Joaquín Guerrero Martínez
Humberto Montoya Villa
Marco Antonio De la Cruz Romero
Facultad de Ciencias Químicas, UAdeC
Fernando Rodríguez López, Fernando
Universidad Politécnica de Madrid
politacr@hotmail.com
#CienciAcierta No. 46
1. Introducción
La corrosión del acero en el concreto es un problema a nivel mundial que causa miles de dólares de pérdidas en reparación para mantener la funcionalidad de la infraestructura. El riesgo potencial de la corrosión en las estructuras es muy impredecible, por lo que su monitoreo, predicción, prevención y rehabilitación del daño del acero por corrosión en estructuras de concreto ha sido una importante área de interés en la investigación (Song & Shayan 1998). El presente documento propone una metodología que permita identificar, medir, analizar y evaluar los riesgos, sus factores físicos y constructivos relacionados a la corrosión en las estructuras de concreto armado, para corregir, prevenir y controlar posibles daños.
La corrosión es una reacción termodinámicamente espontánea e inevitable de los metales, la cual es adversa en el proceso de producción de los mismos. La mayoría de los metales, especialmente los aceros, son altamente susceptibles al fenómeno de la corrosión y su grado de afectación depende de las propiedades de la aleación de acero y del medio ambiente al que está sometido. La corrosión en los aceros es inevitable y solo puede ser retardada por medio de medidas especiales como la prevención por métodos protectores. (Song & Shayan 1998).
El acero de refuerzo en el concreto armado fue considerado por muchos años como un material que no podía ser corroído debido a la alta alcalinidad de la mezcla en el concreto y una capa protectora ante agentes corrosivos del medio ambiente. Sin embargo, con el paso del tiempo, esta consideración ha sido descartada debido a que se han encontrado miles de estructuras de concreto prematuramente dañadas por corrosión en el acero de refuerzo.
La ausencia de protocolos para la identificación y evaluación de estructuras de concreto armado sometidas a ambientes ácidos y corrosivos en las plantas industriales de proceso en la región norte de México, permite justificar la realización de un marco de referencia, que permita al profesional vinculado a la construcción de estos elementos, poder identificar, medir, analizar, mitigar, responder y controlar los riesgos en estas estructuras.
La corrosión en el concreto armado es un problema que no solo afecta la integridad estructural, sino también, compromete la resistencia de los elementos, esto debido a que la permeabilidad favorece la generación de la corrosión, reducción de los espesores de las armaduras y fallas por agrietamiento. El carecer de un protocolo estándar para determinar el grado de riesgo estructural y de seguridad alcanzado en estos casos, dificulta la toma de decisiones y la elaboración de un diagnóstico en profundidad de la estructura.
En condiciones normales, el concreto (de recubrimiento) provee de un ambiente protector al acero de refuerzo ya que su elevada alcalinidad (pH > 12,5) hace que el acero se encuentre en un estado denominado pasivo, siendo su velocidad de corrosión despreciable. No obstante, la presencia de agentes agresivos (cloruros, sulfatos y dióxido de carbono (CO₂) en la superficie de las armaduras causan la pérdida de pasividad del acero y crea condiciones propicias para el inicio de la corrosión de las armaduras. (Vico, Morris & Vázquez).
Para categorizar el grado de riesgo que sufre una estructura de concreto armado afectada por la corrosión del acero de refuerzo y establecer la agresividad de este ataque, es necesario identificar los factores desencadenantes en las fases de construcción y operación (calidad, supervisión y control).
2. Objetivo
Desarrollar un protocolo que tenga como base un marco de referencia técnico para identificar y evaluar el riesgo que causan los efectos de la corrosión en estructuras de concreto armado en plantas industriales de la región norte de México, considerando metodologías de identificación, medición, análisis, evaluación, respuesta, control y logística del riesgo. Aplicando los criterios de modo de falla y efecto o FMEA (Failure of Mode and Effect Analisys) usado en la industria automotriz, se categoriza el riesgo mediante un índice denominado Número de Prioridad de Riesgo (RPN Risk Priority Number), aplicado a las partes críticas de un producto o proceso, ponderando los niveles de riesgo como muy alto, alto medio, moderado y bajo.
3. Metodología
3.1 Proceso de corrosión en estructuras de concreto armado
La corrosión del acero de refuerzo en estructuras de concreto, es un fenómeno electroquímico que requiere un flujo eléctrico y algunas reacciones químicas para su desarrollo. Los tres elementos principales del proceso son el ánodo, el cátodo y la solución electrolítica presentes en la estructura, como se muestra en la Figura 1.
