de acero, y la corrosión de estos refuerzos es la causa principal del deterioro de las mismas. Entre los problemas más importantes para el mantenimiento de la integridad estructural de las obras civiles (figura 1) como son puentes, túneles, carreteras, muelles, etcétera, de un país está la corrosión de las varillas de los sistemas de concreto reforzado. El informe Hoar calculó pérdidas por corrosión de 250 millones de libras esterlinas en el sector de la construcción del Reino Unido, las que constituían 18 por ciento del total para el año 1971. Con este ejemplo queda claro el orden de magnitud y el tamaño del problema al que nos referimos.

Las primeras observaciones de corrosión del acero embebido en el concreto fueron hechas a principios de este siglo, principalmente en ambientes marinos y plantas químicas. Sin embargo, sólo a mediados del mismo se inició el estudio sistemático de este problema que ha llegado a ocupar un lugar muy importante dentro de las investigaciones sobre corrosión en el nivel mundial, por los problemas y tipos de estructuras involucrados.

Corrosión del acero embebido en concreto

El concreto junto con las varillas de acero forma el sistema conocido como concreto reforzado, que presenta excelentes propiedades mecánicas a la tensión y a la compresión gracias a sus elementos constitutivos. Además de esto, el pH del concreto (aproximadamente 12.5) ofrece condiciones ideales para la pasivación del acero. Por lo tanto, el concreto fabricado con cemento portland proporciona a los materiales embebidos en él una protección adecuada contra la corrosión. Se puede atribuir esta protección a la elevada alcalinidad del concreto y a su resistencia eléctrica específica, la cual es relativamente alta en condiciones de exposición atmosférica.

Para que se forme una celda de corrosión en el concreto es necesaria la presencia de un electrolito, que es una solución capaz de conducir la corriente eléctrica por medio de un flujo de iones. Cualquier concreto húmedo contiene suficiente electrolito para conducir una corriente que puede causar corrosión, mientras más seco esté un concreto, menor será su conductividad. Las reacciones involucradas en el proceso son como sigue:

La reacción anódica, en la cual el hierro se oxida a iones ferrosos: Fe ® Fe²⁺ + 2e^-

La reacción catódica, en la cual el oxígeno se reduce a iones OH^-: 1/2 H₂O + 1/4 O₂ + e^- ® OH^-

En una segunda etapa, el ion Fe²⁺ disuelto reacciona con otros aniones del agua y se transforma en óxidos de hierro por un número de reacciones complejas, formando la capa pasivante lo suficientemente compacta para evitar que continúe el ataque en la superficie. 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 proporciona a las estructuras de acero reforzado. Los silicatos del cemento producen con el agua el principal cementante e hidróxido de calcio, cuya cantidad es generalmente suficiente para mantener un pH alrededor de 13 en la solución contenida en los poros del concreto, independientemente del contenido de humedad.

El grado de protección que puede dar un concreto es, con frecuencia, una función de la calidad, del espesor del recubrimiento y de seguir buenas prácticas constructivas. Sin embargo, a pesar de la protección contra la corrosión que usualmente proporciona el concreto, se tiene noticia de un número desconcertante de casos de corrosión de aceros ahogados en el concreto, la que sucede cuando se hallan presentes cloruros u otros iones agresivos que estimulan la corrosión (figura 2). La presencia de estos agentes agresivos puede provenir de las mismas adiciones hechas al concreto durante su preparación –por ejemplo, acelerantes del curado–, durante la preparación con agua que contiene altas concentraciones de cloruros, o bien del medio ambiente externo; ellos se difunden a través del concreto, atacan el metal y producen óxidos con volumen mayor que el metal original, originando con esto grandes presiones internas, suficientes para fracturar el concreto.

Los procesos de corrosión de refuerzos metálicos embebidos en concreto son por lo tanto de naturaleza muy compleja, aun en los casos más simples. Tales procesos están influidos por numerosos factores (cuadro 1) que dependen de la composición química del concreto, la metalurgia del refuerzo, la mecánica del sistema, el ambiente, el uso de aditivos, etcétera.

Cuadro 1. Factores relacionados con el proceso de corrosión

Medición y monitoreo de la velocidad de corrosión

En la actualidad existen diversas técnicas electroquímicas para la evaluación de la corrosión del acero en concreto, tanto en laboratorio como en campo. La más sencilla y utilizada en campo es la medición del potencial de corrosión. Esta es la medición de un parámetro termodinámico que aunque muy útil, ya que revela el estado superficial de las varillas, no da información acerca de la cinética o velocidad con la que procede la corrosión. Las técnicas electroquímicas que suministran información acerca de la cinética de corrosión son las curvas de polarización, resistencia a la polarización e impedancia electroquímica, basadas en la teoría de Stern-Geary de cinética de corrosión. De estás técnicas las últimas dos son las más utilizadas en la actualidad.

