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Rick
Montani
La
carbonatación es un fenómeno natural que ocurre todos los días en miles
de estructuras de concreto en todo el mundo. Es un proceso bien comprendido
que ha sido investigado y documentado perfectamente.1 En concreto que
no contiene acero de refuerzo, la carbonatación es, generalmente, un proceso
de pocas consecuencias. Sin embargo, en el concreto reforzado, este proceso
químico aparentemente inocuo, avanza lenta y progresivamente hacia adentro
desde la superficie expuesta del concreto, y asalta al acero de refuerzo
causando la corrosión. Aunque la carbonatación es una causa de la corrosión
menos importante que los cloruros, no por ello es menos seria en términos
del daño que provoca y del dinero que cuesta remediar sus efectos.
Uno puede preguntarse por qué razón un proceso tan común y natural como
la carbonatación no ha sido ampliamente reconocido en Estados Unidos como
una causa seria de corrosión de las varillas de refuerzo. Algunos creen
que la carbonatación es causada por los calentadores que queman combustible
y que se usan en interiores. Aunque estos calentadores pueden liberar
grandes cantidades de dióxido de carbono (el culpable de la carbonatación),
sólo se requiere una pequeña concentración de CO2, que normalmente se
encuentra en la atmósfera (0.03 por ciento) para que ocurra la carbonatación
del concreto.2 Hay quien piensa que la carbonatación del concreto es un
problema que ocurre únicamente en Europa y cita como una razón las mezclas
de concreto de menor calidad y los estándares europeos. Sin embargo, la
única diferencia de consecuencias reales entre el concreto de Europa y
el del resto del mundo es su edad: el de Europa, en general, es más viejo.
Consecuentemente, el primer lugar donde hubo que encarar la corrosión
del concreto inducida por la carbonatación fue Europa.
¿Qué es la carbonatación?
La carbonatación en el concreto es la pérdida de pH que ocurre cuando
el dióxido de carbono atmosférico reacciona con la humedad dentro de los
poros del concreto y convierte el hidróxido de calcio con alto pH a carbonato
de calcio, que tiene un pH más neutral (figura 1). ¿Por qué es un problema
la pérdida de pH? Porque el concreto, con su ambiente altamente alcalino
(rango de pH de 12 a 13), protege al acero de refuerzo ahogado contra
la corrosión. Esta protección se logra por la formación de una capa de
óxido pasivo sobre la superficie del acero que permanece estable en el
ambiente altamente alcalino. Esta es la misma capa pasivadora que atacan
los cloruros cuando alcanzan el acero de refuerzo expuesto a sales descongelantes
y ambientes marinos.
Cuando progresa la carbonatación hacia la profundidad del refuerzo, la
capa de óxido protectora y pasivadora deja de ser estable. A este nivel
de pH (por debajo de 9.5), es posible que empiece la corrosión, resultando
finalmente en el agrietamiento y astillamiento del concreto (figura 2).
Aunque la difusión del dióxido de carbono a través de los poros de concreto
pueda requerir años antes de que ocurra el daño por corrosión, puede ser
devastadora y muy costosa de reparar.
Es muy importante identificar la presencia de la carbonatación cuando
también hay cloruros en el concreto. En el concreto nuevo que tiene un
pH de 12 a 13, se requieren aproximadamente de 7,000 a 8,000 partes por
millón (ppm) de cloruros para comenzar la corrosión del acero ahogado.
Sin embargo, si el pH baja a un rango de 10 a 11, el umbral de cloruro
para la corrosión es significativamente menor -100 ppm o menos-. Por esta
razón, una investigación de la condición para la mayoría de las estructuras
de concreto en proceso de corrosión debe siempre incluir un análisis de
la profundidad de carbonatación.
