Rigoberto Torres Villeda Especialista, Gerdau Corsa.
Los pilotes metálicos han sido utilizados en todo el mundo como elementos de cimentación por más de 100 años, con lo que exceden las estimaciones de durabilidad teórica. La corrosión en suelos naturales no alterados es controlada primordialmente por los mecanismos de difusión de oxígeno y disponibilidad de agua del medio. Mediciones experimentales de la corrosión reportadas en la bibliografía apuntan a que los pilotes de acero rara vez se ven comprometidos estructuralmente por este fenómeno. En este artículo se hace un resumen de los mecanismos que dominan el proceso de corrosión, tasas de pérdida de acero reportadas en la bibliografía, y se sugiere un método simplificado de verificación de la capacidad estructural de perfiles H o I considerando dicha corrosión.
INTRODUCCIÓN
En la naturaleza, los metales se encuentran comúnmente en un estado estable en la forma de compuestos como los óxidos, sulfuros y carbonatos. Regresar a este estado primordial es la tendencia química de los productos fabricados con metales cuando se exponen a la intemperie. El acero, primordialmente formado de una mezcla de hierro y carbono, es un material ampliamente usado en las cimentaciones, pues sus ventajas en las aplicaciones de la ingeniería superan con creces la propensión a la desintegración química.
CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA
La corrosión es el proceso electroquímico gradual que lleva al metal refinado a formar dichos compuestos estables originales. En el proceso de corrosión interviene siempre un circuito eléctrico, que es formado con un ánodo (metal), un cátodo (agente oxidante) y un electrolítico (solución acuosa, en nuestro caso). El balance de energía puede establecerse mediante las relaciones de reducción-oxidación (Redox), que de acuerdo con Pannoni (2009) dependerán en gran medida de la disponibilidad del oxígeno libre en el electrolito (agente oxidante).
El proceso se inicia, en un primer momento, con el flujo de electrones que desde el hierro (Fe) viajan hacia el cátodo formado por el propio metal en unión iónica con el agua. Este flujo de electrones permite que el oxígeno libre (O2) disuelto en el medio convierta los iones de hidrógeno (H+) en agua (balance ácido), o el agua en iones de hidróxido (OH–, balance alcalino). En el siguiente paso, el coloide de agua y hierro son combinados con el oxígeno para formar uno de los óxidos de hierro: óxido hidratado de hierro (Fe2O3 (H2O)n), hidróxido de hierro (Fe(OH)3) u óxido-hidróxido de hierro (FeO(OH)). Estos óxidos (cuya colectividad llamamos “herrumbre”) es depositada en la superficie del metal madre (véase figura 1) formando una barrera débil que puede ralentizar el proceso (si no es retirada por abrasión).
Este proceso es también determinado por las características electroquímica del medio, que aceleran o ralentizan el proceso como consecuencia del balance catiónico.
Parámetros de corrosividad
Para un sitio determinado, la variación espacial del contenido de agua, el porcentaje de oxígeno disponible, el pH, el potencial Redox, la resistividad, las sales disueltas y la actividad microbiológica determinan, en su conjunto, la tasa de corrosión que afectará a los elementos de acero.
• Agua. El agua es el electrolito esencial requerido para el proceso de corrosión electroquímica. La cantidad de agua y sus parámetros de flujo dependen de la textura, tamaño de los poros y estructura de la masa de suelo (flujo saturado o nivel de aguas freáticas), y está asociada a la acción capilar, succión osmótica, mátrica o gravedad (flujo en un medio no saturado).
• Concentración de oxígeno. En condiciones naturales, la cantidad de oxígeno disponible para las reacciones electroquímicas se reduce con la profundidad en el suelo. En suelos neutros o alcalinos suele ser el parámetro más importante que determina la reacción catódica. La difusión del oxígeno es más rápida en suelos no saturados de estructura gruesa.
• pH. La concentración de iones libres de hidrógeno es medida con la escala pH. El rango común de pH en los suelos naturales va de 4 a 6; en este rango, el pH no es una variable determinante en la tasa de corrosión. En suelos ácidos (pH<5), por otro lado, el ataque químico es potencialmente importante para las estructuras de acero.
