Protecció catòdica galvànica d’estructures de formigó armat

DEPARTAMENT D’ASSISTÈNCIA TÈCNICA DE MAPEI – GABRIEL-ÀNGEL ORTÍN RULL
Arquitecte per l’ETSAB (UPC) – especialitat d’edificació.
Màster ICADE en Direcció Comercial i de Marquèting.
Director d’Assistència Tècnica de MAPEI a Espanya, des de desembre de 2002.
Des de l’any 1989, ha treballat en diverses multinacionals de productes químics per la construcció i de tècniques de fixació, en càrrecs intermedis i directius dels àmbits tècnic, comercial i de marquèting. Prèviament, va exercir la professió d’arquitecte.

L’article descriu els fenòmens de corrosió en les estructures de formigó armat, tant els provocats per la carbonatació del formigó com els deguts a la afectació per clorurs, incidint en els mètodes de prevenció i protecció catòdica-galvànica, distingint entre el de corrent impresa i el d’ànodes galvànics. S’explica l’escala de noblesa dels metalls i el principi de funcionament de la cel·la galvànica. Es descriu el desenvolupament de les fases de la corrosió en el temps, segons sigui provocada per la carbonatació del formigó o per la presència de clorurs. S’analitza la tècnica de mesura dels potencials de corrosió, com a mètode per determinar l’estat de la mateixa.

Finalment, es presenten diversos tipus d’ànodes, interiors i exteriors a l’element estructural i es fa esment de la documentació tècnica de suport pel dimensionat.

LA PROTECCIÓ CATÒDICA

La protecció catòdica és una tècnica basada en regles electroquímiques per protegir o prevenir la corrosió d’estructures metàl·liques col·locades en ambients agressius. Això es pot fer mitjançant la impressió d’un corrent continu entre un elèctrode, anomenat ànode i el metall que ha de ser protegit, el càtode. Aquest circuit genera la reducció del potencial de l’element metàl·lic i redueix la seva velocitat de corrosió. El procés catòdic es pot iniciar en dues condicions diferents:

• Si el fenomen de la corrosió de l’element metàl·lic ja s’ha desenvolupat, està en condicions de protecció catòdica, amb el propòsit de reduir l’activitat fins que s’aturi.
• En el cas en el qual encara no s’ha produït el fenomen de la corrosió, es pot definir el procés de prevenció catòdica que impedeixi la seva iniciació.

La protecció catòdica es pot fer de dues maneres diferents:

• Sistema de corrent impresa.
• Sistema d’ànodes galvànics.

El sistema de corrent imprès utilitza una font d’alimentació externa per desenvolupar el corrent necessari; el pol positiu està connectat a un dispersor anòdic, generalment un ànode insoluble (per exemple: ferro colat de silici, grafit, titani activat, etc.), mentre que el pol negatiu està connectat a l’estructura a protegir (fig. 1 a).

El sistema de ànodes galvànics té el principal avantatge de no utilitzar cap font d’energia externa. Quan dos diferents tipus de metall, units entre si, estan incrustats en un electròlit adequat, el metall amb el potencial elèctric més negatiu s’oxidarà per protegir el metall amb el potencial menys negatiu. Per a la protecció de l’acer s’utilitzen generalment l’alumini i el zinc si l’electròlit és aigua de mar o formigó, el magnesi per als elements submergits en els sòls i les aigües dolces, i el ferro per als aliatges de coure o els acers inoxidables (fig. 1 b).

LA CORROSIÓ

Els metalls es poden classificar en funció de la seva noblesa, és a dir, en funció de la seva capacitat per cedir electrons. Quan més noble és un metall, més difícil és la cessió i, per tant, l’oxidació.

A continuació es mostra una llista de metalls ordenats des del més noble (fig. 2).

Tenint en compte l’escala anterior, podem entendre el funcionament de l’anomenada pila galvànica o cel·la. Mitjançant la connexió de dos metalls diferents a l’interior d’un electròlit, es forma un circuit entre els dos. Aquest principi pot ser utilitzat per protegir un metall contra la corrosió. El metall a ser protegit (que assumeix la funció de càtode) està connectat a un tipus diferent de metall i més electronegatiu (menys noble) que passa a actuar de forma espontània com un ànode de sacrifici, deixant lliure dels productes de corrosió el càtode. L’ànode de sacrifici és per al consum progressiu en el temps. Un ús clàssic és al casc de metall dels vaixells (fig. 3).

