Aplicación de ánodos de sacrificio en estructuras de concreto armado

El costo de reparar o reemplazar las estructuras deterioradas se ha convertido en una gran responsabilidad para las agencias de carreteras: se calcula que es de más de 20.000 millones de dólares y aumenta a 500 millones de dólares al año. La corrosión de las barras de refuerzo de acero debido a los cloruros es la causa principal de este deterioro: agrietamiento, delaminación y desconchado. Los productos químicos para descongelar y el agua de mar son las dos fuentes principales de cloruros.

Según Oladis Troconis de Rincón, FNACE, de la Universidad del Zulia (Maracaibo, Zulia, Venezuela); Alberto A. Sagüés, FNACE, de la Universidad del Sur de Florida (Tampa, Fla.); Andrés Torres-Acosta del Instituto Mexicano del Transporte (Sanfandila, Querétaro, México); y Miguel Martínez-Madrid del Instituto Mexicano del Transporte, autores de un artículo sobre ánodos galvánicos para estructuras de concreto armado publicado en Corrosión, muchas de las estructuras existentes actualmente tienen una considerable cantidad de corrosión en progreso. Desde mediados de la década de 1970, los esfuerzos de investigación han abordado diversas técnicas para prevenir la corrosión por exposición al cloruro.

El consenso es que la protección catódica (CP) es el único método comprobado para detener la corrosión relacionada con el cloruro de metales incrustados en el hormigón. De acuerdo con la Administración Federal de Carreteras del Departamento de Transporte de los Estados Unidos, CP es la única técnica de rehabilitación que ha sido probada para detener la corrosión en las cubiertas de puentes contaminadas con sal, sin importar el contenido de cloruro del concreto.

Gran parte de la investigación sobre sistemas CP para estructuras de hormigón armado se ha centrado en los sistemas CP (ICCP) de corriente impresa basados en el supuesto de que la alta resistencia eléctrica del hormigón no permite el uso de ánodos de sacrificio. Sin embargo, los autores señalan que en lugares donde no hay líneas eléctricas y donde el mantenimiento y control de los rectificadores es demasiado costoso, los sistemas de ánodos de sacrificio CP serían altamente deseables. Añaden que el uso de ánodos de sacrificio para CP en estructuras de hormigón armado ha aumentado en los últimos años debido a la facilidad de instalación, los bajos requisitos de mantenimiento y el deseo de disminuir el riesgo de fragilización por hidrógeno del acero de refuerzo para estructuras de concreto pretensado.

Las aleaciones a base de zinc se encuentran entre los materiales de ánodos de sacrificio más evaluados para estructuras de concreto, particularmente en los Estados Unidos. Estos ánodos pueden ser utilizados de muchas maneras y en varias formas. La capacidad de protección de los ánodos de aleación de zinc puede ser limitada, sin embargo, basándose tanto en estudios de laboratorio como en estudios de aplicación en campo. 

Los autores compartieron sus hallazgos durante una presentación del simposio en Corrosión 2017 en Nueva Orleáns, donde revisaron el trabajo de investigación realizado tanto en el laboratorio como en el campo como parte de un estudio para identificar situaciones en las que el uso de ánodos de sacrificio puede ser una opción práctica para la protección con armadura de acero en estructuras de concreto.

Los ánodos de rociado térmico, la instalación de ánodos incrustados con agentes humectantes para promover una actividad electroquímica sostenida, los ánodos de zinc encamisados incrustados en una cubierta de mortero de cemento Pórtland y los pequeños ánodos de "punto" localizados son los usos de ánodos a base de zinc más estudiados.

Como sistema galvánico alternativo de CP, los recubrimientos metálicos por pulverización térmica son de bajo costo y fáciles de implementar. Estos recubrimientos, de aproximadamente 50 µm (2 mils) de espesor, se producen generalmente a partir de alambres de aleación de zinc y/o aluminio que se funden con un arco eléctrico y se rocían con aire presurizado. La instalación requiere que el concreto delaminado sea removido y que el acero de refuerzo sea expuesto mediante chorro de arena presurizado antes de que la aleación de ánodo fundido sea rociada. Generalmente, la conexión eléctrica se logra directamente por el zinc aplicado sobre el acero de refuerzo expuesto.

Con ánodos de zinc incrustados, los subproductos generados por el zinc disuelto -como óxidos e hidróxidos- pueden acumularse en la interfase zinc/concreto y eventualmente causar delaminación y fallas en los recubrimientos metálicos, lo cual con el tiempo disminuirá las capacidades de protección del sistema CP galvánico. Los autores comentan que tanto las investigaciones de laboratorio como de campo han demostrado que la corriente proporcionada por el sistema galvánico aumenta cuando aumenta la humedad en la interfase zinc/hormigón, lo que también contribuye a la redistribución de los subproductos del revestimiento de disolución en el hormigón. Se realizaron estudios sobre el uso de sustancias (humectantes) que promueven una alta humedad en la interfase ánodo/concreto y permiten que los ánodos conserven su capacidad protectora. Se investigaron el bromuro de litio (LiBr), el nitrato de litio (LiNO3) y el acetato de potasio (KC2H3O2). Los resultados demostraron que las cremas hidratantes a base de sal de litio mejoraron el comportamiento de los ánodos de zinc, y LiBr mostró los mejores resultados. Comentaron que el uso de agentes hidratantes aumenta la actividad de la aleación de zinc en las zonas de salpicaduras y atmosféricas, pero no lo suficiente para mantenerla durante largos períodos de tiempo. Las aplicaciones de ánodos de zinc-hidrogel, en las que una lámina de zinc está incrustada en un adhesivo conductor iónico, también se observó un aumento de la actividad del ánodo de zinc, y se informó de un mejor rendimiento.