• Resistividad eléctrica. La resistividad eléctrica es un indicador global de la corrosividad de un suelo, especialmente si se asocia con algún otro parámetro. Su valor disminuye con el incremento del contenido de agua y concentración de sales en el suelo. Como parámetro cualitativo, es útil para establecer la corrosividad relativa del suelo (Roberge, 1999).
• Potencial Redox. El potencial de reducción-oxidación es la energía química disponible para el ciclo de oxidación-reducción y representa, básicamente, la capacidad del suelo de aceptar iones positivos (Fe+) para que la reacción se lleve a cabo. Valores bajos o negativos de este potencial indican alta corrosividad.
• Cloruros y sulfatos. Los iones de cloruros participan directamente en las reacciones de disolución anódica de los metales y disminuyen significativamente la resistividad de los suelos. Los sulfatos, si bien menos agresivos que los cloruros, pueden ser fuente de sulfuros altamente corrosivos en un proceso de reducción bacteriana.
• Influencia microbiológica. Las actividades de hongos y bacterias pueden desempeñar un papel importante en la corrosión. Las colonias bacterianas, por ejemplo, pueden aumentar localmente el nivel de acidez del medio (ácidos grasos y orgánicos), causar una depolarización catódica del metal, producción de sulfuros o formar irregularidades superficiales durante el crecimiento de las colonias.
Potencial corrosivo de los suelos
La AWWA ha desarrollado una escala multifactorial (véase tabla 3) para establecer el potencial corrosivo del suelo con base en los parámetros antes descritos. El sistema de clasificación es ampliamente utilizado para determinar los sistemas de protección requeridos en los sistemas de conducción de agua potable. Si la suma de los puntos asignados a cada parámetro de corrosividad supera a 10, el suelo se considera como agresivo para el acero.
Protección contra la corrosión
Dependiendo de la severidad de exposición al ambiente corrosivo, existe una gran cantidad de métodos de protección de los perfiles metálicos. De entre éstos, se destacan los siguientes:
• Recubrimientos anticorrosivos. Típicamente aplicados en aquellas zonas de exposición atmosférica o de alto ataque marino (zona de salpicaduras o marea baja).
• Galvanización. Corresponde al recubrimiento de zinc, con espesor y calidades variables, para aplicaciones de exposición atmosférica, en ubicaciones cercanas al mar o de baja concurrencia de mantenimiento.
• Protección catódica. Consiste en formar un circuito eléctrico por medio de un metal de valencia menor (más negativo en relación con el acero, el zinc, aluminio, magnesio) que formará el nuevo ánodo del proceso, divergiendo la corrosión hacia este metal de sacrificio. Su uso más común es en estructuras sumergidas o de exposición atmosférica.
• Espesor de sacrificio. Es el método más común de protección en cimentaciones. La estructura deberá ser estable y asumir una pérdida de espesor por efecto de la corrosión al cabo de su vida útil.
Tasa de corrosión en suelos
IMCA y NTC-RSEE. Las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Construcción de Estructuras de Acero (NTC-RSSE, 2017), en su apartado 11.8 Durabilidad reza:
“Los elementos de acero estructural expuestos a la intemperie se protegerán contra la corrosión (excepto los de acero especial intemperizable); cuando sea imposible protegerlos después de la fabricación y montaje de la estructura, en su diseño se tendrán en cuenta los efectos perjudiciales de la corrosión, por ejemplo, aumentando el grueso de las paredes de los perfiles respecto al necesario por resistencia”.
El Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, IMCA, en la quinta edición de su manual de diseño (2015) especifica, en concordancia con las NTC, que “los componentes estructurales deben diseñarse para tolerar la corrosión o deben protegerse contra ella”.
Norma BS 8004:1986. Esta norma británica se apoya en los resultados experimentales reportados en la bibliografía (Romanoff, 1986; Shreir, 1976; Morley, 1978b; Beckwith, 1979; Eadie, 1979; Eadie y Kinson, 1980; Morley y Bruce, 1983). En todos los casos de estudio, se encontró que la tasa de corrosión real en suelos naturales (resistividades mayores a 2000 Ω·cm) se encontraba muy por debajo de la estimada por métodos analíticos. La tasa de corrosión media en estos casos fue de entre 1 y 2 mm en 100 años de servicio de la estructura (10-20 μm/año).
