corrosion of high strength bars embedded in concrete

Transcripción

Arellano, Aguilar, Martínez, Fajardo
CORROSION OF HIGH STRENGTH BARS EMBEDDED IN
CONCRETE
J. Arellano1, F. Aguilar1, D. I. Martínez1, G. Fajardo2
1
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, San Nicolás de los Garza, México
2
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San
Nicolás de los Garza, México
ABSTRACT
The process known as Tempcore is used to produce high resistance rods by the
formation of a surface layer of quenched and tempered martensite that surrounds a
core made of ferrite and pearlite. Such processing produces a increase in yield and
ultimate tensile strength, while maintaining adequate ductility. A series of
experimental trials were carried out in a pilot plant in which parameters such as
reheating temperature, water flow and processing time were varied. The study is
being complemented by to determine the resistance to the corrosion of the rods of
high resistance embedded in concrete exposed to chlorides through electrochemical
techniques. The steels to study have the following chemical composition: G40
(0.26%C, 0.85%Mn, 0.146%Si, 0.023%P, 0.038%S and RF (0.36%C, 1.04%Mn,
0.18%Si, 0.013%P, 0.029%S). Also, the service life prediction were carried out in
acelerated and uniform corrosion process.
Keywords: Tempcore process, high resistance rods, corrosion, reinforced concrete
Monterrey, Mexico, 2006
327
CORROSIÓN DE VARILLAS DE ALTA RESISTENCIA
EMBEBIDAS EN CONCRETO
J. Arellano1, F. Aguilar1, D. I. Martínez1, G. Fajardo2
1
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica, San Nicolás de los Garza, México
2
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, San
Nicolás de los Garza, México
RESUMEN
El proceso conocido como Tempcore es usado para producir varillas de alta
resistencia mediante la formación de una capa superficial de martensita que rodea el
núcleo hecho de ferrita y perlita. Tal proceso produce un significativo incremento en
el rendimiento y en la resistencia final a la tensión, mientras mantiene una adecuada
ductilidad. Una serie de pruebas experimentales se llevaron a cabo en una planta
piloto en las cuales los parámetros como la temperatura de recalentamiento, el flujo
de agua y el tiempo de procesamiento se variaron para estudiar su efecto en las
propiedades mecánicas de las varillas de carbón de acero en las estructuras formadas
en las barras. Este estudio se complementa para determinar la resistencia a la
corrosión de éstas varillas embebidas en concreto expuestas a cloruros a través de
técnicas electroquímicas. Los aceros a estudiar tienen la siguiente composición
química: un acero G40 (0.26%C, 0.85%Mn, 0.146%Si, 0.023%P, y 0.038%S) y un
acero comercial RF (0.36%C, 1.04%Mn, 0.18%Si, 0.013%P, y 0.029%S). De igual
forma, se llevó a cabo una predicción de la vida de servicio en medio acelerado.
Palabras clave: proceso Tempcore, varillas de alta resistencia, corrosión; predicción
de tiempo de vida, concreto reforzado
328
1st International Conference on Advanced Construction Materials
1. INTRODUCCIÓN
El concreto armado se constituye básicamente de dos elementos: el acero y el
concreto. Reunidos éstos, dotan al concreto armado de la destacada resistencia a la
tracción del primero y la buena resistencia a la compresión del segundo1. Debido a
que las varillas de acero se fabrican en mayor cantidad a partir de la chatarra, éstas
poseen propiedades mecánicas apenas suficientes para los requerimientos que sus
aplicaciones demandan. Si se hiciera uso de ferroaleaciones con una composición
química que permitiese lograr mejores propiedades mecánicas, se elevaría en gran
manera medida el costo de producción. La alternativa económica es la
implementación de un tratamiento térmico que promueva la formación de
microestructuras promotoras modificadoras de las propiedades mecánicas. Es
precisamente mediante este tratamiento que se fabricaron alguna parte de las
muestras analizadas en el presente trabajo. El efecto económico que representa la
aplicación de este tratamiento es representativo, si se compara con el costo de
fabricación del acero usando ferroaleaciones. La producción de las varillas
termotratadas comprende principalmente la implementación de un temple superficial,
ver Figura 1. La varilla por su proceso de laminación en caliente, está protegida por
una cascarilla (óxido de hierro) que cubre la superficie que se forma por la reacción
del acero caliente con el oxígeno. Esta cascarilla sirve como protección de la varilla a
la intemperie, presentándose una oxidación superficial, sin llegar a corroerse.
