La durabilidad de las construcciones de hormigón armado está gravemente afectada por los fenómenos de corrosión. Este problema supone un gran coste económico en los países desarrollados debido a la gran infraestructura construida en ellos, tanto vial como edificatoria. En esta revisión se exponen las distintas técnicas disponibles actualmente para monitorizar y controlar mediante sensores las estructuras de hormigón armado. Mediante estos tipos de control existentes es posible obtener información relevante sobre los factores que favorecen los procesos corrosivos, cuya información es de gran utilidad para poder predecir la vida útil de las estructuras y optimizar las estrategias de reparación. Se han comparado entre sí los distintos sistemas de sensores y sus aplicaciones, teniendo en cuenta los factores de ubicación, calibración y evaluación de datos. Finalmente, se presentan varios ejemplos de aplicaciones de sistemas y diversas estrategias a seguir en el desarrollo de nuevos sensores.
Palabras clave: Sensor; hormigón armado; corrosión; durabilidad; estructuras
1. INTRODUCCIÓN
El estudio de la durabilidad de las estructuras de hormigón reforzado con acero estructural ha ganado relevancia desde los años 90 en la normativa europea (Richardson 2002). Las acciones que condicionan la durabilidad de las estructuras son las derivadas de los procesos químicos, físicos y biológicos de deterioro que actúan constantemente sobre ellas. Ejemplos de estos procesos son la acción de los oxidantes, los ácidos, las sales o las bacterias. Estos procesos de deterioro modifican su resistencia, rigidez y aspecto, y por tanto, condicionan su seguridad y funcionalidad (Garcés et al. 2008).
Estudios económicos mundiales recientes llevados a cabo por la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión Internacional sitúan el coste directo global de la corrosión entorno al 3-4% del Producto Interior Bruto mundial. De este coste, se estima un posible ahorro del 20-35% (375-875 mil millones de dólares) si se hiciera uso de la tecnología existente de control de corrosión (Koch et al. 2016).
La forma tradicional de conocer la magnitud del deterioro de un hormigón armado dañado se fundamenta en ensayos obtenidos mediante técnicas destructivas en los que se extraen muestras de estructuras en servicio que son posteriormente repuestas mediante morteros especiales de reparación (Sing et al. 2016). Sin embargo, es importante conocer el estado de las armaduras para poder minimizar los costes de intervención. Por este motivo, se han desarrollado nuevas tecnologías, como son los sensores, para monitorizar el estado de las armaduras con precisión y rapidez (Almeraya et al. 1998), (Song y Saraswathy 2007).
De este modo, en el presente trabajo, se muestra una revisión del estado del arte de los sensores para la determinación de la durabilidad de este tipo de construcciones. Finalmente, se exponen unos ejemplos de aplicación relevantes de sensores y diversas estrategias a seguir en su desarrollo.
2. Medidas requeridas para el estudio de la durabilidad
Actualmente, las metodologías más ampliamente utilizadas para la determinación de los procesos de corrosión son las electroquímicas ). Sin embargo, todavía se siguen utilizando las técnicas destructivas tradicionales para el control de la corrosión con el objetivo de contrastar resultados (González y Miranda 2007). La información que se necesita conocer para el estudio y evaluación de la durabilidad se resume en la (Tabla 1) (Broomfield et al. 2002), (Yoo el at. 2003).
Tabla 1 Tabla resumen de las medidas habitualmente empleadas para el estudio de la durabilidad de estructuras de hormigón armado (Broomfield et al. 2002), (Yoo el at. 2003).
Respecto a las medidas que se realizan en las armaduras, el potencial de corrosión (Ecorr) se mide determinando la diferencia de potencial entre un electrodo de referencia y el acero de las armaduras (Song y Saraswathy 2007). Estos resultados proporcionan valores orientativos de calificación de riesgo de corrosión de acuerdo con la norma americana ASTM C-876-99 y la española UNE 112083:2010 (Tabla 2).
Tabla 2 Riesgo de corrosión en tanto por cien estimado en función del potencial de corrosión utilizando un electrodo saturado de calomelanos (SCE) de referencia.