LA PROTECCIÓ CATÒDICA DEL FORMIGÓ ARMAT

En ambients agressius, les estructures de formigó armat tenen una vida de servei fortament dependent de la corrosió de l’armadura.

En un formigó nou o no contaminat, les armadures estan en una solució a pH >. 11,5; en aquestes condicions en la superfície de les barres es forma una pel·lícula d’òxid prima que els protegeix de la corrosió; aquesta condició es diu de passivitat. El formigó amb el temps pot perdre la seva alcalinitat i, per tant, la seva capacitat per mantenir protegida la armadura. Això passa com a resultat de:

• La carbonatació: el diòxid de carboni present a l’atmosfera penetra en el formigó baixant el seu pH, portant-lo de valors al voltant de 13 a valors al voltant de 9. Amb aquest pH, la pel·lícula d’òxid
  sobre l’armadura es descompon i aquesta perd la seva passivitat.
• La contaminació de clorurs: de la mateixa manera que el diòxid de carboni, els clorurs penetren la superfície del formigó i causen la ruptura localitzadade la pel·lícula passivant dels ferros.
• La interferència dels corrents dispersos: a les zones anòdiques cap a on el corrent flueix, és possible que es trenqui, també en aquest cas, la pel·lícula de passivitat.

La figura 4 representa el fenomen de la corrosió d’una estructura de formigó en el temps, que es pot dividir en dues fases diferents:

• Fase d’iniciació: temps de difusió dels agents contaminants presents en el formigó (recobriment de formigó).
• Fase de propagació: després de l’etapa d’iniciació, avança fins a arribar al nivell màxim acceptable de corrosió.

La corrosió per carbonatació

La mera presència de diòxid de carboni en el formigó no crea cap problema, ja que no redueix cap característica mecànica del formigó; intervé d’una manera negativa només quan arriba al ferro i trenca la pel·lícula de passivitat. La corrosió a causa de la carbonatació depèn per tant de:

• La presència de diòxid de carboni a l’atmosfera, que pot variar del 0,04 % a les zones rurals al 0,2 % a les ciutats.
• Recobriment de formigó: com més gran és el gruix d’aquest, més gran serà el temps que el diòxid de carboni necessiti per arribar als ferros.
• Les propietats del formigó: relació a/c, porositat, presència d’esquerdes, etc.
• Humitat relativa de l’ambient. Per a que es produeixi la corrosió es requereix la presència d’oxigen i humitat en contacte amb els ferros. Per aquesta raó l’ambient més perillós per a un formigó armat carbonatat és quan es té una HR del 60 – 70 %, que permet la coexistència de tots dos factors (fig. 5).

La corrosió per clorurs

La corrosió induïda per clorurs es pot observar principalment en estructures de formigó armat que operen a ambients marins, o en estructures viàries on es fa abundant ús de sals de desglaç a l’hivern. Un cop que a la interfase formigó-acer s’arriba a un nivell crític de clorurs es trenca la pel·lícula de passivitat i, en presència d’aigua i oxigen, s’activa la corrosió. Les àrees en què els clorurs trenquen les pel·lícules de passivitat es comporten com a ànodes, mentre que les àrees en què els clorurs encara no han arribat a aquest llindar, queden passives, es comporten com a càtodes. D’aquesta manera la corrosió que s’estableix és de tipus localitzat a les zones anòdiques i es defineix com a corrosió per picada (fig. 6).

El moment de la iniciació de la corrosió a causa de la presència de clorurs depèn de:

• La concentració de clorurs en la superfície externa del formigó.
• Les característiques de la matriu de ciment.
• El gruix del recobriment de formigó.
• El contingut d’humitat present en el formigó.

Per estructures aèries, per a les quals el potencial de les armadures és a prop de 0 V (SCE*), l’inici de la corrosió té lloc quan el contingut de clorurs és superior a un valor entre 0,4 i 1 % respecte al pes de ciment o, per conveniència, 0,06 – 0,15 % respecte el del formigó.

Potencial de corrosió

En una estructura no contaminada per qualsevol agent extern, per tant en absència tant de carbonatació com de clorurs, la matriu de ciment manté el ferro en ambient alcalí, i per tant, es forma la pel·lícula d’òxid que manté l’armadura protegida de la corrosió. En aquestes estructures, mesurant el potencial, podem llegir uns valors que van en ordre ascendent per -0,150 / -0,200 V (SCE)* a +0,200, depenent de la humitat del formigó.

