evaluación de la influencia del so2 como agente...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A2a Materiales: Corrosión Atmosférica en estructuras de concreto

“Evaluación de la Influencia del SO2 como agente corrosivo en estructuras de concreto”

Luis Martínez M., Efrén Romo M., Francisco Sánchez P., Armando Ortiz P.

Facultad de Ingeniería Edificio “O”, Universidad Nacional Autónoma de México, Av Universidad No. 3000 Col. UNAM-CU Cd Mx, 07800 México

Autor contacto: [email protected]

R E S U M E N

El concreto reforzado es un material eficaz para soportar esfuerzos mecánicos, pero puede resultar vulnerable cuando es

sometido a ambientes severos, como son los casos de las costas marinas o las zonas industriales, dónde se da lugar a

procesos electroquímicos, afectando el acero de refuerzo entre los productos hidratados del cemento y los productos que

penetran, produciendo deterioro en la estructura, causando daños que afectan su calidad de servicio, su durabilidad y

reducen su seguridad.

El presente trabajo muestra los resultados del deterioro del acero de refuerzo a consecuencia de la influencia del SO2,

utilizando probetas de concreto sometidas a ensayos acelerados considerando variables adicionales como temperatura

y %Humedad Relativa. El deterioro se evaluó por métodos de colorimetría y electroquímicos, obteniendo valores para

la constante de sulfatación “k”, dando pauta a determinar que el SO2 penetra a través de los poros de forma gradual

expandiéndose hacia la superficie circundante.

Palabras Clave: Sulfatación, ensayos acelerados, concreto reforzado.

A B S T R A C T

Reinforced concrete is an effective material to withstand mechanical stresses, but it can be vulnerable when subjected to

harsh environments, such as in marine areas industrial areas, where electrochemical processes occur, affecting the steel

reinforcement between the hydrated cement products and the products that penetrate, causing damage in the structure,

affect their quality of service, its durability and reduce their security.

The present paper shows the results of the deterioration of reinforcing steel as a result of the influence of SO2, using

concrete test specimens subjected to accelerated tests considering additional variables such as temperature and % Relative

Humidity. The deterioration was evaluated by colorimetric and electrochemical methods, obtaining values for the sulfation

constant "k", giving a guideline to determine that the SO2 penetrates through the pores gradually expanding towards the

surrounding surface. Keywords: Sulfation, accelerated testing, reinforced concrete

1. Introducción

En la actualidad existen diferentes metodologías para

evaluar el deterioro por corrosión en el acero de refuerzo del

concreto, principalmente por cloruros y carbonatación. Sin

embargo, el efecto del SO2 no ha sido tan estudiado, siendo

uno de los gases de mayor repercusión en el deterioro de

materiales, al ser causante en la lluvia ácida, ataca al

concreto con mayor agresividad, aunado a la

influencia de cloruros hace de esta combinación una de las

más agresivas en cuanto a daño por corrosión en acero de

refuerzo en estructuras de concreto.

Los cloruros provienen de sales inorgánicas que abundan en

la naturaleza; y por eso suelen encontrarse en el concreto

desde la formación de la pasta de cemento. Cabe mencionar

que la concentración de los cloruros varía según la región

geográfica de acuerdo a la salinidad o a la concentración de

las sales contenidas en el agua de mar, por ejemplo, la

salinidad en las costas de la Península de Yucatán se

ISSN 2448-5551 MM 156 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


encuentra en el rango de 35.5 g/l y 36.5 g/l [1]

Cuando una estructura de concreto está en contacto

frecuente con agua que contenga iones de cloruro (agua de

mar), a través de la propia porosidad del concreto puede

llegar a las varillas de acero iniciando la corrosión de éste.

La herrumbre que se va formado como resultado del proceso

de corrosión, por una parte, disminuye la sección transversal

de la varilla, y por otra, hace perder la adherencia inicial

entre el acero y el concreto. El óxido de hierro formado

(herrumbre) ocupa un volumen aproximado de cuatro veces

mayor que el acero sin corroer [2,11], lo que produce una

gran presión sobre el concreto que lo rodea, provocando

grietas que lo fragilizan, perdiendo el concreto reforzado sus

buenas propiedades mecánicas.