Como sistema galvánico alternativo de CP, los recubrimientos metálicos por pulverización térmica son de bajo costo y fáciles de implementar. Estos recubrimientos, de aproximadamente 50 µm (2 mils) de espesor, se producen generalmente a partir de alambres de aleación de zinc y/o aluminio que se funden con un arco eléctrico y se rocían con aire presurizado. La instalación requiere que el concreto delaminado sea removido y que el acero de refuerzo sea expuesto mediante chorro de arena presurizado antes de que la aleación de ánodo fundido sea rociada. Generalmente, la conexión eléctrica se logra directamente por el zinc aplicado sobre el acero de refuerzo expuesto.

Los sistemas de ánodos encamisados mantienen los ánodos a base de zinc en su lugar contra una superficie de hormigón armado con un material de revestimiento, y se han utilizado para proteger los pilotes de los puentes. Los autores dicen que la colocación de ánodos a base de zinc en un sistema de chaqueta proporciona una protección de acero eficiente a largo plazo para la región de las mareas, donde hay una apreciable entrada de iones de cloruro en el mortero y la influencia del ánodo sumergido es mayor. A diferencia de los ánodos de pulverización térmica, estos sistemas enchaquetados permiten una mejor monitorización del sistema de ánodos de sacrificio, ya que pueden instalarse con sistemas de monitorización que permiten medir la corriente y los potenciales tanto para el ánodo como para la armadura de acero utilizando electrodos incrustados en el elemento protegido.

El Departamento de Transporte de Florida (FDOT) comenzó a utilizar una nueva versión de ánodos enchaquetados en 1994 con una configuración similar a la utilizada para un sistema ICCP con ánodos de malla de titanio enchaquetados. Según los autores, este sistema está compuesto por una malla expandida de aleación de zinc casi pura con pequeñas adiciones de elementos destinados a mejorar su conformabilidad y rendimiento anódico. La malla del ánodo está montada en una cubierta de fibra de vidrio que proporciona un espacio anular entre la malla y la estructura protegida. El espacio se rellena con una mezcla de mortero de cemento Portland, agregado fino y arena. La chaqueta se coloca alrededor de la pila, comenzando en el punto de marea más baja y extendiéndose hasta aproximadamente 1,8 metros sobre la marea baja.

Debido a que no hay aditivos activadores en el relleno de la chaqueta, cualquier activación del ánodo debe depender de la absorción de agua de mar por parte del relleno después de que la chaqueta se ponga en servicio. Los estudios han demostrado que el zinc se pasiva fácilmente en el concreto normal de cemento Pórtland, y que una alta concentración de iones de cloruro en el concreto es necesaria para que el zinc sea consistentemente activo y capaz de proteger la barra de refuerzo incrustada. Dado que el mortero de relleno no contiene cloruros, la aleación de zinc de la camisa tiende a pasivarse en las zonas de salpicadura y atmosféricas, y la protección se limita a los efectos de barrera física. Este sistema se ha convertido en un método estándar de reparación de pilotes para el FDOT, que ha reparado cientos de pilotes en numerosos puentes con buenos resultados.

En aplicaciones tales como reparaciones de parches y otras instalaciones generales de CP de sacrificio, se utilizan ánodos de "punto" localizados. Según los investigadores, se establece que las reparaciones de hormigón contaminado con cloruro o carbonatado pueden crear incompatibilidades electroquímicas entre el hormigón "nuevo" y el "viejo" que pueden provocar la corrosión acelerada de la armadura de acero en el hormigón próximo a la reparación del parche; esto se conoce como efecto "halo". La corrosión resultante puede inducir a la formación de grietas que pueden requerir la extensión de la reparación del parche después de un corto período de tiempo (por ejemplo, de tres a cinco años).

La idea de la aplicación localizada de ánodos CP es que los pequeños ánodos de punto galvánico instalados en la reparación del parche se corroerán sacrificialmente y reducirán la posibilidad de una nueva zona de corrosión activa en la barra de refuerzo circundante, comentan los autores. Existen varias versiones de estos ánodos. Algunos, con un diámetro total de aproximadamente 60 mm y una altura de aproximadamente 30 mm, pueden utilizar un solo núcleo de aleación de zinc (con una masa de varias decenas de gramos) rodeado por una matriz activa cilíndrica de componentes cementicios. Otros, de mayores dimensiones, pueden incorporar múltiples núcleos de aleación de zinc incrustados en una matriz de activación común. Los núcleos de aleación de zinc generalmente se conectan a alambres de amarre de barras de refuerzo que se pueden atar fácilmente al acero de refuerzo en el área que se va a parchar antes de colar el concreto de reparación. El resultado general, según los hallazgos de algunos investigadores, es una extensión apreciable de la vida útil en la reparación de parches. Los autores advierten, sin embargo, que el rango de servicio de esos ánodos puede ser limitado y debe ser cuidadosamente evaluado en comparación con otras opciones.