Seguridad estructural: evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo

Acero oxidado en hormigón armado: un análisis detallado de su impacto en la obra

Profundizamos en el tema de la oxidación en el acero de refuerzo, su potencial impacto en la estructura y los criterios para determinar si representa un motivo de rechazo.

¿Se debe rechazar un acero oxidado como elemento de refuerzo?; la respuesta la hallarás a lo largo de este interesante tema sobre el acero oxidado en hormigón armado, a través de un análisis detallado de su impacto en la obra. 

Como adelanto, debes saber que ningún metal escapa de la oxidación, toda vez que es un proceso de degradación natural.

Tal debilidad de oxidación del acero y estructuras metálicas en general, se debe a la constante amenaza que ejercen los elementos medioambientales, climáticos o atmosféricos que interactúan con los metales. 

Siendo el principal enemigo la oxigenación producto del aire, además de la humedad, principales agentes capaces de impactar en la integridad del metal.

La premisa sobre que el acero tiene la tendencia natural a retomar su estado original, requiere adoptar medidas para asegurar en lo posible la seguridad estructural, a través de la evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo. 

Sabiendo la importancia de este elemento como principal materia prima de la industria de la construcción; desde 3G Aceros colocamos este tema en la mesa para su estudio y análisis.

Acero oxidado en hormigón armado: la corrosión 

Para saber cómo y porqué ocurre la oxidación de estructuras de acero, hay que precisar qué es la corrosión. Y se puede definir como un proceso químico que se presenta en los metales refinados como el acero para retomar o devolver el estado mineral más natural y estable (óxido de hierro). 

De tal manera, que para hacer un análisis detallado del acero oxidado en hormigón armado y su impacto en la obra, primeramente hay que entender el origen del fenómeno de oxidación del acero estructural. 

Dicho origen tiene una explicación científica basada en la Ley de la Entropía; cuyo fundamento señala que la reacción de oxidación tiene lugar cuando se pierde el material de acero y se produce óxido rojo.

Por lo general la producción de óxido es entre 4 a 7 veces superior en volumen del acero inicial; este aumento en el volumen de acero también hace lo propio (aumenta) las tensiones internas en el concreto hasta el grado de producir grietas, dando como resultado la delaminación en las losas de puentes de concreto, garajes y pérdida de la capa de concreto en vigas y columnas.

La seguridad estructural como mecanismo preventivo

La degradación del acero oxidado en estructuras, conlleva al deterioro de todo el elemento de refuerzo, en detrimento de la durabilidad del concreto hasta producir fisuras, grietas y daños importantes capaces de afectar la integridad de la estructura, hasta su colapso. 

De allí la importancia estratégica de la seguridad estructural, como mecanismo para garantizar la integridad e idoneidad del acero previo a su colocación.

Como bien se mencionó, el acero es la materia prima de las estructuras metálicas, y el mismo es susceptible de oxidarse. 

No se trata de un castigo al acero del hormigón armado, se debe a una tendencia natural del material a retomar su condición o estado original, y dado que el acero se compone de hierro y carbono. La corrosión es la principal preocupación de los constructores.

¿Se puede construir una estructura con acero oxidado?

El uso o no del acero oxidado en hormigón armado, es un tema bastante controversial en la comunidad de ingenieros, arquitectos y constructores. 

Por ello hoy trataremos de desentrañar la polémica acerca de si se puede vaciar un elemento estructural una vez se cuenta con la armazón de acero y el mismo está oxidado. Aquí hay que establecer 2 tipos de corrosión:

Por la acción de agentes nocivos

El primer tipo de corrosión tiene lugar con la acción de agentes externos, como cloruros, sulfatos y sales que castigan el elemento estructural una vez construido. 

Es una corrosión crítica, que ocurre cuando llega al metal y genera una reacción química que dilata la parte corrida del acero y empuja la estructura hacia la parte más débil del concreto que comienza a descascararse.