Afortunadamente para los propietarios, especificadores y contratistas,
la carbonatación es una condición relativamente sencilla de identificar
y diagnosticar. La manera más fácil de detectar la carbonatación en una
estructura es romper un pedazo de concreto (preferentemente cerca de un
borde) en donde se sospeche que hay carbonatación. Después de soplar todo
el polvo residual del espécimen o del substrato, se pulveriza una solución
de 1 o 2 por ciento de fenolftaleína en alcohol sobre el concreto (figura
3). Las áreas carbonatadas del concreto no cambiarán de color, mientras
que las áreas con un pH mayor de 9 a 9.5 adquirirán un color rosado brillante.3
Este cambio muy apreciable de color muestra cuán profundamente ha progresado
el "frente" de carbonatación dentro del concreto. Existen otros métodos
y otros indicadores para detectar la carbonatación, pero éste es, con
mucho, el método más fácil y común de detección.
Las agencias de prueba calificadas realizan estas pruebas rutinariamente
como parte de una investigación de la condición en edificios y estructuras
de concreto. Además de las pruebas de carbonatación, estas investigaciones
de la condición incluyen con frecuencia pruebas de resistencia del concreto,
valoraciones de la profundidad del recubrimiento, contenido de cloruro
y permeabilidad del concreto.
Factores que afectan la carbonatación
Tal como se mencionó antes, el proceso de carbonatación es completamente
natural. También se ve afectado por variables naturales que se encuentran
en el concreto. El aumento de carbonatación depende, en gran medida, del
contenido de humedad y permeabilidad del concreto.
Contenido de humedad del concreto. Como se muestra en la figura 1, para
que tenga lugar la carbonatación, debe haber presencia de humedad. La
reacción de carbonatación avanza más rápidamente cuando la humedad relativa
en el concreto se encuentra entre 50 y 55 por ciento.4 A humedad más baja,
no hay suficiente agua en los poros del concreto para que se disuelvan
cantidades significativas de hidróxido de calcio. Por encima de 75 por
ciento de humedad, la situación se revierte y los poros se bloquean progresivamente
con agua.
Aunque esto permite que se disuelva libremente el hidróxido de calcio,
evita en gran medida el ingreso del dióxido de carbono. Así se explica
por qué diferentes lados de la fachada de un edificio de concreto, por
ejemplo, pueden variar grandemente en la profundidad de sus frentes de
carbonatación. Una fachada expuesta al mar puede tener poca carbonatación
debido a su contenido constantemente alto de humedad, mientras que la
carbonatación puede haber avanzado a niveles más profundos en los otros
lados del edificio.
Permeabilidad del concreto. El concreto permeable se carbonatará rápidamente.
Muchos años de protección contra la carbonatación pueden sumarse al concreto
reforzado si los constructores simplemente siguen las prácticas estándar
para producir concreto de baja permeabilidad. Éstas incluyen relaciones
bajas de agua/cemento, compactación apropiada por vibración, uso de puzolanas
tales como ceniza volante o humo de sílice y curado apropiado. Todas estas
prácticas reducen la permeabilidad del concreto y hacen más difícil para
que el dióxido de carbono se difunda a través de él.
Recubrimiento del concreto y defectos de superficie. La carbonatación
puede inclusive causar problemas de corrosión aun en concreto de alta
calidad. Un recubrimiento bajo del concreto y defectos de superficie tales
como grietas y pequeños hoyos proporcionan una ruta directa al acero de
refuerzo. La figura 4 muestra claramente de qué manera una grieta ha llevado
la carbonatación muy por debajo de la superficie expuesta de concreto.
No pasará mucho tiempo antes de que el acero en el área de esta grieta
empiece a corroerse debido a la pérdida de pasivación.
Del mismo modo, los pequeños hoyos pueden, a veces, dar como resultado
la pérdida de 12 mm o más del recubrimiento protector del concreto. Si
ha de usarse un recubrimiento protector anticarbonatación, los pequeños
hoyos y otros defectos de la superficie deben rellenarse primero con un
"mortero nivelante" para evitar roturas en el recubrimiento protector.
