DURABILIDAD DE LAS ESTRUCTURAS: CORROSIN POR CARBONATACIN. INFLUENCIA DEL ESPESOR Y CALIDAD DEL

RECUBRIMIENTO

Revista Cemento Ao 6, N 25

Con frecuencia se comenta que el acero y el hormign pueden conformar el "hormign armado" porque presentan buena adherencia y sus coeficientes de dilatacin trmica son del mismo orden. Pero no se debe olvidar otro factor, no menos importante: la proteccin que el hormign brinda a las armaduras contra la corrosin. El pH fuertemente bsico del hormign (aproximadamente 12,5) conduce a la formacin de un "film protector" sobre las armaduras y, en estas condiciones se dice que el acero est " pasivado "; esto es, an en presencia de oxigeno y humedad, no se oxida. Esta caracterstica permite asegurar una prolongada vida til al material y a las estructuras, la que depender de cuando se inician los procesos de corrosin y con qu velocidad avanzan luego que se hayan iniciado. Dicho en otros trminos, al perodo de tiempo hasta que las armaduras empiezan a corroerse se lo denomina "perodo de incubacin" y el correspondiente al avance de la corrosin propiamente dicha, "perodo de propagacin. La experiencia muestra que la corrosin de la armadura es el problema ms frecuente entre las causas de patologas en estructuras de hormign armado. Comprender cules son los factores ms comunes que alteran el mecanismo de proteccin que brinda el hormign al acero, permitir encontrar los medios para retardar el inicio de la corrosin o, lo que es lo mismo, prolongar el perodo de incubacin y aumentar la vida til. Los factores externos que mayor influencia tienen sobre la corrosin de las armaduras son el ingreso de iones cloruro y la carbonatacin. En este artculo se analiza esta ltima. Proceso de carbonatacin En el proceso de hidratacin del cemento portland se producen silicatos de calcio hidratados, responsables de la resistencia y un compuesto alcalino, hidrxido de calcio o portlandita, que provee el pH bsico del hormign. En contacto con el aire, este hidrxido de calcio se combina con el dixido de carbono para formar una sal, el carbonato de calcio, reduciendo el pH del hormign a valores cercanos a 9, o sea menos alcalinos (recordemos que pH = 7 representa una solucin neutra). Esto se representa qumicamente del modo siguiente:

El fenmeno de carbonatacin es progresivo pero lento, pudiendo idealizarse un "frente de carbonatacin" que avanza hacia el interior del hormign. Hacia el exterior de este "frente", el pH es aproximadamente 9 y hacia el interior, se mantiene alrededor de 12,5. Para pH inferiores a 11, se pierde la condicin de pasividad para las armaduras y, si las condiciones del medio son favorables para la corrosin (humedad, oxgeno, temperatura), el acero se oxida, provocando un aumento localizado de volumen, fisuras y hasta descascaramiento del hormign que lo recubre. Paralelamente, se va reduciendo la seccin resistente de las armaduras, pudiendo llegarse a situaciones de riesgo y hasta colapso. Perodos de incubacin y de propagacin Se acepta que los primeros signos aparecen cuando la profundidad de corrosin en el acero ha alcanzado el valor de 100 m [CEN, 1992]. O sea que la condicin lmite de diseo debe ser que la profundidad de corrosin del acero alcance dicho valor a la edad proyectada para la vida til. El Perodo de Incubacin, que corresponde al proceso de penetracin del frente de carbonatacin, est caracterizado por un tiempo tj que es el necesario para que el mismo alcance la posicin de la armadura y sta se despasive. Este perodo depende bsicamente del espesor y de la calidad del recubrimiento. El Perodo de Propagacin corresponde al proceso de corrosin propiamente dicho de la armadura, una vez despasivada por la carbonatacin. Este perodo est caracterizado por un tiempo tp que es el necesario para que el fenmeno de corrosin de la armadura haya alcanzado los 100 m de profundidad en el acero y que comiencen a manifestarse fisuras visibles sin desprendimiento del recubrimiento. Este tiempo depende bsicamente de la humedad relativa en el hormign de recubrimiento ya carbonatado y de la conductividad elctrica del hormign. La vida til en servicio ser igual a la suma del tiempo de incubacin ms el de propagacin; en nuestro caso: tj + tp El tiempo de propagacin tp se estima en funcin de la humedad relativa (HR) prevista para la condicin de exposicin y el tiempo de incubacin tj se obtiene por diferencia a la vida til de proyecto. La Figura 1 ilustra esquemticamente estos conceptos, supuesta una vida til proyectada de 50 aos.

