La corrosión del acero por cloruros en el concreto armado

Las pérdidas económicas causadas por la corrosión del acero de refuerzo, en las estructuras de concreto son considerables, únicamente en los Estados Unidos se calculan en billones de dólares por año.

Las primeras experiencias de corrosión inducidas por el ion cloruro fueron estudiadas en el período 1940-1960, en estructuras pretensadas de concreto con aditivos de cloruro de calcio. Posteriormente, con el empleo extensivo de sales de deshielo a base de cloruro de calcio en pavimentos, se incrementó la investigación en los años 1965 a 1975. Finalmente, por el desarrollo de las estructuras marítimas, como es el caso de las plataformas de petróleo y el incremento de la construcción en el Oriente Medio, se observaron nuevos problemas de corrosión inducida por cloruros, potenciada por el ambiente marino, clima cálido y las circunstancias de las zonas áridas, en las cuales se comprobó la ineficacia de las regulaciones de protección generalmente aceptadas en países del Norte.

La corrosión por cloruros en concreto armado.

En el concreto armado el refuerzo de acero se encuentra doblemente protegido contra la corrosión. En efecto, el recubrimiento de las barras opone una barrera física para la penetración del agua y del oxigeno del entorno. Además el acero en el concreto se encuentra rodeado por una fina capa de óxido, transparente, compacta y continúa, que crea condiciones de pasivación. La capa pasivante se forma en el proceso de hidratación del cemento y permanece por la elevada del calcio, en especial por la actividad de la Portlandita Ca (OH)₂ que crea un pH alrededor del 12.4 y el contenido de álcalis que puede elevar el pH a 13.2.

La película protectora que cubre el acero es destruida puntualmente en al corrosión inducida por los iones de cloruro presentes en la interfase con el acero, formándose una superficie anódica muy pequeña con relación a un gran superficie catódica, constituida por la barra de acero pasivada. Las condiciones desfavorables de la superficie producen una profunda y muy acelerada penetración de la corrosión en el refuerzo.

El proceso puede darse como sigue. El ion cloruro actúa como un catalizador para la oxidación tomando parte activa en la reacción. Al oxidar al acero para formar el ion complejo cloruro férrico, FeCI₃, arrastra este ion inestable en la solución, donde reacciona con los iones hidroxilos disponibles pata formar hidroxilo de fierro, Fe(OH)2. Este libera iones cloro y consume iones hidroxilo como se esquematiza en las siguientes reacciones:

2 Fe + 6CI – = 2FeCI₃ + 4e –

Seguido por:

FeCI₃ + 2OH = Fe(OH)₂ + 3CI

Los electrones liberados en la reacción de oxidación fluyen a través del acero hasta la superficie catódica. Este proceso resultaría en una concentración de ion cloruro y una reducción del pH que favorece la ruptura continua de la película pasivante de óxido.

La presencia de cloruros en el concreto puede provenir de sus componentes: cemento, agregados, agua de mezcla y aditivos. De otro lado, los iones de cloruro provenientes del entorno también se difunden en el concreto a través de su estructura capilar, como sucede con el agua de mar, la brisa marina y sustancias gaseosas de medios industriales.

El iön cloruro en el concreto puede encontrarse: combinado químicamente, absorbido físicamente o en estado libre. Únicamente la parte de cloruro no combinado es la responsable de la corrosión del esfuerzo. Se estima que aproximadamente el 0.4% del cloruro, con respecto al peso del cemento puede llegar a combinarse.

La difusión del ion cloruro en el concreto se reduce por la capacidad del cemento para combinarlo química o físicamente, en cuanto reacciona con los productos de hidratación. Los componentes del cemento que reaccionan son el aluminato tricalcico (C₃A) o 3CaO.AI₂O₃ que forma cloroaluminatos cálcicos de composición aproximadamente: 3CaO.AI₂O₃ CaCI₂10H₂O y la fase ferrita, reaccionando el ferroaluminato tetra cálcico, (C₄FA) o 4CaOFe₂O₃AI₂O₃ con la formación del cloroferrito cálcico, de composición: 3CaO.AI₂O₃ CaCI₂10H₂O

Existe una concentración crítica de cloruros para el inicio de la corrosión, pero no hay acuerdo sobre el nivel de esta concentración, por intervención de factores propios del concreto, como la relación agua/cemento, el tipo de cemento y el estado de endurecimiento. Para que se presente la corrosión por cloruro, además de la presencia de oxígeno y humedad, se requiere de un determinado valor denominado “potencial crítico de cloruros”, en función del contenido de cloruros.

En condiciones de un entorno que genere la desecación del concreto, el potencial crítico será mayor, debido a que el contenido de humedad no será suficiente para producir la corrosión del esfuerzo.

En algunas ocasiones, sin alcanzar el potencial crítico, se puede presentar la corrosión, tal es el caso del agrietamiento del concreto, que ocasiona una concentración localizada de cloruros.

La carbonatación del concreto, reduce la capacidad del cemento para fijar los cloruros, e incrementa la corrosión aun en bajos contenidos de cloruros.

En los concretos cuya superficie está sometida a procesos de humedecido y secado, se presenta un enriquecimiento de los cloruros en el interior del concreto. En efecto, durante el humedecimiento, el agua que penetra por succión capilar deposita los cloruros, luego durante el secado, el agua se evapora con nuevos ciclos que aceleran e incrementan la concentración de cloruros.

La velocidad de penetración del cloruro en el concreto ha sido estimada por la expresión.

X = 4 (Dt)^1/2

Siendo D el coeficiente de difusión, que para el cemento portland tiene el valor de 3.10² cm²/seg; para una relación a/c de 0.50 y 3.10⁹ para la relación a/c de 0.40 y t (en segundos) el tiempo empleado para penetrar un espesor x (en cms)

Actividad del cemento en el proceso de corrosión.

El cloro es uno de los elementos más comunes en la naturaleza. En consecuencia, se encuentra en los agregados del concreto, en el agua de mezclas y en el crudo del cemento. De todos ellos, el cemento es el que aporta el contenido menos significativo.

En toda forma, el contenido de ion cloruro presente en la mezcla es controlado en su diseño. En la práctica, su aporte es diminuto, salvo que se utilicen aguas no potables, de pozo y determinados agregados de zonas áridas, como puede ocurrir en la costa peruana. El contenido máximo de ion cloro en la mezcla indicado en los reglamentos de diseño de concreto.

Por otra parte, de acuerdo a los expuesto anteriormente los cimientos con más alto contenido de aluminato tricálcico, C3A, aseguran una mejor performance. Además, los cementos con mayor contenido de álcalis son también favorables en cuanto producen un medio alcalino más elevado.

Regulaciones para los materiales del concreto

En la norma técnica de edificación: E.060-Concreto Armado que se  incorpora al Reglamento Nacional de Construcciones de 1989, se fija límites para el contenido e ion cloruro en el concreto, según la tabla siguiente:

Los límites de ion cloruro en el concreto, que determina el Reglamento Nacional de Construcciones, son más severos que los establecidos por el Building Code Requirements of Reinforced Concrete del ACI, que sirve de antecedente a nuestro reglamento. El reglamento nacional, en el caso de concreto armado expuesto a la acción de los cloruros fija un límite de 0.1% mientras que en el reglamento del ACI los establece en 0.15%. Asimismo, para concretos armados secos o protegidos de la humedad, el reglamento peruano determina el límite de 0.8%, en contraste con el reglamento del ACI que tiene un valor de 1%.

Protección

• Los factores básicos de protección son los siguientes:
• Relación agua/cemento
• Espesor de recubrimiento
• Compactación del concreto
• Curado