En instal·lacions en què la carbonatació ha rebaixat el pH del formigó i la pel·lícula de passivació està trencada, la corrosió es pot desencadenar i podem llegir valors de potencial entre -0,150 i -0,300 V (SCE) segons la humitat present.

En el cas en què l’estructura hagi estat objecte d’una contaminació pels clorurs, els valors de potencial dels reforços poden arribar a valors molt baixos, fins i tot inferiors -0,300 V (SCE) en funció de la humitat i el contingut de clorurs.

Una vegada iniciat el procés, l’atac continua inclòs a potencials més baixos del E de corrosió. Per aturar el fenomen, el potencial ha de caure a un valor encara més negatiu, el potencial definit de repassivació, que també depèn del contingut de clorurs, el pH i la temperatura.

Per exemple, si en una estructura es mesura un valor de potencial com a la figura 8 a, entre la zona amb més baix potencial (causat, per exemple, per l’atac dels clorurs localitzats) i la zona adjacent amb valor més alt, es forma una cèl·lula de corrosió. L’aplicació d’un ànode de zinc (fig. 8 b), que té molt més potencial negatiu (al voltant de -1 V SCE) porta tota l’armadura a un valor inferior i la protegeix de la corrosió.

Protecció catòdica galvànica

Allò anteriorment descrit es pot utilitzar per protegir les estructures de formigó armat. Les tècniques electroquímiques s’utilitzen per tal de cancel·lar la corrosió, prevenir-la o reduir-la a límits acceptables. Per a això, cal polaritzar catòdicament l’armadura; això, en el cas de la protecció/prevenció catòdica galvànica, es pot aconseguir mitjançant l’acoblament de l’acer de reforç amb els ànodes de sacrifici de zinc, que, gràcies al seu potencial més negatiu, protegeixen els ferros deixant-los lliures de productes de corrosió.

El propòsit de la protecció en el formigó és portar les armadures en el camp passiu o reduir l’activitat sobre la seva superfície. En el cas d’estructures contaminades per clorurs, el corrent també causa un augment del pH i l’eliminació dels clorurs dels mateixos ferros; aquests dos fenòmens afavoreixen la formació de la pel·lícula passiva. En el cas de formigó carbonatat, en canvi, el corrent simplement fa que l’augment del pH, que pot ser portat de 9 (condició de carbonatació) a 12-13, valors que permeten el pas de l’armadura d’un estat d’activitat a un de passivitat.

La prevenció catòdica es basa en el fet que la corrosió de l’armadura no s’activa fins que el seu potencial es manté per sota del potencial de corrosió. Mitjançant l’acoblament dels dos metalls (acer al carboni – zinc), les armadures es poden mantenir passives impedint l’inici del fenomen, inclòs en el cas d’alts nivells de clorurs.

Un altre aspecte a considerar és la quantitat de densitat de corrent per a la protecció/prevenció catòdica.

Per a les estructures antigues i degradades, aquesta és compresa entre 5 i 20 mA/m², mentre que per a la prevenció de noves estructures és d’entre 0,2 i 2 mA/m². En el primer cas, sent l’armadura molt activa, hi haurà una demanda de corrent inicial molt alta (de l’ordre de 15 a 20 mA/m²), que es redueix després a erogacions més petites (de l’ordre de 4-5 mA/m²), tant bon punt
assoleix un estat passiu (en general de 6 a 12 mesos a partir del moment de la instal·lació).

Això vol dir que un gran avantatge de la protecció catòdica galvànica és la seva autoregulació, d’acord amb les necessitats reals de corrent que requereix l’armadura en el temps.

Protecció catòdica galvànica de estructures ja degradades

El consum teòric de zinc en la protecció catòdica és d’uns 12 kg/A · any (kg per cada Amper-any).

Sobre la base d’aquesta dada i col·locant com corrent erogada 20 mA en el primer any i 5 mA en els anys successius, podem calcular la durada d’una determinada massa de zinc utilitzada per protegir l’estructura de la corrosió.

Tenint en compte la pèrdua anual en pes calculada sobre la base del consum teòric (12 kg/A · any) i del corrent erogat, que, per tant, resulta de 220 g en el primer any i aproximadament de 60 g en els anys següents. D’aquesta manera es pot calcular que una massa de 1.350 g de zinc usat per a la protecció catòdica galvànica pot durar 20 anys abans de exhaurir-se (fig. 9).