(a)
(b)
Figura 1. a) Diagrama del Tratamiento Térmico Superficial sobre varillas de acero
para concreto. Se muestran las fases metalográficas presentes en cada etapa de
proceso. (b) Mitad de la sección transversal de una varilla termotratada.
Nótese que se aprecia una diferencia en la morfología de las fases2.
329
La capa superficial de óxido que se empieza a formar, en cuanto la varilla es
expuesta al medio ambiente (óxido natural), brinda una mayor adherencia entre el
acero y el concreto, no así los productos de corrosión ya que estos al irse
acumulando pueden producir esfuerzos de expansión alrededor del acero que si
llegan a ser mayores que el esfuerzo de tensión del concreto que lo rodea, pueden
producir agrietamiento3. En este trabajo se analizarán varillas termotratadas (G40
Termotratadas) y convencionales (llamadas RF, como varillas de referencia) que
fueron sometidas a una condición real de oxidación simulando la pre-exposición
ambiental que sufren al salir del proceso de producción en lotes y antes de ser
utilizadas en la construcción. Se realizarán medidas del potencial y velocidad de
corrosión de éstas varillas embebidas en concreto y expuestas a un medio agresivo.
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El proceso Tempcore® de producción de las varillas llamadas G40 termotratadas se
realizó con el control de los parámetros que se detallan a continuación. En un horno
de homogenización se elevó la temperatura de las varillas hasta 900 ºC,
permaneciendo por un tiempo de 20 minutos para obtener una homogenización de la
fase austenítica. Posteriormente, las varillas son enfriadas en una cámara de temple
equipada con 5 cañones alineados verticalmente y que controlan el flujo de agua
(826 L/min.). Cabe resaltar que el agua de enfriamiento utilizada es de proceso y
contenía 781 p.p.m. de cloruros. El tiempo de temple fue de 0.44 s. Al final, se llevó
a cabo el autorevenido en una cama de enfriamiento. La temperatura de revenido es
la que define la calidad de la martensita revenida. Con la aplicación de este proceso
se formó una capa martensítica de 0.96 mm de espesor (ver Figura 1 (b)). En la tabla
1 se observan las composiciones químicas y propiedades mecánicas de las varillas
utilizadas (G40 Termotratada y RF) y en la cual se constata un marcado incremento
en las propiedades mecánicas de las primeras.
Posterior al proceso de producción, las varillas sufrieron una pre-exposición
ambiental. En la Tabla 2 se muestra el tiempo de pre-exposición y la regencia de las
diferentes varillas resultantes. Es importante mencionar que en este trabajo solo se
analizan los casos de varillas G40TT de la 01 a la 04, de las varillas de referencia RF
de la 01 a la 04. Antes del ser embebidas en concreto, las varillas siguieron una
preparación que consistió en practicar una ranura en la parte superior de las varillas
para conectar un alambre de cobre con el fin de establecer la conexión eléctrica y
realizar las mediciones de los diferentes parámetros electroquímicos. Posteriormente,
fueron cubiertas con pintura anticorrosiva, dejando un área de exposición libre de 4
cm y después fueron cubiertas con una cinta adhesiva aislante con el fin de evitar el
contacto concreto-acero-aire (Figura 2).
330
Tabla 1. Composición química y propiedades mecánicas
Composición química, %
Varilla
Propiedades mecánicas,
kg/cm2
Esf. Cedencia
Esf. Máx.