Eurocódigo EN 1993-5. La norma europea para el diseño de estructuras de acero EN 1993-5 (2007) es quizá la guía más específica para estimar la corrosión en función de las condiciones de exposición. Esta norma permite anexos locales para tomar en cuenta las condiciones de exposición de cada región de la Unión Europea. En el caso de exposición atmosférica, la corrosión a considerar es de 10 μm/año, y de 20 μm/año para ubicaciones cercanas al mar.
FHWA (1998). La Administración de Carreteras Federales de EUA (FHWA) plantea que el análisis de la corrosión para los proyectos de cimentación en puentes sea realizado con la guía paso a paso presentada por la norma AASHTO R 27-01.
También propone, de manera conservadora, que se puede estimar la tasa de corrosión para suelos naturales en 76 μm/año, mientras que para pilotes inmersos en agua dulce en 50 μm/año.
Estudios de caso. Existe una gran cantidad de estudios de corrosión que apuntan a que las tasas de corrosión en los suelos (por debajo del nivel freático o a unos cuantos centímetros de la superficie en suelos no saturados) son tan pequeñas que no representan una amenaza para la integridad de las estructuras de cimentación (Romanoff, 1962).
Ohsaki (1982) reporta los resultados del estudio de 130 pilotes de acero, sección angular, de 15 m de longitud en varios sitios de Japón, los cuales fueron extraídos luego de 2, 5 y 10 años de servicio. La corrosión promedio de las muestras para un periodo de 10 años fue de 100 μm.
Decker y otros (2008) midieron la corrosión en 20 pilotes de acero durante la reconstrucción de la carretera I-15 en Salt Lake Valley, Utah. Estos pilotes fueron extraídos después de 34 y 38 años y examinados para medir la pérdida de acero. La tasa de corrosión media obtenida fue de 48 μm/año en la zona empotrada dentro de suelos naturales con una alta concentración de cloruros.
A partir de una serie extensa de 150 muestras en 47 sitios de Luisiana y periodos de exposición entre 7 y 40 años, Romanoff (1957) indica que la corrosión máxima (aunque no generalizada en el perfil), C, obtenida en las investigaciones en suelos agresivos para un tiempo de exposición t, está dada por la siguiente relación potencial:
donde
K = 150 a 180 μm
n = 0.5 a 0.6.
PÉRDIDA DE CAPACIDAD ESTRUCTURAL
Ohsaki (1982) apunta que no existen diferencias sustanciales en la tasa de corrosión entre las caras exteriores a interiores del perfil en contacto con el suelo natural. De esta forma, el espesor remanente de una placa de acero sujeta a un proceso de corrosión por dos de sus lados al cabo de “t” años es:
donde
e, espesor inicial de la sección
c, tasa de corrosión por año
t, tiempo de exposición al ambiente corrosivo del pilote
Si el pilote se encuentra totalmente confinado por la masa de suelo, es posible despreciar los efectos de pandeo local para secciones con espesores mayores de 6 mm. En esta condición, dos son los parámetros geométricos fundamentales que gobiernan la capacidad estructural del pilote: el área de la sección (As, relacionada a la resistencia a carga axial) y el módulo de sección (Sx, en relación con la resistencia a la flexión del perfil). Al cabo de un tiempo t, el área remanente, As’, y el módulo de sección remanente, Sx’ pueden ser calculados para las secciones H o I como:
donde
d, peralte de la sección
b, ancho del patín
tw, espesor del alma
tf, espesor de los patines
C, pérdida total de espesor por corrosión
Ejemplo de aplicación: corrosión en Pilote H12 x 53
Resistencia estructural. Con el fin de dimensionar los efectos de la pérdida de espesor de acero por corrosión en relación con la capacidad estructural del pilote, tomemos como ejemplo la sección H12” x 53 (H310 x 79 kg/m), la cual tiene las siguientes dimensiones:
Si la vida útil de la estructura es de 50 años (típica en edificios comerciales y habitacionales), la pérdida total de espesor por efecto de la corrosión del alma y patines del perfil metálico, C, variará entre 1.0 y 1.2 mm (véase tabla 8).
