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Parámetros que Afectan a la Interacción Físico-Química entre las Armaduras de Acero Galvanizado
Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
y el Hormigón
PARÁMETROS QUE AFECTAN A LA INTERACCIÓN FÍSICO-QUÍMICA ENTRE LAS ARMADURAS DE
ACERO GALVANIZADO Y EL HORMIGÓN
F.J. Luna1, *, M.C. Alonso1, M. Sánchez1, J.L. García1 y C. López1
1
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja. Calle Serrano Galvache, 4, Madrid, España.
*
E-mail: [email protected]
RESUMEN
El presente trabajo aborda el estudio de la interacción armadura galvanizada en caliente/hormigón. Se contempla la
sinergia de dos aspectos críticos: incidencia de la interacción electroquímica a edades tempranas en la adherencia de
ambos materiales. Se ha analizado la influencia de la galvanización en la geometría de corrugas, el espesor de capa
galvanizada, la interacción electroquímica y la generación de fuerzas de adherencia. Se han elaborado hormigones con
CEM I 42,5 R/SR y CEM II/C-M con armadura de acero galvanizada y sin galvanizar. Los resultados revelan que el
mayor espesor de recubrimiento galvanizado se encuentra en las zonas laterales de corruga. Durante las primeras horas
de contacto del acero galvanizado en caliente con el hormigón, existe una fuerte actividad electroquímica. Sin embargo,
este proceso no se ha reflejado en un detrimento de la adherencia, ya que tanto las armaduras de acero convencional
como las galvanizadas han desarrollado tensiones de adherencia similares y la formulación base cemento empleada ha
resultado ser más relevante que el tipo de armado.
ABSTRACT
The present paper deals with the study of hot-dip galvanized steel rebar/concrete interaction. The synergy between two
critical aspects is considered: incidence of the electrochemical interaction at early ages on the bond strength of both
materials. The effect of the galvanizing process on the ribs geometry, the galvanized coating thickness, the
electrochemical interaction and the development of bond strength has been studied. Concretes containing CEM I 42.5
R/SR and CEM II/C-M with carbon and galvanized steel rebars embedded have been made. Results indicate that the
thickest galvanized coating thickness is found in rib lateral areas. During the first hours of contact with the concrete,
galvanized steel rebars present a strong electrochemical activity. However, this process have not turned into a decrease
of bond strength, both conventional and galvanized steel rebars have developed similar bond strength and the type of
binder used is the critical parameter.
PALABRAS CLAVE: galvanizado, hormigón, adherencia
1. INTRODUCCIÓN
Existe un interés creciente por la construcción de
estructuras cada vez más sostenibles y durables. Los
avances
se
dirigen
hacia
dos
actuaciones
fundamentalmente: 1) el desarrollo de hormigones más
sostenibles, empleando para ello cementos alternativos
al cemento Portland con altos contenidos en adiciones
minerales 1, y/o 2) la incorporación de métodos de
protección para la armadura, como la galvanización en
caliente, con objeto de retardar a lo largo de la vida en
servicio de la estructura los efectos provocados por la
corrosión de las armaduras en ambientes de especial
agresividad [2,3]. Estas tendencias hacen necesaria una
investigación específica para conocer la interacción
entre los nuevos materiales desarrollados.
En el caso de la armadura galvanizada, tiene lugar una
interacción entre el medio básico del hormigón y el zinc
del recubrimiento galvanizado, inicialmente generando
hidrógeno gas e iones zinc que progresivamente
interaccionan con el calcio de la fase acuosa
precipitando sobre la superficie de la armadura en forma
de hidroxizincato cálcico (HZnCa) formando una
barrera que aísla y protege a la armadura galvanizada
4. En este proceso, los álcalis del cemento influyen
significativamente en el comportamiento del zinc en el
medio básico del hormigón 5,6. Cementos con
contenidos diferentes de álcalis pueden dar lugar a fases
acuosas con diferente pH debido a que éstos, junto con
la portlandita (Ca(OH)2) en el caso del cemento
Portland son los responsables del pH final de la fase
acuosa y de que existan diferencias en la formación de
la barrera de HZnCa. Si el pH de la fase acuosa se
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
mantiene en valores entre 12,8 y 13,2, la capa de
HZnCa se forma más fácilmente, pero si el pH es más
elevado la generación del HZnCa es más difícil debido
también a un menor contenido de calcio en el medio
[5,6].
