En Construcción.

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Resistencia a la Corrosión en Estructuras de Metales Compuestos

La corrosión es un enemigo silencioso pero implacable de las estructuras metálicas, y en el caso de los metales compuestos, la interacción entre los diferentes materiales puede presentar desafíos únicos en términos de resistencia a la corrosión. A diferencia de las estructuras metálicas tradicionales compuestas por un solo metal, los metales compuestos combinan las propiedades de dos o más materiales, lo que puede generar complejidades en su comportamiento frente a los agentes corrosivos.

¿Qué es la Corrosión en Metales Compuestos?

La corrosión en metales compuestos es el deterioro de los materiales constituyentes debido a reacciones químicas o electroquímicas con su entorno. Este proceso puede afectar tanto a la matriz metálica como al material de refuerzo, y la interacción entre ellos puede acelerar o, en algunos casos, inhibir la corrosión. Es crucial entender los mecanismos de corrosión específicos que operan en estos materiales para poder implementar estrategias de protección adecuadas.

Tipos de Corrosión Comunes en Metales Compuestos

Existen diversos tipos de corrosión que pueden afectar a los metales compuestos, y su manifestación depende de la naturaleza de los materiales involucrados, el entorno de exposición y las condiciones de servicio. Algunos de los tipos más comunes incluyen:

• Corrosión Galvánica: Ocurre cuando dos metales diferentes están en contacto eléctrico en presencia de un electrolito (por ejemplo, agua salada). El metal más activo (ánodo) se corroe, mientras que el metal más noble (cátodo) se protege. En metales compuestos, esto puede ocurrir entre la matriz metálica y las fibras de refuerzo, si tienen potenciales electroquímicos diferentes.
• Corrosión por Picadura: Es una forma localizada de corrosión que se manifiesta en forma de pequeños orificios o picaduras en la superficie del metal. Es particularmente peligrosa porque puede causar fallas estructurales con una pérdida de masa relativamente pequeña.
• Corrosión Intersticial: Se produce en espacios estrechos o hendiduras donde se acumula la solución corrosiva y se dificulta el acceso de oxígeno. Esto crea una celda de corrosión localizada.
• Corrosión por Fisuración: Es una forma de corrosión que se produce en la combinación de factores, como el material, el medio ambiente, y el estrés.
• Corrosión-Fatiga: Es el resultado de la acción combinada de un ambiente corrosivo y cargas cíclicas. La fatiga reduce la resistencia del material, y la corrosión acelera el proceso de agrietamiento.

Factores que Influyen en la Corrosión de Metales Compuestos

La velocidad y el tipo de corrosión en metales compuestos dependen de una serie de factores interrelacionados:

• Naturaleza de los Materiales: La composición química de la matriz metálica y del material de refuerzo es crucial. Por ejemplo, una matriz de aluminio reforzada con fibras de carbono puede ser susceptible a la corrosión galvánica debido a la gran diferencia de potencial entre el aluminio y el carbono.
• Relación Área Anódica/Catódica: En la corrosión galvánica, la relación entre el área del ánodo (metal que se corroe) y el área del cátodo (metal protegido) influye en la velocidad de corrosión. Una relación desfavorable (ánodo pequeño, cátodo grande) acelera la corrosión del ánodo.
• Entorno de Exposición: La presencia de humedad, sales (especialmente cloruros), contaminantes atmosféricos (como dióxido de azufre), temperatura y pH del medio ambiente son factores determinantes. En Colombia, las zonas costeras con alta salinidad y humedad presentan un mayor riesgo de corrosión.
• Presencia de Recubrimientos o Tratamientos Superficiales: La aplicación de recubrimientos protectores (pinturas, anodizado, galvanizado) o tratamientos superficiales (como la pasivación) puede mejorar significativamente la resistencia a la corrosión.
• Diseño de la Estructura: Un diseño que evite la acumulación de agua o la formación de hendiduras puede reducir el riesgo de corrosión intersticial.

Corrosión Galvánica en Detalle (Metales Compuestos)

La corrosión galvánica es un riesgo particular en metales compuestos donde los materiales constituyentes tienen potenciales electroquímicos muy diferentes. Por ejemplo, en un compuesto de matriz de aluminio reforzado con fibras de carbono, el aluminio actuará como ánodo y se corroerá, mientras que el carbono (que es mucho más noble) actuará como cátodo y se protegerá. La velocidad de esta corrosión dependerá de:

• Diferencia de Potencial: Cuanto mayor sea la diferencia de potencial entre los materiales, mayor será la fuerza impulsora de la corrosión galvánica.
• Conductividad del Electrolito: Un electrolito más conductivo (por ejemplo, agua de mar) facilitará el flujo de corriente entre el ánodo y el cátodo, acelerando la corrosión.
• Relación de Áreas: Como se mencionó anteriormente, una relación desfavorable (ánodo pequeño, cátodo grande) aumentará la densidad de corriente en el ánodo, acelerando su corrosión.