Este proceso de desconchado a consecuencia de la acción de los agentes externos, conlleva al descubrimiento del acero (dejar a la vista), y al quedar al descubierto acelera la corrosión del metal. 

El uso de acero oxidado en hormigón es un tema tan polémico que incluso es objeto de tésis doctorales.

Por la exposición a la intemperie

El segundo tipo de oxidación del acero, es cuando se deja el acero en la intemperie por un tiempo determinado, y mojándose con una o 2 lluvias adquiere un tono amarillento por la oxidación. 

En estos casos algunos profesionales sugieren limpiar las barras de acero con un cepillo de metal previo a su fundido en la pieza de hormigón armado.

En este sentido, pese a que el criterio común apunta hacia este método, es decir, limpiar el acero, al pensar que el óxido puede eliminar parte de la propiedad de adherencia del acero. Por lo cual, lo más razonable en este caso es consultar la normativa que rige el uso del acero.

¿Qué dice la norma sobre quitar o no el óxido en la estructura de acero?

Específicamente el capítulo 26, artículo 26.6.1.1. Señala explícitamente en el inciso “b”: El esfuerzo no reforzado con óxido o escamas o ambos debe considerarse satisfactorio si las dimensiones mínimas y el peso de una muestra limpiada a mano objeto de la inspección. En este caso el cepillo metálico deberá cumplir con la norma respectiva ASTM.

No obstante, este lineamiento normativo resulta algo ambiguo, porque no indica cuál es límite de aceptación o no del acero con óxido o escamas. Tampoco especifica en esta evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo, si debe limpiarse el acero de la estructura previo a su uso.

• Breve análisis de la disposición 

En este mismo orden de ideas, y parafraseando el contenido del citado artículo 26.6.1.2 en su inciso “b” que establece: 

Investigaciones han demostrado que una cantidad normal de óxido aumenta la adherencia de las barras….. 

Entonces, significa que aquellos inspectores o supervisores que instruyan el cepillado de los aceros con óxido, en realidad se refieren a los constructores para que limpien la oxidación del acero y eliminen la adherencia intrínseca en el óxido. 

Asimismo, señala: “Generalmente por el manejo brusco normal se pierde el óxido que se encuentra suelto y que puede perjudicar la necesaria adherencia entre el concreto y el acero de refuerzo”.

Es decir, que bajo un manejo normal de las barras, varillas, o vigas de acero lo que dice la norma e investigaciones, es que no hace falta cepillar el óxido, puesto que con un simple golpe cae todo el exceso de óxido que pueda perjudicar dicha adherencia entre ambos materiales.

Por lo tanto, no es necesario una limpieza más allá del óxido superficial para asegurar una adecuada adherencia.

• ¿Por qué se dejó de usar el acero de refuerzo liso en las construcciones?

El razonamiento anterior, deja en el aire otra interrogante ¿Por qué se dejó de usar el acero de refuerzo liso en las construcciones de elementos estructurales?, la razón es porque afecta la seguridad estructural en cuanto a la evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo. 

Pues bien, los expertos en ingeniería estructural e industria de la construcción en general, han comprobado que el acero corrugado ofrece mayor adherencia física entre ambos materiales (acero/concreto). 

Toda vez que las propiedades químicas entre el hormigón y el acero liso no era suficiente; en tanto que las estrías o formato dentado funcionan muy bien estos materiales.

De tal manera, que se puede concluir que las irregularidades que genera el óxido en el acero, tienen la capacidad para incrementar la adherencia con el concreto, es decir, que el óxido no disminuye de ninguna forma la calidad o propiedades de adherencia entre el acero y el hormigón. 

• ¿Hay que rechazar un acero con costuras e irregularidades de fabricación?

Al respecto, la normativa americana AC! en concordancia con la citada norma ASTM, señala en su regulación 12.2: A615/A615M/15a, sección 12 señala explícitamente: 

Tanto el óxido, las costuras e irregularidades de la superficie o escalado de fabricación no son motivo de rechazo, en tanto que el peso (masa) nominal, dimensiones, área de sección transversal y propiedades de tracción de una muestra de prueba cepillada con cepillo de alambre no sea inferior a los requisitos de esta especificación técnica.

