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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.3 Santiago dic. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000300002 

Revista Ingeniería de Construcción Vol.24 N°3, Diciembre de 2009 PAG. 233-244

 

Eficacia de inhibidores de nitrito de calcio (CNI) en concreto agrietado

 

Pedro Montes-Garcia* , H. Z. López-Calv**, T. W. Bremner**

* CIIDIR Oaxaca, IPN, Oxaca, MÉXICO

** University of New Brunswick, CANADÁ

Autor de correspondencia


RESUMEN

En el presente estudio se investigó la eficacia de un inhibidor a base de nitrito de calcio como método para prevenir la corrosión de acero de refuerzo en losas de concreto agrietado. Para tal efecto se desarrolló un diseño factorial para evaluar el efecto del agrietamiento en concreto considerando ancho de grieta y relación agua/cemento como factores. Luego, se evaluó el efecto de una dosis constante de 25 l/m3 de inhibidor de nitrito de calcio(CNI) en concreto con una relación A/C de 0.4 que contenía diferentes anchos de grieta. La variable respuesta fue la densidad de corrosión obtenida mediante lecturas de resistencia de polarización lineal en losas pequeñas de concreto armado que tenían recubrimiento de 20 mm. Las losas fueron expuestas a un ambiente marino natural durante cinco años con dos ciclos de humedecimiento y secado por día en la bahía de Fundy, Maine, EE.UU. Las muestras también fueron inspeccionadas visualmente de manera regular y el daño en la superficie registrado. Se constató que para la mayoría de los casos, el uso de inhibidor a base de CNI fue benéfico tanto en concreto agrietado como en no agrietado.

Palabras Clave: Cementos alcalinos, resistencias mecánicas, durabilidad, aplicaciones


 

1. Introducción                                           

El deterioro de infraestructura causada por la corrosión de acero de refuerzo es un problema que ha ido aumentando con los años. A pesar de los esfuerzos por invertir en fuentes importantes de investigación, las cuales han llevado a escribir cientos de artículos sobre el tema, las pérdidas económicas aun son substanciales (Broomfield 1997 y Koch etal., 2001). Algunas razones de este problema son la carencia de conocimiento acerca de las características intrínsecas del concreto, cargas de servicio reales que actúan en las estructuras, mecanismos de deterioro involucrados y la agresividad de entorno ambiental.

La relación agua-cemento (A/C) es uno de los parámetros más importantes que afectan las propiedades a largo plazo del concreto. El valor de la relación A/C es importante para muchos aspectos de la durabilidad, sin embargo también se ha sugerido que determina la durabilidad o la permeabilidad del concreto (Neville 1999). De acuerdo a esto, la relación A/C no es un indicador de durabilidad; es en su interacción con otros factores donde necesita ser investigada.

Se sugiere que el inhibidor de nitrito de calcio (CNI) mejora significativamente la resistencia a la corrosión del acero en el concreto con valores A/C bajo 0.5 (Berke et al., 1988). Sin embargo, algunas investigaciones indicaron el efecto detrimetral del nitrato de calcio en las propiedades del concreto y su desempeño aparentemente pobre para prevenir la corrosión de las barras de refuerzo de acero. Nmai y McDonald (1999) informaron que el CNI parece no ser efectivo para prevenir la corrosión, a menos que se agregue una amplia cantidad en la mezcla.

En consideración al tamaño de la grieta, se informó que su ancho en menos de 0.5 mm afecta el desarrollo de corrosión, pero que éste no tiene una influencia significativa en procesos de corrosión posteriores. (Francois y Arliguie, 1999). Una investigación adicional sugiere que la corrosión sólo se ve ligeramente afectada por la presencia de grietas y se debe asegurar protección de corrosión usando una cobertura de concreto de calidad y profundidad adecuada (Schießel y Raupach, 1997), además el desarrollo de la corrosión no está influenciado por el ancho de la grieta o por la grieta propiamente tal (Francois y Arliguie, 1998). Jacobsen et al. (1998) concluyeron que una grieta menor de 0.4 mm no afecta en forma adversa a la corrosión del acero en comparación con el acero en concreto no agrietado, y algunos otros factores como el medio ambiente, calidad y nuevamente el grosor de la cubierta son más importantes. Sin embargo se observó que el CNI es más efectivo en relaciones concreto A/C altas y bajas en grietas de concreto reforzadas cuando se sometían a períodos extensos o breves de exposición de estimulación marina (Schiefeel y Dauberschmidt, 2000). En estudios recientes del concreto agrietado, se encontró que el CNI era relativamente inefectivo para prevenir la corrosión de losas pequeñas sometidas a un ambiente natural marino (Kondratova et al., 2003). Consecuentemente es necesario más trabajo en esta área para proporcionar información adicional acerca de la influencia de CNI, ancho de grieta y la posible interacción entre ellas en el desarrollo de la corrosión de barras de concreto reforzado.