Cuando se hace actuar a un metal como electrodo de trabajo en una celda electroquímica, el potencial del mismo cambia con el tiempo, en función del propio sistema metal-electrolito y de la polarización que se aplica mediante una fuente de potencial-corriente eléctrica externa. Las gráficas que se obtienen relacionan el cambio de potencial con la densidad de corriente y se denominan curvas de polarización (figura 3). Las curvas de polarización son una valiosa herramienta en corrosión ya que se puede obtener información acerca de los procesos que ocurren y se puede calcular la velocidad de corrosión.

Existen dos métodos para obtener la velocidad de corrosión por técnicas de corriente directa, los cuales parten de la ecuación de Butler-Volmer de cinética electroquímica, para potenciales de corrosión suficientemente alejados de los potenciales reversibles de las reacciones acopladas anódica y catódica, se obtiene la relación entre el potencial y la corriente:

donde b _a y b _b son las pendientes anódica y catódica de Tafel respectivamente, e I_corr es la intensidad de corrosión.

Al alejarse lo suficiente del potencial de corrosión, uno de los términos exponenciales de la ecuación se hace despreciable. Suponer que el primer término de la ecuación es el dominante, se obtiene así la ecuación de Tafel para la parte anódica:

De manera análoga se realiza el análisis para la rama catódica. La intensidad de corrosión se obtiene extrapolando las pendientes anódica y catódica de la curva de polarización, donde se cruzan éstas o bien donde alguna de ellas cruza con el valor de potencial de corrosión, como se ve en la figura 6.

Contrariamente al método de Tafel , el de resistencia a la polarización requiere polarizaciones pequeñas. Se deduce a partir de la misma ecuación de Butler-Volmer, teniendo en cuenta que dicha ecuación presenta un comportamiento lineal en la curva de polarización, cuando E - E_corr tiende a cero. Por analogía con la ley de Ohm, el cociente del sobrepotencial entre la respuesta de corriente (DE/DI) tiene dimensiones de corriente eléctrica por lo que se conoce como resistencia de polarización Rp. El cálculo de la velocidad de corrosión propuesto por Stern-Geary está dado por:

donde b es una constante definida por las pendientes anódica y catódica.

La técnica de impedancia electroquímica es una técnica de corriente alterna que involucra elementos eléctricos en función de la frecuencia de la señal. La impedancia Z es un vector, y por lo tanto posee un módulo y un ángulo de fase. Este vector se puede representar en el plano complejo en función de una parte real y una imaginaria:

donde w es la frecuencia angular. La representación de Z, con la w como variable en el plano complejo, se conoce como diagrama de Nyquist (figura 4). Para analizar el diagrama de impedancia de un sistema electroquímico se hace necesario recurrir al concepto de circuito equivalente, constituido por una hipotética combinación de elementos eléctricos pasivos que da un comportamiento similar al electrodo objeto de estudio.

El circuito equivalente de Randles explica bastante bien muchos de los procesos electroquímicos. En dicho circuito, la interfase electrodo-medio ambiente está representada por un condensador Cdl, el cual indica la doble capa eléctrica y la resistencia de transferencia de carga o impedancia electroquímica en paralelo Rct, que indica la reacción electroquímica que tiene lugar sobre el electrodo. Finalmente Re es la resistencia del electrólito o la de posibles películas sobre el electrodo. El diámetro de la semicircunferencia indica el valor de Rct que es equivalente a la resistencia de polarización, de donde podemos obtener por la ecuación de Stern-Geary la velocidad de corrosión.

La otra técnica basada en la medición de potencial, con gran impulso en la actualidad, es la de ruido electroquímico; ella consiste en el registro sistemático de las oscilaciones de potencial y/o corriente y de la aparición de eventos de naturaleza estocástica o probabilística a lo largo del tiempo.

Métodos de control

1. Existen diferentes opciones para el control de la corrosión de estructuras embebidas en concreto (figura 5), que se basan en:
2. La selección de materiales mejores y más resistentes a la corrosión.
3. La existencia de una barrera física entre el metal y el ambiente o el concreto y el ambiente.
4. La modificación de las condiciones ambientales.
5. Una combinación de las anteriores.

Ninguna de las tres primeras ha sido efectiva en todos los casos por lo que muchas veces se ha adoptado la cuarta opción.

Diseño y construcción del concreto

La primera y más elemental forma de evitar la corrosión está dada por el buen diseño y las prácticas de construcción adecuadas. El concreto en sí es una barrera física que protege al acero por su baja conductividad, por lo que el grosor de la capa de concreto puede reducir las condiciones de agresividad; lamentablemente muchas veces esto no es ni económica ni técnicamente factible. El uso de materiales tales como el acero pretensado en lugar de varillas convencionales es otra opción, pero existe preocupación por la posibilidad de que la corrosión cause una reducción en la sección transversal, con la consecuencia de falla del acero; además, esto conllevaría el riesgo de corrosión bajo tensión y corrosión (ver) fatiga en los casos en que las estructuras estuvieran sujetas a grandes tensiones o esfuerzos cíclicos. El uso de aditivos como acelerantes del curado que contengan cloruros, como el cloruro de calcio, debe evitarse.

