Carbonatación del Hormigón.
Fuente: ronacrete.co.uk | concrete.org.uk
La carbonatación es la reacción del dióxido de carbono en el medio ambiente con el hidróxido de calcio de la pasta de cemento. Esta reacción produce carbonato de calcio y reduce el pH a alrededor de 9. A este valor, la capa protectora de óxido que rodea al acero de refuerzo se rompe y la corrosión se hace posible.
La reacción del dióxido de carbono y el hidróxido de calcio sólo se produce en solución, por lo que en el hormigón muy seco la carbonatación será lenta.
En el hormigón saturado la humedad presenta una barrera a la penetración del dióxido de carbono y de nuevo la carbonatación será lenta. La condición más favorable para la reacción de carbonatación es cuando hay suficiente humedad para la reacción pero no la suficiente para actuar como barrera.
En la mayoría de las estructuras hechas con hormigón de buena calidad, la carbonatación tardará varios (o muchos) años en alcanzar el nivel de refuerzo.
En el Informe Técnico 61 de la Sociedad del Hormigón, titulado Enhancing reinforced concrete concrete durability, figuran medidas para mejorar la resistencia del hormigón a la carbonatación y enfoques para modelar las tasas de carbonatación.
Se puede utilizar una prueba sencilla para determinar la profundidad de la penetración de la carbonatación.
Profundidad de carbonatación
La pasta de cemento tiene un pH de alrededor de 13 que proporciona una capa protectora (revestimiento pasivo) al refuerzo de acero contra la corrosión. La pérdida de pasividad se produce a un pH de aproximadamente 11. La carbonatación del hormigón, causada por el dióxido de carbono en la atmósfera, tiene el efecto de reducir el pH.
La profundidad de la carbonatación se evalúa utilizando una solución de indicador de fenolftaleína que aparece de color rosa en contacto con el hormigón alcalino con valores de pH superiores a 9 e incoloro a niveles inferiores de pH. La prueba se realiza más comúnmente rociando el indicador en superficies de hormigón recién expuestas y rotas de la estructura o en núcleos partidos.
Alternativamente, el polvo de los agujeros de perforación puede rociarse o dejarse caer sobre el papel impregnado del indicador. Por lo tanto, puede haber corrosión en la zona situada delante del frente definido por el indicador. En general, el cambio de pH se produce en esta zona que está sólo unos pocos milímetros por delante y el método de la fenolftaleína proporciona una buena indicación de la ubicación del frente de desvasificación. El ensayo está cubierto por la norma BS EN 14630, Productos y sistemas para la protección y reparación de estructuras de hormigón. Métodos de prueba.
Determinación de la profundidad de carbonatación en el hormigón endurecido por el método de la fenolftaleína.
Fenolftaleína
Para comprobar la profundidad de la carbonatación en una superficie de hormigón, se puede aplicar una solución de indicador de fenolftaleína. El hormigón no carbonatado se indica como una coloración rosada, es decir, el pH es mayor que ~9. La solución consta de 1g de polvo de fenolftaleína disuelto en una solución de 70 ml de etanol y 30 ml de agua desionizada. Pueden utilizarse indicadores alternativos que den un cambio de color en la gama de pH 8 a 11 para dar un cambio de color suficientemente claro en el hormigón para diferenciar la zona no carbonatada, por ejemplo, la timolftaleína.
ADVERTENCIA: La fenolftaleína está incluida en el Apéndice 2 de REACH y figura como una sustancia de muy alta preocupación. El polvo de fenolftaleína debe ser manejado con el mayor cuidado usando guantes de seguridad en una vitrina equipada con un extractor. Siga siempre las directrices de COSHH cuando utilice productos químicos.
La Carbonatación en el Hormigón Armado:
La carbonatación es la causa más común de la corrosión de los refuerzos en las estructuras de superficie y, aunque muchos profesionales de la construcción y contratistas están familiarizados con la progresión de la carbonatación a través del hormigón y los consiguientes efectos en los refuerzos, es posible que algunos no estén familiarizados con las investigaciones realizadas en los últimos años.
Estas investigaciones sugieren que la pérdida de pasividad del refuerzo, a medida que el frente de carbonatación progresa, se produce a un ph más alto de lo que se pensaba anteriormente.
Hormigón nuevo
El ph del hormigón nuevo es típicamente 12-13, que rodea el refuerzo incrustado con una capa pasivante de cemento altamente alcalino, protegiendo el refuerzo contra la corrosión. La tasa de carbonatación en el hormigón nuevo se verá afectada por la relación agua/cemento y el contenido de cemento; la conectividad de la estructura de los poros capilares y el tamaño de los poros en el hormigón con una relación A/C ≤ 0,4 y un contenido de cemento ≥ 400kg/m2 se reducirá en comparación con el hormigón con una relación A/C > 0,4 y un contenido de cemento ˂ 400kg/m2, haciendo que el avance del frente de carbonatación sea más lento en el hormigón rico en cemento con una relación A/C baja.