La velocidad de corrosión, medida en µm/año, proporciona información sobre el efecto de la corrosión por unidad de tiempo y se determina de forma indirecta mediante técnicas potenciométricas como son la resistencia a la polarización (Rp) (Duffó y Farina 2009) o el método de extrapolación de Tafel (Arva y Duffó 2009). La densidad de corriente galvánica (Icorr) registrada por el proceso de reducción en el cátodo también da información de la actividad corrosiva (González et al. 2004).
Por otro lado, respecto a las medidas requeridas para el estudio de la durabilidad que se llevan a cabo en el hormigón que recubre las armaduras, los factores que controlan la velocidad de corrosión y que pueden ser monitorizados son la resistividad eléctrica del hormigón y el transporte de oxígeno (Yoo et al. 2003) (Duffó y Farina 2009). La conductividad o resistividad del hormigón en la zona de actividad de corrosión proporciona también información del riesgo general de corrosión (Arva 2002), (González 2004), (Langford y Broomfield 1987) ver (Tabla 3). Respecto al transporte de oxígeno, éste puede medirse en disolución mediante una combinación de dos electrodos metálicos y un electrodo de referencia (Correia et al. 2006) (Castañeda y Corvo 2004).
Tabla 3 Riesgo de corrosión estimado en función la resistividad eléctrica del hormigón (Langford y Broomfield 1987), (Alonso et al. 1988), (Sagoe-Crentsil y Glasser 1989), (López y González 1993), (Broomfield 2006).
Otros parámetros que son medidos mediante sensores electroquímicos en el hormigón y que alertan de forma temprana de la posibilidad de corrosión en las armaduras son la presencia de cloruros o las variaciones de pH (Dong et al 2011), (Angst et al. 2009), (Artero et al. 2012). Por último, la humedad en el interior de los poros de hormigón, juntamente con la temperatura que actúa como catalizador, pueden ampliar la información sobre los procesos de corrosión (McCarter et al. 2001), Barroca et al. 2013).
3. Sensores para la medición de parámetros relacionados con la durabilidad
Desde el comienzo del siglo XX, se han desarrollado sensores para la determinación de la durabilidad. Hasta el momento, uno de los grandes obstáculos ha sido conseguir que el trabajo desarrollado en el laboratorio pueda ser implementado correctamente en el campo de aplicación real (Schiegg y Dauberschmidt 2008). Es por ello que se han establecido una serie de características fundamentales exigibles a un sensor (Tabla 4) para poder realizar una correcta transferencia tecnológica del laboratorio a la industria.
Tabla 4 Características exigibles a un sensor.
3.1 Técnicas y sensores físicos de medición
Las técnicas y sensores mostrados en el presente trabajo tienen la función de monitorizar y controlar el estado del hormigón armado frente a los problemas de deterioro que causa el fenómeno de la corrosión (Ahmad 2003). De acuerdo con la literatura actual existente, la mayoría de sensores utilizados para dicho fin se rigen bajo principios electroquímicos. Sin embargo, también hay que destacar la utilidad de ciertos sistemas que emplean técnicas físicas de monitorización, puesto que miden parámetros indirectos que nos proporcionan información sobre la corrosión como son, por ejemplo, las mediciones de la masa y volumen de las armaduras de refuerzo (Cabrera 1996). De todas las técnicas físicas utilizadas, las únicas que evalúan cuantitativamente la corrosión son la termografía, los flujos magnéticos y los sistemas ópticos.
Los sensores termográficos convierten la radiación infrarroja e invisible medida en registros visibles mediante distintas técnicas que pueden aplicarse para medir deformaciones y fisuras (Meola 2013). Recientemente se ha desarrollado una técnica no destructiva de detección de la corrosión basada en una combinación de calentamiento por inducción y termografía infrarroja (Kobayashi y Banthia 2011). Ésta técnica se basa en el principio de que los compuestos producto de la corrosión tienen una mala conductividad térmica e inhiben la difusión de calor que se genera en la barra de acero debido a un calentamiento por inducción.
Por otro lado, las técnicas basadas en flujos magnéticos hacen atravesar fuertes campos magnéticos por la estructura de hormigón armado (Maki et al. 2001). De este modo, se magnetiza el acero de las armaduras y se mide el campo magnético producido por los elementos metálicos. Este sistema permite detectar las imperfecciones y anomalías de las armaduras puesto que las discontinuidades son registradas como anomalías singulares por el sensor. Algunos de los sensores que utilizan métodos de campo magético se han desarrollado mediante tecnología MEMS (Sistema Micro-Electro-Mecánico) para obtener así dispositivos de pequeñas dimensiones (Guangtao et al. 2010).
