Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 34, Nº 2, 12 - 22, 2011

Ambient effect comparative performance between Zn and Al/Zn/In point anodes in reinforced concrete

Yolanda Hernández López1, Oladis Troconis de Rincón1, Andrés Torres Acosta2,

Angélica del Valle Moreno2, José Rodríguez Montero3, Freddy Berríos1 y Pablo

Montero1

1Centro de Estudios de Corrosión, Universidad del Zulia. Ciudad Universitaria, P.O. Box 10482, Maracaibo, Venezuela. esishdez@cantv.net,oladis1@yahoo.com.

2Instituto Mexicano del Transporte. Km. 12 Carretera Querétaro-Galindo, 76700 Sanfandila, Querétaro, México. Ph. (52+442) 216-9777. atorres@imt.mx, avalle@imt.mx.

3Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Granada, ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Campus Fuentenueva 18071. Granada, España. rmontero@ugr.es

Abstract

This investigation presents the performance of zinc-based point anodes based on laboratory

results after a three years evaluation period. Twelve small reinforced concrete beams, six

60 × 10 × 15 cmand six 120 × 20 × 30 cm, were fabricated for this evaluation. Concrete

mixtures were prepared with and without chloride contamination. Chloride contamination

was achieved adding between 1% and 3.5 wt% chlorides by cement weight during mixing.

Beams were exposed to two different relative humidities, either constant ≈ 95% RH or

outdoor ≈ 77 % RH. The commercially available zinc-based point anodes were placed at one

end of the beams to determine how polarized the rebars get when interconnection between

the anode and the steel was achieved. Half cell potentials, current distribution, and

polarization decay due to the anode interconnection with the rebar were measured. On the

other hand, aluminium/zinc/indium anodes were evaluated at ≈ 77 % RH by using similar

beams. This investigation presents the anode polarization efficiency, which depends of the

environment humidity and, in turns, to the concrete resistivity. It was determined that

these anodes might protect steel in highly humid concrete, like parts of the structures exposed to splash and/or tidal zone.

Key words: Corrosion in reinforced concrete, cathodic protection, point anodes, zinc anodes, aluminum/zinc/indium anodes.

Estudio comparativo del efecto del ambiente entre ánodos localizados de Zn y

Al/Zn/In en concreto armado

Resumen

Esta investigación presenta el estudio de ánodos localizados de cinc evaluados en

laboratorio después de un período de tres años. Se fabricaron para su evaluación doce vigas

de concreto reforzado, seis de 60 × 10 × 15 cm y seis de 120 × 20 × 30 cm. Las mezclas

de concreto fueron preparadas con y sin contaminación de cloruros. La contaminación se

realizó adicionando al agua de la mezcla entre 1%p/p y 3,5%p/p de cloruros en base al

peso de cemento. Las vigas fueron expuestas a dos humedades relativas diferentes, una

constante de ≈ 95% y la externa del laboratorio de ≈ 77 %. Los ánodos localizados de cinc

disponibles comercialmente, se colocaron en uno de los extremos de la viga para

determinar la polarización alcanzada por la barra al conectar el ánodo y la barra de acero.

Se midieron los potenciales de media celda, la velocidad de corrosión, la distribución de

corriente y despolarización del acero. Así mismo, los ánodos de aluminio/cinc/indio fueron

evaluados a humedad relativa de ≈ 77%en vigas similares de 120 × 20 × 30 cm. En este

trabajo se muestra que la eficiencia del ánodo para lograr polarizar a la barra de refuerzo

depende de la humedad ambiental y por lo tanto de la resistividad del concreto;

determinándose que los ánodos de sacrificio sólo alcanzarían proteger zonas de alta humedad relativa, como es el caso de estructuras expuestas en zonas de oleaje y salpique.

