Prevención y gestión de la corrosión de barras de refuerzo en hormigón armado

El hormigón armado (HA) es un material compuesto que comprende barras de refuerzo de acero (varillas) incrustadas en una masa de hormigón. Las varillas soportan la mayor parte de la carga de tracción e imparten un grado de resistencia al agrietamiento al hormigón que en sí mismo está cargado a compresión. El acero en hormigón está normalmente en una condición no corrosiva, pasiva. Sin embargo, las condiciones no corrosivas, pasivas no siempre se logran en la práctica, debido a lo cual tiene lugar la corrosión de las varillas. La corrosión de las varillas tiene consecuencias físicas como la disminución de la resistencia última y la durabilidad de las estructuras de hormigón. La corrosión de las varillas de acero en hormigón es un gran problema universal. El daño que ocurre por la corrosión puede en gran medida reducir la durabilidad e integridad estructural del HA. El daño inducido por corrosión a la estructura de hormigón requiere una reparación temprana o en algunos casos el reemplazo completo de la estructura de hormigón.

Cada vez que la barra de refuerzo incrustada en acero se corroe, los productos de corrosión aumentan su volumen. Todas las formas de óxido e hidróxido de hierro tienen volúmenes específicos que son mayores que el del acero. Las fuerzas expansivas generadas por la corrosión del acero conducen a agrietamiento por tracción y manchas de óxido en el hormigón. Esto, a su vez, causa reducción en la durabilidad e integridad estructural del hormigón además de afectar su estética. Una vez que comienza la corrosión, es solo cuestión de tiempo antes de que una cantidad acumulada de daño ocurra en la estructura de hormigón y falle mucho antes de su vida de diseño.

Causas principales de la corrosión de varillas en hormigón

Las dos causas principales de la corrosión de las varillas en hormigón son: (i) fallo localizado de la película pasiva en el acero por iones cloruro, y (ii) fallo general de la pasividad por neutralización de la alcalinidad del hormigón debido a la reacción con CO2 atmosférico (dióxido de carbono). Los principales factores que afectan la corrosión de varillas en HA son: (i) pérdida de alcalinidad debido a carbonatación, (ii) pérdida de alcalinidad debido a cloruros, (iii) grietas en el hormigón por carga mecánica, (iv) corrientes parásitas, (v) contaminación atmosférica, (vi) vías de humedad, (vii) relación agua-cemento, (viii) baja resistencia a tracción del hormigón, (ix) contacto eléctrico con metales disímiles, y (x) corrosión debido a diferencias en entornos.

Naturaleza electroquímica de la corrosión del acero en hormigón

La corrosión puede definirse como el deterioro o destrucción de un material por reacción con su entorno. Es un proceso electroquímico (Figura 1), que requiere un flujo de corriente eléctrica y muchas reacciones químicas. Un ejemplo del proceso electroquímico es una celda galvánica. Para que una celda electroquímica funcione, tres elementos básicos son necesarios: (i) ánodo, (ii) cátodo, y (iii) electrolito. Un ánodo es una unidad productora de electrones, mientras que el cátodo es la unidad consumidora de electrones. El electrolito es un medio a través del cual puede ocurrir el flujo iónico. Las reacciones típicas en el ánodo y cátodo para la corrosión del hierro son: (i) reacción anódica Fe = Fe(++) + 2e(-) (oxidación), reacción catódica 2H(+) + 2e(-) = H2 (reducción), y reacción de despolarización 2H(+) + 2e(-) + 0.5 O2 = H2O.

En el ánodo, el hierro metálico (Fe) se oxida y se generan electrones. Dado que el metal debe permanecer en un estado de equilibrio de electrones, una cantidad igual de electrones se consumen en el cátodo para formar gas hidrógeno (H2). El gas H2 tiende a permanecer cerca de la superficie de la varilla y la reacción se vuelve auto-inhibidora. Se dice entonces que el cátodo está polarizado y no es posible más reacción a menos que la película protectora de H2 sea removida (despolarizada). El H2 puede evolucionar como gas, pero este proceso es normalmente bastante lento. Más importante es la ruptura de la película de H2 por la acción despolarizante del oxígeno (O2). En este caso, el O2 actúa para prevenir la acumulación de gas H2 consumiendo los electrones libres. Una vez que la capa de H2 se rompe, las reacciones de corrosión son libres para continuar.