El ánodo y el cátodo pueden estar presentes en la misma barra de acero de refuerzo o en barras adyacentes del armado. El ánodo es la localización donde la corrosión toma lugar y el elemento metálico, en éste caso el hierro, sufre una reacción de oxidación o reacción anódica debido a la pérdida de electrones, creando iones de hierro (Fe++). El cátodo es la localización donde el hierro no es consumido debido a que el oxígeno, en presencia de agua, acepta electrones (reducción) formando iones hidroxilos (OH-).
La solución electrolítica es el medio que facilita el flujo de electrones entre el ánodo y el cátodo, en consecuencia, en el caso del concreto, al ser expuesto a altos ciclos de humedad se crea una conductividad suficiente para que funcione como un electrolito.
La iniciación y continuación del proceso de corrosión son controladas por el medio ambiente del concreto de recubrimiento del acero de refuerzo. El concreto es alcalino debido a la presencia de Ca(OH)₂, KOH y NaOH con un rango de alcalinidad de 12 a 13. Debido a la alta alcalinidad del agua intersticial en el concreto, el acero de refuerzo es pasivo debido a la capa de óxido (Fe₂O3) formada por la oxidación de hidróxido de Fierro (Fe(OH)₂) en presencia de oxígeno y agua, reduciendo la velocidad de la corrosión. Para que la corrosión ocurra, la capa pasiva del acero de refuerzo necesita ser destruida, lo cual ocurre cuando se combina la presencia de oxígeno, agua y agentes agresivos como los cloruros, aumentando la conductividad y disminuyendo la resistividad del concreto.
Básicamente son dos las causas principales que pueden dar lugar a la destrucción de la película pasiva del acero e iniciar la corrosión de las estructuras. Estas son la presencia de iones cloruro y la carbonatación.
3.2 Variables que influyen en la corrosión
La corrosión es un fenómeno complejo donde interactúan diferentes variables interdependientes que contribuyen de manera sistémica al proceso. Para evaluar los riesgos de la corrosión en las estructuras de concreto armado, se debe iniciar con la identificación de los factores que se pueden presentar en las fases de diseño, proceso constructivo, operación y mantenimiento de la estructura.
La corrosión puede ser desencadenada por iones cloruro presentes en la superficie del acero con una concentración crítica de 0,4 % (en peso) respecto al contenido de cemento en el concreto. Siendo éstos los principales causantes de la corrosión de las armaduras en estructuras expuestas al ambiente ácido y en estructuras construidas con materiales contaminados, los iones cloruro pueden penetrar desde el exterior a través de la red de poros y en el segundo se incorporan al concreto como contaminante de alguno de los componentes de la mezcla (agregados fino o grueso, agua, aditivos, etc.).
La corrosión iniciada por carbonatación, es el resultado de la reacción química que ocurre entre el dióxido de carbono (CO₂) presente en la atmósfera y ciertos productos de hidratación del cemento disueltos en la solución de los poros del concreto. Como resultado, el pH del concreto carbonatado se reduce a valores menores que 9. Una vez que la carbonatación alcanza el acero de refuerzo, comienza la disolución de la película pasiva que protege el acero.
La permeabilidad es el factor que principalmente determina la porosidad del concreto y la distribución de los tamaños de poro. Los poros facilitan el ingreso de elementos como Cl, CO₂, O₂, H₂O y algunos otros agentes agresivos del medio ambiente que favorecen el inicio y progreso de la corrosión. La permeabilidad del concreto está estrechamente relacionada a la relación agua cemento (A/C), por lo tanto, la permeabilidad del concreto se incrementa con el aumento de la relación A/C, especialmente cuando A/C > 0,55 (Guirguis, Cao & Bawja 1994). En algunos casos la permeabilidad puede variar hasta dos veces cuando la relación A/C se incrementa de 0,4 a 0,7 (Cook 1951). Aditivos minerales mejoran la resistencia del concreto al agua ácida, agua con sulfatos y agua de mar, principalmente debido a la reacción puzolánica que causa el refinamiento de los poros reduciendo la permeabilidad del concreto.
El proceso de hidratación del cemento también contribuye a la porosidad y la permeabilidad del concreto, en algunos casos, por ejemplo, la porosidad cambia de 29% a los 40 días de curado a 25,8% a los 296 días. (Burchler, Elsener & Bohni 1996).
La humedad del concreto favorece la penetración y disolución de los agentes agresivos y proporciona el vehículo para que la corrosión avance. Por otro lado, el recubrimiento del concreto sobre la armadura provee una barrera física contra la penetración de agentes agresivos desde el medio ambiente exterior. Su eficiencia depende fundamentalmente de dos factores: el espesor del recubrimiento (ER), el cual se recomienda para ambiente ácido un mínimo de 5 cm, además de un diseño de la mezcla con una baja relación agua-cemento (A/C) lo que genera un ambiente propicio para un concreto de buena calidad en éste ambiente.