Palabras clave: Corrosión en concreto armado, protección catódica, ánodos localizados, ánodos de cinc, ánodos de aluminio/cinc/indio.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

La corrosión del acero de refuerzo en concreto es una de las principales causas de deterioro

de las estructuras de concreto. La pasividad del acero puede afectarse por la presencia de

cloruros en el concreto y por la disminución del pH. La velocidad de corrosión de la barra de

acero aumentará al incrementarse el contenido de cloruros en el concreto [1]. Existe una

gran cantidad de estructuras ya edificadas con procesos de deterioro considerables donde la

única salida para lograr detener el proceso es la protección catódica [2, 3]. El cinc ha sido el

ánodo más evaluado y utilizado en estructuras de concreto, pero debido a su baja capacidad de protección en el tiempo se ha venido modificando la forma de colocarlo [2].

Los ánodos de cinc evaluados en esta investigación, son identificados como ánodos discretos

o puntuales [4]. Los fabricantes los describen como un nuevo sistema de protección

catódica, los cuales se colocan en parches de reparación, para proteger el acero de refuerzo

cercano a las zonas reparadas, donde la concentración de cloruros permanece alta [5, 6].

Están formados por un núcleo de cinc galvánico recubierto por un mortero poroso que

tienen en su interior una solución de hidróxido de litio monohidratado que evita que el cinc

se pasive y continúe actuando eficientemente debido a sus propiedades higroscópicas [5,

6]. Sus dimensiones son 63mm (2 ½") diámetro × 28mm (1 1/8") de alto. Una vez

instalados, el núcleo de cinc se corroe preferencialmente en lugar del refuerzo, protegiéndolo de la corrosión por protección galvánica.

De acuerdo al fabricante, entre las ventajas de los ánodos está que disminuyen la corrosión

de las barras, pueden usarse en ambientes corrosivos incluyendo concretos contaminados

con cloruros y carbonatados, su aplicación es muy simple, no requieren fuentes de energía,

requieren bajos costos de mantenimiento [5, 6], beneficioso donde todo el concreto está

contaminado con cloruro y no puede ser removido, etc. Este tipo de ánodos se instala para

proteger de la corrosión localizada a estructuras o edificios de concreto reforzado. Es

importante que todo el acero de refuerzo tenga una buena continuidad eléctrica para que la

protección catódica sea efectiva. Entre las desventajas está que tienen potencial limitado,

vida útil en función de la masa anódica, operación afectada por el medio según la

resistividad [3, 4], pueden ser una alternativa a corto plazo para controlar el efecto de

formación de nuevas celdas, producidos por las reparaciones localizadas. Solo son

adecuados para estructuras pequeñas ya que para grandes estructuras el costo sería

elevado [3, 4], y aunque el fabricante argumenta que existe una distancia efectiva entre los

ánodos para que el sistema funcione adecuadamente, no se tiene información experimental

que lo soporte, por lo que es necesario encontrar esa separación óptima mediante pruebas experimentales controladas.

Por lo explicado anteriormente, este trabajo tiene como objetivo determinar si los ánodos

discretos trabajan como un sistema de protección catódica en vigas de concreto

contaminadas con cloruros [7].

Procedimiento Experimental

Se realizaron probetas de estudio en Venezuela (Centro de Estudios de Corrosión-LUZ) y en

México (Instituto Mexicano del Transporte), con diseños estructurales diferentes y

expuestas a distintas condiciones de humedad relativa, utilizando para su reparación el

mismo tipo de ánodos de cinc (Figura 1a). Los ánodos puntuales de base aluminio fueron

evaluados solamente en Venezuela (Figura 1b).

1. Probetas realizadas en Venezuela

Fabricación de vigas

Se fabricaron 8 vigas de 120 × 20 × 30 cm con 4 barras de acero de 9,5mmde diámetro

unidas por medio de estribos de 6 mm de diámetro (Figura 2). Seis vigas se fabricaron

añadiendo sal común (1 %Cl–/base a cemento) en el agua de amasado. Se utilizaron

agregados de la región (arena de lago con MF=1,63 y piedra caliza con TMN de ¾"). El

diseño de mezcla se realizó según el método ACI 211.1 [8], con asentamiento de 10 cm y

relación a/c de 0,60 (Tabla 1). Al vaciar la viga se dejó el espacio destinado para la

colocación del ánodo (Figura 3). Se saturó esta área con agua durante 24 horas para

asegurar la adherencia de mortero nuevo con concreto contaminado. Después del período

de curado las vigas fueron monitoreadas por medio de pruebas electroquímicas hasta

mostrar activación de las barras antes de reparar. El mortero usado para la colocación de

los ánodos de Zn fue fabricado usando las mismas proporciones del concreto de las vigas

pero sin adicionar cloruros a la mezcla, como especifica el fabricante [5, 6]. En el caso de

los ánodos de Al/Zn/In el mortero se contaminó con 0,1%p/p de Cl–. Después de fraguado

el mortero de reparación, se instaló un interruptor eléctrico para conectar externamente el

ánodo de sacrificio con las barras de acero.