La capacidad axial nominal del perfil metálico al final de su vida útil puede ser calculada, de manera simplificada, con la siguiente ecuación (IMCA, 2015):
El factor de reducción por pandeo local Q tiene como mínimo el valor de 0.85 en arcillas blandas de la Ciudad de México (longitud de pandeo local equivalente < 2.0 m), mientras que el valor de la fluencia del acero grado 50, fy, es de 345 MPa. Sustituyendo los valores en la ecuación anterior, se tiene que la capacidad axial del perfil en términos del área remanente será:
Para una corrosión de 1.2 mm en 50 años (criterio EN 19935), el área de la sección H12 x 53 pasará de ser 97.7 cm2 a 86.9 cm2. En esta condición, la resistencia estructural Ps remanente será de 1,520 kN.
Resistencia geotécnica. Para un pilote de fricción, la resistencia geotécnica es proporcional a la adhesión o fricción lateral desarrollada en las caras del pilote. En un suelo cohesivo, la resistencia del suelo puede calcularse con la ecuación de Thomlinson (Das, 2008):
donde
α, factor de adhesión
su, resistencia al corte en condiciones no drenadas
Pp, perímetro de contacto del pilote
L, longitud del elemento
FS, factor de seguridad
El perímetro de contacto del pilote puede ser asumido como la superficie mínima de falla (García Carrasco, Matos Morales y Torres Villeda, 2018), igual a 2 (b+d). Para un pilote alojado en la Serie Arcillosa Superior (SAS) de la Zona del Lago de la Ciudad de México, los valores de resistencia pueden ser asumidos en este ejemplo como:
Capacidad geotécnica vs. resistencia estructural. La condición de trabajo ideal resulta cuando la resistencia estructural del pilote (considerando el efecto de la corrosión) es igual o cercana a la resistencia geotécnica (capacidad de carga). En la práctica, salvo en los casos de cimentaciones en roca, los pilotes de acero suelen tener resistencias estructurales que van de 2 a 10 veces la resistencia brindada por el terreno de cimentación. La relación de la resistencia estructural a la geotécnica, en nuestro ejemplo, es de
1,520 kN/389 kN = 3.9. Esta proporción indica que la resistencia del acero, a pesar de las pérdidas de resistencia por efecto de la corrosión, es muy superior a la resistencia geotécnica. Por lo tanto, la oxidación del elemento no compromete la seguridad de la estructura.
CONCLUSIONES
La corrosión del acero en la masa de suelo es un problema complejo, multifactorial e irregular desde el punto de vista teórico, por lo que es difícil correlacionarlo exclusivamente con los parámetros de agresividad de los suelos (pH, resistividad, drenaje, tipo de suelo o su composición química). Las investigaciones experimentales reportadas en la bibliografía, por otro lado, indican que en la gran mayoría de los suelos naturales (4 < pH < 6) el proceso de corrosión está controlado por la cantidad de oxígeno disponible y la humedad del suelo. La carencia de alguno de estos dos componentes puede inhibir de manera significativa las tasas de corrosión del suelo. Asimismo, los resultados experimentales concurren en las siguientes conclusiones generales:
La tasa de corrosión en los suelos naturales es normalmente independiente de la profundidad, tipo de suelo, disposición estratigráfica, niveles freáticos, tipo de suelo o composición química.
Los suelos naturales son tan deficientes de oxígeno que las tasas de corrosión son muy bajas (< 20 μm/año).
El fenómeno global de corrosión está controlado por la difusividad del oxígeno en el suelo (Pannoni, 2009), por lo que la tasa de pérdida de acero disminuye con el paso del tiempo.
De acuerdo con la experiencia de los autores, la pérdida de capacidad estructural de los pilotes de acero por efecto de la corrosión, al cabo de 50 años en suelos naturales no alterados, no representa más del 15% de la resistencia estructural del material inalterado. Este valor es aproximadamente el doble de la variación de resistencia debida a las tolerancias de laminación (ASTM, 2016). En los sistemas de cimentación común, por otro lado, la capacidad de carga del terreno suele ser entre 2 y 10 veces menor que la resistencia de los elementos de acero.
El efecto de la pérdida de acero por corrosión en la resistencia estructural del pilote puede ser evaluado usando el área de acero remanente, As’, y el módulo de sección remanente, Sx’, cuyas ecuaciones han sido dadas en este documento. Para una relación de resistencia estructural a geotécnica (Ps/r) menor de 1.5, o cuando el perfil metálico se vea sometido a condiciones de exposición diferentes a las del suelo natural, se recomienda realizar una revisión detallada del efecto de la pérdida de espesor en la capacidad estructural del elemento considerando los pandeos locales de la sección de acero.