Existe mucha incertidumbre en la literatura en relación
al comportamiento adherente entre el hormigón y el
acero [7-12], provocada en parte por el tipo y
condiciones de ensayo y los materiales empleados,
generalmente centrados en hormigones realizados con
cemento portland, lo que dificulta la comparación. En el
caso de la armadura galvanizada, esta incertidumbre es
aún mayor debido en general a la escasez de
conocimiento 2,3.
La interacción entre la armadura galvanizada y el
hormigón y su posible efecto en la adherencia es por
tanto un fenómeno que es necesario comprender para
conseguir un aprovechamiento máximo del sistema
formado por ambos materiales. La presente
investigación busca conocer si la interacción
electroquímica entre el hormigón y una armadura
galvanizada tiene o no repercusión sobre la adherencia
entre ambos materiales a edades tempranas.
2. EXPERIMENTAL
2.1. Materiales y preparación de probetas
Se han utilizado armaduras de acero al carbono B500
SD de 12 y 16 mm de diámetro. Estas armaduras se
sometieron a un proceso de galvanización en caliente,
como se observa en la figura 1. El recubrimiento
galvanizado se produjo mediante la inmersión de la
armadura corrugada de acero en un baño caliente de
zinc (pureza 99,9%) a 450 ºC durante aproximadamente
1 minuto y posterior enfriamiento a la atmósfera. Como
se observa en la tabla 1, el proceso de galvanización no
ha afectado a las propiedades mecánicas.
escoria de alto horno + 6% fíller calizo, CEM II/C-M
(S-L). La dosificación de los hormigones empleados se
recoge en la tabla 2. Ambos hormigones presentaron
una consistencia blanda.
Tabla 1. Propiedades mecánicas de las armaduras
Acero
Al carbono
Galvanizado
Límite elástico
(MPa)
553
551
Tensión de
rotura (MPa)
659
663
Tabla 2. Dosificación de los hormigones
Componente
Agua (kg/m3)
Cemento
(kg/m3)
Escorias de alto
horno (kg/m3)
Fíller (kg/m3)
Gravilla (6-12)
(kg/m3)
Arena (0-6)
(kg/m3)
a/c
Hormigón con
CEM I
237,3
Hormigón con
CEM II/C-M
228,4
385,0
246,59
0,0
115,59
0,0
23,12
842,0
843,0
802,0
803,0
0,6
0,6
Se fabricaron series de probetas con tres tipos de
geometrías: 1) cilíndricas de 15x30 cm para ensayos de
compresión (3 para cada tipo de hormigón), 2) cúbicas
de 10x10x10 cm con armadura galvanizada de 12 mm 
embebida 9 cm para ensayos de corrosión (3 para cada
tipo de hormigón) y 3) cúbicas de 20x20x20 cm para los
ensayos de arrancamiento (3 para cada tipo de hormigón
y armado).
Las probetas para adherencia se prepararon de acuerdo a
lo que se prescribe en [13]: se empleó una armadura de
16 mm  dejando embebida y en contacto directo con el
hormigón una longitud de 80 mm y el resto recubierta
con un tubo de plástico. A ambos lados del cubo de
hormigón se dejó una longitud de armadura suficiente
para garantizar las distancias establecidas que deben
existir entre dicho cubo y los puntos de aplicación de la
carga y de medida del deslizamiento.
Las probetas para los ensayos de arrancamiento se
curaron bajo agua a 20 ºC hasta la edad de ensayo (7
días en el presente estudio) y las probetas para
compresión se curaron durante 28 días en cámara
húmeda según norma.
Figura 1. Aspecto geométrico de las armaduras: Arr.)
Acero al carbono. Ab.) Acero Galvanizado en cliente.
Para la elaboración de los hormigones se emplearon dos
tipos de formulaciones base cemento: un cemento
convencional, CEM I 45,5 R/SR, y una mezcla ternaria
que se preparó con 64% CEM I 42,5 R/SR + 30%
Las resistencias a compresión a 28 días fueron de 34,95
± 0,96 MPa para el hormigón con CEM I y 36,42 ± 0,65
MPa para el que contenía CEM II/C-M.