Los bordes del recubrimiento de concreto son notables por su susceptibilidad
a la corrosión inducida por carbonatación. Como se ve en la figura 5,
los bordes o las esquinas tienen dióxido de carbono que se difunde hacia
el acero de refuerzo en dos direcciones. Si el acero en estas áreas no
tuviera un recubrimiento de concreto adecuado, la carbonatación conduciría
a la corrosión y podría causar astillamiento en los bordes en muy pocos
años. Durante la construcción original, las esquinas son también áreas
donde con frecuencia el concreto no está bien compactado. Los huecos y
los agregados expuestos de la superficie reducen el recubrimiento de concreto,
permitiendo que la carbonatación alcance rápidamente el acero.
Estrategias de reparación y protección
La investigación de la condición debe siempre constituir la base para
un enfoque de reparación y protección. Antes de que pueda prescribirse
un remedio apropiado, debe completarse un diagnóstico minucioso. Para
estructuras a las que se ha diagnosticado corrosión, agrietamiento y astillamiento
inducidos por la carbonatación, existen pocas opciones de reparación.
Se puede elegir la protección catódica (PC) si el daño por corrosión es
severo.5 Sin embargo, esta es una opción costosa y requiere la continuidad
eléctrica del refuerzo, así como también costos sustanciales para el mantenimiento
progresivo. La realcalinización es una técnica bastante nueva que pretende
restaurar la alta alcalinidad del recubrimiento de concreto extrayendo
electroquímicamente un químico con alto contenido de pH en la estructura.6
Se trata también de una opción costosa con un historial muy limitado.
Con frecuencia, la opción más factible es reparar y proteger el concreto.
Esta es una técnica de reparación directa que atiende claramente la necesidad
inmediata del propietario.7 Sin embargo, la reparación del daño visible
es sólo el primer paso para una reparación duradera del concreto dañado
por la corrosión. Las áreas resanadas cubren usualmente sólo alrededor
de 15 por ciento de toda el área de la superficie, pero el área total
de ésta ha sido carbonatada. Si sólo se resana el daño visible, sin preocuparse
por las causas subyacentes, no pasará mucho tiempo antes de que ocurra
mayor astillamiento. Con frecuencia, un propietario ha pagado mucho dinero
por un enfoque de reparación para verse finalmente ante más astillamientos
en nuevas áreas en el término de dos años. Esto se debe a que el problema
de la carbonatación nunca se resolvió de manera efectiva.
Recubrimientos anticarbonatación. Para detener efectivamente el avance
del "frente de carbonatación", con frecuencia se emplean recubrimientos
anticarbonatación. Al contrario de las pinturas de mampostería o los recubrimientos
elastoméricos comunes, los recubrimientos anticarbonatación están específicamente
diseñados para detener el ingreso del dióxido de carbono. Existen en Europa
métodos de prueba estandarizados para evaluar la resistencia al dióxido
de carbono de un recubrimiento. La figura 6 muestra la ilustración de
una de tales pruebas, donde puede medirse el coeficiente de difusión del
CO2 de un material. Estas pruebas han demostrado que un recubrimiento
anticarbonatación de alta calidad puede agregar protección a la varilla
de refuerzo en una cantidad igual a muchos centímetros de recubrimiento
de concreto. Los recubrimientos anticarbonatación deben ser recubrimientos
respirables que puedan obtenerse en variedades rígidas o capaces de puentear
grietas.
Es importante entender que no todos los recubrimientos resisten el dióxido
de carbono. Muchos recubrimientos elastoméricos impermeables al agua no
forman una barrera efectiva para el CO2. El uso de tal recubrimiento puede,
en efecto, acelerar la carbonatación, secando el concreto a tal grado
que permita el ingreso más rápido del CO2.