Es importante destacar que la corrosión galvánica no siempre es perjudicial. En algunos casos, se utiliza de forma controlada para proteger estructuras metálicas (protección catódica). Sin embargo, en metales compuestos, generalmente se busca evitarla o minimizarla.

Estrategias de Protección contra la Corrosión en Metales Compuestos

La proteccion es crucial. Se pueden implementar varias estrategias, a menudo en combinación, para mitigar el riesgo de corrosión en estructuras de metales compuestos:

• Selección Adecuada de Materiales: Elegir materiales con potenciales electroquímicos similares puede minimizar el riesgo de corrosión galvánica. También, optar por materiales intrínsecamente resistentes a la corrosión en el entorno de servicio previsto.
• Aislamiento Eléctrico: Si es posible, aislar eléctricamente los materiales diferentes para evitar el contacto directo y la formación de una celda galvánica. Esto se puede lograr mediante el uso de materiales aislantes o recubrimientos no conductores.

• Recubrimientos Protectores: Aplicar recubrimientos orgánicos (pinturas, resinas) o inorgánicos (anodizado, galvanizado) para crear una barrera entre el metal y el ambiente corrosivo. La elección del recubrimiento dependerá del tipo de metal, el entorno de exposición y los requisitos de durabilidad.
• Inhibidores de Corrosión: Agregar sustancias químicas al medio ambiente que reduzcan la velocidad de corrosión. Los inhibidores pueden ser anódicos, catódicos o mixtos, y su efectividad depende del tipo de metal y del entorno.
• Protección Catódica: Convertir la estructura metálica en el cátodo de una celda electroquímica, ya sea mediante el uso de ánodos de sacrificio (metales más activos que se corroen preferentemente) o mediante la aplicación de una corriente eléctrica externa.
• Diseño Adecuado: Evitar el diseño con recovecos.
• Control del Entorno: Modificar el entorno de exposición para reducir su agresividad. Esto puede implicar la deshumidificación, la eliminación de contaminantes o el control del pH.

Recubrimientos Protectores en Detalle

Los recubrimientos protectores son una de las estrategias más comunes y efectivas para prevenir la corrosión en metales compuestos. Estos recubrimientos actúan como una barrera física que aísla el metal del ambiente corrosivo, impidiendo el contacto con la humedad, el oxígeno y otros agentes agresivos.

Tipos de Recubrimientos

• Recubrimientos Orgánicos:
  • Pinturas: Son sistemas multicapa que consisten en una imprimación (para mejorar la adherencia al sustrato), una capa intermedia (para proporcionar espesor y barrera) y una capa de acabado (para proporcionar resistencia a la intemperie y estética). Las pinturas pueden estar basadas en resinas epoxi, poliuretano, acrílicas, etc.
  • Resinas: Se aplican en forma líquida y curan para formar una película sólida y continua. Las resinas epoxi, poliéster y viniléster son comúnmente utilizadas en aplicaciones marinas e industriales debido a su alta resistencia química y mecánica.
• Recubrimientos Inorgánicos:
  • Anodizado: Es un proceso electrolítico que forma una capa de óxido protectora sobre la superficie del aluminio y sus aleaciones. Esta capa es dura, duradera y resistente a la corrosión.
  • Galvanizado: Consiste en recubrir el acero con una capa de zinc, que actúa como ánodo de sacrificio, protegiendo el acero incluso si el recubrimiento se raya o daña.
  • Cromado: Se aplica una capa de cromo sobre el metal para proporcionar resistencia a la corrosión y un acabado brillante.
• Recubrimientos Metálicos:
  • Niquelado: El niquelado proporciona una buena resistencia a la corrosión y al desgaste, y a menudo se utiliza como capa base para otros recubrimientos, como el cromado.

Consideraciones para la Selección de Recubrimientos

La selección del recubrimiento adecuado depende de varios factores:

• Tipo de Metal Compuesto: La compatibilidad del recubrimiento con la matriz metálica y el material de refuerzo es crucial.
• Entorno de Exposición: La agresividad del ambiente (humedad, salinidad, temperatura, contaminantes) determinará los requisitos de resistencia del recubrimiento.
• Requisitos de Durabilidad: La vida útil esperada del recubrimiento y la frecuencia de mantenimiento deben considerarse.
• Costo: El costo inicial y el costo del ciclo de vida del recubrimiento deben evaluarse.
• Aspectos Estéticos: En algunas aplicaciones, el color, el brillo y la textura del recubrimiento pueden ser importantes.