Medidas electroquímicas

Se realizaron mediciones de potencial vs. tiempo utilizando un electrodo de

Cu/CuSO4 saturado, según la Norma ASTM C 876-95 [9], dos veces por semana, y

comenzando a los 3 días de elaboradas las vigas. Los valores de potencial se midieron a

cada una de las probetas, a lo largo de las 4 barras de acero, tomando 6 medidas sobre

cada una de las barras, como se indica en la Figura 2. Como segunda técnica para evaluar

el sistema de protección catódica, se monitoreó la corriente drenada entre el ánodo y el

cátodo (barra), desconectándolos previamente. Y como tercera medida se midió la velocidad

de corrosión a través del equipo GECORR6. Esta evaluación se realizó una vez al mes, en 3 puntos a lo largo de las barras.

2. Probetas realizadas en México

Fabricación de vigas

Se prepararon seis vigas de concreto reforzado de dimensiones 60 × 10 × 15cm y cuatro

cilindros de 10 × 20 cm para las pruebas de resistencia a la compresión a los 90 días de

vaciados [10]. Todas las probetas se prepararon con una relación agua/cemento de 0,50. La

geometría de las vigas se muestra en la Figura 4. Cada viga fue fabricada con una barra de

refuerzo de acero convencional del #3 (9,5 mm de diámetro) de 70 cm de largo como

contra-electrodo; cinco secciones de varilla #3 de 10 cm de largo cada una, unidas

mecánicamente, pero aisladas eléctricamente mediante tubos de acrílico. Las vigas fueron

construidas con un electrodo de referencia de Ti/TiO2 colocado en el centro de la viga. El

ánodo se colocó en la viga en forma similar al procedimiento usado en LUZ. Cada sección de

la varilla, el contra-electrodo y el electrodo de referencia, fueron fabricados con una

conexión eléctrica hacia el exterior de las cámaras de humedad controlada para realizar las

pruebas electroquímicas. Se prepararon dos mezclas de concreto, una sin cloruros y otra

con cloruros al 3% en peso de cemento. Las probetas se colaron sin el ánodo discreto, el

cual se colocó y conectó 28 días después de fabricadas las vigas como sistema de

reparación como protección catódica, según se muestra en la Figura 4. El mortero usado

para colocar el ánodo se realizó con relación a/c igual a 0,50. Las vigas fabricadas con

concreto sin cloruros fueron reparadas con mortero sin cloruros como lo especifica el

fabricante [5, 6]. Se prepararon conexiones eléctricas externas para cada electrodo con alambres de cobre.

Cámaras de humedad controlada

Poco después de fabricar las vigas se prepararon dos cámaras de plástico cerradas que se

utilizaron como cámaras de humedad controlada. En cada cámara se colocaron tres vigas. A

éstas se le colocaron en las tapas de plástico orificios para que los cables de conexión de

cada barra o electrodo de las vigas se pudieran tener disponibles para conectar los aparatos

de medición por fuera y no tener que abrir las cámaras cada vez que una serie de

mediciones se realizara. Un poco de agua en el fondo de la cámara mantuvo una humedad interna de 90±5%.

Mediciones electroquímicas

Se utilizaron las mismas técnicas y procedimientos usados en LUZ. La única variación fue el

procedimiento usado para medir potenciales de media celda, Esta medición se realizó con

un multímetro de alta impedancia interna a cada sección de la barra, contra el electrodo de

referencia interno de Ti/TiO2. Este valor fue convertido a potencial contra un electrodo de

Cu/CuSO4 externo mediante mediciones periódica del electrodo de referencia interno contra

el de Cu/CuSO4 siguiendo el procedimiento de la ASTM C-876. La medición de corriente

catódica se realizó diariamente en cada sección de barra de refuerzo utilizando un

amperímetro digital de resistencia interna baja (<5 Ω) para observar la cantidad de

corriente drenada por el ánodo a cada sección de la barra dependiendo de la distancia a la que se encontrara.