Estudios previos manifiestan que el deterioro por

concentraciones altas de dióxido de azufre (SO2), se presenta

de forma más rápida en estructuras de concreto reforzado,

considerando que la herrumbre se forma más rápidamente

durante ciertas estaciones del año, donde el contenido de

SO2 en la atmósfera era elevado, aun considerando que la

presencia en volumen de dicho contaminante es pequeña (1

molécula de dióxido de azufre permite la formación de 15 a

40 moléculas de herrumbre), de acuerdo a la estación.

Al respecto del proceso cíclico de formación de herrumbre

por dióxido de azufre, algunos autores [3], haciendo

referencia a Evans y Taylor, explican la presencia de dos

mecanismos:

• Ciclo de regeneración ácida

• Ciclo electroquímico.

Los iones sulfato reaccionan con los aluminatos cálcicos

hidratados del clinker de cemento portland formando la sal

de Candlot o Etringita, que es muy poco soluble en agua y

provoca un gran aumento de volumen del orden del 250%

en relación a los reactivos iníciales [4]. Esta expansión

produce grandes tensiones internas que, por lo general, no

pueden ser absorbidas por el material y desencadenan una

serie de fisuras y desprendimientos superficiales de material.

El deterioro del concreto por ataque de cloruros y

sulfatación conlleva grandes gastos en la economía de un

país, se estima que las pérdidas por corrosión ascienden

entre el 3.5% y 4.5% del PIB de un país de primer mundo

(entre ellos están Estados Unidos, Japón, Gran Bretaña) [5],

por lo que es importante conocer el comportamiento de éstos

y otros agentes químicos agresivos al concreto, como los

NOx que no han sido estudiados a fondo.

2. Metodología

2.1 Dosificación del cemento y agregados

Los elementos estructurales evaluados son probetas

cilíndricas, elaboradas de acuerdo con el procedimiento

descrito en el código ACI Comité 211.1 y empleando una

relación de dosificación 1:3:3. Los moldes utilizados para la

fabricación de las probetas fueron de PVC de acuerdo a la

norma ASTM C-31, cuyas dimensiones son; Φ = 75 mm y h

= 150 mm.

El cálculo de la cantidad (en kg) de cemento y agregados

para la elaboración del concreto de acuerdo al procedimiento

del Código ACI Comité 211.1, se obtuvo a partir del

volumen suelto del cemento, elaborándose cuatro probetas y

posteriormente se empleó el mismo procedimiento del

código para una dosificación de materiales 1:3:3. Las

cantidades se presentan en las siguientes tablas.

Tabla 1. Concreto elaborado de acuerdo al código ACI

comité 211.1 [5]

A/C =0.59

Rel. Comp. de

𝟐𝟎𝟎 [𝒌𝒈

𝒄𝒎𝟐]

Para 𝟏𝒎𝟑

(cantidad en

kg)

1 Probeta

(Cantidad en

kg)

4 Probetas

(Cantidad en

kg)

CEMENTO 306.770 0.182 0.728

AGUA 181.000 0.107 0.429

GRAVA 869.453 0.516 2.06

ARENA 803.323 0.477 1.908

FESTEGRAL 9.000 0.005 0.022

Tabla 2. Concreto elaborado de acuerdo al código ACI

comité 211.1 con dosificación 1:3:3. [5]

A/C =0.63

Rel. Comp. de

𝟐𝟎𝟎 [𝒌𝒈

𝒄𝒎𝟐]

Para 𝟏𝒎𝟑

(cantidad en

kg y m3)

1 Probeta

(Cantidad en

kg)

4 Probetas

(Cantidad en

kg)

CEMENTO 300.000 kg 0.178 0.712

AGUA 189.000 kg 0.112 0.448

GRAVA 0.720 m3 0.351 1.400

ARENA 0.720 m3 0.351 1.400

FESTEGRAL 9.000 0.005 0.021

2.2 Preparación de acero de refuerzo

Antes de que los electrodos de trabajo (acero de refuerzo)

fueran embebidos en el concreto, estos tuvieron una previa

preparación, para limpiar el óxido y residuos grasos se

utilizo un decapado químico, en este caso una solución de

ácido sulfúrico.

