2.1 Evaluación de las vigas de concreto

Las vigas se evaluaron electroquímicamente por medio del potencial de corrosión de la armadura utilizando un electrodo de Cu/CuSO₄ saturado (^{ASTM C876, 2009}), dos veces por semana, en tres puntos diferentes a lo largo de la barra de acero. También se determinó la velocidad de corrosión utilizando el método de polarización lineal, a través del equipo GECORR6, en tres puntos sobre la barra de acero (zona central y extremas de las barras).

A 12 de las vigas fabricadas se le aplicó carga a flexión constante (500 kg), con la finalidad de simular cómo influye el esfuerzo de flexión en la corrosión de la armadura en una estructura de concreto. El sistema consistió en aplicar la carga utilizando un método de tres puntos (central y ambos extremos de las vigas), como se muestra en la Figura 1, haciendo 6 sistemas de precarga con dos vigas cada uno. Una vez al mes, se realizó la inspección visual y el levantamiento de fisuras de las 24 vigas (sometidas o no a flexión), con el fin de monitorear las fisuras aparecidas después de la aplicación de la carga, al igual que su longitud y ancho.

Figura 1 Sistema de carga aplicado a las vigas de concreto 

2.2. Análisis para la determinación de correlaciones

Utilizando los resultados de velocidad de corrosión medidos se calculó la pérdida de sección de la barra de refuerzo, utilizando la Ley de Faraday:

Donde:

Este valor de pérdida de masa se utilizó para estimar la pérdida de radio promedio por corrosión (x_PROM) (^{Geocisa, 2000}). Estos valores de x_PROM se correlacionaron con los anchos de fisuras del concreto a lo largo del tiempo.

Donde:

3.1. Evaluación electroquímica

En la Figura 2 se observa la evaluación electroquímica de las vigas por medio de potenciales de corrosión, durante 3 años (1100 días aproximadamente); permitiendo de esta forma que las barras llegaran a un estado de activación (< -200 mV vs. Cu/CuSO₄). Se observa que aparentemente la precarga aplicada, no afecta significativamente los valores de potencial en el tiempo de evaluación, debido a que la barra ya se encontraba activa cuando se aplicó la carga.

Figura 2 Variación del potencial durante el tiempo de evaluación de las vigas contaminadas con cloruro y precargadas. 

También se observa que los potenciales en la zona central son más negativos, debido al rociado con solución de NaCl y no a la precarga aplicada. Adicionalmente, se manifiesta el efecto de la lluvia en la actividad de la barra, lo cual es lógico ya que se disminuye la resistividad del concreto. En la Figura 3 se observa que en las vigas sin contaminación inicial de cloruros, los valores de potencial vs. electrodo de Cu/CuSO₄ mostraron que no hay efecto significativo por la precarga aplicada al igual que se observó en las vigas contaminadas.

Figura 3 Variación del potencial durante el tiempo de evaluación de las vigas sin contaminación con cloruro y precargadas 

En la Figura 4 se observa la velocidad de corrosión de las barras, mostrando, al igual que las medidas de potencial (Figura 2), que la precarga aplicada no afecta significativamente los valores de velocidad de corrosión. Solo se observa que en la zona central ésta es más alta, por el rociado con solución de NaCl antes y después de la precarga. La variación en los valores de velocidad de corrosión se debe al efecto de la lluvia, ya que disminuye la resistividad del concreto.

Figura 4 Variación de la velocidad de corrosión durante el tiempo de evaluación de las vigas contaminadas con cloruro y precargadas. 

