POR MANUEL NAJAR, V&A CONSULTING ENGINEERS, INC.
Varios propietarios de plantas de tratamiento de agua y aguas residuales se han enfrentado a los efectos de la corrosión biogénica y el deterioro químico del hormigón en sus estructuras. La evaluación de estas estructuras afectadas puede ayudar a identificar el tipo y la magnitud del deterioro. Existen varios métodos de evaluación para determinar el estado actual de una estructura de hormigón, con o sin recubrimiento. Este artículo identificará algunos indicadores importantes de corrosión biogénica y deterioro químico del hormigón, con algunos ejemplos de diferentes áreas del proceso de tratamiento de agua y aguas residuales.
REVISIÓN DE ENTORNOS DE SERVICIO
La mayoría de los entornos de servicio de agua y aguas residuales se pueden clasificar en cuatro entornos: interior atmosférico, exterior atmosférico, exterior enterrado e inmerso. El tipo de protección necesaria para el hormigón dependerá del líquido, sólido o gas al que esté expuesto durante el funcionamiento normal de la estructura. Tras clasificar el sustrato a recubrir en uno o más de los entornos de servicio, se pueden determinar los requisitos adecuados de material de recubrimiento, preparación de la superficie y aplicación del recubrimiento para proteger las superficies.
Entornos con alto contenido de cloruro
El hormigón puede estar expuesto a entornos con alto contenido de cloruro, como en cursos de agua con alta salinidad y en ambientes marinos. Además, el hormigón también puede estar expuesto a altas concentraciones de cloruro durante la etapa de desinfección del proceso de tratamiento de agua y aguas residuales. Productos químicos desinfectantes como el hipoclorito de sodio, el hipoclorito de calcio y el dióxido de cloro se utilizan comúnmente para desinfectar el agua y las aguas residuales después de su tratamiento primario y secundario. En las grandes plantas de tratamiento de agua y aguas residuales, la dosificación de estos productos químicos se realiza antes de que entren en un canal largo y sinuoso, generalmente construido de hormigón. El agua debe circular por el canal para permitir el tiempo suficiente para una correcta mezcla y desinfección. A medida que el agua desinfectada circula por el canal, los cloruros comienzan a migrar a través del hormigón sin recubrimiento. Esta migración de cloruros a través del hormigón se produce y podría comenzar a corroer el acero de refuerzo si la cobertura de hormigón es insuficiente, la relación agua-cemento es alta y la matriz del hormigón no es lo suficientemente densa como para evitar la migración de cloruros.
Fig. 1: Evidencia de corrosión del acero de refuerzo en la pared inferior de un canal de concreto FIGURAS CORTESÍA DEL AUTOR A MENOS QUE SE INDIQUE LO CONTRARIO
Cuando la humedad y los cloruros alcanzan el acero de refuerzo, este comienza a corroerse y puede perder su integridad estructural. La corrosión del acero de refuerzo causada por cloruros se ve agravada por el agrietamiento, el desconchado o la poca profundidad de la capa de hormigón que lo recubre. Las manchas en la superficie del hormigón se deben a la celda de corrosión creada por el cátodo y el ánodo dentro del acero y el agua (electrolito). El material anaranjado que se forma en la superficie son depósitos de óxido ferroso. Los cloruros rompen la capa protectora de óxido que recubre el acero de refuerzo incrustada en el hormigón, lo que provoca la corrosión del metal.
Cuando se observan daños en una estructura de hormigón, los propietarios quieren saber el alcance del daño y cuánto costará repararlo.
La Figura 1 muestra varias áreas con manchas de corrosión en la pared inferior de un canal de contacto con cloro después de 30 años de servicio. No está claro si el acero de refuerzo corroído que se muestra en la foto corresponde a un refuerzo vertical o a un tramo de solape doblado hacia arriba desde el refuerzo de la losa del piso. En cualquiera de las opciones de colocación del refuerzo, este debe protegerse de una mayor corrosión. La Figura 2 muestra una vista detallada de un nódulo de corrosión formado sobre el acero de refuerzo. El tamaño de un nódulo de corrosión puede variar según la longitud y la profundidad del acero de refuerzo expuesto o cercano a la superficie.