2.3 Preparación del concreto y conservación de las

probetas

Se elaboró la mezcla de acuerdo a las dosificaciones

mostradas en las Tablas 1 y 2, y después se vació a los

moldes en dos etapas, la primera hasta la mitad de la

capacidad del molde seguida de una compactación manual y

en la segunda etapa se llenó completamente el molde

volviéndose a compactar la mezcla.

Una vez llenado el molde de concreto fueron embebidos los



aceros de refuerzo y se hizo vibrar externamente el molde

(con ligeros golpes durante 15 segundos) para evitar la

formación de cavidades de aire y asegurar el buen contacto

del acero con el concreto.

Las probetas se desmoldaron después de 48 horas, para

someterse al curado en agua con cal al 10%; con el fin de

mantener al concreto hidratado en todo momento, para así

proporcionar al concreto las características para las cuales

fue diseñado. El curado tiene una gran influencia sobre las

propiedades del concreto endurecido como lo son la

durabilidad, resistencia, hermeticidad, resistencia a la

abrasión, resistencia a la congelación, al deshielo y a las

sales para descongelar [6,9]. En todos los aspectos, un

concreto bien curado es un mejor concreto [7].

2.4 Selección y preparación de las soluciones

Tomando como referencia investigaciones previas [6] las

soluciones empleadas se prepararon con los siguientes

solutos:

I. NaCl con grado de pureza al 100% (grado

reactivo), esto para simular la influencia del ión

cloruro.

II. SO2 gas para la estimulación de la sulfatación en la

estructura.

La preparación de las soluciones que simularon la presencia

del ión Cl-, se llevó a cabo inyectando durante todo el ensayo

la disolución de NaCl al 3.5% [8,10] en agua destilada, ya

que se ha comprobado que un aumento de concentración

molar no acelera más la corrosión.

Para la solución acuosa que simuló la influencia del dióxido

de azufre en el concreto (SO2) y con la cual se buscó sulfatar

la estructura de concreto, se optó por saturar agua con el gas

SO2 esto es: H2O + (SO2)

Cabe citar que este gas SO2, se inyecta a proporción de 15

ppm por cada ciclo realizado del ensayo acelerado.

Por otra parte, para mantener la solución con presencia de

NaCl en las probetas, esta se cambiaba cada 48 horas.

2.5 Equipo de trabajo

El equipo empleado para la simulación fue:

➢ Electrodo de referencia Cu/CuSO4 (de elaboración

propia)

➢ Cámara de atmósfera controlada (para la

sulfatación)

➢ Recipientes de plástico transparentes (para verter la

solución salina)

➢ Tanque con dióxido de azufre (SO2)

➢ Multímetro

➢ Cables caimán-caimán

3. Simulación

Para realizar las simulaciones de corrosión acelerada las

probetas se dividieron en dos grupos como se muestra en la

Tabla 3, donde se muestran los tiempos de curado en las

probetas así como el arreglo para la simulación de corrosión

correspondiente [5].

Tabla 3. Selección de las probetas para la simulación de

corrosión [5]

CORROSIÓN POR CLORUROS

PROBETA MEZCLA SOLUCIÓN GASES TIEMPO

DE

CURADO

1 0.63 Sal 3% Si 20 Días

2 0.59 Sal 3% Si 20 Días

3 0.63 Sal 3% No 50 Días

4 0.59 Sal 3% No 50 Días

CORROSIÓN POR SULFATACIÓN

PROBETA MEZCLA SOLUCIÓN GASES TIEMPO

DE

CURADO

1 0.63 Agua

Destilada

No 20 Días

2 0.59 Agua

Destilada

No 20 Días

3 0.63 Agua

Destilada

Si 50 Días

4 0.59 Agua

Destilada

Si 50 Días

3.1 Simulación de corrosión por sulfatación

• Primera etapa

La inducción de sulfatación consistió en someter dos

probetas de cada relación a/c en una cámara ambiental cuyas

concentraciones del SO2 para la experimentación fueron del

10%, una humedad relativa del 65%, una temperatura

mínima de 7 °C y una máxima de 40 °C, manteniéndolas

constantes durante un lapso con la finalidad de asemejar un

ensayo puesto a la intemperie.