Medición de despolarización

En ambos países se midió la despolarización de las barras, desconectando la barra del

ánodo, y midiendo los potenciales de media celda durante la desconexión en 4 y 24 horas.

Resultados y Discusión

1. Resultados obtenidos en LUZ

La Figura 5 muestra los valores de potencial con respecto a Cu/CuSO4 de los ánodos

embebidos dentro del mortero de reparación en función del tiempo. En la misma figura se

presentan los datos de precipitación como función del tiempo en mm de agua. Es

importante observar que durante los primeros 220 días de prueba, las probetas cúbicas

estuvieron en el ambiente del laboratorio (a 22°C y ~60% de HR), donde el potencial del

ánodo alcanzó valores de 500 mV vs. Cu/CuSO4. Luego, las probetas se sacaron al ambiente

fuera de laboratorio, mostrando variaciones de potencial cuando el ambiente cambiaba de

húmedo a seco. Durante la etapa seca (bajas precipitaciones) el ánodo alcanzó potenciales

de –600 mV vs. Cu/CuSO4 y épocas de lluvia alcanzó valores tan bajos como –1100 mV vs.

Cu/CuSO4. Después de 600 días de exposición los potenciales fluctuaron entre –500 a –700

mV vs. Cu/CuSO4 aunque la resistividad del concreto disminuyó debido al alto contenido de

agua en los poros (alta precipitación). Los valores observados después de los 600 días dan

una idea que después de cierto período de tiempo, la polarización que el ánodo le provee a

la barra podría no ser suficiente para la protección del acero (menos negativos que –798

mV vs. Cu/CuSO4). La misma figura muestra las medidas de potencial del ánodo de

Al/Zn/In, después de una exposición de 550 días. Inicialmente los potenciales fueron muy

negativos (–1200 mV. vs. Cu/CuSO4), pero después de 300 días, el potencial alcanzó

valores más positivos (–600 mV vs. Cu/CuSO4), los cuales no cambiaron significativamente con las precipitaciones, como el ánodo de cinc.

La Figura 6 muestra la variación del potencial promedio, durante el tiempo de exposición, de

la barra superior derecha de las vigas reparadas con ánodos de Zn. Como se observa, los

potenciales muestran valores entre –400 y –450 mV vs. Cu/CuSO4 durante el curado.

Cuando las vigas comienzan a secarse, los valores de los potenciales de las barras se

vuelven más positivos ~ –200 mV (vs. Cu/CuSO4). A los 137 días de fabricación del

concreto, se realizó la reparación y los ánodos fueron instalados y conectados a las barras.

En el punto 5 (zona más cercana al ánodo), las barras superiores alcanzaron potenciales

más negativos que los mostrados antes de la conexión con el ánodo (–550 mV vs.

Cu/CuSO4). En los puntos 4-6 y 1-3 se midieron valores de potencial menos negativos (–

500 mV y entre –400 y –300 mV vs. Cu/CuSO4, respectivamente); lo cual demuestra que el ánodo sólo logra polarizar la barra en las zonas muy cercanas a él.

A los 200 días aproximadamente, los potenciales se mantuvieron constantes entre –200 y –

400 mV. Cerca de los 360 días, se observaron potenciales más negativos, cercanos a los –

550 mV. Este cambio de potencial coincidió con los valores observados en el mismo tiempo

en las probetas de mortero con el ánodo embebido (Figura 5) y con las precipitaciones.