Inhibidores de Corrosión

Los inhibidores de corrosión son sustancias químicas que, añadidas en pequeñas concentraciones al medio ambiente, disminuyen la velocidad de corrosión. Estos compuestos actúan interfiriendo con las reacciones anódicas, catódicas o ambas, que ocurren durante el proceso de corrosión.

Tipos de Inhibidores

• Inhibidores Anódicos: Forman una capa pasiva sobre la superficie del metal, bloqueando las zonas anódicas donde ocurre la disolución del metal. Ejemplos: cromatos, nitritos, fosfatos.
• Inhibidores Catódicos: Interfieren con las reacciones catódicas, como la reducción de oxígeno o la evolución de hidrógeno. Ejemplos: sales de zinc, polifosfatos.
• Inhibidores Mixtos: Actúan tanto sobre las reacciones anódicas como catódicas. Ejemplos: silicatos, molibdatos.
• Inhibidores Orgánicos: Forman una película adsorbida sobre la superficie del metal, creando una barrera física que dificulta el acceso de las especies corrosivas. Ejemplos: aminas, imidazolinas, tioureas.

Aplicación de Inhibidores en Metales Compuestos

La aplicación de inhibidores de corrosión en metales compuestos puede ser un desafío debido a la heterogeneidad del material. Es importante asegurar que el inhibidor sea compatible tanto con la matriz metálica como con el material de refuerzo, y que pueda llegar a todas las áreas susceptibles de corrosión, incluidas las interfaces entre los diferentes materiales.

En el contexto colombiano, donde las condiciones climáticas pueden variar drásticamente, es importante seleccionar un sistema que sea efectivo en un amplio rango de temperaturas y humedades.

Protección Catódica

La protección catódica es una técnica electroquímica que se utiliza para prevenir la corrosión de estructuras metálicas, convirtiéndolas en el cátodo de una celda electroquímica. Esto se logra mediante dos métodos principales:

Ánodos de Sacrificio

Se conectan a la estructura metálica que se desea proteger metales más activos (ánodos de sacrificio), como zinc, aluminio o magnesio. Estos ánodos se corroen preferentemente, protegiendo la estructura. Los ánodos de sacrificio se consumen gradualmente y deben reemplazarse periódicamente.

• Ventajas:
  • No requiere fuente de alimentación externa.
  • Fácil de instalar.
  • Bajo costo inicial.
• Desventajas:
  • Requiere reemplazo periódico de los ánodos.
  • Puede no ser adecuado para estructuras muy grandes o en ambientes muy agresivos.

Corriente Impresa

Se utiliza una fuente de corriente continua externa para forzar una corriente eléctrica a través del electrolito hacia la estructura metálica, convirtiéndola en el cátodo. Se utilizan ánodos inertes (que no se corroen), como grafito, titanio activado o ferro-silicio.

• Ventajas:
  • Puede proteger estructuras grandes y complejas.
  • Mayor vida útil de los ánodos.
  • Mayor control sobre la corriente de protección.
• Desventajas:
  • Requiere una fuente de alimentación externa.
  • Mayor costo inicial.
  • Requiere un diseño e instalación más complejos.

Aplicación en Metales Compuestos

La protección catódica puede ser una opción viable, pero requiere un diseño cuidadoso y una consideración especial de la conductividad eléctrica del material compuesto. Si el material compuesto es conductor (por ejemplo, si contiene fibras de carbono), la corriente de protección puede distribuirse a través del material. Sin embargo, si el material compuesto es no conductor (por ejemplo, si contiene fibras de vidrio), la corriente de protección solo se aplicará a las áreas metálicas expuestas, y se debe asegurar una buena conexión eléctrica entre estas áreas y el sistema de protección catódica.

Diseño Adecuado para la Prevención de la Corrosión

El diseño de la estructura metálica compuesta juega un papel crucial en la prevención de la corrosión. Un buen diseño debe:

• Evitar la Acumulación de Agua y Humedad: Las superficies deben estar inclinadas para permitir el drenaje del agua y evitar la formación de charcos. Se deben evitar las hendiduras y los espacios estrechos donde se pueda acumular la humedad.
• Facilitar la Inspección y el Mantenimiento: Las áreas críticas deben ser accesibles para la inspección y el mantenimiento regular.
• Evitar el Contacto Directo entre Metales Diferentes: Si es posible, se deben utilizar materiales aislantes o recubrimientos no conductores para evitar el contacto eléctrico entre metales diferentes y prevenir la corrosión galvánica.
• Considerar la ventilación: Una ventilación adecuada ayuda a reducir la humedad.
• Usar selladores: Los selladores pueden ayudar a prevenir.