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O (en presencia de humedad)

Determinacin de la posicin del frente de carbonatacin. Una forma sencilla de determinar la posicin del frente de carbonatacin es el empleo de una solucin de fenolftalena en alcohol, que muestra un color fucsia intenso en la zona no carbonatada. En la fotografa 1 se observa un testigo de hormign con un avance del frente de carbonatacin de ms de 40 mm. Otras tcnicas, ms sofisticadas, permiten determinar con precisin la ubicacin del frente de carbonatacin. La fotografa 2 muestra una lmina delgada de hormign observada con luz polarizada. El color marrn en la pasta corresponde a la zona carbonatada.

Fig. 1. Proyeccin de los perodos de incubacin y propagacin de la corrosin

Foto 1. Testigo de hormign donde se detecta la zona carbonatada por ausencia de color fucsia

Foto 2. Corte delgado de hormign observado con luz polarizada y lmina retardadora de yeso

Velocidad de avance del frente de carbonatacin Dado que el ingreso del dixido de carbono es un proceso de tipo difusivo, puede estimarse que el espesor de la capa carbonatada es proporcional a la raz cuadrada del tiempo. Dicha proporcionalidad puede expresarse como una ecuacin si se conoce el valor de la constante K o constante de carbonatacin. La constante K depende bsicamente de 4 parmetros: La concentracin de CO2 en el aire. La permeabilidad del hormign de recubrimiento. La humedad relativa del hormign de recubrimiento (que depende de la

humedad relativa ambiente y en parte, de la calidad del material). El contenido de CaO en la pasta de cemento hidratada del recubrimiento (que

depende del contenido de cemento en el hormign, de su grado de hidratacin y del tipo de cemento).

(*) Nota: para hormigones expuestos a la intemperie (mojado y secado frecuentes), la velocidad de carbonatacin suele ser sensiblemente menor a la indicada por la ecuacin (1). Mejorando la calidad del hormign se puede reducir el valor de la constante y retrasar el avance del frente de carbonatacin, lo que equivale a aumentar el perodo de incubacin y, por lo tanto, la vida til de la estructura. Caractersticas del hormign de recubrimiento Si se analiza una seccin esquemtica de un elemento de hormign armado se ve que, en lo que respecta a la proteccin de las armaduras, poco importa la calidad del hormign interno. Es justamente el hormign del recubrimiento el que debe servir de "barrera" adecuada al ingreso de agentes agresivos. [Figura 2] El hormign de recubrimiento (o "covercrete", en ingls) presenta por lo general una calidad inferior al hormign interno, ya sea como consecuencia de secado prematuro, insuficiente compactacin, excesiva exudacin, segregacin y microfisuracin. Por estos motivos, las determinaciones tradicionales de resistencia de probetas y testigos calados de la estructura no representan la calidad del hormign de recubrimiento y por lo tanto son malos indicadores de la futura durabilidad de la estructura.

e = K Tiempo (1) (*)

En la actualidad, existen medios eficaces para evaluar la calidad del hormign de recubrimiento, aplicables tanto "en condiciones de laboratorio como in situ. Estos mtodos permiten establecer pautas claras para determinar condiciones de aceptacin en estructuras construidas y son tiles para disear hormigones capaces brindar una vida til determinada.

Fig.2. Calidad del hormign de recubrimiento en una estructura real