Otro tipo de sensores utilizados para monitorizar la corrosión son los fabricados con tecnología de fibra óptica. Este tipo de sensores pueden detectar la humedad, la expansión y las fisuras en hormigón armado, lo que permite observar la condición de una estructura y predecir su duración (Kung 2014). Su principio de funcionamiento se basa en registrar las variaciones de longitud de onda que experimenta la luz al ser reflejada (Górriz 2009). Bajo estos principios tecnológicos, recientemente se ha desarrollado un sistema que utiliza una red de sensores introducidos en una malla de fibra de carbono embebida en la estructura de hormigón armado (Figura 1). Este sistema genera mediciones de deformación/fisura a la vez que actúa como refuerzo estructural (Bremer et al. 2017).
Figura 1 Incorporación del sensor en una pieza de hormigón (a) y esquema de una estructura de refuerzo textil funcionalizada con sensores de fibra óptica (b) (Bremer et al. 2017).
3.2 Sensores y técnicas químicas de medición
El desarrollo de nuevos sensores químicos ha dado lugar a una gran productividad científica desde su descubrimiento en 1906 por Cremer (Alegret et al. 2004), (Frize 2014). Estos sensores químicos de tipo electroquímico son los dispositivos más ampliamente utilizados en el control de la durabilidad (Toko y Habara 2005), (Burkert et al. 2006), (Froche 2017),(Legin et al. 1997), (Schiegg 2002), (Bergmeister 2004), (Sensortec 2006), (Mihell y Atkinson 1998), (Morata et al. 2013), (Brite/EuRam 2002), (Andringa et al. 2006). Las características que los convierten en apropiados para el estudio de estructuras de hormigón armado son su simplicidad en la obtención de datos, su elevada sensibilidad y su capacidad de fabricación a escala pequeña. Además, estos sensores pueden ser incorporados en el interior del medio objeto de estudio, y por ejemplo, dejarlos embebidos dentro de la estructura ( Martínez y Andrade 2009).
Los sensores electroquímicos se pueden clasificar en tres grandes grupos: potenciométricos, amperométricos y conductimétricos (CSIC 1987). En la (Figura 2) se realiza una clasificación de las técnicas electroquímicas principales (Romero 2014) basada en criterios de diferentes autores (Kissinger y Heineman 1996), (Harvey 2000), (Zoski 2007)
Figura 2 Esquema de las principales técnicas electroquímicas. Modificado de (Romero 2014).
Las técnicas electroquímicas de tipo farádico son aquellas en las que ocurre un proceso de oxidación‐reducción y tienen como objetivo estudiar los procesos que ocurren en la interfaz entre el medio y el electrodo. Dentro de las técnicas farádicas se distinguen las técnicas estáticas en las que no existe circulación de corriente (I=0) y las dinámicas en las que sí hay circulación de corriente (I≠0). Por otro lado, las técnicas no farádicas se centran en el medio objeto de estudio y la técnica más importante es la conductimetría.
3.3 Sensores Potenciométricos
Los sensores que utilizan técnicas pontenciométricas se basan en medir el potencial que se establece entre los electrodos, uno de referencia (RE) y otro de medida (WE), al introducirse en un medio electrolítico sin corriente en circulación (Taylor y Schultz 1996) (Romero 2014). El electrodo de referencia (RE) presenta un potencial estable e indiferente a la composición del elemento a estudiar y debe ser resistente y fácil de conectar. En la (Tabla 5) se presentan los electrodos de referencia de mayor utilización (Webster y Eren 2017). Éstos son de tipo metálico o de membrana, que son específicos o selectivos de iones (Skoog et al. 1997).