Prevenció catòdica galvànica de noves estructures

A diferència de l’exemple anterior, si es realitza una prevenció catòdica galvànica de noves estructures, les armadures es troben en un ambient alcalí i no contaminat, per tant, segueixen estant  protegides contra els atacs. En aquesta situació, no requereixen una gran quantitat de corrent, ja que els ànodes serveixen simplement per mantenir la passivitat, ja present, de les armadures. Com en el cas anterior, es pot veure que, amb un corrent erogat d’1 Ma, però constant en el temps, la pèrdua anual en pes, calculada en funció del consum teòric (12 kg/A · any) i del corrent  subministrat (1 mA), és per tant de 12 g/any. D’aquesta manera es pot calcular que una massa de 460 g de zinc utilitzada per a la prevenció catòdica galvànica pot durar gairebé 40 anys abans d’exhaurir-se.

Si una estructura de formigó és estudiada i dissenyada incloent:

• Prevenció catòdica galvànica aplicada sobre les barres d’armadura.
• Disseny, composició i posada en obra del formigó d’acord amb els requisits dictats per la norma EN 206-1: 2006 per a la categoria d’exposició on operarà.
• Protecció de la superfície del formigó d’acord amb la norma EN 1504-2 per garantir una alta durabilitat.

La sola prevenció galvànica, com s’ha descrit anteriorment, oferirà desenes d’anys de protecció contra la degradació deguda a la corrosió; això vol dir que en el moment en què s’esgoti la protecció, el fenomen encara haurà d’iniciar-se. Prenent els conceptes de «fase d’activació» i «fase de propagació» comentats en els paràgrafs anteriors, si el formigó ha estat dissenyat seguint una recepta acuradament definida segons en les normes esmentades anteriorment, la vida útil de l’estructura s’estendrà més enllà, durant molts anys.

Prova de funcionament

Per tal de fer el control del sistema és necessari instal·lar, a l’àrea a protegir, un o més elèctrodes de referència (típicament elèctrodes de Ag/AgCl). El cable o els cables elèctrics de connexió entre l’ànode i l’armadura, equipats amb un interruptor d’encesa/apagat, han de ser portats a una caixa de connexions juntament amb els dels elèctrodes de referència.

El procediment per a la verificació es descriu en la norma EN 12696, que estipula:

• Una despolarització, en les 24 hores després de l’aturada, d’almenys 100 mV respecte al valor de potencial mesurat entre 0,1 s i 1 s, de la desconnexió de l’ànode (apagat instantani).
• Una despolarització d’almenys 150 mV en un llarg període de temps (> 24 hores) després de l’apagat instantani.

PRODUCTES MAPEI PER A LA PROTECCIÓ I PREVENCIÓ CATÒDICA GALVÀNICA

MAPEI ha desenvolupat una gamma de productes destinats a la protecció/prevenció catòdica galvànica:

MAPESHIELD I

Quatre tipus diferents d’ànodes galvànics interns, que difereixen en grandària i massa de zinc contingut, per tal de garantir la protecció a la majoria de les estructures de formigó armat. La geometria de MAPESHIELD I permet tenir una gran superfície d’ànode que, combinat amb la característica especial de la pasta conductora de la qual està cobert, fa el producte molt eficient i durador en el temps.

Els ànodes MAPESHIELD asseguren una despolarització de l’acer d’acord amb els requisits que estableix la norma europea EN 12696 «La protecció catòdica de l’acer en el formigó» (fig. 10).

MAPESHIELD E 25

Làmina de zinc adhesiva que s’aplica directament sobre la superfície del formigó, nou o recuperat. A més de la fàcil aplicació, aquest tipus d’ànode galvànic permet la protecció de l’armadura sense haver de trencar el formigó on això no sigui necessari. D’aquesta manera es pot estalviar molt de temps i diners. MAPESHIELD E 25 garanteix la despolarització de l’armadura d’acer d’acord amb els mandats continguts en la norma europea EN 12696 «La protecció catòdica de l’acer en el formigó» (fig. 11).

MAPESHIELD S

Producte desenvolupat per a la protecció catòdica galvànica de les estructures d’acer exposades a l’atmosfera. També en aquest cas l’ànode es compon d’un full prim de zinc autoadhesiu per a ser aplicat directament sobre la superfície a protegir. MAPESHIELD S compleix amb els requisits de la UNI 10781 «Requisits de la banda autoadhesiva de zinc i modus de funcionament i control del revestiment» (fig. 12).

MAPEI proporciona a les Fitxes Tècniques dels seus productes MAPESHIELD I i MAPESHIELD E 25 unes gràfiques de fàcil utilització per dimensionar les instal·lacions, tant per les intervencions de protecció com per les de prevenció.