De hecho, en otra sección la norma refiere que en caso de que el óxido llegue al punto de corrosión en el acero alcanza determinado límite, se puede aceptar y utilizar con seguridad para vaciar el hormigón en el elemento estructural.  

• Acero oxidado en hormigón armado con un peso nominal específico y su impacto en la obra

En cuanto a la sección nominal (masa) se refiere la norma a una evaluación teórica del óxido presente en una barra de acero, la cual también tiene un peso nominal. 

Es decir, que dicha barra puede disminuir o perder su sección o masa nominal hasta en un 94%. Lo cual se indica en la norma anterior A615/A615M/15a, sección 11.1:

Las barras de refuerzo deformadas (corrugadas) se evaluarán en función de su peso nominal (masa). El peso determinado usando el peso medido de la muestra de prueba y redondeada según la práctica E29, será de al menos 94% del peso aplicable por unidad de longitud prescrita. 

De ninguna forma el sobrepeso (exceso de masa: más gruesa o larga) de cualquier barra deformada se podrá rechazar.

De tal modo, que lo que se puede discutir en términos de seguridad estructural en la evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo, es cuánto de un acero corroído se puede disminuir en una sección para que sea objeto de rechazo.

• Caso práctico

Para ilustrar mejor el enunciado anterior sobre el acero oxidado en hormigón armado con un peso nominal de 100% y su impacto en la obra, a continuación se toma como referencia una barra de refuerzo de 16mm2, cuya fórmula matemática se presenta como sigue: 

Interpretando estos datos, se tiene que dicha barra tendrá una sección nominal de 201,06mm2, a la cual se le resta el 6% como medida que permite la norma que se puede perder por la corrosión.

Al multiplicar 201,06mm2 x 94% quedaría una sección de 189mm2, y si este valor se traduce al diámetro inicial, la barra quedaría en 15,5mm2. Este valor de 15,5mm2 con relación a la masa inicial de 16mm2 comprueba una pérdida por corrosión de 5mm.  

• ¿Una pérdida de 5mm por la corrosión es suficiente para rechazar la barra de acero en la estructura de refuerzo?

No, pese a que 5 mm es una pérdida de material visiblemente importante producto de la corrosión por la oxidación del acero, que puede significar incluso, que la barra tiene un daño considerable. 

De tal forma, que de tener una varilla o barra que ha estado expuesta a la lluvia por un par de días, no es necesario cepillarlas con un cepillo de metal.

Al contrario, se recomienda dejar el óxido para no perder material en el cepillado y aprovechar mejor la adherencia del acero al hormigón. De hecho la propia norma aconseja dejar esta pequeña corrosión previo al vaciado de concreto  en la estructura de refuerzo es beneficiosa para garantizar una mayor adherencia entre ambos materiales.

Tiene el acero oxidado el mismo impacto que la corrosión en una estructura?

Como bien se aclaró en líneas anteriores, un acero oxidado no es causal o motivo para su rechazo. 

Para empezar, cuando se deja un acero expuesto al medio ambiente, tal como se puede observar en grandes construcciones de hormigón armado, con sus estructuras de acero expuesto a la intemperie por lapsos cortos.

Es necesario aclarar que la oxidación en el acero es muy distinta a la corrosión, porque la corrosión supone un estado crítico que puede afectar considerablemente la función real del acero de refuerzo en una construcción. 

Mientras que el óxido o hidróxido de hierro en el acero aparece con facilidad con el aire o contacto con humedades, y se conoce también como película de herrumbre.

En tanto, la corrosión aunque es un fenómeno a consecuencia directa de la oxidación, su desarrollo toma más tiempo hasta transformarse en óxido de hierro hidratado o corrosión. Por tanto, un acero reforzado con corrosión activa no está indicado en la construcción. 

Evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo: condiciones de la superficie 

La evaluación y condiciones de la oxidación en acero están normadas en las disposiciones locales sobre las condiciones de la superficie de refuerzo, sección C.7.4.1 que señala: al momento de verter el concreto sobre la estructura, el acero de refuerzo debe estar libre de barro, aceite u otros elementos no metálicos capaces de reducir la adherencia……. 

El inciso C.7.4.2 prevé al respecto: el acero, salvo el preesforzado, con óxido, escamas o una combinación de ambos, se debe considerar satisfactorio si las dimensiones mínimas (incluyendo la altura de los resaltes del corrugado) y el peso de una muestra cepillada con un cepillo de alambre de acero cumple con las especificaciones previstas en la norma NTC o la ASTM en todo caso.

Interpretando la norma aplicada a la seguridad estructural

Es necesario aclarar en cuanto a las condiciones de la superficie de refuerzo cuando se hace el vaciado en la estructura de acero de refuerzo, que cuando la norma indica que deberá estar libre de barro, aceite u otros elementos, y que una película o polvo de óxido puede favorecer la adherencia del acero al concreto; no quiere decir que las barras se deban dejar a la intemperie.

Es decir, no llegar al punto exponer a condiciones extremas las barras de acero, como a humedades continuas, malezas, barras dobladas en contacto directo con el barro, o bien porque sirve de pasarela para los trabajadores, etc, ya que todos estas posibilidades contaminan y afectan la calidad y la capacidad de adherencia de las barras de refuerzo.

Otro elemento a considerar al momento de colocar y vaciar una estructura de refuerzo, es que todo el perímetro y bordes del enrejado esté libre de contaminación, para ello se debe colocar un concreto de limpieza de baja resistencia para evitar el contacto entre el armado de refuerzo y el suelo.

Otras precauciones claves a evaluar

Adicional a los elementos antes mencionados, es importante también evaluar en el proceso constructivo aquellas disposiciones que promuevan una buena práctica en la instalación del armado de acero de refuerzo.

Por ejemplo, en un elemento estructural recién vaciado hay que evitar que el armado de acero longitudinal o columnas contengan residuos de hormigón o concreto. 

La norma de seguridad estructural señala en este aspecto que todos aquellos elementos o partículas distintas a lo metálico es negativo o nocivo, ya que desmejora la adherencia entre el acero y el cemento. 

Por lo tanto, un concreto distinto al que corresponde al del vaciado en este caso a una columna se debe retirar antes de verter el definitivo, porque se considera como una contaminación. 

El objetivo es garantizar la seguridad estructural y la buena práctica constructiva, para obtener un margen de calidad aceptable.

Limpiar el elemento estructural antes del vaciado de hormigón definitivo

La limpieza de los residuos de concreto o lechada se debe retirar del elemento estructural o limpiar apenas se culmine con el vaciado en la base, porque puede ser difícil retirarlo después, además de negativo para la obra. 

La razón primordial para limpiar los residuos de concreto, es porque cubre el corrugado de las barras de esfuerzo, y esto hace que pierda la necesaria adherencia del acero de refuerzo que portan los dientes del corrugado. 

No es un capricho, la limpieza es parte de una práctica saludable para asegurar la calidad y funcionalidad de todos los elementos estructurales en el concreto.

En definitiva, la limpieza de cualquier agente contaminante de los elementos estructurales de acero, distintos a la oxidación normal, es parte de los procesos de calidad a cargo de todos los profesionales y técnicos responsables de la revisión y supervisión de las obras en concreto reforzado. 

Falsas premisas sobre la oxidación en el acero de refuerzo

En los sectores populares se tiene la creencia de que vaciar el concreto sobre una barra oxidada, con el tiempo se corroerá totalmente en el interior del concreto, en vista de que la barra ya estaba contaminada y dañada, sobre todo, si no se limpia antes de su vaciado.