Elongación,
%
C
Si
Mn
S
P
G40TT
0.26
0.15
0.86
0.04
0.02
5470
6710
7
RF
0.36
0.19
1.04
0.03
0.01
4200
6300
9
Tabla 2. Clasificación de las varillas y tiempo de pre-exposición ambiental antes de
ser embebidas
Para la fabricación del concreto se utilizó un cemento pórtland ordinario (Tipo I) con
una relación A/C de 0.6. En la Tabla 3 se detalla la formulación de la mezcla
utilizada. Las probetas se desmoldaron 24 horas después del vaciado de la mezcla y
antes del primer contacto con la solución de NaCl, fueron curadas durante 14 días en
un cuarto con 100% de humedad relativa y una temperatura de 20ºC ± 1ºC. Este
proceso se realizó con la finalidad de obtener un concreto de buena calidad, puesto
que las superficies de concretos no curados son más permeables y, por lo tanto,
menos durables.
Al final del periodo de curado, las probetas fueron parcialmente sumergidas en agua
con una concentración de 35 g/L de NaCl con la finalidad de simular un ambiente
agresivo (marino) en el cual se presente el fenómeno de la corrosión. Para acelerar el
mecanismo de corrosión, las probetas fueron expuestas a ciclos de 3 días de
inmersión y 4 días de secado en un horno a 40ºC con circulación forzada de aire. Un
incremento de la humedad en el concreto reduce su resistividad y reduce también la
penetración y difusión de oxígeno, pero se favorece la penetración de especies
agresivas, en este caso los cloruros, mientras tanto en el secado, al momento de
incrementar la temperatura, se afecta directamente la solubilidad del oxígeno. La
duración total de los ciclos de humedecido y secado fue de 10 semanas.
331
Tabla 3. Formulación de la mezcla de concreto utilizada
p
Materiales
Cemento
Cemento total
Agregados
Agua de reacción
Agua de absorción
Aire
Total
Densidad
(Kg/m3)
3100
2640
1000
1000
(Referencia)
Peso (Kg)
310
310
1725.70
186
15.53
2237.23
Kg x Batch
Volumen (L)
100
652.47
186
15.53
46
1000
18.6
103.54
11.16
0.93
2.76
134.23
Fig. 2. Preparación del acero de las varillas y representación esquemática de la
probeta utilizada. (Imagen cortesía de Fajardo et al.4)
Para la medición de la velocidad de corrosión se utilizó el método de Resistencia a la
Polarización (Rp) desarrollado por Stern y Geary en 19575. Se utilizó un
Potenciostato-Galvanostato modelo PG5 EV de la marca VIMAR en una
configuración a tres electrodos, empleando un electrodo de referencia de calomel
saturado (ECS) y un electrodo auxiliar o contraelectrodo de acero inoxidable 304.
Como parámetros de aplicación se utilizó una velocidad de barrido de 12 mV/min y
una perturbación de 20 mV en sentido anódico y 20mV en sentido catódico.
En la Figura 3 se muestra un esquema de medida. Es importante mencionar que el
potencial y velocidad de corrosión fue medido al final del periodo de inmersión para
minimizar la contribución de la resistencia eléctrica del concreto sobre estos
parámetros.
332
Los valores de resistencia a la polarización fueron convertidos a velocidad de
corrosión, con la ayuda de la ecuación (1) de Stern-Geary:
Icorr = B/Rp
(1)
Siendo B la constante promedio de 26 mV ó 52 mV. Stern-Geary determinaron su
valor a partir de las pendientes de Tafel que resultan de la polarización anódica y
catódica en las curvas de polarización. Para el acero embebido en concreto, B puede
tomar dos valores6, 26 mV para armaduras que están activas (corroyéndose) y 52 mV
para armaduras pasivas. En nuestro caso, se consideraron como armaduras activas
aquellas en las que su Ecorr es menor a los -270 mV, y como pasivas aquellas en las
que su Ecorr resultó mayor a este valor.