Durante los 380 días, se observó un cambio de potencial hacia valores más positivos,

coincidiendo con los períodos de baja precipitación. Después de los 500 días, los potenciales

variaron en un rango entre –250 y –350 mV, con pequeñas diferencias entre los puntos más

cercanos y los más alejados del ánodo, notándose los cambios con las precipitaciones (518

y 697 días). Por otro lado, se observó menor variación del potencial en los valores medidos

en las barras inferiores con respecto a las barras superiores de las vigas, lo cual se

esperaba por estar el ánodo más cercano a las barras superiores. Los potenciales variaron

entre –300 y –400mV, y no se observaron cambios en el potencial debido a la distancia del

ánodo a las barras y a cambios en la precipitación. Al medir el potencial "Instant Off" en la

zona más cercana al ánodo (punto 5 en la Figura 6), no se observaron cambios significativos con respecto a los potenciales "On".

La Figura 7 muestra las medidas de potencial de la barra superior derecha de las vigas

reparadas con ánodos de Al/Zn/In, por casi dos años. Se observa un comportamiento

similar a las vigas con ánodos de Zn. Después de realizada la reparación (260 días), las

barras alcanzaron potenciales de –630 mV en el área cercana al ánodo. Pero las medidas

permanecieron en un rango entre –250 y –500 mV. Actualmente, todos los potenciales de

las barras (superiores e inferiores) fluctúan entre –200 y –380mV, incluyendo el área más

cercana al ánodo.

La Figura 8 muestra la salida de corriente del ánodo de las diferentes vigas reparadas con

ánodos de Zn y de Al/Zn/In. En esta figura se observa que el flujo de corriente aumenta

después de periodos de lluvia, coincidiendo con los potenciales más negativos de las barras

más cercanas al ánodo (–550 mV vs. Cu/CuSO4 de la Figura 5), pero sin alcanzar los niveles

de protección requeridos (< –798 mV vs. Cu/CuSO4). Estas corrientes variaron alrededor de

0,42 mA/m2, alcanzando valores puntuales de 32 mA/m2, después de varios días de fuertes

lluvias. Sin embargo, durante los últimos días de prueba, el promedio de las corrientes de

salida fue muy bajo (entre 3,54 mA/m2 y 5,90 mA/m2), a pesar de que hubo días de lluvias.

El ánodo no polarizó a la barra de acero lo suficiente como para alcanzar niveles de

protección, ni siquiera en las zonas cercanas al ánodo. Esto puede ser por la alta resistencia

del mortero alrededor del ánodo (mortero de reparación), el cual no se contaminó con

cloruros en el momento de su fabricación e instalación como lo sugiere el fabricante. En la

misma figura se observa un comportamiento similar con el flujo de corriente de los ánodos

de Al/Zn/In. Las corrientes variaron entre 0,80mA/m2 y 30mA/m2. Igual a los ánodos de

cinc, el promedio de la corriente de salida fue muy baja, cercana a 5 mA/m2 al final del

periodo de experimentación, a pesar de que hubo días con precipitación. La polarización de

este ánodo tampoco fue suficiente como para polarizar al acero, ni siquiera en las zonas cercanas al ánodo.

La Figura 9 muestra la variación de la velocidad de corrosión de las barras superiores de las

vigas reparadas con ánodos de cinc durante el periodo de evaluación usando el equipo

Gecor6. Se observó una disminución de la velocidad de corrosión con el tiempo antes de la

reparación de 3,5 µA/cm2 (40,6 m/año) a 0,22 µA/cm2 (2,55 m/año). Sin embargo, estos

valores indican que el acero está activo (icorr > 0,1 ìA/cm2). Estas velocidades de corrosión

no mejoraron al conectar el refuerzo al ánodo, fluctuando entre 3,36 µA/cm2 (38,9 m/año) y

0,11 µA/cm2 (1,27 m/año), siguiendo una tendencia similar a las medidas de potencial: se

miden bajas velocidades de corrosión cuando hay bajas precipitaciones y viceversa. Esto

indica, que los cambios observados se deben a los cambios en las precipitaciones y no a la reparación con el ánodo.

Al evaluar la despolarización de la barra de la viga reparada con el ánodo de Zn (Figura 10),

se observó que el potencial "Instant Off" alcanzó un valor similar al medido sin desconectar

el ánodo, independientemente de la barra analizada. La despolarización después de 4 horas

fue tan baja como 63 mV (requiriéndose un mínimo de 100 mV para alcanzar la polarización).