Las vigas precargadas, sin contaminación inicial de cloruros y rociadas en su zona central con NaCl (Figura 5), mostraron que aun cuando inicialmente todos los puntos evaluados mostraron una cierta actividad, luego se alcanzó la pasividad de la armadura y no es sino hasta, aparentemente, la aplicación de la carga que se nota la actividad del acero, lo cual concuerda con los resultados de medición de potenciales. Por otra parte, al evaluar el comportamiento de las vigas sin precarga, se nota el mismo efecto; de tal manera que no es la precarga la causante de la actividad de las barras sino el efecto de los iones cloruros, unido a las altas precipitaciones ocurridas en ese tiempo. Esto último se manifiesta posteriormente ya que al llegar a la época de sequía se nota nuevamente un decrecimiento de la velocidad de corrosión, pero con valores muy cercanos al que indica actividad de la armadura (0,1 µA/cm²), particularmente en la zona central que era la que se regaba periódicamente con iones cloruro.

Figura 5 Variación de la velocidad de corrosión durante el tiempo de evaluación de las vigas sin contaminación con cloruro y precargadas 

3.2 Inspección visual y levantamiento de fisuras

Cuando las vigas presentaron fisuras por corrosión, se realizó mensualmente la inspección visual y el levantamiento de fisuras. Después de esta evaluación las vigas se ensayaron mecánicamente hasta la ruptura final.

3.2.1. Sistemas de vigas sin contaminación inicial de cloruros

En las vigas sin precarga aplicada (Figura 6a), rociadas periódicamente sólo 25 cm de la zona central, no se observaron fisuras ni paralelas ni perpendiculares a la barra, aun cuando la velocidad de corrosión ya indicaba actividad de la misma (> 0,1 µA/cm²); no siendo suficiente para agrietar el concreto. En el caso de las vigas precargadas (Figura 6b) sólo presentaban fisuras perpendiculares producto de la aplicación de la carga, con anchos menores a 0,15 mm, lo cual como ya se demostró al medir los parámetros electroquímicos, no han potenciado la corrosión de la armadura durante el tiempo de exposición evaluado.

Figura 6 Vigas sin contaminación inicial de cloruros, rociadas 25 cm en la zona central (a) sin precarga aplicada (b) con precarga aplicada 

3.2.2. Sistemas de vigas con contaminación inicial de cloruros

En las vigas sin aplicación de precarga (Figura 7a), se observó, que en la zona donde estaban siendo regadas, se presentaron fisuras paralelas a la barra de acero, con espesores máximos de 0,40 mm. En las vigas con aplicación de precarga (Figura 7b), las fisuras por corrosión alcanzaron anchos de 0,8 mm. Esto indica que el efecto por corrosión de la barra debido a la contaminación inicial de cloruros ha facilitado la apertura de estas fisuras.

Figura 7 Vigas con contaminación inicial de cloruros, rociadas 25 cm en la zona central (a) sin precarga aplicada (b) con precarga aplicada 

3.3. Correlaciones ancho de fisuras vs. pérdida por corrosión

En la Figura 8 se detallan las características promedio de cada condición estudiada. Se observa que en la zona central de las vigas cargadas y sin cargar, la velocidad de corrosión promedio no presenta diferencia significativa (1,080 - 0,989 μA/cm², respectivamente). Se observa el mismo comportamiento en la velocidad de corrosión de los extremos de las mismas vigas (0,584 - 0,519 μA/cm², respectivamente) (Figuras 4 y 5). Al comparar los valores de velocidad de corrosión de la zona central y los extremos, si se observa diferencia significativa, producto del rociado con solución salina.

Figura 8 Pendiente promedio de anchos de fisuras en el tiempo vs. velocidad de corrosión del refuerzo (^{Hernández, 2009}) 

De la Figura 8 se puede observar que existe una correlación entre la pendiente de ancho de fisuración en el tiempo y la velocidad de corrosión del acero de refuerzo. Este fenómeno ya había sido estudiado por Alonso (^{Alonso y col., 1998}) en el que utilizó un método acelerado de corrosión mediante corriente anódica impresa (10 y 100 μA/cm²) a la barra de refuerzo dentro de concreto contaminado por cloruros. Como resultado obtuvo que a menor intensidad de aplicación de corriente (menor velocidad de corrosión) las fisuras se propagaban más rápido. A diferencia de lo obtenido por Alonso (^{Alonso y col., 1998}) este trabajo demuestra que en corrosión natural y para valores de i_corr menores a 1,2 μA/cm², el ancho de fisuras en el tiempo es directamente proporcional a la velocidad de corrosión.