Se usaron inhibidores de nitrato de calcio para prevenir la corrosión, sin embargo, la mayoría de los estudios se hicieron en ambientes estimulados y sin considerar el agrietamiento del concreto. En vista de esto, se investigaron dos factores que afectan a la corrosión, principalmente la relación agua cemento y el grado de agrietamiento del concreto. Entonces, se evaluó el efecto de una dosificación constante de 25 l/m3 de CNI sobre distintos tamaños de agrietamiento para una A/C de 0.4. La respuesta fue la medida de densidad actual usando la técnica de Lectura de Polarización lineal en una losa pequeña de concreto que contenía acero reforzado, la cual fue sometida a un ambiente marino natural durante 5 años.

2. Trabajo experimental

2.1 Programa y proceso experimental

Se consideraron en este programa experimental contienen muestras diferentes de cuatro A/C diferentes y cinco condiciones de agrietamiento, para un estudio de corrosión a largo plazo en un ambiente marino natural. Aún más se consideró el efecto CNI en relación A/C 0.4 para diferentes condiciones de agrietamiento. La razón de usar sólo esta relación para evaluar la influencia de CNI se basa en el hecho que aparentemente esta es la máxima relación A/C que entrega aspectos de durabilidad (Kosmatka et al., 2002). Para cada combinación fueron ancladas dos losas de concreto que contienen barras de reforzamiento.

En la Tabla 1 se presentan detalles del diseño del experimento.

Table 1. Programa piloto muestras de concreto

a)  Inspección Visual

La superficie de la losa de concreto se inspeccionó anualmente y se registró la existencia de losas, grietas adicionales o deterioro del concreto.

b)  Monitoreo de la corrosión

Después de la inspección visual, se usó la técnica de Resistencia de Polarización Lineal (Gamry Inc) para medir la densidad de corriente de la corrosión. Se evaluó el efecto de grietas en diferentes relaciones A/C y el de CNI en concreto agrietado con relación A/C 0.4.

2.2 Materiales y Preparación de la Muestra

Se usó un concreto con un tamaño máximo de agregado en 12.5 mm, A/C 0.4 mm y un contenido de aire de 6%. Para mezclas de concreto se usó cemento Portland Tipo CSA 10. La Tabla 2 resume las propiedades físicas y químicas de la composición de cemento usado. En la Tabla 3 se listan las medidas de la mezcla de concreto. Se usaron dos tipos de inhibidores de corrosión en las mezclas.

Las probetas de concreto de 55x200x300mm fueron inicialmente pre-agrietadas de acuerdo al proceso descrito previamente (Kondratova, 1999 y Erdogdu et al., 2001). Se eligió un recubrimiento de concreto sobre 20mm para escalas de pequeñas losas de concreto. Para pruebas de polarización lineal se dispuso en el centro de cada muestra un contador de electrodo de acero inoxidable de 150 mm. Se adhirieron cables al contador de electrodos y a la barra de reforzamiento (Figura 1). La conexión cable-barra fue cubierta con un compuesto epóxico Resicoat 506610 para prevenir corrosión galvánica.

Table 2. Análisis químico y físico del cemento usado en este estudio

Tabla 3. Proporciones de mezcla (por m3)

 

Figura 1. Presentación esquemática de las muestras

Las losas de concreto recibieron curado húmedo por 28 días a de 23 ± C, con una humedad relativa de no menos de 95% antes de ser ubicadas en el sitio de exposición.

En la Tabla 4 se muestran los detalles de los inhibidores de corrosión usados en el programa de prueba.

Tabla 4. Detalles de los inhibidores de corrosión usados en el programa de prueba

La mezcla 2 era una mezcla de control y no contenía inhibidor de corrosión. El inhibidor comercial basado en nitrato de calcio CNI que también se usó en este estudio contiene un mínimo de 30% de nitrato de calcio. El inhibidor se agregó a la mezcla 4 durante el proceso de mezclado. De acuerdo al fabricante, este inhibidor anódico estabiliza la capa del film de óxido protector en la superficie del acero y cubre los defectos en el film de óxido (W.R Grace 1 996). Cuando se agrega al concreto en suficiente cantidad, se debe mantener un sistema activo de control de corrosión dentro de la matriz del concreto. En este estudio se usó 25 L/m3 de CNI tal como lo recomienda el fabricante. En síntesis, el agregar inhibidor de corrosión no tuvo un efecto notable en el desempeño del concreto fresco y de su resistencia a compresión (Kondratova et al., 2003 y Montes et al., 2005).