Entornos de Corrosión Biogénica
El término “corrosión biogénica de aguas residuales” se utiliza aquí para definir el proceso de corrosión causado por la conversión biológica del gas de sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico en alcantarillas e instalaciones de aguas residuales. La corrosión biogénica de aguas residuales no debe confundirse con otros procesos de corrosión biológica, comúnmente denominados “corrosión inducida microbiológicamente”, que a menudo se asocian con la corrosión por grietas en el suministro de agua y otros sistemas ambientales no relacionados con el gas de sulfuro de hidrógeno ni con las aguas residuales. El hormigón es el material de construcción más susceptible a la corrosión biogénica en aguas residuales. El ácido producido por la bacteria Acidithiobacillus causa mayor destrucción en ambientes atmosféricos interiores, como el espacio de cabeza de estructuras cerradas o en zonas con flujo turbulento de aguas residuales, y contiene altos niveles de sulfuros disueltos. Algunas especies de Acidithiobacillus presentes en las alcantarillas son activas a un pH de 1 y pueden destruir completamente las estructuras de hormigón armado si existen altas concentraciones de gas de sulfuro de hidrógeno.
Fig. 2: Detalle del nódulo de corrosión que se forma en la superficie de un muro de hormigón.
La Figura 3 muestra un ejemplo de corrosión biogénica en el canal de entrada de un depósito de sedimentación primaria en una planta de tratamiento de aguas residuales. Como se puede observar, las superficies de hormigón sobre la superficie de las aguas residuales se han deteriorado significativamente debido a la corrosión biogénica. El deterioro del hormigón ha expuesto el acero de refuerzo y lo ha corroído por completo en algunas zonas donde solo quedan manchas anaranjadas, como se muestra en la Figura 4.
Otra forma de corrosión biogénica puede ser causada por grasas, aceites y grasas presentes en los residuos alimentarios, que son recogidos por transportistas privados y desechados en plantas de tratamiento de aguas residuales. Los residuos alimentarios se procesan y se envían a un digestor anaeróbico para mezclarlos con los sólidos y biosólidos del proceso de tratamiento de aguas residuales.
Fig. 3: Corrosión biogénica del hormigón sobre la superficie de las aguas residuales
Las grasas, el aceite y los ácidos grasos reaccionan con los álcalis de la pasta de cemento, ablandándola y volviéndola resbaladiza.La Figura 5 muestra las superficies rugosas de un pedestal de hormigón después de haber sido limpiado con agua a una presión de 4000 psi. El recubrimiento existente había fallado en las superficies del suelo, pero aún estaba bien adherido e intacto en las paredes.
Daños en el área de contención secundaria
Los productos químicos a granel se utilizan ampliamente en diversas etapas de los procesos de tratamiento en plantas de tratamiento de agua y aguas residuales. En las plantas de tratamiento de agua de la costa oeste de EEUU, se emplean productos químicos como sulfato de aluminio, amoníaco, sosa cáustica, hipoclorito de sodio y ácido sulfúrico en la coagulación y floculación para eliminar partículas sólidas y materia orgánica del agua. También se utilizan para ajustar el pH y la alcalinidad del agua.
Fig. 4: El deterioro del hormigón ha expuesto y corroído completamente el acero de refuerzo.
Productos químicos como el cloruro férrico y el hipoclorito de sodio son algunos ejemplos de ácidos que se utilizan en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El cloruro férrico se utiliza para controlar los malos olores y la corrosión biogénica, mientras que el hipoclorito de sodio se utiliza para desinfectar el agua tratada.
Estos productos químicos se almacenan en tanques de 5.000 a 20.000 galones, según la demanda del proceso de tratamiento. Los tanques pueden estar hechos de plástico reforzado con fibra de vidrio, acero recubierto de caucho o HDPE, y cuentan con varias bombas, tuberías, válvulas, soportes para tuberías y rejillas sobre los desagües. Ocasionalmente, los tanques o las tuberías comienzan a fallar y presentan fugas, o se producen derrames de productos químicos durante el llenado de los tanques.
