Tesis:
Efectividad de los Inhibidores de Corrosión en el Hormigón Armado
- Autor: BONILLA MIELES, Andrés Fernando
- Título: Efectividad de los Inhibidores de Corrosión en el Hormigón Armado
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73171/
- Director/a 1º: MORAGUES TERRADES, Amparo
- Director/a 2º: GÁLVEZ RUIZ, Jaime C.
- Resumen: Las estructuras de hormigón armado forman parte importante de nuestra infraestructura. La combinación entre el hormigón y el acero resulta un material compuesto ideal que ofrece, en comparación a otros materiales, una amplia gama de aplicaciones en ingeniería estructural.
Además, es el medio protector en el que se encuentra embebido el acero de las armaduras. En general, es un material heterogéneo con estructura porosa. Tiene la propiedad de proteger el acero contra la corrosión de una manera estable y duradera.
Esta protección es de doble naturaleza: En primer lugar, es una barrera física entre el acero y el medio externo. En segundo lugar, el agua que rellena los poros del hormigón debido a las reacciones de hidratación está saturado en Ca(OH)2 y contiene iones como NA+, K+ y SO4-, que sitúan su pH entre 12.5 y 13.5, dependiendo del tipo de cemento utilizado.
Este elevado pH y en presencia del oxígeno atmosférico, favorece la formación de una película de óxidos muy estable, llevando a la pasivación de las armaduras. Sin embargo, cuando una cantidad suficiente de iones cloruro (de las sales de deshielo o del agua de mar) penetra a través de la superficie del hormigón y alcanza el refuerzo, o cuando el pH de la solución de los poros disminuye a valores bajos debido a la carbonatación, la película protectora se destruye y el acero de refuerzo se despasiva.
La rotura de la película pasiva como consecuencia de la llegada de estos agresivos hasta el nivel de la armadura produce corrosión y provoca la reducción de las propiedades del hormigón armado, por lo que puede llevar asociada una disminución en el tiempo de la vida útil de las estructuras.
La reducción del tiempo en servicio de la estructura lleva asociado costes económicos derivados de la pérdida temporal o total de uso, costo de reparaciones y monitoreo, así como un aumento en la huella de carbono del material. La aparición de la corrosión en el acero conlleva una mayor incidencia de desprendimiento, deslaminación y, como consecuencia fallos en elementos estructurales.
La forma más común en el hormigón armado es la corrosión por picadura del refuerzo debido a la ruptura localizada de la película pasiva en la superficie del acero causada por los iones cloruro. Para evitar o reducir el impacto de este problema, varios métodos han sido investigados. Algunos ejemplos son: los revestimientos protectores tipo epoxy para el acero, inhibidores de corrosión de diferente naturaleza, orgánicos e inorgánicos, protección electroquímica: corriente impresa, ánodos de sacrificio, etc.
Actualmente, los inhibidores en el hormigón armado son utilizados porque son fáciles de aplicar y tienen bajo coste económico. Se consideran como tales, sustancias químicas que retrasan el inicio de la corrosión o disminuyen su velocidad de propagación sin efectos adversos sobre las propiedades mecánicas del hormigón.
El inhibidor puede ser añadido generalmente durante la preparación del hormigón en el agua de la mezcla. También, puede ser aplicado como impregnación superficial de forma previa a la aparición del daño como prevención o con posterioridad al inicio de la corrosión como tratamiento de rehabilitación estructural para aumentar el tiempo en servicio de la estructura.
Los inhibidores impregnados deben ser capaces de penetrar a través de los poros capilares y difundir hasta alcanzar el acero de refuerzo en un tiempo corto y con una concentración suficientemente alta para protegerle de la corrosión. Son llamados inhibidores de corrosión migratorios (MCI) y han aumentado su uso en los últimos años.
En esta tesis se tiene como principal objetivo evaluar la eficacia de tres inhibidores aplicados como tratamientos superficiales de rehabilitación. Así como también estudiar el diferente comportamiento de los compuestos seleccionados si se utilizan como método de prevención (añadidos en masa) o como método de reparación (impregnados después del inicio de la corrosión).