Tabla 5 Electrodos de referencia comunes (Webster y Eren 2017)
Sin embargo, para la aplicación de los sensores dentro de elementos de hormigón armado es necesario que cumplan como requisitos ser estables e invariantes frente a los cambios térmicos y químicos en el hormigón, ser tolerantes a diversas condiciones climáticas, tener la capacidad de dejar circular una pequeña corriente con un mínimo de polarización y ser estables a largo plazo sin precisar mantenimiento (Duffó et al 2007). Para ello se han desarrollado y estudiado otros electrodos de referencia y pseudo-referencia embebibles como el grafito, Pt, Ti/RuOx (MMO), Ti/TiO2 y MnO2, siendo este último el más interesante porque puede comportarse como una verdadera referencia en un medio alcalino como es el hormigón (Milano et al. 2010), (Lu et al. 2009). Este tipo de electrodos internos de referencia normalmente son embebidos cerca de la armadura para minimizar los problemas derivados de la resistividad del hormigón (Elsener 2003).
Mediante ésta técnica de medición, el potencial registrado está condicionado por el material de los electrodos, la concentración y naturaleza de especies en el medio estudiado y la temperatura. Es por ello que se deben realizar controles rigurosos de la temperatura y de la limpieza de los electrodos para evitar posibles interferencias en la medición. La medida de potenciales de equilibrio indica la concentración de una sustancia y su evolución durante el proceso de una reacción química (CSIC 1987).
Los sensores basados en técnicas potenciométricas que son utilizados en la monitorización de la corrosión pueden realizar mediciones del potencial de corrosión, de penetración de cloruros y de pH.
La medida del potencial de corrosión es no destructiva puesto que no se altera el estado del metal y da información sobre el riesgo de corrosión de las armaduras. Esta técnica permite utilizar referencias externas o embebidas en el hormigón (Figura 3).
Figura 3 Esquema de medida de potencial de corrosión mediante sensores en armaduras ya ejecutadas (a) y embebidas (b).
Por lo que respecta a los sensores potenciométricos utilizados para medir la actividad de los iones cloruro (Cl -) se pueden utilizar electrodos de Ag/AgCl fabricados con un alambre de plata anodizado (Aranda 2015), pero presentan problemas de estabilidad a largo plazo. Esta clase de sensores potenciométricos se ha estudiado en disoluciones acuosas (Labrador 2009), en disoluciones que simulan el agua de los poros del hormigón ( Alves et al. 2006), (Vera 2010) y en hormigones y morteros endurecidos (Duffó y Farina 2009), (Dong et al. 2011), (Alves et al. 2006), (Climent- Llorca et al. 1996), (Terol et al. 2013). Bajo estos principios se ha desarrollado el Sistema de Anillo de Expansión formado por un anillo de expansión-ánodo y un cátodo que se insertan en el hormigón mediante perforaciones. La pieza de medición es el anillo de expansión-ánodo que permite realizar mediciones del potencial de corrosión y corriente de corrosión entre el ánodo y el cátodo a distintas profundidades (Sensortec 2006). Otro tipo de sensor para estructuras existentes es la denominada Sonda CorroRisk (Figura 4) que consiste en clavos metálicos con un cátodo hecho con una malla de titanio activado y un electrodo de MnO2. Estos clavos se insertan en la estructura existente por martilleo y están hechos de un material similar al de las armaduras, por lo que se espera que se corroan cuando se alcance una concentración crítica de cloruros en el hormigón (Froche 2017).
Figura 4 Diseño del “CorroRisk” para determinar la profundidad de la crítica de penetración de cloruros en estructuras existentes vista en sección (a) y montada en una estructura (b)(Froche 2017).
Por último, mediante sensores potenciométricos también se puede determinar el pH con electrodos sensibles a las variaciones de pH (Dong et al. 2011). Actualmente, su utilización aún es escasa debido a la necesidad del electrodo a ser resistente al medio y únicamente se utilizan los fabricados con MMO (Metal-Metal-Óxido) (Song et al. 1998), (Du et al. 2006), (Yu y Caseres 2011). Un ejemplo de sensor electroquímico que puede configurarse tanto para la medición de pH como la de cloruros son los desarrollados mediante tecnología de microelectrónica híbrida de capa gruesa. Este sistema permite la fabricación de sensores económicos, resistentes a largo plazo, miniaturizados y reproducibles mediante técnicas de serigrafiado que permiten integrar distintos electrodos en un mismo soporte (Gandía-Romero et al. 2016), (Gandía-Romero et al. 2016a), (Martínez-Máñez 2005).