La Figura 6 muestra grietas graves en la losa del piso de un área de contención secundaria, construida en 1982, que almacena hipoclorito de sodio. Cuando una de las válvulas o tuberías falló, se inundaron todas las áreas de contención y los cloruros se filtraron al hormigón y alcanzaron la profundidad del acero de refuerzo hasta 7,6 cm. Las concentraciones de cloruro oscilaron entre 500 y 3200 ppm, justo por encima de la profundidad del acero de refuerzo. Como resultado, se observaron varias delaminaciones en el hormigón tras sondearlo con un martillo.
Las delaminaciones se debieron a la corrosión del acero de refuerzo, que genera tensiones de estallido que inducen el agrietamiento radial a lo largo de las barras una vez superada la resistencia a la tracción del hormigón.
ESTÁNDARES DE LA INDUSTRIA
Cuando se observan daños en una estructura de concreto, los propietarios desean conocer su alcance y el costo de su reparación. Se puede realizar una evaluación visual de la estructura, así como recopilar datos de la misma si existen condiciones seguras o si una parada de la estructura permite realizar una evaluación. Los siguientes puntos proporcionarán información sobre la causa del deterioro para ayudar a los propietarios a determinar la priorización y el cronograma de las reparaciones. Debido a limitaciones de presupuesto y tiempo, es posible que los propietarios no puedan solicitar la siguiente información durante una evaluación, pero se resume en este artículo con fines informativos.
Fig. 5: Ejemplo de árido fino expuesto en hormigón sumergido expuesto a grasas, aceites y grasas (FOG).
Cloruros en el concreto
Las concentraciones de cloruros en el concreto pueden variar según el tipo de agregado utilizado, la relación agua-cemento, los aditivos (cenizas volantes, cemento de escoria, puzolanas naturales, humo de sílice) y la presencia de otros ingredientes en la mezcla de concreto. La concentración también variará con la frecuencia de los ciclos húmedo-seco y la concentración del líquido, gas o vapor en contacto con el concreto. Las muestras de núcleos de hormigón se recogen y analizan en un laboratorio. Las concentraciones de cloruro pueden medirse de acuerdo con la norma ASTM C1218.2. La Tabla 1 indica la concentración máxima permisible de cloruro en el hormigón para nuevas construcciones de diversas fuentes. Se deben considerar los umbrales para monitorear y mitigar la corrosión inducida por cloruro. Normalmente, se utilizan entre seis y siete sacos de cemento para el diseño de la mezcla de hormigón, y la concentración de cloruro para hormigón de 7 sacos se muestra a continuación. Los umbrales de concentración de cloruro en porcentaje en peso de cemento se convirtieron a porcentaje en peso de hormigón para una mezcla de 7 sacos.
Profundidad de recubrimiento sobre el acero de refuerzo.
La profundidad del recubrimiento de hormigón es un elemento importante en la protección contra la corrosión de las estructuras de hormigón armado. Cuanto mayor sea el espesor del recubrimiento de hormigón, menor será la probabilidad de que los componentes corrosivos alcancen el acero de refuerzo incrustado. Según la norma ACI 350-06, la profundidad mínima de recubrimiento de hormigón para la protección contra la corrosión del acero de refuerzo en superficies de hormigón encofrado expuestas a tierra, agua, aguas residuales, intemperie o en contacto con el suelo debe ser de al menos 2 pulgadas para barras de n.° 6 o mayores y de 1,5 pulgadas para barras de n.° 5 o menores. Asimismo, según la norma ACI 350-06, la separación entre barras de refuerzo para elementos rectangulares no debe exceder las 12 pulgadas para mitigar el agrietamiento. Un método para determinar la profundidad de recubrimiento sobre el acero de refuerzo es el uso de un radar de penetración superficial (SPR). El SPR es una técnica de ensayo no destructivo que utiliza ondas electromagnéticas para investigar la composición de materiales no conductores como el hormigón, ya sea para la búsqueda de objetos incrustados, como acero de refuerzo y conductos, o para la búsqueda de huecos. Es más adecuada para superficies de hormigón relativamente lisas, lo que dificultaría su aplicación en superficies de hormigón proyectado. La Figura 7 muestra un ejemplo de un escaneo SPR en una superficie de hormigón. El eje x representa la distancia total escaneada y el eje y la profundidad del objeto escaneado. La profundidad del acero de refuerzo se puede medir desde la parte superior de la hipérbola oscura hasta la parte superior de la losa. En la Figura 7, la distancia es de aproximadamente 7,9 cm. En estructuras de agua y aguas residuales, es muy común observar manchas de corrosión en áreas con menos de 2,5 cm de cobertura.