3. Resultados

El estudio originalmente fue ideado para evaluar el efecto de la relación A/C y el ancho del pre-agrietamiento en densidad de corriente de corrosión de la muestra. Aún más, se consideró el efecto del pre-agrietado en el concreto que contenía 25 L/m3 de CNI. A continuación se presenta un breve resumen de los resultados.

3.1 Inspección visual

Los resultados de la inspección para las muestras después de cinco años de exposición al ambiente natural marino se presentan en la Tabla 5. De la información se puede observar que prácticamente todas las muestras mostraron una desgaste extenso, agrietamiento y desconche principalmente causado por la corrosión del acero reforzadote refuerzo. Sin embargo, otros factores externos como el efecto maremoto, o varias tormentas severas ocasionales pueden inducir a un proceso de mayor deterioro. Las losas de menor escala son susceptibles a la penetración rápida de agentes agresivos que los elementos más grandes y de mayor espesor al ser sometidos cualquier ambiente desfavorable. Sin embargo, la información proporcionada es útil y será fundamental para entender la corrosión cuando se complementa con los resultados de la prueba electromagnética.

Después de cuatro años de exposición las muestras con A/C entre 0.3 y 0.4 grieta preformada, no presentaron agrietamiento, pero durante el quinto año se produjo un deterioro serio y actualmente muestran un agrietamiento visible. Sin embargo, la extensión del agrietamiento es más bajo que lo observado para las muestras de relación A/C 0.5 y 0.6

Aun no está claro el efecto en corrosión de una grieta pre-formada. Actualmente, todas las muestras con grieta pre-formada muestran agrietamiento adicional debido a la corrosión; sin embargo, la inspección visual después de cuatro anos de exposición reveló señales que grietas entre 0.1 y 0.4 mm preformadas aparentemente causaron agrietamiento más pronto que en las pre-agrietadas de 0.2 y 0.3 mm.

Para las muestras de relación A/C 05 y 0.6 el pre-agrietamiento no parece tener ninguna influencia en las grietas causadas por corrosión, y es su baja resistencia a la penetración de agentes agresivos a lo largo de la barra de refuerzo lo cual determina su nivel de deterioro. Esto se confirmó por el extensivo deterioro de la superficie de concreto observada, y del agrietamiento en otros lados que llevó a una eventual desintegración de la muestra.

Tabla 5. Inspección visual de muestras a largo plazo en un ambiente natural marítimo

La Tabla 5 también indica que las muestras de relación A/C 0.4 que tuvieron CNI experimentaron en general menos agrietamiento que aquellas sin inhibidores después de cuatro años de exposición en un ambiente natural. Esto fue más evidente para las muestras sin grietas preformadas, las cuales hasta ahora no muestran señales de agrietamiento. Por otro lado, las muestras pre-agrietadas muestran agrietamiento, el cual a pesar de ser ligeramente menor que en las muestra sin CNI, aun es significativo. De hecho algunas porciones de losa se quebraron produciendo exposición de la barra de acero. Sin embargo, la causa de esos quiebres es incierta y más no se puede extraer conclusiones aun.

3.2 Prueba electroquímica

Las condiciones de corrosión de las muestras se monitorearon por un periodo de 5 años usando la técnica LPR y los resultados se resumen en la Figura 2. La información presentada representa el valor promedio lcorr de dos barras de reforzamiento incrustadas en losas de concreto de pequeña escalas. Los valores que faltan indican ya sea que las muestras fueron ubicadas en el segundo año o la incapacidad para testear debido al daño parcial o total de las muestras causadas por un entorno ambiental severo.

Figura 2 muestra, primero que lcorr aumenta con el tiempo. Todas las lecturas se tomaron a mediados del verano cuando hay condiciones apropiadas para el desarrollo de corrosión. La mayoría de las muestras tuvieron un valor lcorr mayor que 1 µA/Cm2 indicando que se está produciendo corrosión activa. Sólo unas muestras no agrietadas en relaciones de A/C 0.3 y 0.4 tuvieron valores lcorr menores que 1 µA/Cm2, denotando que estaba ocurriendo una corrosión de características baja a moderada (Broomfield, 1997).

a) Efecto de la relación

A/C tuvo una influencia significativa en la densidad de la corrosión. lcorr fue menor en las relaciones A/C inferiores y aumentó para los relaciones A/C superiores respectivamente; así la relación 0.3 A/C tuvo un mejor desempeño al retrasar o reducir corrosión. Algunas muestras de relación A/C 0.5 y 0.6 fallaron y no fueron posibles pruebas de desempeño posteriores, como se muestra en las Figuras 2c y 2d.