En la Figura 9 se observa la relación entre anchos de fisuras promedio y penetración de la corrosión en el refuerzo de las vigas de concreto sometidas o no a carga (corrosión natural (CEC) (Centro de Estudios de Corrosión), al igual que los datos de corrosión acelerada de otros autores para su comparación (^{Andrade y col., 1993}; ^{Cabrera, 1996}; ^{Rodríguez y col., 1996}; ^{Rodríguez y col., 1997}; ^{Tachibana y col., 1990}; ^{Torres y Sagües, 2000}; ^{Torres, 1999}; ^{Torres, Castro, Sagües, 1999}; ^{Torres y col., 2007}). Se observa en los datos CEC cargados y sin cargar, que, para obtener un determinado ancho de fisura, se necesita menor pérdida de material por corrosión cuando las vigas están cargadas, que para obtener ese mismo ancho de fisuras en vigas sin carga aplicada (las tendencias de vigas con carga están desfasadas más a la izquierda que las tendencias de las vigas sin carga). Los resultados demuestran que existe una relación directa entre el ancho de fisuras y la velocidad de corrosión de la barra, encontrándose fisuras de mayor ancho en las cargadas.

Figura 9 Comparación de ancho de fisuras en la viga de concreto vs. pérdida por corrosión del refuerzo de las vigas estudiadas (X_prom/r₀). Datos del CEC y de otros autores 

En la Figura 9 se puede observar una diferencia en las líneas de tendencia de la relación empírica entre la pérdida por corrosión del refuerzo y ancho de fisuras en las vigas de concreto estudiadas, siendo la pendiente de los datos acelerados menos pronunciada que los datos de corrosión natural de otros autores.

En el caso de corrosión acelerada, la aparición de una fisura se produce con menos pérdida de material ya que los productos de corrosión al aparecer se acumulan rápidamente en las proximidades de la armadura generando altas tensiones de tracción que producen la fisuración. Adicionalmente, esta corriente anódica pudiese generar acidez en la interface acero/concreto, dependiendo del potencial, lo cual indudablemente disminuiría la adherencia entre la barra y el concreto permitiendo más fácilmente la aparición de las fisuras. En cambio, en las condiciones estudiadas en este trabajo, la corrosión es considerablemente más lenta permitiendo migración de los productos generados, necesitándose entonces mayor cantidad de productos de corrosión para que se inicie la fisura.

Esto indica que los procesos de corrosión acelerada para simular degradación en estructuras reales no siempre dan resultados comparables con los de corrosión natural.

Al analizar la concentración de iones cloruros a nivel de la armadura (Figura 10), se determinó que las vigas fisuradas tienen más concentración de cloruros en el concreto cercano a la barra porque la solución de NaCl rociada en las vigas puede penetrar más fácilmente por las fisuras alcanzando el refuerzo, incrementando las concentraciones hasta valores superiores del valor límite de riesgo (4000 ppm Cl^-), con respecto a las vigas no fisuradas.

Figura 10 Concentración de ión cloruro a nivel de la armadura vs. velocidad de corrosión, vigas de concreto con y sin fisuras (^{Hernández, 2009}) 

Esto corrobora los resultados de otros autores que han evaluado testigos de concreto de puentes fisurados estructuralmente, dando como resultado que en las zonas fisuradas del puente los cloruros han penetrado con mayor facilidad, incrementándose a la profundidad de la barra 10 veces más que en las zonas sin fisuras del mismo puente (^{Sagües y col., 2001}). Los resultados indicaron mayor contenido de cloruros libres y mayor velocidad de corrosión en la zona central de las vigas, corroborando que la carga incrementa aún más la penetración de cloruros (por la mayor rapidez en abertura de fisura) y la velocidad de corrosión aumenta por este aumento en la concentración de cloruros libres.