Dos probetas fueron inmersas en solución salina al 3.5% y

las restantes quedan únicamente con el roció de agua que se

produce dentro de la cámara. (Fig. 1)



Figura 1. Acomodo de las probetas dentro de la cámara

para ensayos acelerados de corrosión [5]

Las probetas fueron sometidas a 210 ciclos de simulación en

la cámara, una vez transcurrido dicho periodo, fueron

retiradas de la cámara para realizar los criterios de corrosión

seleccionados.

• Segunda etapa

Las cuatro probetas restantes se introdujeron en la cámara al

finalizar el periodo de simulación de las anteriores, con las

mismas condiciones de temperatura y humedad relativa,

pero agregando gas) dióxido de azufre (SO2), a una

concentración de 15 ppm; para que la sulfatación se hiciera

más rápida y evidente en el concreto.

3.2 Simulación de corrosión por cloruros

• Primera etapa

Superado el tiempo de curado (Tabla 3), los especímenes

fueron inmersos parcialmente (10 cm de profundidad) en

una solución acuosa al 3.5% de NaCl dentro de los

recipientes de plástico. Una vez acomodadas las probetas

dentro de la cámara se comenzó a correr la prueba.

• Segunda etapa

Se utilizaron las mismas condiciones de trabajo que en

el caso anterior pero ahora inyectando lo gases durante

toda la simulación.

4. Resultados y conclusiones

Para la obtención de los resultados del deterioro del concreto

reforzado se realizaron dos tipos de análisis en las probetas;

análisis por colorimetría (utilizando una solución de

fenolftaleína al 1%) y análisis electroquímico (medición de

potencial utilizando un electrodo de referencia Cu/CuSO4).

Como se mencionó con anterioridad, se formaron dos

grupos de probetas para la realización de los ensayos, donde

el grupo 1 se sometió a ensayos con humedad y temperatura,

y, en el grupo 2 se utilizaron las mismas condiciones aunado

el gas SO2 como agente de deterioro.

4.1 Resultados obtenidos por medición de potencial

Los datos recaudados mediante un multímetro digital Fluke-

177 ESFP, durante los ensayos, de los potenciales fueron

graficados para realizar un análisis del deterioro sufrido.

En la gráfica 1 se muestra un comparativo de los potenciales

de las cuatro probetas del primer grupo.

Grafica 1. Comparativo del potencial en las cuatro probetas

del Grupo 1 [5].

Se observa como en los primeros 42 ciclos las probetas I, II

y III mantenían potenciales cercanos estando por debajo de

ellos la probeta IV (que se encontraba más alejada del

humificador). A partir del ciclo 186, la probeta II mantuvo

un potencial por encima de las otras 3 que mantenían

valores similares hasta casi al final de los ensayos.

Cabe señalar que las probetas inmersas en solución salina (I

y II) sufrían mayor deterioro al estar en un medio más

agresivo; de lo anterior, todas las probetas registraron

potenciales por encima de 0.6 [V] dejando claro que se

encuentra en una zona de corrosividad.

Referente a la segunda etapa de pruebas (grupo 2), el

potencial de todas las probetas aumento poco a poco

conforme avanzaban los ciclos registrando un Emáx = 0.76

[V] en el ciclo 240 para la probeta IB grafica 2, registrando

mayores potenciales.

Grafica 2. Comparativo del potencial en las cuatro probetas

[4].

Las probetas inmersas en solución salina registraron



potenciales por encima de 0.7 [V], ya que al tener los gases

y aunado a la solución salina el medio simulado fue más

agresivo dando como resultado un deterioro más acelerado

del acero de refuerzo.