Figura 2. Efecto de la relación A/C y tamaño de la grieta en concreto sometida al ambiente natural marino

b) Efecto del ancho de pre-agrietamiento

El pre-agrietado tuvo un efecto marcado en lcorr para las relaciones A/C 0.3 y 0.4, mientras que para los relaciones A/C 0.5 y 0.6 su efecto no es claro. Sin embargo, el ancho del pre-agrietado no parece aumentar el valor lcorr para la mayoría de los relaciones A/C.

Por ejemplo en la relación A/C 0 .3 el valor lcorr máximo registrado fue de pre-agrietado 0.4 mm (Figura 2a), y para el relación A/C 0.4 el máximo fue consistente con un pre-agrietado de 0.2mm a través de los años (Figura 2b). Para las relaciones A/C 0.5 y 0.6 el efecto del ancho del pre-agrietado es también incierto, principalmente por el bajo número de muestras disponibles para prueba en etapas posteriores.

c)  Efecto CNI en relación A/C 0.4

Los valores lcorr para muestras que contienen 25 L/m3 de CNI en general son mas bajos que las muestras que no contienen CNI (comparar Figuras 3 y 4). Sin embargo, esto tiene una alta dosificación de CNI aparentemente no detuvo la corrosión en concreto no agrietado. A pesar que la muestra no está experimentando grietas, su valor lcorr ha aumentado con el tiempo alcanzando más de 2 uA/Cm2. Esto es una indicación que un índice alto de corrosión esta ocurriendo y el agrietado es cosa de tiempo.

d)  Comparación del Ancho del Efecto Pre-Agrietado en Concreto que contiene 25 L/m3 of CNI

Las lecturas después de uno dos años de exposición sugieren que hay un efecto aparente de ancho de pre-agrietado que aumenta las lecturas lcorr. Sin embargo, mayores pruebas indican que el máximo de actividad de corrosión no se relaciona con un pre-agrietado más ancho (Figura 4). Resultados similares se obtienen para muestras hechas con A/C 0.4 sin inhibidor, y esto fue descubierto desde el comienzo del la prueba (Figura 3)

Figura 3. Efecto del pre-agrietado en relación 0.4 w/c

Figura 4. Efecto del pre-agrietado en relación 0.4 w/c que contiene 25 L/m3 de CNI

4. Conclusiones y recomendaciones

En base a los hallazgos derivados del programa experimental, se pueden hacer las siguientes recomendaciones y conclusiones en relación a la efectividad del inhibidor de corrosión de nitrato de calcio:

4.1 Conclusiones

El CNI no fue efectivo para disminuir la corrosión en losas de concreto en A/C 0.4 con recubrimiento de 20 mm para cada concreto ya sea para condiciones de concreto pre-agrietado o no pre-agrietado hasta 36 meses de exposición. Sin embargo, a los 60 meses no se puede notar un efecto positivo de CNI.

El CNI retrasa la corrosión en concreto no agrietado; sin embargo, en los resultados del concreto agrietado se revela que el CNI proviene sólo de un efecto de beneficio marginal.

La baja relación A/C tiene un efecto positivo al disminuir el agrietamiento debido a su fuerza de tensión mejorada. Sin embargo, el agrietamiento es casi inevitable, cuando hay una alta cantidad de cemento presente en el concreto, causado por reacciones naturales.

El efecto del agrietado para concreto de cemento portland común, en rangos de relación A/C entre 0.5 y 0.6 es prácticamente insignificante en corrosión, sin embargo, para relaciones A/C de 0.3 y 0.4 la existencia de agrietamientos es importante.

4.2 Recomendaciones para futuras investigaciones

Se requiere mayor investigación en inhibidores de corrosión y agrietamiento para condiciones de exposición a largo plazo y debería involucrar miembros estructurales escala 1:1 bajo carga, para producir agrietamiento por flexión bajo exposición marina. Los resultados obtenidos de esta investigación se deberían usar para planear experimentos a largo plazo.

 

 

5. Reconocimientos

El apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT), Institutop Politécnico Nacional de México (IPN) y se reconoce gratamente el apoyo del Natural Science and Engineering Research Council de Canadá (NSERC).

6. Referencias

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Contribución. Mejor artículo Conpat 2009

X Congreso Latinoamericano de patología de la Construcción y XII Congreso de Control de Calidad en la Construcción. Congreso Internacional de Patología, Control de Calidad y Rehabilitación de Estructuras y Construcción. 29 de Septiembre al 2 de Octubre de 2009. Valparaíso-Chile.

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