3.2.2 Sensores Amperométricos
Los sensores amperométricos utilizan métodos dinámicos de potencial controlado (CSIC 1987). Esta técnica consiste en aplicar una diferencia de potencial determinada entre dos electrodos (Hulanicki et al. 1991). Las variaciones de voltaje se pueden aplicar mediante funciones voltaje-tiempo como la voltametría de barrido lineal (LRP) y la voltametría cíclica (VC) (González 2012). Mediante estos métodos se mide la corriente en el electrodo de trabajo mientras se hace un barrido lineal del potencial entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo (LRP) o un barrido tanto en sentido directo como en el inverso (VC). La oxidación o la reducción del analito son registradas como un pico en la señal, en el potencial al cual la especie comienza a oxidarse o reducirse. El electrodo de referencia más utilizado es el óxido de manganeso (MnO2) que tiene una estabilidad probada a largo plazo en el hormigón (Milano et al. 2010).
Recientemente se ha desarrollado un sistema en red de sensores de corrosión que incorpora un equipo de voltametría de pulsos que permite determinar la intensidad de corrosión para cada punto de la red de sensores implementados en una estructura de hormigón armado (Alcañiz et al. 2016) ver (Figura 5).
Figura 5 Sensores colocados en unas vigas antes (a) y durante (b) el hormigonado (Alcañiz et al. 2016).
Conjuntamente con su diseño, los mismos investigadores han desarrollado un sofware específico que procesa la respuesta eléctrica de cada sensor y analiza la estructura en tiempo real (Ramón et al. 2016).
3.2.3 Sensores Conductimétricos
Los sensores condutimétricos son dispositivos compuestos de dos electrodos inertes fabricados con metal noble a los que se les aplica una tensión mediante una señal alterna, lo que permite determinar la corriente en circulación y por lo tanto, la resistencia eléctrica de la muestra estudiada, expresada habitualmente en ohmios (Ω) (CSIC 1987). Este parámetro está directamente relacionado con la estructura porosa del material y la humedad (Alonso et al 1988). Es por ello que también se utilizan para determinar indirectamente otros factores como el curado del hormigón, la resistencia a la carbonatación y a la penetración de cloruros (Andrade et al. 2009).
Para determinar la resistividad en hormigones endurecidos se utilizan dos métodos cuyos procedimientos y cálculos se encuentran en las normas UNE83988‐1 y UNE83988-2: el método directo mediante dos electrodos (Jeong et al. 2013) y el método Wenner mediante cuatro electrodos (Broomfield et al. 2002), (Reis 2006), siendo éste último una alternativa muy utilizada que consiste en establecer una circulación de una corriente conocida entre dos electrodos para medir la tensión entre otros dos electrodos. Una vez conocida la resistividad del hormigón se puede establecer la probabilidad de corrosión de las armaduras según los valores recogidos en la (Tabla 3) (Feliu et al. 1989).
Un ejemplo de sensor comercializado actualmente es el denominado electrodo “Multiring”, que puede determinar la resistencia eléctrica en función de la profundidad (Figura 6). Este sensor desarrollado por Sensortec (Sensortec 2006) se compone de anillos alternos de acero inoxidable y un polímero que permiten la medición a distintas profundidades con una distancia entre ellas de 5 mm.
Figura 6 Configuración esquemática del Electrodo “Multiring” para mediciones de Resistencia en función de la profundidad del hormigón (Sensoretc 2006).
4. Calibración
Muchos sistemas de sensores requieren calibración antes de introducirse en el hormigón y el fabricante normalmente proporciona los valores apropiados. A continuación se han recogido a modo de resumen en la (Tabla 6) los sensores y elementos de sensores que requieren calibración antes de su uso (McCarter y Vennesland 2004):
Tabla 6 Sensores y elementos de sensores que requieren calibración previa (McCarter y Vennesland 2004).
5. Ubicación
Dependiendo del tipo de sensor, este deberá ir embebido, en contacto con la superficie exterior o sin necesidad de contacto, tal como se ha recogido en la (Tabla 7).
Tabla 7 Ubicación de los sensores.
De todos los tipos de sensores según su ubicación, los sistemas externos sin contacto suelen tener el coste económico de fabricación más elevado, ya que necesitan sofisticados equipos de medida portátiles. Por otro lado, los sistemas internos son más económicos aunque presentan el inconveniente de no ser reutilizables y han de ser diseñados de forma que resistan a las condiciones internas de la estructura y no precisen de mantenimiento (Lynch y Loh 2006).