Dado que los iones de sodio y cloruro no participan en la reacción, la reacción total puede expresarse como la suma de las reacciones anódicas y de despolarización. Haciendo uso de la reacción H2O = H(+) + OH(-) se da la reacción principal de corrosión como Fe + H2O + 0.5 O2 = Fe(OH)2. El compuesto que precipita es hidróxido ferroso, una forma de óxido con color blanquecino. Sin embargo, en soluciones oxigenadas, el hidróxido ferroso se oxida aún más a hidróxido férrico. El producto finalmente formado es el familiar óxido marrón rojizo.

Tipos de corrosión de varillas

Hay dos tipos de corrosión que se observan en las varillas incrustadas en hormigón. Estos son: (i) corrosión en grietas, y (ii) corrosión por picaduras. La corrosión en grietas es una forma localizada de corrosión usualmente asociada con una solución estancada en el nivel micro-ambiental. Tales micro-entornos estancados tienden a ocurrir en grietas (áreas protegidas). El O2 en el líquido que está profundo en la grieta es consumido por reacción con el metal. El contenido de O2 del líquido en la boca de la grieta que está expuesto al aire es mayor. Por tanto, se forma una celda local en la cual el ánodo (área bajo ataque) es la superficie en contacto con el líquido agotado de O2. En el caso de corrosión por picaduras, las teorías de pasividad caen en dos categorías generales. La primera se basa en adsorción, mientras que la segunda se basa en la presencia de una película de óxido delgada. La corrosión por picaduras en el primer caso surge como especies perjudiciales o activadoras, como el ion cloruro, compiten con O2 o ion hidroxilo en sitios de superficie específicos. Por la teoría de la película de óxido, las especies perjudiciales se incorporan en la película pasiva, conduciendo a su disolución local o al desarrollo de caminos conductivos. Una vez iniciadas, las picaduras se propagan auto-catalíticamente, resultando en acidificación de la región activa y corrosión a una tasa acelerada.

Mecanismo de corrosión

En un medio de uniformidad perfecta, la corrosión es muy improbable que ocurra. Sin embargo, el hormigón armado no es en absoluto un material homogéneo y las celdas de corrosión se establecen cuando existen ciertas condiciones. Hay numerosas razones para la no-uniformidad del hormigón que favorece la corrosión. El hormigón puede ser alveolar, poroso, y desigualmente húmedo y seco. El agrietamiento causa diferencias en el esfuerzo del acero, aireación diferencial, y depósitos de sal. Siempre hay no-uniformidades inherentes en la varilla misma debido a esfuerzos residuales iniciales bloqueados y los procesos de fabricación. Como resultado, las regiones de potencial más bajo se vuelven anódicas y las regiones de potencial más alto se vuelven catódicas. El hormigón húmedo actúa como electrolito, la acción del cual se acelera aún más si existen iones de sal. La corrosión en hormigón armado normalmente cae bajo dos grupos generales: (i) hormigón agrietado, y (ii) hormigón no agrietado.

En el caso de hormigón fresco no agrietado, normalmente hay amplia resistencia al ataque corrosivo. El recubrimiento de hormigón sobre la varilla es muy efectivo en inhibir la penetración de agentes corrosivos al nivel del acero. Es obvio que cuanto más grueso y denso es el recubrimiento de hormigón, más efectivo se vuelve en resistir la corrosión. Además, el hormigón fresco tiene un valor de pH muy alto que usualmente inhibe las reacciones de corrosión. El número de pH es un índice de la acidez o alcalinidad de un medio. Números de 0 a 7 indican acidez de una solución (en la cual la corrosión se promueve), y números de 7 a 14 indican alcalinidad de la solución (en la cual la corrosión se retrasa). El hormigón fresco tiene un alto contenido de Ca(OH)2 (hidróxido de calcio) que le da un pH de alrededor de 13. La última defensa contra la corrosión es ofrecida por la película de óxido azul (escama de laminación) alrededor de la superficie de la varilla. Esta película de óxido previene que los agentes corrosivos entren en contacto directo con el metal desnudo. Así, la escama de laminación proporciona protección contra la corrosión localizada.