Es de notar que hasta el ciclo 180 fue cuando todas las

probetas superaron un potencial de 0.6 [V] pasando de un

estado pasivo a una inminente corrosión, de acuerdo a los

diagramas de Pourbaix.

4.2 Resultados obtenidos por colorimetría

Para conocer la influencia del SO2 en el concreto armado se

utilizó la profundidad de sulfatación, método de evaluación

similar a la utilizada en carbonatación, mediante el método

de colorimetría (usando fenolftaleína) tanto para las

probetas expuestas a ciclos de humedad y temperatura,

como a las expuestas a ciclos con las dos variables

mencionadas y también con gas SO2. Mediante este método

se obtuvo un promedio de la constante de sulfatación “k” a

partir del avance de la profundidad del deterioro.

Para la realización de este análisis las probetas fueron

seccionadas en tres partes, utilizando un esmeril empotrado

en una base firme para realizar los cortes en seco del

concreto y utilizando una segueta para cortar la varilla con

el fin de no contaminarla con un agente externo.

En la Tabla 4 se muestra el valor promedio de la constante k

obtenida en las probetas sometidas a ciclos de humedad y

temperatura

Tabla 4. Constantes de sulfatación, probetas sometidas a

ciclos de humedad y temperatura [5]

PROBETA SECCIÓN

DE LA

PROBETA

𝒌[𝒎𝒎 𝒂ñ𝒐⁄ ] 𝒌𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 [𝒎𝒎 𝒂ñ𝒐⁄ ]

A 11.8946

I B 10.2539 12.5586

C 15.5274

A 13.2422

II B 14.0625 14.4239

C 15.9669

A 16.7579

III B 21.8263 21.0157

C 24.4360

A 15.5567

IV B 19.0420 17.4415

C 17.7247

Tomando como referencia la Tabla 5, de investigaciones

previas, al tener en términos generales una constante k>9, se

dice que se tiene un concreto pobre en cuanto a calidad, en

base a este criterio.

Tabla 5. Calidad del concreto en función de la constante de

sulfatación [5]

CONCRETO

POBRE

CONCRETO

REGULAR

BUEN

CONCRETO

𝒌[𝒎𝒎 𝒂ñ𝒐]𝟏 𝟐⁄⁄ ] >9 9>k>6 <6

Pero como se puede observar en las Figuras 2 y 3 la varilla

no ha sufrido deterioro en la parte interna del concreto.

Figura 2. Análisis por colorimetría del deterioro del

concreto reforzado correspondientes a las probetas I y II

[5]


concreto reforzado correspondientes a las probetas III y IV

[5]

La Tabla 5 corresponde a los datos obtenidos de la constante

de sulfatación de las probetas sometidas a ciclos de

humedad, temperatura y gas SO2. Como se puede observar,

la constante de sulfatación k es un promedio al igual que en

la Tabla 4.

Tabla 6. Constantes de Sulfatación, probetas sometidas a

ciclos de humedad, temperatura y gas SO2 [5]

PROBETA SECCIÓN

DE LA

PROBETA

𝒌[𝒎𝒎 𝒂ñ𝒐⁄ ] 𝒌𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 [𝒎𝒎 𝒂ñ𝒐⁄ ]

A 5.8008

IB B 4.3945 4.8633

C 4.3945

A 6.7383

IIB B 4.9805 5.9570

C 6.1523

A 6.5918

IIIB B 5.7129 5.7120

C 4.8346

A 6.4453

IV B B 4.8340 5.6152

C 5.5664



Los valores registrados en promedio son menores a 6 y

conforme al criterio de la Tabla 6, se dice que se tiene un

buen concreto, resistente a la acción de procesos corrosivos.

Lo cual se puede corroborar en la figura 4, el cambio de

coloración en el concreto con el indicador fenolftaleína, es

un violeta intenso y es uniforme en toda la superficie lo cual

indica un valor de pH entre 9 y 10, en estas condiciones no

se presenta avance del SO2 al interior del concreto y esto se

observa también en la varilla, a su alrededor no presenta

deterioro.


concreto reforzado correspondientes a las probetas IB y IIB

(inmersas en solución salina) [5]

5. Conclusiones

Cada investigación realizada tiene un enfoque determinado

además de dar lugar a futuras investigaciones basadas en los

resultados presentados anteriormente, con la finalidad de

hacer variaciones en la metodología expuesta. Llevar a cabo

una simulación acelerada de corrosión permite obtener

resultados en menor tiempo y que también tienen validez.