Independientemente de su posición respecto al interior/exterior de la estructura, su ubicación real depende no sólo de la morfología y diseño de la estructura, sino también del coste económico del proceso de control. Sin embargo, se pueden determinar tres ubicaciones generales que son: allí donde exista exposición a sustancias agresivas (por ej. salpicaduras de agua de mar), en lugares estructuralmente críticos y en lugares no expuestos a sustancias agresivas para actuar como controles (McCarter y Vennesland 2004). Si se toma como referencia, por ejemplo, los puentes de carreteras ver (Figura 7), las zonas más críticas son las partes inferiores de los pilares, que también se ven afectadas por una importante concentración de cloruros debido a la contaminación producida por el tráfico de vehículos (McCarter y Vennesland 2004). Por otro lado, en zonas costeras las zonas críticas de las estructuras son quellas expuestas a salpicaduras de agua de mar (Schiegg y Dauberschmidt 2008).
Figura 7 Ejemplos de localizaciones de aplicación de sensores. Modificada de (Schiegg y Dauberschmidt 2008)
6. Selección y limitaciones
Los sistemas de monitorización de corrosión presentan una serie de limitaciones respecto a la durabilidad del sistema de monitorización, a los tipos de corrosión que se puede monitorizar (picaduras o carbonatación) y a la falta de información sobre puntos débiles fuera del área de control del sensor (Schiegg y Dauberschmidt 2008). Debido a estas limitaciones, la monitorización no puede sustituir las inspecciones visuales rutinarias e inspecciones visuales detalladas en caso de que se detecte un deterioro importante en la estructura.
Por otro lado, la complejidad de los procesos corrosivos hace difícil su monitorización. Es por ello que una buena elección del sistema de monitorización es esencial para garantizar una vida útil además de garantizar la recogida de información de forma exacta, fiable y sensible (Barroca et al. 2013). De entre todas las técnicas revisadas, aquellas no destructivas para la monitorización in situ de la corrosión presentan una importante ventaja respecto a las técnicas antiguas realizadas por muestreo, que resultan ser invasivas y destructivas (Ahmad 2003).
Con el objetivo de poder hacer una correcta selección entre las distintas técnicas físicas de monitorización, se han recogido a modo de síntesis en la (Tabla 8) las principales aplicaciones, ventajas e inconvenientes, así como referencias de ejemplos de autores de técnicas y sensores desarrollados de cada tipo. De acuerdo con esta tabla, las únicas técnicas que son de aplicación para el estudio del deterioro por los efectos de la corrosión son las técnicas basadas en termografía, flujos magnéticos y sistemas ópticos. Las demás técnicas de medida se utilizan para mediciones de propiedades mecánicas, deformaciones o imperfecciones. Generalmente, mediante estas técnicas se pueden obtener mediciones de forma rápida y sencilla. Sin embargo, su aplicación real en campo presenta varios inconvenientes importantes como son las interferencias y la fragilidad de los sistemas implementados. Otro inconveniente de importante consideración respecto a estos sistemas en su elevado coste de producción.
Respecto al tipo de sensores estudiados de tipo electroquímico, en la (Tabla 9) se muestra un cuadro resumen de sus aplicaciones, ventajas e inconvenientes, así como referencias de los principales ejemplos de autores de técnicas y sensores desarrollados. De entre todos ellos, se destaca la limitación cualitativa de los sensores potenciométricos debido a que solo aportan información sobre el potencial de corrosión que permite establecer mapas de potencial y delimitar zonas de actuación (Castañeda et al. 2001). Un gran inconveniente de este sistema en estructuras ya puestas en carga es su necesidad de realización de catas intrusivas por cada medida de potencial realizada. Para conocer datos cuantitativos del estado del proceso de corrosión en las estructuras es necesario obtener la velocidad de corrosión. Mediante los sensores amperométricos y conductimétricos se pueden medir parámetros necesarios que, indirectamente, nos permiten determinar la velocidad de corrosión (Andrade y Alonso 1996).