Sin embargo, a medida que pasa el tiempo, las condiciones anteriores tienden a alterarse. Agua, sal, O2, CO2, y gases industriales (si están presentes) comienzan lentamente a penetrar el hormigón, la tasa de la cual depende de la permeabilidad del recubrimiento de hormigón. El CO2, que penetra en el hormigón a través de poros y grietas, reacciona con Ca(OH)2 y produce carbonato de calcio. Así, tanto el valor de pH como la calidad protectora del hormigón se reducen. El mecanismo general por el cual ocurre la corrosión en el hormigón se muestra en la Figura 2.

La probabilidad de corrosión es alta cuando el pH del hormigón cae tan bajo como 8. La cristalización de sal y efectos de congelación-descongelación establecen fuerzas internas que afectan adversamente la durabilidad del recubrimiento de hormigón. A medida que un medio corrosivo alcanza el acero, concentra su ataque en los defectos de la película de óxido. Más importante, si hay sal presente, destruye la pasividad de la película de óxido en el acero y la corrosión se promueve así.

Es obvio que en grietas grandes en el hormigón, la fase de penetración de la secuencia anterior es considerablemente más corta y la corrosión comienza rápidamente en el acero debajo de las grietas. En regiones no agrietadas del hormigón, la misma secuencia tiene lugar como se describe, pero a una tasa muy reducida. Es decir, la corrosión se inicia tan pronto como el medio que promueve la corrosión penetra a través del hormigón al nivel del acero.

Debe recordarse que la presencia de sal es un factor importante en el proceso de corrosión. Los iones de sal destruyen la pasividad del acero, establecen celdas de corrosión, y aumentan la conductividad del electrolito. Sin iones de sal, la corrosión de la varilla en hormigón puede inhibirse por un largo período de tiempo. En ese caso, la tasa de corrosión generalmente está controlada por los procesos de carbonatación. Si el recubrimiento de hormigón es relativamente impermeable y grueso, la corrosión no puede ocurrir en absoluto en áreas no agrietadas. Sin embargo, las grietas no pierden su importancia en este caso porque la corrosión localizada puede ocurrir debajo de ellas.

Los productos de corrosión formados tienden a tener un efecto inhibitorio sobre las reacciones corrosivas continuadas. Estos productos pueden sellar el metal base de la difusión de O2 y H2 y así terminar las reacciones de corrosión. Este proceso se conoce como corrosión auto-limitante. Una corrosión auto-limitante puede tener lugar en altas relaciones C/D (espesor de recubrimiento / diámetro de varilla) que parecen determinar la ocurrencia y extensión de agrietamiento longitudinal a lo largo de las varillas. El agrietamiento longitudinal es principalmente debido a las fuerzas de tracción creadas por los productos de corrosión que ocupan alrededor de tres veces mayor volumen que el acero del cual se forman. Si el recubrimiento de hormigón no es suficiente para resistir tales fuerzas, se desarrollan grietas longitudinales a través de las cuales O2 y otros agentes externos ganan acceso al acero. En este punto, es solo cuestión de tiempo hasta que la estructura alcance un estado peligroso de corrosión y deba ser reparada o reemplazada. Las cargas repetidas también pueden jugar un papel en romper el efecto protector de la escala de óxido, pero se necesita más estudio para establecer su importancia.

El acero es termodinámicamente inestable en la atmósfera de la Tierra y, por tanto, siempre tiende a revertir a un estado de energía más bajo, como un óxido o hidróxido, por reacción con O2 y agua. Estos procesos ocurren continuamente. La cuestión de interés en el uso del acero es controlar estos procesos para que ocurran en la práctica. Afortunadamente, solo los átomos de la superficie del acero están expuestos a la atmósfera y, por tanto, están disponibles para reaccionar. En el caso de una barra de 15 mm de diámetro, esto equivale a solo alrededor de 1 en cada 40 millones de átomos. Cualquier recubrimiento en el acero reduce este número aún más.