La presencia de humedad contribuye de manera importante al progreso de la corrosión incrementando la reacción anódica (oxidación) y disminuyendo la reacción catódica (reducción). Tuutti (1982) encontró que para la corrosión por cloruros inducidos presentó un máximo nivel de corrosión a una humedad relativa del 95% y para la carbonatación inducida una humedad relativa de 85%.
La absorción de agua en el concreto desde el ambiente exterior puede incrementar rápidamente la velocidad de corrosión en el acero hasta generar fracturas y laminación.
La tendencia de cualquier metal para reaccionar en un ambiente se indica por el potencial eléctrico que se desarrolla en contacto con el medio ambiente. En estructuras de concreto armado, éste actúa como un electrolito y el acero de refuerzo desarrolla un potencial dependiendo del entorno del concreto, que puede variar de un lugar a otro.
El proceso de corrosión del acero del concreto puede ser monitoreado con la medición del potencial eléctrico mediante el procedimiento conforme a ASTM C876 Método de Prueba Estándar para Medición del Potencial de Celda Media del Acero de Refuerzo en el Concreto. El principio de esta técnica es esencialmente la medición del potencial de corrosión de las barras de refuerzo con respecto a un electrodo de referencia estándar, tales como electrodo de calomelanos saturado (SCE), electrodo de cobre/sulfato de cobre (CSE) o electrodo de plata/cloruro de plata. Según la norma ASTM C876, la probabilidad de corrosión del acero se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1: Condición de la corrosión de acuerdo al potencial eléctrico (ASTMC876-91 1999)
Nota: Esta técnica es cualitativa, informa sobre el riesgo de corrosión, pero no su actividad real.
La resistividad eléctrica del concreto es un parámetro importante para determinar la intensidad del proceso de corrosión inicial. El concreto con una alta resistividad eléctrica, ocasionará un proceso de corrosión lento en comparación con los concretos de baja resistividad en la que la corriente puede pasar fácilmente entre las zonas del ánodo al cátodo. La resistividad es fuertemente dependiente de la calidad del concreto y de las condiciones de exposición, tales como la humedad relativa y la temperatura, las cuales afectan el grado de saturación de los poros del concreto y por lo tanto los valores de resistividad.
La resistividad eléctrica del concreto (Ohm.cm) se utiliza de manera indirecta para evaluar la difusividad de iones cloruro, el grado de saturación del concreto y su agresividad (Berke, Hicks & Chaker 1992) (Andrade et al. 2000). Este parámetro también puede proporcionar información útil sobre el comportamiento de la corrosión de barras de refuerzo en el concreto. La medición de la resistividad es una medida adicional útil para ayudar en la identificación de áreas problemáticas o confirmar las preocupaciones sobre la mala calidad del concreto. La Tabla 2 indica los criterios para medir la severidad de la corrosión en el acero considerando la resistividad en el concreto. La resistividad del concreto influye en la eficacia y durabilidad de la protección catódica (CP) de las estructuras (Hunkeler 1992). Del mismo modo es importante para la eliminación de la electroquímica de cloruros y la realcalinización (Polder & Hondel 1992).
Tabla 2: Grado de corrosión por resistividad eléctrica (ρ)
La densidad de corriente de corrosión (Icorr), es otro parámetro que permite una evaluación precisa del estado de las estructuras de concreto armado. Por medio de la técnica de medición de resistencia de polarización lineal (LPR) el acero de refuerzo es perturbado por una pequeña cantidad de su potencial de equilibrio. Esto se puede lograr cambiando el potencial del acero de refuerzo en una cantidad fija, ΔE, y observar la caída de corriente, ΔI, después de un tiempo establecido. La resistencia de polarización, Rp, del acero se calcula entonces a partir de la ecuación: Rp = ΔE/ΔI del cual la corriente de corrosión es Icorr = B/Rp, donde B es la constante de Stern-Geary con valores de 25 mV para el acero activo y 50 mV para el acero pasivo (Gowers et al. 1994).
Los siguientes criterios generales para la corrosión que se han desarrollado a partir de investigaciones de campo y de laboratorio (Andrade, Alonso & González 1990) se dan en la Tabla 3 y 4. Estas mediciones se ven afectadas por la temperatura y la humedad, por lo que las condiciones en el momento de la medición afectan a la interpretación de los límites definidos en la tabla. Las mediciones deben ser consideradas con una precisión de un factor de dos. Se ha trabajado en la correlación de Icorr con la pérdida de sección del acero de refuerzo y el tiempo de servicio.