En el presente trabajo se han diferenciado los distintos tipos de técnicas electroquímicas desarrolladas para la monitorización de la corrosión y se han mostrado ejemplos de sensores que utilizan individualmente cada una de estas técnicas. Sin embargo, recientemente se han desarrollado prototipos denominados multisensores que utilizan varias de éstas técnicas para poder así ser capaces de medir distintos parámetros tales como la densidad de corriente de corrosión, el potencial de corrosión, el flujo de oxígeno, el contenido de cloruros, la temperatura interna y la resistencia eléctrica (Duffó y Farina 2009). Además, este prototipo de sensores pretende economizar las técnicas de recolección y análisis de datos mediante sistemas on-line que permitan almacenar la información recogida de forma remota (Duffó et al. 2007), (Lynch y Loh 2006),(Smalling 2008).
Tabla 8 Tabla resumen de las ventajas e inconvenientes y aplicaciones de las principales técnicas físicas de sistemas de control y monitorización de estructuras de hormigón armado. La columna final de la derecha muestra referencias de publicaciones de ejemplos de sensores que utilizan las técnicas presentes.
Tabla 9 Tabla resumen de las ventajas e inconvenientes y aplicaciones de de los sistemas electroquímicos empleados en de control y monitorización de estructuras de hormigón armado. La columna final de la derecha muestra referencias de publicaciones de ejemplos de sensores que utilizan las técnicas presentes.
7. Ejemplos de aplicación
Aunque ya se pueden encontrar sensores de corrosión en algunas obras destacables, el uso actual de sensores en la construcción se encuentra en fase incipiente. A continuación se presentan varios ejemplos de aplicaciones reales de técnicas de monitorización y sensores para asegurar una durabilidad óptima de las construcciones. Estas son construcciones de gran envergadura y presupuesto en las que se ha temido por su durabilidad debido a estar expuestas a condiciones que suponen un alto riesgo de corrosión.
7.1 Puente de la Bahía de Hangzhou
Una de las primeras aplicaciones de sistemas de monitorización desde el diseño inicial fue llevada a cabo en 2003, al iniciarse las obras de un puente de 36 km de largo en Hangzhou, al este de China, cuya vida útil fue fijada en 100 años. Al situarse en ambiente marino, este puente está expuesto a severas condiciones ambientales. Es por ello que se instaló un sistema de monitorización a largo plazo que incluye sensores para determinar la penetración de los cloruros y otros sistemas que permiten iniciar medidas de protección catódica de ser necesarias (Raupach 2006), (Spiesz y Brouwers 2013), (Gan et al. 2010).
7.2 Cubierta de arcos del estadio de fútbol Allianz-Arena en Munich
En Europa, unos años más tarde se recurrió a los sistemas de monitorización para conseguir un diseño más eficiente del estadio Allianz-Arena de Munich, cuya construcción se realizó para celebrar en 2006 el Mundial de fútbol. Con el fin de proporcionar una infraestructura adecuada para los visitantes, el estadio cuenta con el espacio de estacionamiento más grande de Europa, cuyas cubiertas construidas de hormigón armado y pretensado deben de soportar heladas superficiales y la presencia de sales de deshielo. Debido a sus grandes dimensiones, la opción de proteger las cubiertas mediante recubrimientos se rechazó por su alto coste y en su lugar se decidió actuar en las áreas puntuales donde se presente riesgo de corrosión. Para ello se elaboró un plan de control consistente en realizar inspecciones de forma frecuente mediante un sistema de monitorización local, que proporciona información sobre el riesgo de corrosión a varias profundidades. A partir de la información continuamente actualizada sobre la probabilidad de corrosión de las armaduras se pueden localizar los puntos necesarios y la edad de aplicación de un recubrimiento protector que frene el inicio de la corrosión (Alexander 2009).
7.3 Cubiertas del Hipódromo de La Zarzuela de Madrid
En España, los sistemas de monitorización de corrosión fueron puestos a prueba en el año 2005 durante la última obra de reparación del emblemático Hipódromo de La Zarzuela de Torroja. Durante éstos trabajos de intervención se decidió instalar grupos de sistemas de registro de corrosión permanentes con los siguientes tipos de sensores electroquímicos: sensor de detección de presencia de agua líquida, sensor de medida del potencial de corrosión de la armadura embebida con electrodo de referencia tipo Mn/MnO y sensor de medida de la temperatura (Dragados et al. 2011) ver (Figura 8).