Control del Entorno

En algunos casos, es posible modificar el entorno de exposición de la estructura metálica compuesta para reducir su agresividad. Algunas estrategias incluyen:

• Deshumidificación: Reducir la humedad relativa del aire puede disminuir significativamente la velocidad de corrosión, especialmente en ambientes interiores.
• Eliminación de Contaminantes: Filtrar el aire o lavar las superficies para eliminar contaminantes atmosféricos, como sales, dióxido de azufre y partículas sólidas.
• Control del pH: Neutralizar el pH del medio ambiente puede reducir la corrosión, especialmente en ambientes ácidos o alcalinos.

Ejemplos Específicos en Colombia

En Colombia, la corrosión de estructuras metálicas compuestas puede ser un problema importante debido a la diversidad de climas y entornos, que incluyen:

• Zonas Costeras: Alta salinidad, humedad y temperatura, lo que favorece la corrosión, especialmente la corrosión galvánica y la corrosión por picadura. Ejemplos: Cartagena, Barranquilla, Santa Marta.
• Zonas Industriales: Presencia de contaminantes atmosféricos (dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno) que pueden acelerar la corrosión. Ejemplos: Yumbo, zonas industriales de Bogotá.
• Zonas Rurales: En algunas áreas, la exposición a fertilizantes y pesticidas puede contribuir a la corrosión.
• Zonas de Alta Montaña: Bajas Temperaturas.

Normativas Relevantes en Colombia

En Colombia, la construcción y el mantenimiento de estructuras metálicas, incluidas las estructuras de metales compuestos, están sujetos a diversas normativas técnicas que buscan garantizar la seguridad, durabilidad y calidad de las construcciones. Aunque no existe una normativa específica que se centre exclusivamente en la corrosión de metales compuestos, varias normas abordan aspectos relacionados con la protección contra la corrosión en general y son aplicables:

• NSR-10 (Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente): Aunque su enfoque principal es la sismo resistencia, la NSR-10 incluye requisitos generales para la durabilidad de las estructuras, que indirectamente involucran la protección contra la corrosión. El Título F, dedicado a estructuras metálicas, establece algunos criterios para la selección de materiales y la protección contra la corrosión.
• Normas Técnicas Colombianas (NTC) del ICONTEC: El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) ha publicado numerosas NTC relacionadas con materiales metálicos, recubrimientos protectores, ensayos de corrosión y métodos de protección. Algunas de las NTC relevantes incluyen:
  • NTC 1156: Pinturas. Determinación de la resistencia a la niebla salina.
  • NTC 1924: Recubrimientos metálicos. Protección catódica de estructuras de acero enterradas o sumergidas.
  • NTC 3320: Electrodos de acero revestidos para soldadura por arco. (Aunque no trata directamente la corrosión, la calidad de la soldadura es crucial para evitar puntos débiles susceptibles a la corrosión).
  • NTC 4808: Protección contra la corrosión de estructuras de acero en edificaciones.
  • NTC 5771: Recubrimientos orgánicos. Evaluación de la degradación de recubrimientos. Designación de la cantidad y tamaño de los defectos, e intensidad de los cambios uniformes en la apariencia.

Es importante que los ingenieros y constructores en Colombia consulten y apliquen las NTC relevantes y la NSR-10 para garantizar que las estructuras de metales compuestos tengan una adecuada resistencia a la corrosión y cumplan con los estándares de calidad y seguridad requeridos.

Consideraciones Adicionales

Es fundamental realizar inspecciones y mantenimiento.

• Inspecciones Regulares: Se deben realizar inspecciones periódicas para detectar signos tempranos de corrosión, como decoloración, manchas, ampollas en recubrimientos, o picaduras. La frecuencia de las inspecciones dependerá del entorno de exposición y de la criticidad de la estructura.
• Mantenimiento Preventivo: El mantenimiento preventivo, como la limpieza regular de las superficies, la reparación de recubrimientos dañados y el reemplazo de ánodos de sacrificio, puede prolongar significativamente la vida útil de la estructura.
• Registro de Datos: Llevar un registro de las inspecciones, el mantenimiento realizado y cualquier problema de corrosión detectado puede ayudar a identificar tendencias y a tomar decisiones informadas sobre futuras acciones de protección.

Tablas Descriptivas

A continuación, se presenta información relevante en cuanto a la "Resistencia a la Corrosión" de las "Estructuras de Metales Compuestos".

Corrosión en Materiales Compuestos

Estrategias de Protección

Comparativa de Métodos de Protección contra la Corrosión

La mejor estrategia contra la corrosion, es la combinacion de varios metodos.