Se procedió a hacer un análisis superficial de las varillas de dichas probetas. Las
varillas después de ser desmoldadas fueron cortadas para obtener la parte del
refuerzo que estuvo expuesta (4 cm). Las partes obtenidas fueron decapadas en una
solución de agua destilada conteniendo 2% de HCl, después fueron secadas por
medio de aire caliente, esto para obtener un mayor grado de limpieza superficial de
las varillas para observar cualquier irregularidad y daño generado por la exposición
en el medio agresivo.
Fig. 3. Celda electroquímica utilizada para la obtención del potencial y velocidad y
de corrosión
333
3. RESULTADOS
En la Figura 4 se muestra los resultados de los promedios de Ecorr e icorr de las
probetas RF-05 a 08 y G40 TT-01 a 04 en función del tiempo de exposición. Estas
probetas presentaron una elevada velocidad de corrosión en comparación con el total
de las probetas analizadas (ver tabla 2). Las probetas fabricadas con varilla
termotratada presentan una icorr cercana a 1 µA/cm2 en las primeras cuatro semanas
de exposición, incrementándose gradualmente hasta alcanzar valores de 2 µA/cm2
hacia al final del periodo de exposición.
En las probetas con varillas de referencia RF se observan valores promedios de 1.0
µA/cm2 también en las primeras cuatro semanas, posteriormente se observa un
incremento al final de la exposición alcanzando valores de 2.7 µA/cm2, superiores a
las probetas con varilla termotratada, mostrando una diferencia de 25%. En lo que
respecta a los valores de Ecorr se observa, para ambas probetas, una tendencia a
disminuir su valor promedio. En la figura 5 se observan algunas áreas de la
superficie de las varilla termotratada y convencional después del proceso de
decapado.
La estimación de la vida útil de una estructura puede ser determinada en campo
realizando un seguimiento de los parámetros electroquímicos de la estructura.
Andrade et al7 propone un modelo el cual relaciona diferentes velocidades de
corrosión con la pérdida de la sección transversal de las armaduras.
La Figura 6 muestra una estimación de la vida útil de las probetas utilizadas en este
trabajo. Se observa que las probetas fabricadas con varilla termotratada presentan
una vida útil aproximada de 42 años, y aquellas fabricadas con varilla RF, una vida
útil de aproximadamente 23 años. Se entiende como vida útil el período en el cual la
estructura conserva los requisitos de seguridad, funcionalidad y estética, sin costos
inesperados de mantenimiento.
Debemos aquí tomar en cuenta el tipo de corrosión que se presenta, ya que si la
corrosión es localizada (picaduras) se pueden producir pérdidas mucho más
significativas de material.
334
10.0
icorr (uA/cm2)
Alta
1.0
Elevada
Moderadao
Despreciable
0.1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tiempo Exposición (Semanas)
0.000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-0.100
Ecorr (mV)
-0.200
-0.300
-0.400
-0.500
-0.600
G40 TT
RF
Fig. 4. Comportamiento de Ecorr e icorr promedio de los dos tipos de probetas
utilizadas
Las líneas horizontales divisoras indican los diferentes niveles de corrosión
335
(a)
(b)
Fig. 5. (a) Zona de la varilla termotratada decapada no se aprecian picaduras.
(b) Zona de la varilla convencional se aprecian picaduras. Imágenes tomadas por
medio de un Microscopio estereoscopio a 10X.