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2.2. Medida de la geometría superficial de las
armaduras
primeras 24 horas para conocer la interacción entre las
armaduras galvanizadas y el hormigón.
La geometría superficial de las armaduras determina la
capacidad potencial de las mismas frente al desarrollo
de su adherencia con el hormigón [13-14]. Altura de
corruga (h), separación entre corrugas (b) e inclinación
de corruga (β), en el caso de las corrugas transversales y
oblicuas, y altura de corruga (a’), en las longitudinales,
son parámetros críticos. Adicionalmente se estudió la
anchura de corruga, medida que puede venir afectada
por el proceso de galvanización.
La longitud estudiada en cada barra contenía 11
corrugas a cada lado de la misma. Los parámetros
geométricos de las 22 corrugas se determinaron con un
comparador. La altura de la corruga longitudinal fue
medida con un calibre. Para obtener los valores medios
de cada parámetro para cada tipo de armado, se llevó a
cabo una amplia campaña de medidas: 792 para la altura
de corruga; 264 para la separación entre corrugas; el
mismo número para la inclinación de la corruga; 528
para la altura de la corruga longitudinal y el mismo
número para la anchura de corruga.
2.3. Ensayos de arrancamiento
Se realizaron ensayos de adherencia siguiendo las
prescripciones indicadas en [13] para un ensayo tipo
pull-out. Se aplicó una carga de arrancamiento sobre el
extremo largo de la armadura embebida en el centro del
cubo de hormigón a una velocidad de 143 N/s,
determinada teniendo en cuenta el diámetro de barra
ensayado. En el extremo opuesto de la armadura se
midió el desplazamiento producido con una precisión de
0,005 mm.
2.4. Medidas del espesor de la capa galvanizada
En primer lugar, se tomaron dos fragmentos de
armadura galvanizada, uno con un corte transversal y
otro longitudinal. Posteriormente, se embebieron en una
resina transparente y se pulieron sus superficies. Para
identificar la continuidad del recubrimiento galvanizado
se empleó la lupa estereoscópica, como se aprecia en la
figura 2. La microestructura y el espesor de la capa se
observaron con el microscopio metalográfico. Se
comprobó que tenía una estructura convencional
constituida por varias subcapas aleadas con diferentes
proporciones Fe/Zn y una capa externa de zinc puro
similar a la descrita en [2]. Para la medida del espesor
de capa se utilizó un software “Metreo” sincronizado
con un software de adquisición de imágenes. Con objeto
de obtener un espesor representativo en cada una de las
regiones estudiadas, se realizaron al menos 20 medidas.
Figura 2. Detalle del recubrimiento de una armadura
de acero galvanizada en caliente
Para la medida del potencial de corrosión se utilizó un
electrodo de referencia Ag/AgCl. La intensidad de
corrosión se determinó a través de la medida de la
Resistencia de Polarización (Rp) con compensación de
la caída óhmica. Las medidas de corrosión se
extendieron hasta los 7 días, edad a la que también se
realizaron los ensayos de adherencia.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Variabilidad de la geometría superficial de las
armaduras por el galvanizado en caliente
Se encontraron resultados diferentes dependiendo del
parámetro considerado. Así, el valor medio de algunos
parámetros es similar, no sólo entre barras del mismo
tipo de armado, sino también entre barras con diferente
tipo de armadura. Éste es el caso de la separación entre
corrugas, como se observa en la figura 3, y de la
inclinación de las mismas.
2.5. Medidas electroquímicas
Se realizó un monitoreo en continuo del potencial de
corrosión y de la velocidad de corrosión durante las
Figura 3. Separación media entre corrugas para los dos
tipos de refuerzos utilizados.
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Por otro lado, los valores medios de altura y anchura de
corruga difieren significativamente cuando se comparan
ambos tipos de armado, incluso también presentan
pequeñas diferencias si se miden en barras
pertenecientes al mismo refuerzo, aspecto éste último
más acusado en las armaduras galvanizadas que en las
de acero convencional. En la figura 4 se representa el
caso para la altura de corruga.
ocurre lo contrario con la altura de las corrugas
longitudinales. Esta variación en la altura de corruga se
comprobó observando el espesor del recubrimiento
galvanizado mediante microscopía óptica. Se apreciaron
cambios no sólo en la altura de corruga sino también en
la anchura. Las medidas del espesor de la capa de
galvanizado reflejaron que existe heterogeneidad en el
espesor del recubrimiento, siendo mayor en las zonas
laterales de corruga (214 ± 35 µm en transversales y
oblicuas y 204 ± 38 µm en longitudinales) respecto a las
zonas altas de las corrugas (157 ± 26 µm y 191 ± 32
µm, respectivamente). El espesor en la zona de valle
entre corrugas es intermedio (185 ± 18 µm), como se
observa en las figuras 5 y 6. Estos resultados explican
que las acumulaciones de zinc líquido difieren de unas
zonas a otras.