Además, para estas condiciones ambientales, el acero no se protegió cuando se conectó al

ánodo usado, independientemente de la distancia al ánodo. La pérdida de protección de la

barra se manifestó en todas las vigas por agrietamiento del concreto (Figura 10), después de 1,5 años de exposición.

Se observó un comportamiento similar al evaluar los ánodos de Al/Zn/In (Figura 11). La

única diferencia fue que el agrietamiento ocurrió en el área donde estaba localizado el

ánodo y no encima de las barras. Esto se debió a la presencia de Mg en la aleación usada en

estos ánodos, como se demostró al analizar el ánodo por EDS, donde se muestra que está en concentraciones tan pequeñas que se enmascara por el alto contenido de aluminio [11].

2. Resultados obtenidos en el IMT

Potenciales de media celda

La Figura 12 muestra los potenciales con respecto al tiempo de la sección 1 (la más cercana

al ánodo) en dos de las vigas: una sin contaminación con cloruros (SC) y otra con cloruros

(CC). Se observó que las barras embebidas en concreto libre de cloruro presentaron

comportamiento pasivo (–200 mV vs. CuSO4). Cuando se comparó con los resultados

obtenidos en el concreto contaminado el acero mostró potenciales activos (< –350 mV vs.

CuSO4). Una vez que el ánodo se conectó, el potencial de la barra de la Sección 1 cambió

drásticamente a valores más negativos (potencial "ON"), similares a potenciales típicos del

Zn en concreto, independientemente del contenido de cloruros. Esta alta polarización en la

Sección 1 se mantuvo debido a la cercanía de esta sección de la barra al ánodo, la alta

humedad del concreto disminuyó su resistividad permitiendola alta polarización de la barra.

Al evaluar la despolarización de la barra (Figura 13) se observó que el potencial "Instant

OFF" alcanzó valores de –979 mV vs. CuSO4 para concreto con cloruros y –900 mV vs.

CuSO4 para concreto libre de cloruro. Para estas condiciones de alta humedad, el acero se

protegió al conectarse al ánodo, independientemente del contenido de cloruro en el

concreto, contrario a lo observado en las condiciones atmosféricas probadas en LUZ.

Después de 400 días de comenzar la evaluación, en la Sección 1 de las seis vigas probadas

en el IMT, se observó efluorescencia en la parte superior de la reparación con mortero

(Figura 14). Al detectar estos productos de lixiviación se realizó un análisis de Difracción de

Rayos X (XRD) pocas semanas después de que los productos de lixiviación se acumularan

en la superficie del mortero. Al analizar el ensayo (Figura 14) se encontró presencia de

hidróxidos y óxidos de bromuro de litio e hidróxidos de cinc en los productos lixiviados, independientemente del contenido o no de cloruros.

Con los resultados obtenidos hasta la fecha, los ánodos probados podrían proteger a la

barra en el concreto, con o sin contenido de cloruro, si el concreto está en altas humedades

como en estructuras localizadas en zonas marinas, y podrían no ser eficientes en zonas

atmosféricas donde la humedad del concreto no es suficiente para disminuir la resistividad

del concreto. Se deberá considerar que cuando los ánodos de Zn son usados en

concreto/mortero con altas humedades, los componentes activos dentro del mortero del

ánodo lixivian y pueden disminuir su eficiencia durante el período de trabajo (tiempo de vida > 400 días).

Conclusiones

Los ánodos probados de Zn y Al/Zn/In, no protegieron al acero en las vigas expuestas a

bajas humedades ambientales y altas temperaturas (77% de humedad relativa anual, 28oC

de temperatura promedio anual).

Para las vigas expuestas a altas humedades ambientales (90±5% de humedad relativa), los

resultados mostraron que el ánodo de Zn protegió a las secciones de barras cercanas al

ánodo, indiferentemente del contenido de cloruros en el concreto.

En altas humedades ambientales (90±5% de humedad relativa), los componentes químicos

usados para activar el ánodo de Zn lixiviaron del mortero.

Reconocimientos

Los autores agradecen al CONDES por el apoyo económico para la realización de este

proyecto y al Instituto Mexicano del Transporte, Querétaro, México por su apoyo económico para la realización de esta investigación mediante convenio IMT-Q-CC-26-03/CE-01.

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