Para realizar esto, también se evalúa la capacidad de las técnicas electroquímicas de Resistencia de Polarización e impedancia de Espectroscopía Electroquímica para el estudio del proceso y su evolución con el tiempo. Los inhibidores analizados son: base química Alcoxi Silano, mezcla de Alquilsilanos y, por último, el inhibidor Órgano Mineral en base acuosa.
Las principales conclusiones reflejadas a partir de los estudios realizados son:
Aplicados Por Impregnación:
-Los tres inhibidores analizados presentan una clara reducción de la velocidad de corrosión respecto a los valores obtenidos en las probetas sin inhibidor a los pocos días de realizarse la impregnación. La intensidad de corrosión de las probetas impregnadas se estabiliza a partir de los 50 días de inicio del estudio, en todos los casos en un nivel de corrosión leve (entre 0,1 y 0,5 uA/cm2).
-La evolución en el tiempo de la velocidad de corrosión diferencia el comportamiento de los tres inhibidores. Mientras que los de base órgano mineral y alquilsilano mantienen con ligeras diferencias la intensidad de corrosión en niveles de leve corrosión, los inhibidores de base alcoxi silano reducen con el tiempo la corrosión hasta niveles despreciables (menores 0,1 uA/cm2).
-Los resultados del estudio de Espectroscopia de Impedancia Electroquímica son coherentes con los valores de Icorr obtenidos. Así a los 544 días de estudios los valores de la resistencia asociada a la capa protectora formada sobre el metal son mayores en los inhibidores con base Alcoxi Silano.
-Los valores obtenidos por los estudios de EIS indican que el mecanismo de actuación de los tres inhibidores no es el mismo. Los productos de base Alquilsilano y Organo mineral actúan tanto sobre la capa de protección del acero como a nivel de la matriz cementicia. El inhibidor de base Alcoxi Silano únicamente sobre la capa protectora formada en la superficie del acero.
-Con elevados niveles de cloruros en la superficie del acero resultan más efectivos los inhibidores con base Aminoalcohol o los morteros de reparación. En ambos casos el inhibidor actúa sobre la matriz de cemento y sobre la capa protectora de la interfase del acero.
Aplicados en Masa:
-El comportamiento de los tres inhibidores estudiados mejora sus efectos cuando se introducen en el proceso de amasado. En los tres inhibidores, los aceros a los 544 días presentan un nivel de corrosión leve o despreciable. El mejor comportamiento los presenta los inhibidores de base Alcoxi Silano, si bien las diferencias entre los diferentes inhibidores son menores cuando se aplican en el proceso de amasado.
-La evolución del comportamiento de los inhibidores con el tiempo difiere significativamente de la obtenida cuando se aplican por impregnación. Desde la primera medida el efecto del inhibidor es evidente, destacando el comportamiento de los formulados con base Alcoxi Silano. A partir de los 150 días los valores se estabilizan en niveles de corrosión despreciable.
-Los estudios de EIS, son coherente con los valores de Icorr encontrados y muestran igualmente un diferente comportamiento cuando los inhibidores se añaden en el proceso de amasado. En este caso los tres productos actúan tanto sobre la matriz de cemento como sobre la interfase de protección del acero. Generando así que el mejor comportamiento de los Alcoxi Silano se observe desde las primeras edades.
Técnicas Electroquímicas:
-La utilización de la Resistencia a la Polarización lineal (LPR), para evaluar la evolución de los procesos de corrosión en materiales de base cemento permite obtener información correcta del proceso con niveles de aproximación aceptables. Así lo confirma la relación entre las perdidas obtenidas a partir de la Icorr calculada y las perdidas gravimétricas medidas.
-La utilización de la Espectroscopia de Impedancia Electroquimica (EIS), permite diferenciar el mecanismo de actuación de diferentes principios activos. Lo que en último término puede ayudar a optimizar el uso de estos.
ABSTRACT
Reinforced concrete structures are an important part of our infrastructure. Concrete and steel are an ideal composite material that offers, compared to other materials, a wide range of applications in structural engineering.