Figura 4. Altura media de corruga para los dos tipos
de refuerzos utilizados.
En la tabla 3 se recogen los valores medios para cada
parámetro y cada tipo de armado. A la vista de los datos
geométricos medidos, todos los parámetros estudiados
para ambos tipos de armadura están dentro de los
intervalos prescritos en [13]. Esto llevaría a concluir que
tanto las armaduras de acero al carbono como las de
acero galvanizado son potencialmente adherentes con el
hormigón.
Figura 5. Microestructura de una corruga transversal
después del proceso de galvanizado en caliente.
Tabla 3. Geometría superficial de las armaduras.
Parámetro
β (º)
Transversal
Oblicuo
b (mm)
c (mm)
h (mm)
a' (mm)
Acero al carbono
Galvanizado
Sin galvanizar
en caliente
62 ± 1
64 ± 2
44 ± 1
45 ± 2
8,35 ± 1,77
8,28 ± 1,27
11,07 ± 0,98
10,67 ± 1,24
1,43 ± 0,09
1,18 ± 0,07
0,80 ± 0,12
1,38 ± 0,13
Con los datos geométricos descritos anteriormente, no
sólo puede deducirse la validez adherente de las
armaduras, sino que haciendo una comparación de los
mismos para ambos tipos de refuerzo, puede apreciarse
el grado de repercusión del proceso de la galvanización
en la geometría de la armadura.
Así, la altura de corruga se ve modificada como
consecuencia del galvanizado y su efecto depende de la
geometría de la propia corruga, como se deduce de la
tabla 3. La altura de las corrugas transversales y
oblicuas de las armaduras de acero galvanizado en
caliente es menor que la que presentan dichas corrugas
en las armaduras de acero sin galvanizar; sin embargo,
Figura 6. Variación en el espesor de la capa
galvanizada.
3.2. Interacción química entre armadura y hormigón
Las medidas electroquímicas del potencial y de la
velocidad de corrosión, figuras 7 y 8 respectivamente,
han desvelado que, durante las 16 primeras horas de
contacto entre el hormigón y el acero galvanizado,
existe una fuerte actividad electroquímica, asociada a la
reacción catódica de producción de hidrógeno y a la
consiguiente reacción anódica de disolución de zinc que
afectaría a la interfase armadura galvanizada/hormigón
[3].
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
A partir del momento en el que cesa el desprendimiento
de hidrógeno, comienza la formación de la capa de
protección, asociada a la formación de hidroxizincato
cálcico entre la fase acuosa del hormigón y la superficie
de la armadura galvanizada [5,6] que provoca una
reducción de la actividad electroquímica hasta los 7
días, edad donde se apreciaron valores de Ecorr e icorr
característicos de pasividad en ambos tipos de
hormigón, como se aprecia en la tabla 4.
Tabla 4. Valores de Ecorr e icorr para la armadura de
acero galvanizado en los dos hormigones estudiados.
1 día
Cemento
CEM I
42,5R/SR
CEM II/CM
7 días
Ecorr
(mV)
icorr
(µA/
cm2)
Ecorr
(mV)
icorr
(µA/
cm2)
-857±121
0,7±0,3
-611±54
0,3±0,1
-656±14
0,8±0,1
-613±25
0,2±0,0
Figura 9.Desarrollo de la tensión de adherencia a la
edad de 7 días.
Figura 7.Potencial de corrosión de la armadura de
acero galvanizado en los dos hormigones estudiados.
Por un lado, se observa que el desarrollo de la máxima
adherencia a edades tempranas se produce con el
hormigón con CEM I, para ambos tipos de armadura.