De manera similar, los selladores penetrantes con frecuencia se usan erróneamente
para proteger contra la carbonatación. Los materiales a base de silicón
tales como los silanos y los siloxanos son repelentes del agua, pero no
evitan que entre el dióxido de carbono a los poros del concreto. Y al
secar el concreto, también pueden incrementar la rapidez de carbonatación.4
Inhibidores de corrosión. Refiriéndonos nuevamente a la figura 2, la gráfica
inferior muestra que el frente de carbonatación ha alcanzado ya la profundidad
del refuerzo de acero. En situaciones como ésta, el recubrimiento anticarbonatación,
aunque detiene el progreso ulterior de la carbonatación, no podrá detener
la corrosión existente que ya está teniendo lugar. La investigación ha
demostrado que existe todavía suficiente humedad en el concreto para continuar
corroyendo la varilla de refuerzo.8
La tecnología actualmente en desarrollo de los inhibidores de corrosión
puede ayudar a resolver la corrosión existente. En estas situaciones,
los inhibidores de corrosión aplicados a la superficie, y que se pueden
difundir a través del concreto que sirve de recubrimiento, pueden aplicarse
en espray o con rodillos en la superficie de concreto antes de aplicar
un recubrimiento anticarbonatación.
Este enfoque utiliza el inhibidor de corrosión para tratar la corrosión
existente en la varilla de refuerzo, y el recubrimiento anticarbonatación
agrega una protección efectiva. Los inhibidores de corrosión pueden probar
su efectividad cuando se usan en situaciones similares, con selladores
y membranas, donde los cloruros han alcanzado ya el nivel del refuerzo.
Es necesario que en Estados Unidos se reconozca la carbonatación como
una causa seria de la corrosión del acero de refuerzo. A diferencia de
los cloruros, el papel de la carbonatación en la corrosión de la varilla
de refuerzo se ha descuidado con mucha frecuencia. Para evitar esto, las
pruebas de la profundidad de la carbonatación deben siempre incluirse
en la evaluación del concreto dañado por corrosión.
Referencias
1. Parrot, L.J., "A Review of Carbonation in Reinforced Concrete", Cement
and Concrete Association, Building Research Establishment, julio de 1987.
2. Roberts, M.H., "Carbonation of Concrete Made with Dense Natural Aggregates",
BRE Information Paper, abril de 1981.
3. Campbell, D.H., R.D. Sturm y S.H. Kosmatka, "Detecting Carbonation",
Concrete Technology Today, marzo de 1991.
4. Davies, H. y G.W. Rothwell, "The Effectiveness of Surface Coatings
in Reducing Carbonation of Reinforced Concrete", BRE Information Paper,
mayo de 1989.
5. Broomfield, J.P., "Cathodic Protection of Reinforced Concrete", Society
for the Cathodic Protection of Reinforced Concrete, Report núm. 001.95,
1995.
6. Mietz, J., B.Isecke, B. Jonas y F. Zwiener, "Restoration of Reinforced
Concrete Structures by Electrochemical Realkalization", Proceedings from
the Third International Colloquium on Material Science and Restoration,
Berlín, Alemania, 1991.
7. "Guide for Surface Preparation for the Repair of Deteriorated Concrete
Resulting from Reinforcing Steel Corrosion", International Concrete Repair
Institute, 1995.
8. Chaker, V., M. Funahashi y W. Awiat,"The Use of Linear Polarization
to Evaluate the Effectiveness of Membranes at the New York Trade Center",
NACE Annual Conference and Corrosion Show, marzo de 1991.
Rick Montani es director de producto de ingeniería en Sika Corp, Lyndhurst,
N.J.
Este artículo se publicó en Concrete Repair Digest y se reproduce con
la autorización de The Aberdeen Group.
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A menudo poco
atendida, la carbonatación es un proceso de avance lento pero continuo
que culmina con la corrosión del acero en el concreto reforzado y llega
a dañar seriamente una estructura. El perjuicio y el costo que esto puede
acarrear son razones suficientes para reconocer el valor de esta información,
en la que se define el fenómeno y se explica cómo se produce, cómo se
detecta y cómo se combate.
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