Para acero incrustado en hormigón, el hormigón en sí proporciona un recubrimiento que limita el acceso de agua y O2 a la superficie del acero. Un segundo aspecto benéfico del hormigón es que la solución en los poros de la pasta de cemento tiene una alcalinidad muy alta y, como se indica en el diagrama de Pourbaix en la Figura 3, a los niveles de pH típicos del hormigón, los productos de corrosión que se forman son insolubles. Producen un recubrimiento protector muy delgado (alrededor de pocos nanómetros) en el acero (una película pasiva) que limita la pérdida de metal de la superficie del acero debido a la corrosión a alrededor de 0.1 micrómetros a 1.0 micrómetros por año. Generalmente se considera que, a estas tasas de corrosión pasiva, el acero incrustado en hormigón no se degrada notablemente dentro de una vida de 75 años y el volumen de productos de corrosión no es suficiente para causar esfuerzos dañinos dentro del hormigón. La película pasiva no se forma inmediatamente, pero comienza tan pronto como el pH del agua de mezcla sube en el hormigón cuando el cemento comienza a hidratarse y se estabiliza durante la primera semana para proteger el acero de la corrosión activa.

La corrosión, ya sea a la tasa pasiva insignificante o a la tasa activa dañina, es un proceso electroquímico, que involucra el establecimiento de reacciones de media celda anódicas y catódicas en los niveles microscópicos y/o macroscópicos. En soluciones de alto pH y en ausencia de iones cloruro, la reacción de disolución anódica del hierro está balanceada por la reacción catódica donde los iones Fe2+ se combinan con los iones OH- para producir la película pasiva estable.

Tanto las reacciones anódicas como catódicas son necesarias para que el proceso de corrosión tenga lugar concurrentemente. El ánodo puede estar ubicado uno al lado del otro o pueden estar separados. Cuando están ubicados inmediatamente uno al lado del otro, es decir, en una escala microscópica, la celda de corrosión resultante se refiere como corrosión de micro-celda. Cuando están separados por alguna distancia finita, la celda de corrosión resultante se refiere como corrosión de macro-celda. La corrosión de las varillas en hormigón puede deberse a una combinación de corrosiones de micro-celdas y macro-celdas. La Figura 4 muestra tanto las corrosiones de micro-celdas como de macro-celdas de varillas en hormigón.

Corrosión inducida por cloruros

El mecanismo por el cual los iones cloruro rompen la película pasiva no se comprende completamente, en gran parte porque la película es demasiado delgada para ser examinada y porque los eventos ocurren dentro del hormigón. Una hipótesis es que los iones cloruro se incorporan en la película pasiva y reducen su resistencia. Esta incorporación no es uniforme y, donde ocurre, permite una reacción más rápida y el establecimiento de un área anódica donde la corrosión continúa mientras el acero restante permanece pasivo (Figura 5b).

Una segunda hipótesis es que los iones Cl- "compiten" con los aniones OH- para combinarse con los cationes Fe2+ y, dado que los iones Cl- forman complejos solubles con los iones Fe2+, no se forma una película pasiva y el proceso estimula una mayor disolución del metal. Los complejos solubles de hierro-cloruro se difunden lejos del acero y posteriormente se descomponen, resultando en la formación de productos de corrosión expansivos y, simultáneamente, liberando los iones Cl-, que entonces pueden migrar de vuelta al ánodo y reaccionar más con el acero. En este proceso general, los iones hidroxilo son consumidos continuamente, disminuyendo localmente el pH (es decir, haciendo la solución ácida en esa región localizada) y, así, mejorando una mayor disolución del metal. Los iones Cl-, por otro lado, no son consumidos y el ataque se vuelve "auto-catalítico". Finalmente, la sección transversal de refuerzo y su resistencia estructural se ven seriamente comprometidas.

Cualquiera de estos mecanismos hipotetizados explica la naturaleza local del ataque a menudo observado. Las áreas localmente activamente corroyéndose se comportan como ánodos, mientras que las áreas pasivas restantes se vuelven cátodos donde tiene lugar la reducción de O2 disuelto. Las celdas galvánicas pueden ser macro o micro en escala dependiendo de varios factores. Así, el ánodo y cátodo pueden estar ampliamente separados o pueden ser adyacentes a escala atómica.