Recubrimiento
Una de las decisiones más difíciles para los propietarios es si retirar, reemplazar o recubrir un sistema de recubrimiento existente. Una revisión de las normas de la industria de SSPC y la experiencia de este autor con proyectos de recubrimiento de concreto durante los últimos 20 años ayudarán a guiar al resto de la industria a determinar si una superficie es apta para un recubrimiento.
La Actualización Técnica n.° 3 de SSPC se refiere a estructuras de acero; sin embargo, se revisó para obtener información sobre la evaluación de recubrimientos existentes para su recubrimiento. Indica lo siguiente:
3.2.2.9 Adherencia del recubrimiento: La adhesión del recubrimiento existente a sí mismo y al sustrato es un factor crítico. Sin embargo, es difícil definir con precisión un valor de adhesión satisfactorio. Actualmente, la adhesión se evalúa generalmente mediante las normas ASTM D3359 o ASTM D4541 (sobre acero).
Fig. 6: Grietas severas en el piso de una estructura de contención secundaria
Los sistemas que presentan valores de adhesión bajos en estas pruebas tienen mayor probabilidad de deslaminarse al recubrirse que los recubrimientos envejecidos con valores de adhesión más altos. Generalmente, el sistema de recubrimiento envejecido fallará en su punto más débil. El tipo de recubrimiento, la edad, el espesor y la preparación de la superficie afectan la adhesión del sistema de recubrimiento envejecido.
La Tabla 2 se extrae de la SSPC TU N.° 3, Apéndice A, Tabla 1: Riesgo de recuperación del recubrimiento existente según las características de adhesión/espesor, que proporciona una guía para el repintado.
Tenga en cuenta que la norma ASTM D3359, Método A, se utiliza generalmente para recubrimientos sobre sustratos de acero; sin embargo, las pruebas de cuchilla ASTM D6677 pueden utilizarse para pruebas de adhesión y son aplicables a todas las superficies. La recomendación general de la Tabla 2 es no repintar si los resultados de adhesión son deficientes y el espesor del recubrimiento es superior a 20 milésimas de pulgada.
Fig. 7: Grietas severas en el piso de una estructura de contención secundaria
Otra fuente para determinar los requisitos de repintado es la SSPC-PA 14, que se aplica a entornos con agua y aguas residuales, ya que los recubrimientos de varios componentes se aplican comúnmente en estos entornos. 8. Indica lo siguiente con respecto a la reparación de superficies previamente recubiertas:
13. Reparación de Superficies recubiertas (Acero u Hormigón)
13.1 Salvo que se especifique lo contrario, se deberá retirar todo recubrimiento o recubrimiento suelto, agrietado, quebradizo o no adherido. La Figura 8 muestra un recubrimiento existente de 30 años de antigüedad en un tanque de sedimentación de agua potable que presentaba claras fallas. Una evaluación posterior reveló que más del 30 % de las superficies estaban delaminadas y tuvieron que ser retiradas.
