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Corrosión de corrugados en probetas de mortero expuestas en medio marino

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Corrosión de corrugados en probetas de mortero expuestas en medio marino

Deus Abelenda, Jose Manuel
 
DATE : 2016-02-05
UNIVERSAL IDENTIFIER : http://hdl.handle.net/11093/690
UNESCO SUBJECT : 3303.07 Tecnología de la Corrosión ; 3305.05 Tecnología del Hormigón ; 2210.05 Electroquímica
DOCUMENT TYPE : doctoralThesis

ABSTRACT :

La capacidad del hormigón para actuar como barrera efectiva contra la acción del medio es de vital importancia en las estructuras de ingeniería civil. La mayor parte de los fenómenos de degradación del hormigón suponen de una forma u otra el transporte de iones a través de la estructura de poros interna. Del mismo modo, la velocidad de corrosión de las armaduras está condicionada por la penetración de agentes oxidantes o despasivantes a través de la microestructura porosa del recubrimiento. En este trabajo se estudian de modo sistemático el efecto de la temperatura y la presencia de contaminantes (cloruros) en el comportamiento tanto del hormigón, como de las barras de refuerzo (acero al carbono y aceros inoxidables) en él embebidas. El estudio abarca condiciones de exposición natural y de laboratorio. La primera parte del trabajo estudia la dependencia del potencial de corrosión de las armaduras con la temperatura del medio. Se observan variaciones del potencial de corrosión con la temperatura (mV/ºC) en un rango superior al esperado según la ecuación de Nernst. Estas variaciones ... [+]
La capacidad del hormigón para actuar como barrera efectiva contra la acción del medio es de vital importancia en las estructuras de ingeniería civil. La mayor parte de los fenómenos de degradación del hormigón suponen de una forma u otra el transporte de iones a través de la estructura de poros interna. Del mismo modo, la velocidad de corrosión de las armaduras está condicionada por la penetración de agentes oxidantes o despasivantes a través de la microestructura porosa del recubrimiento. En este trabajo se estudian de modo sistemático el efecto de la temperatura y la presencia de contaminantes (cloruros) en el comportamiento tanto del hormigón, como de las barras de refuerzo (acero al carbono y aceros inoxidables) en él embebidas. El estudio abarca condiciones de exposición natural y de laboratorio. La primera parte del trabajo estudia la dependencia del potencial de corrosión de las armaduras con la temperatura del medio. Se observan variaciones del potencial de corrosión con la temperatura (mV/ºC) en un rango superior al esperado según la ecuación de Nernst. Estas variaciones siguen ritmos circadianos en exposición natural que se han reproducido en laboratorio a frecuencias de oscilación mayores. Un análisis elemental de la química de las películas pasivas en función de la temperatura ha permitido establecer la causa de la variación observada en el potencial: la contribución de la película pasivante a la reacción catódica del proceso de corrosión. Este enfoque en el análisis y su interpretación es novedoso y resulta ser de suma importancia desde el punto de vista de la comprensión del comportamiento electroquímico de las armaduras de acero. Esta interpretación facilitará la metodología de los trabajos de inspección y estimación de durabilidad de estructuras de hormigón armado. Siguiendo con el comportamiento de las armaduras, se estudió el efecto combinado de presencia de cloruros y temperatura en la cinética del proceso de corrosión utilizando la Espectroscopía de Impedancia Electroquímica. Se ha podido demostrar que la ecuación de Eyring es un buen modelo para estudiar la dependencia que ha mostrado la velocidad de corrosión frente a la temperatura. Se ha establecido la existencia de un punto de inflexión en la representación de Arrhenius en el entorno de 30 ºC que marca un cambio en el mecanismo del proceso de corrosión. 30 ºC es la temperatura a la que, debido a la solubilidad de la Portlandita, el electrolito en los poros alcanza un pH de 12, límite termodinámico de la estabilidad de la capa de óxidos. Este valor de temperatura es menor en presencia de cloruros por su efecto en el pH (actividad de los protones). También mediante el empleo de la técnica de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica se indagó en el efecto de la temperatura sobre el comportamiento electroquímico de probetas de mortero reforzado contaminadas con cloruros. Los resultados reflejan una dependencia exponencial de la resistividad del recubrimiento de mortero con la temperatura, la cual fue interpretada como resultado de una interacción electrostática entre los iones en movimiento y las paredes de la red de poros cargados, integrados en una estructura tipo gel (gel CSH en la terminología de la química del cemento). En hormigones contaminados con cloruros la resistividad es una medida de la velocidad de entrada de cloruros, por lo que el estudio realizado es relevante en el ámbito de la durabilidad de estructuras. La penetración de cloruros en el hormigón es la principal causa de despasivación de las armaduras de acero, pero en cuanto al mecanismo de transporte la mayor parte de los estudios se centran en la difusión, cuando en determinadas situaciones son los fenómenos de absorción los predominantes. En hormigones o morteros expuestos a zonas de mareas o ambiente marino atmosférico, se ha constatado en este estudio que repetidos ciclos de humectación/secado debido a fluctuaciones de la temperatura ambiental, resulta ser el mecanismo más significativo de absorción y profundidad de penetración de iones cloruro. Mientras que en las probetas totalmente sumergidas el transporte por difusión es el factor principal en la transferencia de cloruros a través de la red de poros del mortero, no ocurre lo mismo en las muestras expuestas a la atmósfera en el mismo sitio. Por lo tanto, el efecto de la exposición y las condiciones ambientales que influyen en la porosidad efectiva del hormigón (que define su resistividad eléctrica) deben ser incluidos en los modelos de predicción de la penetración de iones cloruro y, por lo tanto, de la vida útil. [-]
 