Dependencia temporal de la corrosión de varillas

El proceso de corrosión de las varillas tiene tres etapas distintas: (i) iniciación, (ii) despasivación, y (iii) propagación. La iniciación precede a la despasivación, que es seguida por propagación para alcanzar el estado final (Figura 6). Después de la iniciación, aparece una grieta en la superficie externa del hormigón que se propaga y causa más daño y se desarrolla en. La vida de servicio se determina cuando la varilla alcanza el estado final, que es el tiempo cuando comienza el descascarado del hormigón.

Productos de corrosión

La consecuencia más perjudicial de la corrosión inducida por cloruros de las varillas es la acumulación de productos de corrosión voluminosos e insolubles en el hormigón, lo que conduce a esfuerzos internos y, finalmente, a agrietamiento y descascarado del recubrimiento de hormigón. Claramente, una vez que tal daño es visualmente aparente, las varillas son propensas a un ataque corrosivo muy rápido porque el acceso a O2 y humedad ya no está limitado por la difusión a través del recubrimiento de hormigón. Todas las formas de óxidos e hidróxidos de hierro tienen volúmenes específicos altos que son mayores que el volumen de acero de la varilla (Figura 7). Por tanto, el grado de daño al hormigón producido por una cierta cantidad de corrosión depende de los productos de corrosión específicos formados y su distribución dentro del recubrimiento de hormigón, así como de la porosidad y resistencia del hormigón en sí.

A veces se asume que los productos de corrosión son óxido, es decir, Fe2O3.3H2O y, porque este producto de color naranja se observa en hormigón dañado. Por tanto, también se asume que los productos de corrosión son más de seis veces más voluminosos que el acero del cual se forman y los esfuerzos predichos en el hormigón se basan en esta conclusión. De hecho, el análisis de los productos formados indica que hay otros productos como se muestra en la Figura 7 que tienen un volumen específico que varía entre 2.2 veces y 3.3 veces el del acero. Solo después del agrietamiento y descascarado, y, por tanto, exposición a la atmósfera, estos productos se convierten en el familiar óxido.

Parámetros que influyen en la corrosión del acero en hormigón

Los parámetros que influyen en la corrosión del acero en hormigón se muestran en la Figura 8. Los parámetros relacionados con el acero son propiedades metalúrgicas, oxidación previa, tamaño de la barra, y disposición del acero.

Propiedades metalúrgicas

Es quizás de conocimiento común que muchos elementos aleados con acero producen mayor resistencia a la corrosión. Los principales elementos inhibidores de la corrosión incluyen cobre (Cu), níquel (Ni), y cromo (Cr), la mayoría de los cuales están presentes en proporciones insignificantes en el acero para varillas. Combinaciones específicas de estos y otros elementos se han encontrado para mejorar la resistencia a la corrosión de los aceros, pero desde un punto de vista práctico han tenido poco impacto en la aplicación de aceros de varillas en hormigón.

Las diferencias metalúrgicas localizadas en la estructura atómica del acero causan campos de energía diferenciales dentro del acero y promueven la formación de las regiones anódicas y catódicas necesarias para la corrosión electroquímica. Estas regiones son, en efecto, diferentes materiales en contacto entre sí. Los campos de energía usualmente están asociados con dislocaciones, límites de grano desajustados, inclusiones, impurezas, límites de fase metalúrgica, etc. Por ejemplo, se ha determinado que la fase ferrítica del acero es fácilmente atacada, mientras que la cementita es resistente a la corrosión. Donde ambas fases existen adyacentes entre sí, la cementita se vuelve el cátodo y la ferríta se vuelve el ánodo y se desarrolla una celda de corrosión.

Debe reconocerse que las fuentes de campos de energía diferenciales para celdas de corrosión están presentes en todos los aceros comerciales y, por tanto, debe encontrarse un medio de inhibir la corrosión que no sea intentar homogeneizar los aceros, lo cual es impráctico y de efectividad cuestionable. Por esta razón, es afortunado que el efecto de estos varios campos de energía sobre la corrosión del acero de varilla sea mínimo mientras el pH del hormigón circundante permanezca relativamente alto (en el rango de 10 a 13).