Esto puede ser debido a que, a la edad de 7 días, la
resistencia a compresión del hormigón con CEM II/C-M
sea aún inferior a la que puede presentar el hormigón
con CEM I debido al efecto retardante que tienen las
adiciones minerales como las escorias sobre las
resistencias, como se vio en [1].
A pesar de que la máxima adherencia a edades
tempranas se ha producido con el hormigón cuya base
cemento se compone exclusivamente de CEM I, no
existen grandes diferencias con respecto a las tensiones
de adherencia que se desarrollan cuando se utiliza CEM
II/C-M, concretamente, difieren en un 12%. Aun así, las
tensiones generadas con los hormigones con cemento
ternario superan la tensión mínima de adherencia
prescrita en la normativa [14] a efectos de cumplir con
las longitudes de anclaje admisibles. Por tanto, este tipo
de hormigones sería una solución válida en lo que al
comportamiento estructural se refiere.
Figura 8.Intensidad de corrosión de la armadura de
acero galvanizado en los dos hormigones estudiados.
3.3. Interacción mecánica armadura/hormigón
En la figura 9 se han representado los valores medios de
tensión máxima de adherencia para las diferentes
condiciones ensayadas. Lo primero a destacar es la baja
dispersión que presentan los resultados para cualquier
tipo de condición.
Con respecto al tipo de refuerzo empleado, destacar que
ambos desarrollan el mismo nivel de adherencia con el
hormigón, independientemente del tipo de cemento
utilizado. Estos resultados difieren de lo publicado por
otros autores [2,3, que han encontrado que el acero
galvanizado desarrolla menor adherencia que el acero
convencional, a edades de 7 días. Una explicación
posible es el tipo de cemento empleado y el nivel de pH
alcanzado a nivel de la armadura galvanizada. En el
presente estudio se ha empleado CEM I bajo en álcalis
(0,4%) mientras que en [2 este contenido era muy
superior (0,89%), lo que indica que en el caso de
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Anales de Mecánica de la Fractura, 31 (2014)
empleo de armadura galvanizada el tipo de cemento es
crítico en cuanto al desarrollo de adherencia a edades
tempranas se refiere. Estudios con nuevos tipos de
cementos y hormigones permitirán delimitar los
requisitos en cuanto al empleo de armaduras
galvanizadas en hormigón.
4. CONCLUSIONES
Tanto la armadura de acero al carbono sin galvanizar
como la galvanizada desarrollan, a edades tempranas,
valores prácticamente idénticos de adherencia con los
hormigones empleados en el presente estudio,
independientemente del tipo de cemento empleado en la
fabricación de los mismos.
[4] Andrade, C., Macías, A. Influencia del contenido en
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Materiales
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concrete, Ed. Elsevier, 2004, pp. 111-144.
Las tensiones de adherencia, a edades tempranas, son
menores en los hormigones que incluyen CEM II/C-M
en su composición.
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Marín, P. Estudio del comportamiento mecánico y
frente a corrosión de armaduras pasivas de acero
revestidas con resina epoxi. Hormigón y Acero, Vol.
61, No. 257, pp. 91-104, 2010.
El acero galvanizado interacciona con ambos tipos de
hormigón aunque la pasivación se alcanza más
eficazmente con el empleo de CEM II/C-M.
[8] Arel, H.S. and Yazici, S. Concrete reinforcement
bond in different concrete classes. Construction and
Building Materials, Vol. 36, pp. 78-83, 2012.
Las variaciones en la altura de corruga inducidas por la
galvanización en caliente no afectan a la adherencia que
presentan las armaduras con los hormigones en los que
van embebidas, independientemente del tipo de cemento
empleado.
[9] Torre-Casanova, A., Jason, L., Davenne, L. and
Pinelli, X. Confinement effects son the steel-concrete
bond strength and pull-out failure. Engineering
Fracture Mechanics, Vol. 97, pp. 92-104, 2013.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Ministerio de Economía
y Competitividad (MEC) por la financiación del estudio
a través del proyecto BIA 2011-22670. J. Luna agradece
al MEC la beca FPI (BES-2012-61300). Al Grupo
Cementos Portland Valderrivas, por el CEM I; a
Cementos Tudela Veguín, S.A. (por las escorias de alto
horno), a Hormigones Vicente (por el fíller calizo) y a
GALESA, por la galvanización de las armaduras.
REFERENCIAS
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576