The ability of concrete to act as an effective barrier against the action of the environment is of vital importance in civil engineering structures durability. Most of the degradation phenomena involve ion transport through the internal pore structure. Similarly, the penetration of oxidizing or depassivating agents through the porous microstructure of the concrete cover determines the corrosion rate of the reinforcements. This report presents a systematic study of the effect of temperature and the presence of contaminants (chlorides) on the behaviour reinforced concrete, both the rebars (carbón steel and stainless steel) and the concrete cover. The study covers conditions of natural exposure and laboratory tests. The first part of the report examines the dependence of the corrosion potential of the rebars with temperature. The recorded corrosion potential variations with temperatura (mV/°C) are higher than expected according to the Nernst equation. These variations follow circadian rhythms in natural exposure and have been reproduced in the laboratory to higher oscillation ... [+]
The ability of concrete to act as an effective barrier against the action of the environment is of vital importance in civil engineering structures durability. Most of the degradation phenomena involve ion transport through the internal pore structure. Similarly, the penetration of oxidizing or depassivating agents through the porous microstructure of the concrete cover determines the corrosion rate of the reinforcements. This report presents a systematic study of the effect of temperature and the presence of contaminants (chlorides) on the behaviour reinforced concrete, both the rebars (carbón steel and stainless steel) and the concrete cover. The study covers conditions of natural exposure and laboratory tests. The first part of the report examines the dependence of the corrosion potential of the rebars with temperature. The recorded corrosion potential variations with temperatura (mV/°C) are higher than expected according to the Nernst equation. These variations follow circadian rhythms in natural exposure and have been reproduced in the laboratory to higher oscillation frequencies. A chemical elemental analysis of passive films in function of temperature has established the cause of the observed variation in the potential: the contribution of the passivating film to the cathodic reaction of the corrosion process. The analysis and interpretation performed is new and appears to be important from the point of view of understanding the electrochemical behaviour of steel reinforcements. This interpretation will facilitate the work of inspection and estimation of durability of concrete structures. Following with the behaviour of reinforcements, the combined effect of the presence of chlorides and temperature change on corrosion kinetics was studied using the Electrochemical Impedance Spectroscopy technique. We demonstrated that the Eyring equation is a good model to study the dependence shown by the corrosion rate versus temperature. The existence of an inflexion point in the Arrhenius plot near 30 °C was established, which marks a change in the mechanism of the corrosion process. 30 ° C is the temperature at which, due to the solubility of Portlandite, the electrolyte in the pores reaches a pH of 12, the thermodynamic stability limit of the oxide layer. This temperature is lower in the presence of chlorides for its effect on pH (proton activity). Also by employing the technique of Electrochemical Impedance Spectroscopy we investigated the effect of temperature on the electrochemical behaviour of reinforced mortar specimens contaminated with chlorides. The results show an exponential dependence of the resistivity of the mortar coating with the temperature, which was interpreted as the result of electrostatic interaction between moving ions and walls of the pore network integrated in a gel‐like structure (CSH gel in cement chemistry terminology). In concrete contaminated with chlorides, resistivity is a measure of chlorides uptake, so that the study is relevant in the field of durability of structures. Penetration of chlorides in concrete is the main cause of depassivation of steel reinforcements, but most of the studies focus on diffusion as the mechanism of transport while in certain situations absorption phenomena are predominant. In concrete or mortar exposed to tidal areas or atmospheric marine environment, it has been found in this study that repeated cycles of wetting / drying due to fluctuations in ambient temperature, results to be the most significant mechanism of absorption and penetration of chloride ions. Diffusion is the main driving force for chloride intake in the samples completely submerged but this was not the case for aerial exposure in the same site. Therefore, the effect of exposure and environmental conditions that influence the effective porosity of concrete (which defines its electrical resistivity) should be included in the prediction models of chloride ions penetration devoted to assess structure’s service life. [-]

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