➢ El concreto mantuvo protegido internamente al

acero de refuerzo de los procesos corrosivos. Muestra de ello

es que el ataque por sulfatación no afecto al acero (el

deterioro va desde afuera hacia adentro, comenzando el

deterioro en el acero que sale del concreto). Por otra parte,

el ataque de cloruros va desde adentro hacia afuera y no

causo daño en el concreto.

➢ El decapado en las varillas contribuyó para

visualizar de mejor manera el deterioro de la misma, en la

parte que sale del concreto, ya que internamente no

presentaba corrosión visible, manteniendo una buena

adherencia acero-concreto.

➢ Durante la etapa de inducción del gas SO2, se

encontró que la constante estaba en un rango de 4.8 a 5.9,

siendo en promedio 3 veces menor a la constante obtenida

en las probetas que no tuvieron la influencia de los mismos,

observando que el SO2 penetra a través de los poros de forma

gradual expandiéndose hacia la superficie circundante y

costados, mientras que el CO2 va directamente al interior,

parte central.

➢ A lo largo de los ensayos se encontró que el agua

sintética (solución salina al 3.5%) con gases tipo industrial

(en este caso SO2), hacen un medio más agresivo para el

concreto comparado con una atmósfera marino-industrial,

provocando una corrosión más rápida del acero,

localizándose principalmente en la parte superior y lateral de

las probetas.

➢ Los ciclos de simulación acelerada programados

resultaron satisfactorios para simular perfectamente la

atmósfera Rural- Urbana y Marino-Industrial.

Referencias:

[1] Solís Carcaño Rómel, Moreno Eric, Jiménez Torres

Felipe. Evaluación de daños por agresión ambiental en

viviendas de concreto reforzado. Revista de la Universidad

[2] Genescá, Joan, Más allá de la Herrumbre II, Fondo de

Cultura Económica, Primera Edición, 1987.

[3] Gómez Lorenzo, J., Estudio corrosivo sobre cuatro

metales en estaciones cubanas del proyectoMICAT. Ciudad

Habana. 183 h. Tesis en Ciencias Técnicas, Cuba, 1999.

[4] Solís Carcaño Rómel, Moreno Eric, Jiménez Torres

Felipe. Evaluación de daños por agresión ambiental en

viviendas de concreto reforzado. Revista de la Universidad

de Costa Rica. Volumen 18 N° 1,2. Enero/Diciembre 2008.

[5] Martínez Martínez Luis Alberto. Evaluación de la

influencia del SO2 como agente corrosivo en estructuras de

concreto. Tesis de Licenciatura 2015

[6] Gamboa López Gonzalo. Propuesta de Simulación

Acelerada del Deterioro del Concreto Armado por Factores

Atmosféricos. Tesis de Licenciatura 2002.

[7] CEMEX Concretos, Manual del Constructor.

[8] Batis G., Rakanta E. Corrosion of Steel reinforcement

due to atmospheric pollution. Cement & concrete

composites 2005. Elservier.

[9] Bernal Camacho Jesús Manuel Ing. Durabilidad en

Estructuras de Concreto Armado, Localizadas frente a las

Costas. Tesis de Maestría. 2009

[10] Peña B. Darío Yesid, Estupiñan D. Hugo, Vásquez Q.

Custodio, Mejía Ch. Elkin. Determinación de la

despasivación en varillas de acero de refuerzo en solución

poro de agua de mar por medio de técnicas electroquímicas.

Prospect. Vol. 9, N° 1, Enero –Junio de 2011.

[11] Moreno Pérez Emiliano. Comportamiento

Electroquímico del Acero Embebido en Concreto. Tesis de

Maestría. IPN – ESIQIE. México 2005.


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