14
Reducción del diámetro
25
12
20
10
15
8
6
10
4
5
2
Reducción de la sección transversal
30
16
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo (años)
Fig. 6. Estimación de la vida útil de las probetas fabricadas
con varillas G40 Termotratada y RF
4. DISCUSIÓN
El incremento de icorr en ambas probetas hacia al final de la exposición es atribuido al
incremento de Cl- en la interfase acero-concreto promocionado con los ciclos de
inmersión – secado. El valor promedio de icorr fue superior en las probetas con varilla
de referencia (RF), esto podría ser atribuido a la formación de picaduras provocadas
por la exposición superficial de la varilla en el medio agresivo, el tipo de concreto y
presentar una capa superficial compuesta por las fases perlita y ferrita en la
superficie que entran en contacto y forman un par galvánico, ver Figura 5 (b). La
336
varilla G40 Termotratada al ser analizada al microscopio no mostró picaduras, pero
si una gran cantidad de óxidos depositados que cubrían toda la superficie de
exposición, originados ya sea por la pre-exposición o por la presencia de cloruros en
el agua de proceso que se utilizó en el enfriamiento brusco durante el tratamiento
térmico. Al igual que en las probetas con varilla RF, la icorr resultó mayor a 1 µA/cm2
lo que indica un nivel de corrosión muy elevado, que relacionado con las
observaciones realizadas conduce a suponer una corrosión generalizada. Por otra
parte, como es sabido, en la corrosión localizada (en comparación con la corrosión
generalizada) existen pérdidas de sección significativas en el material, que a su vez
afectan la seguridad y funcionalidad de las construcciones ya que puede aumentar
hasta 10 veces el valor de icorr7 obtenido en una medida tradicional de Rp. Aunado a
este hecho, una picadura genera una concentración mayor de esfuerzos en un área
localizada de la varilla.
5. CONCLUSIONES
La relación agua-cemento utilizada contribuyó a promover fuertemente en la
penetración de los agentes agresivos y provocar la despasivación del acero de
refuerzo. La formación de óxidos y depósitos sólidos en las varillas que tuvieron preexposición en el medio ambiente incrementó la velocidad de corrosión de dichas
varillas embebidas en el concreto. Sin embargo, el tiempo de pre-exposición no fue
un factor determinante para incrementar las velocidades de corrosión de dichas
varillas.
El tratamiento térmico de Tempcore creó una capa martensítica en la superficie de la
varilla. La velocidad de corrosión de estas varillas se incrementó ligeramente a causa
de la formación de óxidos en la superficie producto de la pre-exposición que sufrió
antes de ser embebida y por la depositación de sólidos (cloruros, sulfatos, etc.)
adheridos a través del agua de enfriamiento que se utilizó en el proceso Tempcore.
La varilla termotratada mostró una corrosión generalizada, esto deducido de su altos
potenciales electroquímicos y de las observaciones realizadas. La martensita como
componente único en la superficie del metal no forma pilas locales como en la varilla
nacional con pre-exposición en la que se presenta una combinación de las fases
ferrita y perlita.
La técnica electroquímica de Rp nos permite efectuar un seguimiento del mecanismo
de corrosión de las armaduras (despasivación) y llevar un control mediante
337
potenciales del daño que presenta la armadura, pero no es suficiente para determinar
el tipo de corrosión (generalizada ó localizada) que presenta la armadura.
AGRADECIMIENTOS
Al departamento de investigación de Ternium-Hylsa, al Ing. Ricardo Viramontes
Brown y el Dr. Carlos Javier Lizcano Zulaica quienes sentaron las bases para la
realización de este trabajo. Al PROMEP por el apoyo al proyecto 103.5/04/1371.
REFERENCIAS
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C.M. Hansson: Concrete: The advanced industrial material of the 21 st. century.
Mat. Trans. Vol. 26 st. Canadá 1995.
2.
Pedroza Solís, Miguel Ángel: Análisis de oxidación superficial de la varilla
termotratada. Tesis F.I.M.E. U.A.N.L 2005.
3.
Castorena, J.H. , Almeraya, F.M. , Velazquez J.J. : Modelación con elemento
finito del agrietamiento por corrosión en vigas de concreto reforzado utilizando
elementos de contacto mediante ANSYS. CONPAT 2005.
4.
G. Fajardo, G. Escadeillas and G. Arliguie, Electrochemical chloride extraction
(ECE) from steel reinforced concrete specimens contaminated from artificial
seawater, Corrosion Science 48 (2006) 110-125.
5.
M. Stern, A.L. Geary, J. Electrochem. Soc. 104 (56) (1957).
6.
J.A. Gonzalez, A. Molina, M. Escudero, M.C. Andrade, NACE Corrosion 85
Conf. Paper 257, Boston, 1995.
7.
Manual de Inspección, Evaluación y diagnostico de Corrosión en Estructuras de
Hormigón Armado. 1998.
338

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