Figura 8 Esquema de localización del grupo de sensores en la cubierta (a) y esquema del grupo de sensores (b). Modificado de (Dragados et al. 2011).
Gracias a la incorporación de los sensores se pudo comprobar que la reparación de las cubiertas se realizó de forma satisfactoria. Este sistema de implementación de sensores permanentes permitirá el futuro control de la edificación sin medidas destructivas (Dragados et al. 2011).
7.4 Bateas Idifor de hormigón pretensado en el País Vasco
Más recientemente, investigadores de la Universidad Politécnica de Valencia han patentado e instalado unos sensores para medir la velocidad de corrosión en bateas de hormigón pretensado diseñadas por la empresa Idifor (Idifor Technological Creations S.L.), y ubicadas en País Vasco (Figura 9). El sistema de adquisición de datos está automatizado y la información recogida se envía de forma inalámbrica a una unidad central, lo que permite un seguimiento de los procesos de corrosión de forma continua y en tiempo real (Zemlock 2014).
Figura 9 Batea en Mutriku (País Vasco) (a) y módulo de adquisición de datos (b) (Zemlock 2014).
7.5 Puente Taminabrücke en Suiza
Actualmente, en la Escuela Politécnica Federal de Zurich se están realizando importantes estudios sobre el efecto de la corrosión en la vida útil de las infraestructuras de hormigón armado (Angst y Elsener 2017) y están barajando la posibilidad de utilizar sensores para la monitorización de la corrosión en puentes de reciente construcción como el Taminabrücke inaugurado en Junio del 2017. Se trata del puente de hormigón armado más largo de Suiza con una extensión de 475 metros (Wit 2017).
8. CONCLUSIÓN
La corrosión de las armaduras es la principal causa de deterioro de las estructuras de hormigón armado, y por lo tanto, de reparación de las mismas. Es por ello que la monitorización es una herramienta muy útil y prometedora, ya que permite evaluar la condición de una estructura de forma permanente y, por lo tanto, estimar su fecha de intervención óptima.
Una condición previa para el éxito de la monitorización de la corrosión es un diseño detallado del sistema de monitorización. Para ello es necesaria una descripción clara del objetivo de monitorización y una elección posterior de sensores adecuados. Además, parte del diseño de un sistema de monitorización es planificar cuidadosamente la instalación mientras se está construyendo la estructura, definir los valores umbral de los sensores con anticipación, describir las posibilidades de verificar el sistema y definir la tasa de toma de datos.
Una diferencia significativa con respecto a otros sectores industriales como la industria química es que en la construcción los cambios de parámetros relevantes de la corrosión en las estructuras tienen lugar con bastante lentitud, por lo que se recomienda un bajo ritmo de toma de datos.
Actualmente la capacidad que tienen los últimos sistemas desarrollados de monitorización de forma continua y a tiempo real podría permitir una evaluación más detallada del estado actual y futuro de la estructura, llegando a predecir su vida útil. Si además estos sistemas permiten la automoción, programación y un elevado número de puntos de medida distribuidos se puede conseguir un sistema idóneo de control. Con este objetivo, se está trabajando actualmente en el desarrollo de nuevos software para una mejor toma e interpretación de datos, y la incorporación de sistemas remotos mediante wi-fi que permiten almacenar los datos de forma remota (Lynch y Loh 2006), (Alcañiz 2016).
Mientras se sigue trabajando en el desarrollo y mejora de sistemas de monitorización, actualmente ya están disponibles comercialmente algunos tipos de sensores de corrosión que miden parámetros directos como por ejemplo la velocidad de corrosión, o parámetros indirectos como el potencial de corrosión o la resistividad (Kuang-Tsan and Yang 2010) (Zemlock et al. 2014).. Sin embargo, la tecnología actual todavía debe enfrentarse al obstáculo de su industrialización y comercialización, para disponer así algún día de una red de sensores instalada a lo largo de nuestro parque edificatorio que permita conocer su estado de forma inmediata y se tenga pleno control sobre los posibles riesgos de deterioro.
Ref:
M. Llorens *
Á. Serrrano**
M. Valcuende*
* Universitat Politécnica de Valencia. Valencia, ESPAÑA
** Universidad Católica de Valencia San Vicente Mártir. Valencia, ESPAÑA