Otro método utilizado es aquel que aísla las fuentes externas de cloruros del concreto como son algunas membranas impermeables al agua y al ingreso de cloruros, prefabricadas o aplicadas en forma líquida. Las más sencillas de aplicar son las de aplicación líquida, aunque su (ver) de calidad las hace menos eficientes. Una opción es el uso de polímeros impregnados en los poros del concreto o bien aplicados como capas sobre el concreto, los cuales son casi impermeables, fuertes y durables. Es indispensable que el concreto esté seco durante su aplicación y a la vez hay que prevenir la evaporación del monómero además de una rápida polimerización. Los resultados en campo no han sido siempre satisfactorios. Como práctica de construcción extra se utilizan sobrecapas de cemento portland sobre el concreto reforzado nuevo, las cuales brindan protección extra a la penetración de los cloruros.

Protección del acero de refuerzo

Para prevenir la corrosión del acero en el concreto se utilizan materiales más resistentes a la corrosión o se protege el acero convencional recubriéndolo para aislarlo del contacto con el oxígeno, la humedad o los cloruros, o modificando su potencial electroquímico. Los aceros patinables no son adecuados en el medio concreto, y los inoxidables se utilizan en casos especiales, pero ambas opciones resultan caras en la mayor parte de las aplicaciones comunes.

Los recubrimientos metálicos utilizados se dividen en nobles y de sacrificio. Estos últimos aprovechan el principio de la corrosión galvánica para proteger el acero. Los recubrimientos nobles, como son los de cobre o níquel, sólo protegen al acero siempre y cuando el recubrimiento no esté dañado ya que el acero es anódico respecto a estos materiales. De todos estos recubrimientos el galvanizado de zinc es el comúnmente más utilizado; sin embargo, aun en este caso los resultados no han sido del todo satisfactorios ya que retrasan la corrosión de las estructuras y la consecuente fractura del concreto, pero no la previenen.

Se han evaluado diferentes recubrimientos no metálicos, pero de éstos sólo se utilizan los epóxicos aplicados por fusión en caliente. Éstos se aplican a superficies perfectamente limpias, aislándolas de la humedad, el oxígeno y los cloruros. El uso de este método de control se ha ido extendiendo: su principal problema es el daño que sufre el recubrimiento durante el manejo y transportación del material recubierto.

También se han empleado químicos llamados inhibidores de la corrosión, mezclados en el concreto. Los principales son compuestos a base de cromatos, fosfatos, nitritos, etcétera. Algunos han dado resultados negativos ya que reducen las propiedades a la compresión del concreto, aunque previenen la corrosión del acero. El nitrito de calcio parece el inhibidor más adecuado en la actualidad.

La protección catódica parece un método viable para la protección del acero embebido en concreto, sin embargo, a la fecha se ha utilizado en estructuras existentes y no en nuevas construcciones. De las dos formas de protección catódica la más utilizada es la de corriente impresa, aunque la de ánodos de sacrificio ha dado buenos resultados en reparaciones realizadas a las estructuras de concreto. Se realizan en la actualidad estudios para estandarizar los criterios de protección.

Conclusiones

Existen diversas opciones de control de la corrosión de las estructuras de concreto reforzado. En estructuras existentes donde la contaminación por cloruros es muy alta, la mejor opción parece ser la protección catódica. En casos en que estos sistemas no pueden ser aplicados, las estructuras han sido reparadas utilizando materiales poliméricos o resinas acrílicas y epóxicas.

En el caso de estructuras nuevas, se han seleccionado diferentes alternativas: recubrimientos, protección catódica, inhibidores, materiales especiales tales como pretensados, etcétera. En estructuras marinas el empleo del agua de mar para la preparación del concreto es muy común, por lo que la utilización de inhibidores parece ser una solución viable.

Bibliografía

ACI Comitte 201, "Durability of Concrete in Service", en ACI Journal Proceedings, vol. 59, núm. 12, 1962, pp.40-50.

Ávila , J., "Estudios diversos de corrosión electroquímica en refuerzos metálicos embebidos en mortero", en: 1er. Taller Internacional de Corrosión, Mérida, México, Conacyt-Cinvestav, 1992, p.127.

Gaona T.C., Tesis de maestría, UNAM, México, 1997.

Gaona, T.C., C.F. Almeraya et. al, "Protección catódica con ánodos de sacrificio empleando electrólitos sólidos", en: II Simposio Internacional de Electroquímica Aplicada y VIII Congreso Nacional de Electroquímica, Querétaro, México, 1993.

García, E. M., J:M: Malo y CH.J Uruchurtu, "Técnicas electroquímicas aplicadas al control y seguimiento de la corrosión", 1a. ed., México. IMICORR, 1990.

Kilareskki, W.P. "Corrosion Induced Deterioration of Reinforced concrete. An Overview 2", en Materials Performance, vol. 27, núm. 3, 1980.

F. Almeraya Calderón, C. Tiburcio Gaona y A. Martínez Villafañe, son investigadores del Centro de Estudios Avanzados de