Ph del Hormigón
Los morteros cementicios generalmente se elaboran con una combinación de áridos, arena y cemento Portland. El cemento Portland del mortero tiene un pH de entre 12,5 y 13,5 después de 28 días de curado. Este elevado nivel de pH proporciona control de la corrosión del acero de refuerzo. El acero pasa de un estado de corrosión activa a un estado de pasividad, caracterizado por una película de óxido que lo protege de la corrosión cuando su superficie se expone a un pH superior a 10. Con un pH inferior a 10, puede producirse corrosión si el hormigón sumergido tiene menos de 2,5 cm de recubrimiento o si el entorno de servicio es susceptible a la corrosión biogénica. Generalmente, la mayoría de los fabricantes derecubrimientos recomiendan que el hormigón tenga un pH de 7 o superior antes de aplicar sus productos de mortero o recubrimiento. La escala de pH que se muestra en la Tabla 3 correlaciona el efecto del entorno en la corrosión del hormigón y se deriva de la experiencia previa y la revisión de la literatura.
PROTECCIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN
Diseño de la mezcla de hormigón
Antes de construir estructuras de hormigón para agua y aguas residuales, los propietarios e ingenieros de diseño deben considerar los siguientes criterios de diseño para estructuras de retención de agua en el sector de la ingeniería ambiental.
Fig. 8: Se tuvo que evaluar un recubrimiento existente de 30 años de antigüedad con delaminaciones.
1. Los diseños de mezclas de concreto deben tener una relación agua-cemento de acuerdo con las recomendaciones de la norma ACI 318.10
2. Se requiere un mínimo de 3,8 cm de recubrimiento de concreto para todo el acero de refuerzo de acuerdo con la norma ACI 350. Se requiere un mínimo de 7,6 cm de recubrimiento de concreto en áreas de contención secundaria cuando se almacenan cloruros.
3. Determine la vida útil de diseño requerida para la estructura y el entorno de servicio y considere agregar puzolanas como cenizas volantes o humo de sílice para prolongar la vida útil de la estructura. También se pueden agregar inhibidores de corrosión a la mezcla de concreto para prolongar su vida útil.
Selección del Material de Reparación
Existen varios productos de recubrimiento en el mercado con resistencia química a los entornos de servicio en agua y aguas residuales. Sin embargo, existen diferencias en cuanto a flexibilidad, tolerancia a la humedad durante la aplicación y resistencia a los productos químicos entre los diferentes productos. Los productos de recubrimiento deben seleccionarse teniendo en cuenta las condiciones de aplicación, además del funcionamiento normal de la estructura.
El tiempo de aplicación y curado de un nuevo sistema de recubrimiento también es fundamental para el éxito de un proyecto. En la rehabilitación de plantas de tratamiento de agua y aguas residuales o en las tuberías asociadas, el tiempo de parada para la preparación de la superficie y la aplicación del recubrimiento es limitado o nulo, ya que el flujo es constante las 24 horas del día, los 7 días de la semana, todo el año. El trabajo de recubrimiento en plantas de tratamiento de aguas residuales o estaciones de bombeo debe completarse debido a la posibilidad de lluvias en el pronóstico, y las estructuras deben volver a funcionar lo antes posible para permitir una mayor capacidad de tratamiento.
La preparación de la superficie del hormigón también deberá seleccionarse en función de su antigüedad y el estado de la superficie. La Guía Técnica 310.2 del Instituto Internacional de Reparación de Hormigón proporciona normas para la preparación de superficies, tanto en formato impreso como con muestras de moldes físicos que pueden utilizarse también en campo. El hormigón nuevo generalmente no requiere un perfil superficial profundo como el hormigón existente sometido a granallado. El objetivo del granallado del hormigón nuevo es eliminar la lechada, la eflorescencia y las superficies resbaladizas antes del recubrimiento. El objetivo del granallado del hormigón existente es eliminar todo el hormigón suelto y deteriorado. Si la pasta de cemento está deteriorada y el árido sobresale de la superficie, existen al menos dos métodos para repararla.
En proyectos de rehabilitación, el árido expuesto puede repararse con morteros de recubrimiento o con recubrimientos especiales de alto espesor. El recubrimiento del hormigón se realiza con espesores de entre 3 mm y 5 mm, según el nivel de degradación. Algunos productos de recubrimiento permiten una aplicación de hasta 6,35 mm (250 milésimas de pulgada) para cubrir una pequeña cantidad de árido expuesto en algunos casos, pero la mayoría de los fabricantes recomiendan un repintador.