Esta premisa es falsa, toda vez que para que se produzca la corrosión es necesario la presencia los siguientes elementos: metal, oxígeno y electrolitos (cloruros y sulfatos). 

Por consiguiente, tanto el oxígeno como los electrolitos se ven impedidos de acceder hacia el acero (pese a su oxidación) al estar cubierto por una capa de concreto. 

Por lo cual, gracias a las propiedades químicas que tiene el concreto permiten que se forme una capa pasiva que envuelve el acero, lo que impide su oxidación y posterior corrosión.

• ¿La oxidación en las estructuras de acero de refuerzo se puede corregir?

Efectivamente, gracias a los expertos en corrosión es posible establecer y  determinar los medios indicados para atacar la oxidación en estructuras metálicas de acuerdo a cada caso concreto. 

Dentro de las primeras acciones se indica el mantenimiento e inspección constante en la estructura de refuerzo a fin de observar su estado, garantizar su vida útil y anticiparse a la corrosión.

Otra medida para prevenir la oxidación y corrosión en el acero de refuerzo es evitar en lo posible la entrada de agua, oxígeno u otros agentes agresores como los cloruros al concreto, para este fin se puede usar apoyo tecnológico como:

• Tratamiento específico del acero de refuerzo en estructuras

Para tratar aplicar medidas a los daños a consecuencia de la corrosión en estructuras de acero de refuerzo, primeramente hay que determinar su gravedad, para ello se sugiere solicitar una evaluación técnica de seguridad estructural para precisar el alcance de la reparación.

• El primer paso para reparar un concreto afectado por la corrosión del acero de refuerzo, es remover el material contaminado de la armazón con los métodos adecuados, con la finalidad de no perjudicar la estructura. 

De ser posible, se usan herramientas de localización o planos estructurales a fin de determinar la profundidad, tamaño, cantidad y ubicación aproximada del daño.

• Luego, si las condiciones del acero son aceptables y no necesita reemplazarse, se procede a su proteger la estructura con algún recubrimiento especial para proveer una barrera contra la corrosión, además de mejorar la adherencia del material de reparación que se colocará posteriormente.

• Lo siguiente es vaciar el hormigón de reparación conforme al espesor recomendado, sobre la superficie húmeda en caso de no requerir adherente adicional.

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Aspectos finales sobre la seguridad estructural: evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo

Una vez desarrollado el interesante tema sobre sobre la seguridad estructural y evaluación de la oxidación en el acero de refuerzo, no queda más que enfatizar lo que estipula la norma que rige las estructuras en acero de refuerzo. 

Ha quedado claramente establecido según las investigaciones realizadas a las propiedades del acero y de los metales en general y su grado de oxidación, que se puede usar el acero con una ligera oxidación.

Es decir, que si el acero presenta una película amarillenta por la oxidación, y no se observa un daño negativo y evidente en la inspección visual realizada en su sección transversal, es totalmente aceptable en una estructura de refuerzo. Incluso, no sólo lo admite, sino que además la oxidación incrementa la adherencia entre el acero y el hormigón.

Igualmente, se aclararon las dudas acerca de la adherencia química entre acero liso y hormigón, y que debido a estas varillas o barras de acero son más débiles, se inventó y desarrolló el acero corrugado, porque su superficie dentada y sus deformaciones transversales favorecen la adherencia o fricción mecánica de una manera más efectiva entre el acero y concreto. 

Asimismo, se permite el uso de acero de refuerzo oxidado hasta cierto grado de tolerancia, es decir, que no merme su capacidad inferior al 94%; porque se comprobó en distintas pruebas e inspecciones de expertos, que el óxido permite una mayor adherencia con relación a una barra que no oxidada. En general,  un acero oxidado no es causal de rechazo.

En conclusión se puede afirmar, que no se incurre en una falta o falla constructiva si se opta por fundir el hormigón y una estructura de acero, si dicha superficie está levemente oxidada. Puesto que esto no afecta la integridad, calidad y seguridad de una edificación.