El proceso químico de la carbonatación - sabiduría aceptada
El dióxido de carbono atmosférico reacciona con el hidróxido de calcio (Ca(OH)2 + CO2 =CaCO3 + H2O),un producto de hidratación del cemento en la pasta de cemento. La reacción produce carbonato de calcio. Esto reduce la alcalinidad del hormigón hasta un nivel en el que la pasta de cemento ya no proporciona un entorno pasivo para el acero empotrado, se dice que esto ocurre cuando el ph del hormigón cae a aprox. 8,6.
El refuerzo de acero es entonces susceptible a la corrosión.
La reacción del dióxido de carbono y el hidróxido de calcio sólo se produce en solución, por lo que en el hormigón muy seco la carbonatación será lenta.
En el hormigón saturado la humedad presenta una barrera a la penetración del dióxido de carbono y de nuevo la carbonatación será lenta. La condición más favorable para la reacción de carbonatación es cuando hay suficiente humedad para la reacción pero no la suficiente para actuar como barrera. Véase también el último párrafo de la Sociedad del Hormigón titulado Pérdida de pasividad (Sociedad del Hormigón - Carbonatación del hormigón)
La presencia de oxígeno inicia la corrosión superficial del acero de refuerzo a través de la oxidación, donde se forman óxidos de hierro en la superficie del acero. Estos óxidos, aunque son porosos y escamosos, tienen un volumen mayor que el acero original, hasta seis veces mayor dependiendo de la composición de los productos de corrosión.
Los óxidos de hierro se expanden contra el hormigón y la tensión resultante hace que la cubierta de hormigón se agriete y finalmente se desprenda.Una pérdida de acero de sólo 0,05 a 0,10 mm (0,002 a 0,004 pulg.) hará que el hormigón se derrumbe.
Se han planteado algunas dudas sobre la suposición de que se requiere un ph de ˂ 9 antes de que se inicie la corrosión inducida por el CO2 y algunos creen que una prueba de fenolftaleína, que proporciona evidencia de la carbonatación del hormigón a un ph de ˂ 9, puede ser sólo una guía del riesgo de corrosión.
Se piensa ahora que la corrosión se inicia unos 5-10mm por delante del frente de carbonatación, como se indica en la prueba de fenolftaleína (o 20mm en el hormigón que contiene cloruros), donde el ph del hormigón puede ser de hasta 11 o más.
Las investigaciones sugieren que las estructuras de hormigón armado no corren el riesgo de corrosión inducida por la carbonatación si la profundidad no carbonatada, como se revela en la prueba de la fenolftaleína, está más allá de 5-10 mm del refuerzo.
El análisis termogravimétrico (TGA) de las perforaciones a intervalos de 5 mm de profundidad y las muestras probadas con fenolftaleína se tomaron del interior y del exterior de un edificio de hormigón in situ de 36 años de edad.
Los resultados de la fenolftaleína y los datos del TGA para la carbonatación completa indicaron que la exposición al exterior era más severa, pero los datos del TGA para la penetración más profunda del dióxido de carbono sugirieron que el espesor del hormigón con un ph reducido (9-11) era mayor en el interior, lo que sugiere que puede haber suficiente CO2 en el hormigón para iniciar la corrosión a un umbral de ph más alto que el que puede detectarse con una prueba de fenolftaleína. (L.J.Parrott, D.C.Killoh)
Pérdida de la pasividad - sabiduría reciente
La pérdida de la pasividad se produce a un pH de aproximadamente 11. La carbonatación del hormigón, causada por el dióxido de carbono en la atmósfera, tiene el efecto de reducir el pH. Por lo tanto, puede haber corrosión en la zona anterior al frente definida por el indicador de fenolftaleína. En general, el cambio de pH se produce en esta zona, que está sólo unos pocos milímetros por delante y el método de la fenolftaleína proporciona una buena indicación de la ubicación del frente de des-pasivación. (Sociedad de Hormigón - Profundidad de carbonatación)
Efecto de la carbonatación en el umbral de las concentraciones de cloruro necesarias para iniciar la corrosión
En el hormigón con un ph de 12-13, se necesitan entre 7.000 y 8.000 ppm de cloruros para iniciar la corrosión del acero incrustado. Este umbral se reduce a menos de 100 ppm en el hormigón con un ph de 10-11. Por el contrario, el progreso de la carbonatación se ralentizó significativamente debido a la existencia de cloruros en las muestras de hormigón; la profundidad del límite de carbonatación se redujo y el perfil de OH- consumido se hizo modesto.
Conclusiones
Los resultados de los estudios que sugieren que la corrosión inducida por el CO2 puede ocurrir 5-10mm por delante del frente de carbonatación, como se indica en la prueba de la fenolftaleína, son claramente un motivo de preocupación, especialmente con el aumento de las concentraciones globales de CO2 que probablemente aumente la amenaza de la corrosión en el hormigón armado y los profesionales de la construcción deben considerar los resultados de dichos estudios y las implicaciones para una cubierta de refuerzo aceptable. Puede ser que se requiera una mayor profundidad de la cubierta de refuerzo (si la cubierta previamente especificada se basó en una investigación en la que se ha utilizado la prueba de la fenolftaleína para determinar el comportamiento) si se quiere lograr la vida útil deseada de una estructura.
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