Tabla 3: Corrosión del refuerzo por densidad de corriente para estructuras en operación
Tabla 4: Corrosión del refuerzo por densidad de corriente para estructuras nuevas
3.3 Análisis FMEA para la identificación y evaluación del riesgo de corrosión
Un análisis de modo de falla y efecto (FMEA – Failure Mode and Effect Analysis) es un grupo sistémico de actividades con la intención de identificar y evaluar la falla potencial de un producto o proceso, identificar acciones que pueden eliminar o reducir la potencial falla y documentar el proceso (McDermott, Mikulak & Beauregard 1996). El diagrama en la Figura 2 muestra el proceso general para desarrollar un análisis FMEA aplicado a la evaluación del riesgo de la corrosión en estructuras de concreto.
Figura 2: Diagrama de evaluación de modo de falla y efecto por corrosión
4. Resultados
Los resultados en esta etapa de la investigación están centrados en la propuesta para la identificación y evaluación del riesgo por corrosión de las estructuras de concreto armado.
4.1 Evaluación del diseño de la estructura
Esta etapa considera la revisión y análisis de planos, especificaciones, memorias de cálculo, etc., para encontrar posibles fallas en el diseño de la estructura que puedan desencadenar o favorecer un proceso corrosivo en algún elemento estructural. Entre algunas de las variables que se deben considerar están el tipo de cemento y agregados, relaciones agua cemento (A/C), porosidad y permeabilidad del concreto, espesor de la capa de concreto de recubrimiento, revisión de estructuras con esfuerzo alto y concentración permitida de cloruros. Cabe mencionar que es en esta etapa inicial donde el personal que participa en el proceso debe asimilar la metodología y entender la funcionalidad de la estructura para poder emitir algún juicio en las etapas sucesivas.
4.2 Revisión histórica del proceso constructivo
Esta etapa considera la revisión y análisis de bitácoras, procedimientos constructivos, controles e informes de supervisión, para encontrar posibles fallas durante el proceso constructivo de la estructura y puedan contribuir a la identificación y evaluación de la corrosión, así como permitir la categorización del riesgo y la toma de decisiones.
4.3 Análisis de la estructura en operación
En esta etapa se analizan las condiciones físicas en que opera la estructura para determinar el grado de riesgo de corrosión. Entre los factores a analizar están, la coloración, la exposición a atmósferas con alto contenido de humedad, cloruros, dióxido de carbono y ácidos, fisuras, agrietamiento y laminación del concreto, exposición del acero de refuerzo al medio ambiente, tipos de cargas en la estructura, recubrimientos anticorrosivos, acumulaciones y filtraciones de agua.
4.4 Identificación de los modos de falla
Un modo de falla podemos definirlo como la forma en que la estructura o parte de esta pierde la capacidad de desempeñar su función, o en otras palabras, la forma en que falla (Flexión, Corte y Torsión). Para el análisis del riesgo de la corrosión en estructuras de concreto se proponen 8 modos de falla importantes los cuales se enlistan en la Tabla 5.
Tabla 5: Modos de falla por corrosión en estructuras de concreto
Fuente: Cátedra de proyectos de construcción (2014)
4.5 Efectos y consecuencias de las fallas
Los efectos de las fallas son considerados como la forma en que estas se manifiestan en la estructura y sus componentes. Las consecuencias son referidas a los impactos técnicos, de construcción y económicos de interés de las partes vinculadas al proceso. La Tabla 6 muestra los efectos de las fallas indicadas en la Tabla 5.
Tabla 6: Efectos de las fallas por corrosión en estructuras de concreto
Fuente: Cátedra de proyectos de construcción (2014)
4.6 Jerarquización del riesgo de la corrosión
Un análisis de modo de falla y efecto (FMEA) permite categorizar mediante un índice de grado de riesgo o RPN (Risk Priority Number) las partes críticas de un producto o proceso, ponderando los niveles de riesgo como muy alto, alto, moderado y bajo. Para determinar este índice, es necesario considerar tres aspectos del elemento o etapa del proceso: la severidad, la ocurrencia y la detectabilidad. La severidad, es el grado de deterioro o falla que presenta la parte evaluada; la ocurrencia consiste en la frecuencia con que se presenta y la detectabilidad es la facilidad de identificar mediante algún método de medición el defecto o problema (AIAG 1990). Cada aspecto debe ser ponderado con un valor de 1 al 10, considerando que un valor de 10 equivale a un riesgo muy alto. Para determinar el índice de riesgo o RPN es necesario evaluar la ecuación:
RPN = S x O x D. (1)
En la ecuación 1, la severidad de la corrosión (S) en estructuras de concreto se debe determinar con criterios estandarizados de ponderación, proponiendo valores del 1 al 10 mostrados en la Tabla 7. Antes de asignar un nivel de severidad de la tabla 7, se propone definir un rango del nivel de severidad de manera preliminar usando las tablas 8,9,10 y 11 las cuales son complemento de las tablas 1,2,3 y 4 respectivamente, donde se agregan los rangos de severidad en la columna denominada “Ponderación FMEA”. La medición de los parámetros de resistividad, potencial eléctrico o corriente de corrosión contribuyen a evaluar de manera más objetiva la condición, el avance y el riesgo de corrosión en la estructura.