Los defectos superficiales del hormigón, como poros, panal, árido expuesto, aletas y lechada, deben rellenarse o eliminarse antes de aplicar un nuevo sistema de recubrimiento. Aplicar un recubrimiento sobre estos defectos superficiales puede provocar discontinuidades o mala adherencia.
Los sistemas de recubrimiento deberán seleccionarse cuidadosamente, considerando los factores mencionados en esta sección, antes de finalizar la especificación del recubrimiento y enviarla a licitación. Se recomienda consultar las necesidades del proyecto con un representante del fabricante del recubrimiento.
Documentos de Construcción
Antes de redactar una especificación de recubrimiento, el especificador debe recopilar la mayor cantidad de información posible para determinar qué productos son los más adecuados para el entorno de servicio y las condiciones en las que se aplicará el recubrimiento.
Una buena especificación contendrá lo siguiente:
1. Límites de trabajo claramente definidos de una estructura de hormigón, incluyendo las áreas alrededor de las penetraciones de tuberías, las estructuras de compuertas corredizas y las estructuras de conexión;
2. Definición clara de qué se considera hormigón deteriorado;
3. Profundidad del hormigón deteriorado que se eliminará en áreas sumergidas, atmosféricas interiores y otras;
4. Una descripción del nivel de preparación de la superficie requerido, como ICRI 310.2 Perfil de Superficie de Concreto 1 a 10 y SSPC SP1311,12;
5. Valor mínimo de pH del concreto una vez finalizada la preparación de la superficie;
6. Métodos de reparación para la infiltración de agua, transiciones de superficies sin recubrimiento a superficies con recubrimiento, juntas de expansión, acero de refuerzo expuesto y grietas.
Inspección en obra durante las operaciones de recubrimiento
Una vez iniciada la aplicación del recubrimiento, el propietario y el especificador deben asegurarse de que este se aplique según las especificaciones. Los propietarios deben contratar a un inspector de recubrimientos externo capacitado según el programa de certificación para Inspectores de Recubrimientos Protectores IARCOR – CIP. En proyectos grandes de agua y aguas residuales, el costo de contratar a un inspector de recubrimientos representa una pequeña fracción del costo total del proyecto. Para una inversión tan grande en recubrimientos protectores, es muy recomendable contratar a un inspector de recubrimientos para garantizar que se apliquen según los requisitos de la especificación. Si no es posible contratar a un inspector de recubrimientos para supervisar las operaciones de recubrimiento en obra, el propietario debe exigir que el fabricante del recubrimiento esté presente durante el inicio de la preparación de la superficie, el inicio de la aplicación del recubrimiento y el día de la prueba final.
CONCLUSIONES
Cuando los propietarios de plantas de tratamiento de agua y aguas residuales detectan daños en sus activos, es importante recopilar la mayor cantidad de información posible antes de tomar una decisión sobre cómo rehabilitar la estructura. Los ejemplos de entornos de servicio presentados en este artículo brindarán una idea de algunos indicadores comunes de deterioro del hormigón. Al utilizar algunos de los estándares de la industria para la migración de cloruros, la profundidad del acero de refuerzo y los estándares de recubrimiento, estas evaluaciones pueden proporcionar información valiosa a los propietarios para justificar reparaciones costosas.
Este artículo presentó ejemplos de protección del hormigón antes y después de la construcción de una estructura de tratamiento. Es importante considerar el diseño de la mezcla de hormigón y la selección de los materiales de reparación antes de redactar la especificación del recubrimiento y enviarla a licitación. Además de contar con una buena especificación, también es importante realizar una inspección in situ. Para el éxito de los proyectos de recubrimiento, los propietarios deberían considerar la posibilidad de contratar a un inspector externo que pueda proporcionar control de calidad durante las operaciones.
SOBRE EL AUTOR
Manuel Najar es el Líder de Práctica de Recubrimientos en V&A Consulting Engineers, Inc. en Oakland, California. Es un Inspector de Recubrimientos certificado por NACE (Nivel 2) con casi 20 años de experiencia en el sector. Es licenciado en Ingeniería Química por la Universidad de California en Berkeley.