It is also the protecting medium in which the reinforcing steel is embedded. In addition, it is a heterogeneous material with a porous structure. Its property is to protect the steel against corrosion in a stable and long-lasting way.
It is a physical barrier between the steel and the external environment. Second, the water that fills the pores of concrete due to hydration reactions is saturated in Ca(OH)2 and contains ions such as Na+,K+ y SO4-, which place its pH between 12.5 and 13.8, depending on the type of cement used.
This elevated pH and in the presence of atmospheric oxygen, promotes the formation of a very stable oxide film, leading to passivation of the reinforcement. However, when sufficient chloride ions (from de-icing salts or seawater) penetrate through the surface of the concrete and reach the reinforcement, or when the pH of the pore solution decreases to low values due to carbonation, the protective film is destroyed and the reinforcing steel is depassivated.
The rupture of the passive film as a consequence of the penetration of these aggressive agents down to the level of the reinforcement causes corrosion and leads to a reduction in the properties of the reinforced concrete, which can lead to a reduction in the useful life of the structures.
The common form in reinforced concrete is pitting corrosion of reinforcement due to localized rupture of the passive film on the steel surface caused by chloride ions. To avoid or reduce the impact of this problem, several methods have been investigated. Some examples are: epoxy-type protective coatings for steel, corrosion inhibitors of different nature, organic and inorganic, electrochemical protection: impressed current, sacrificial anodes, etc.
The main objective of this thesis is to evaluate the effectiveness of three inhibitors applied as rehabilitation surface treatments. As well as to study the different behavior of the selected compounds if they are used as a prevention method (added in mass) or as a repair method (impregnated after the onset of corrosion).
To make this study, the capacity of the electrochemical techniques of Polarization Resistance and Impedance Electrochemical Spectroscopy for the study of the process and its evolution with time is also evaluated. The inhibitors analyzed are: chemical base Alkoxy Silane, Alkylsilane mixture and, finally, the inhibitor Mineral Organ in aqueous base.
The main conclusions drawn from the studies carried out are as follows:
-The three inhibitors analyzed show a clear reduction in the corrosion rate with respect to the values obtained in the specimens without inhibitor a few days after impregnation. The corrosion current of the impregnated specimens stabilized after 50 days from the start of the study, in all cases at a mild corrosion level (between 0.1 and 0.5 uA/cm2).
-The evolution of the corrosion rate over time differentiates the behavior of the three inhibitors. While the organo-mineral and alkoxysilane-based inhibitors maintain the corrosion current at mild corrosion levels with slight differences, the alkoxy silane-based inhibitors reduce corrosion over time to negligible levels (less than 0.1 uA/cm2).
-The results of the Electrochemical Impedance Spectroscopy study are consistent with the Icorr values obtained. Thus, at 544 days of study, the resistance values associated with the protective layer formed on the metal are higher in the Alkoxy Silane based inhibitors.
-EIS values obtained from the studies indicate that the action mechanism of all three inhibitors is not the same. The Alkylsilane and Organo mineral based products act both on the protective layer of the steel and at the level of the cementitious matrix. The Alkoxy silane-based inhibitor acts only on the protective layer formed on the steel surface.
-With high levels of chlorides on the steel surface, amino-alcohol based inhibitors or repair mortars are more effective. In both cases the inhibitor acts on the cement matrix and on the protective layer of the steel interface.
-Performance of the three inhibitors studied improves their effects when they are introduced in the mixing process. In the three inhibitors, the steels at 544 days show a slight or negligible level of corrosion. The best performance is shown by the Alkoxy Silane-based inhibitors, although the differences between the different inhibitors are smaller when they are applied in the mixing process.
-Use of the Linear Polarization Resistance (LPR) to evaluate the evolution of corrosion processes in cement-based materials allows obtaining correct information of the process with acceptable levels of approximation. This is confirmed by the relationship between the losses obtained from the calculated Icorr and the measured gravimetric losses.
-Use of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) makes it possible to differentiate the mechanism of action of active components. This can ultimately help to optimize their use.