Tabla 7: Criterios de severidad de las fallas por corrosión en estructuras de
Concreto
Tabla 8: Ponderación del riesgo de corrosión en base a la resistividad (ρ)
Tabla 9: Ponderación de la condición de la corrosión en base al potencial eléctrico (V)
Tabla 10: Ponderación de la condición de la corrosión en acero de refuerzo en base a la corriente para estructuras en operación (Icorr)
Tabla 11: Ponderación de la condición de la corrosión en acero de refuerzo en base a la corriente para estructuras nuevas (Icorr)
La ponderación de la severidad se podrá determinar por cualquiera de los criterios indicados en las Tablas 8, 9, 10 y 11, considerando de mayor importancia el que proporciona el estado cuantitativo de la corrosión del acero de refuerzo.
La ocurrencia (O) es otro de los factores de la ecuación 1 que consiste en evaluar la estructura estableciendo la probabilidad de que se presente la falla por corrosión. Los valores de ponderación serán determinados de acuerdo a los criterios mostrados en la Tabla 12 y considerando la información del diseño, el proceso constructivo y la operación de la estructura revisados previamente por el equipo multidisciplinario.
Tabla 12: Ocurrencia de la falla en la estructura
El tercer factor involucrado en el cálculo del RPN es la detectabilidad (D), la cual consiste en evaluar la facilidad de identificar mediante algún método de medición la falla relacionada a la corrosión que se presenta en la estructura. La Tabla 13 muestra el criterio de ponderación donde el ‘1’ indicará alta probabilidad de que la falla se pueda detectar y el ‘10’ indica que es improbable detectarla.
Para seleccionar el valor de ponderación mostrado en la Tabla 13 es necesario considerar aspectos como la disponibilidad de equipo, personal, procedimientos y controles adecuados para la inspección de las variables involucradas en el modo de falla.
Tabla 13: Detectabilidad de la falla en la estructura
Una vez determinadas las ponderaciones de la severidad, ocurrencia y detectabilidad, se calcula el Índice de Prioridad de Riesgo (RPN) de acuerdo a la ecuación RPN = S x O x D, y se categoriza el riesgo de acuerdo a los criterios de la Tabla 14.
Tabla 14: Criterios para evaluar nivel de riesgo y toma de decisiones
4.7 Eliminar, mitigar, prevenir y documentar los riesgos por corrosión
El beneficio más importante del análisis FMEA es el aprovechamiento de los niveles de riesgo para tomar la decisión más correcta entre eliminar, mitigar y prevenir, o deducir y documentar la corrosión en estructuras de concreto armado. Una vez evaluado el riesgo, es necesario documentar las acciones correctivas o preventivas incluyendo fechas compromiso de implementación y responsables de la ejecución de la acción recomendada.
5. Conclusiones
Existen metodologías que permiten evaluar el grado de corrosión en otras áreas de la ingeniería como la automotriz, así mismo, organismos internacionales (FERMA, PMI, CIRIA) que establecen criterios de identificación de riesgos en diversas áreas de la ingeniería. El problema que nos presenta la identificación y la evaluación de los riesgos de la corrosión en las estructuras de concreto se centra en la práctica deficiente en la construcción de las estructuras de concreto al no cumplir con las especificaciones de calidad de los materiales, las relaciones agua-cemento, las propiedades de porosidad y permeabilidad del concreto y el espesor de recubrimiento que vienen indicadas por las especificaciones en cada proyecto, generando la corrosión en las estructuras y manifestándose esta con efectos de coloración, fisuras, agrietamiento, desprendimiento de materiales, disminución de la sección de acero y el aumento de los esfuerzos de tensión. Ante este escenario se propone considerar la aplicación de un FMEA que tenga como base los criterios de falla y efecto para la identificación y evaluación del riesgo de la corrosión en estructuras de concreto.
6. Referencias
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