Además de las fuentes de celdas de corrosión asociadas con la estructura atómica básica del acero, la superficie de la varilla ofrece oportunidades adicionales para la formación de celdas. Factores como rugosidad superficial, rayones, cortes, y particularmente la escama de laminación son frecuentemente responsables de la iniciación de la corrosión. Si la escama de laminación formada durante el laminado en caliente del acero no resulta en un recubrimiento de escama continuo, entonces las áreas superficiales recubiertas con escama de laminación son catódicas a las áreas adyacentes sin recubrir.

En ciertas aplicaciones, los recubrimientos metálicos ofrecen protección contra la corrosión a las superficies de acero. Sin embargo, tales recubrimientos catódicos como Ni y Cu no son efectivos en aceros de varillas ya que son relativamente costosos y es probable que se dañen durante la construcción, creando así condiciones serias de corrosión localizada. El cadmio (Cd) y el zinc (Zn) son anódicos al acero y pueden usarse como recubrimientos sacrificiales. Los recubrimientos galvanizados en varillas son quizás prácticos, pero para ser efectivos, el recubrimiento debe ser de espesor adecuado.

Oxidación previa de varillas

La condición de las varillas antes del encastrado tiene influencia considerable. En algunas normas, se requiere que el óxido suelto, "escamoso", sea removido del acero de varilla antes del uso y que el manejo rudo normal generalmente remueve el óxido perjudicial. Por otro lado, algunas otras normas son menos restrictivas con respecto a la oxidación previa de varillas en que se permite el uso de varilla oxidada previamente siempre que se cumplan los requisitos de altura de deformación, dimensiones y peso de barra cepillada.

Además, se ha reportado que el óxido normal realmente aumenta la adherencia. También se ha encontrado que para hormigón de 14 días de edad, el uso de malla soldada de alambre oxidado previamente resultó en menor deslizamiento de adherencia en comparación con alambre limpio. Sin embargo, los efectos a largo plazo del uso de varillas oxidadas previamente no están bien definidos. Esto es especialmente crítico para estructuras expuestas. De hecho, se ha sugerido que la oxidación previa de tendones de pre-tensado puede causar corrosión seria después del encastrado en lechada de hormigón. La misma preocupación puede expresarse para varillas de refuerzo oxidadas previamente en elementos estructurales expuestos.

Tamaño de la barra y disposición del acero

Hay relativamente pocos estudios de corrosión que han incluido variables relacionadas con el tamaño de la barra y la disposición del acero. En un estudio, se ha determinado que una malla soldada de varillas es susceptible a no más corrosión que las varillas individualmente aisladas. En otro estudio, se ha observado que existe una relación entre el espaciamiento de barras y el agrietamiento inducido por corrosión. En este estudio, varillas espaciadas a 300 mm generalmente desarrollaron descascarados tipo zanja, mientras que aquellas varillas espaciadas a 150 mm tendieron a desarrollar planos debilitados.

Medidas preventivas

Para reducir y prevenir la corrosión de barras de refuerzo de acero en hormigón, se emplean varios métodos. Algunos están relacionados con la fabricación de hormigón, mientras que otros están relacionados con la calidad, composición y recubrimiento del acero usado en la fabricación de barras de refuerzo. La elección se hace normalmente basada en el costo. Los recubrimientos empleados en las varillas son: (i) galvanizado en caliente, (ii) recubrimiento epoxi fusionado, y (iii) revestimiento de acero inoxidable. Barras de refuerzo de aceros inoxidables también se están usando. Los recubrimientos sufren de la desventaja ya que los recubrimientos pueden ser dañados físicamente o penetrados electroquímicamente de modo que el acero base es nuevamente vulnerable al proceso de corrosión usual. Barras de acero de composición especial para resistir la corrosión también se han probado. Varias plantas siderúrgicas han experimentado con diversas composiciones de aceros de intemperie. Sin embargo, después de pruebas extensivas, se ha encontrado que hay un rendimiento consistentemente pobre de los aceros de intemperie cuando se entierran. Por tanto, la producción de barras de refuerzo de acero ha sido abandonada por la mayoría de los productores.