Comportamiento y Durabilidad del Acero: Propiedades, Corrosión y Aplicaciones en Ingeniería

Propiedades Fundamentales del Acero

El acero es un material ampliamente utilizado en ingeniería y construcción debido a sus características excepcionales. A continuación, se detallan sus propiedades clave:

• Densidad: Muy alta.
• Resistencia: Muy elevada, tanto a la tracción como a la compresión.
• Ductilidad y Fragilidad: Es un material dúctil, lo que permite su deformación sin fractura. Sin embargo, su fragilidad puede aumentar con ciertos tratamientos o composiciones (ej. alto contenido de carbono).
• Conductividad Térmica: Muy elevada.
• Dureza: Alta, lo que le confiere resistencia a los choques.
• Comportamiento Térmico: Pierde sus propiedades mecánicas cuando se calienta a altas temperaturas.
• Resistencia a la Corrosión: Baja en condiciones ambientales normales, a menos que sea un acero inoxidable o esté protegido.

Ventajas del Acero

El acero ofrece múltiples beneficios que lo hacen un material preferente en diversas aplicaciones:

• Conformabilidad: Fácil de conformar tanto en frío como en caliente.
• Mecanizado y Ensamblaje: Fácil de mecanizar, ensamblar y proteger contra la corrosión.
• Costo y Disponibilidad: Generalmente de bajo coste y alta disponibilidad en el mercado.
• Adaptabilidad: Material altamente adaptable a diferentes diseños y usos.
• Reciclabilidad: Fácilmente reciclable, contribuyendo a la sostenibilidad.

Desventajas del Acero

A pesar de sus ventajas, el acero presenta ciertas limitaciones:

• Pandeo Elástico: Debido a su alta relación resistencia/peso, el empleo de perfiles esbeltos sujetos a compresión los hace susceptibles al pandeo elástico.
• Fatiga: La resistencia del acero puede disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a cambios frecuentes en la magnitud de esfuerzos de tracción.

Influencia del Carbono en el Acero

El contenido de carbono es un factor crítico que modifica significativamente las propiedades del acero:

• El carbono aumenta la dureza del acero, lo que a su vez los hace menos dúctiles y, por tanto, más frágiles.
• Incrementa la resistencia mecánica del acero, es decir, eleva el esfuerzo de cedencia, el esfuerzo máximo de tracción y el esfuerzo de rotura.

Aceros con Bajo Contenido de Carbono

Los aceros con bajo porcentaje de carbono (bajo %C) son:

• Fácilmente deformables, cortables, maleables y soldables; son muy "trabajables".
• Los más económicos y de mayor producción.
• Utilizados en piezas que no requieren un alto rendimiento mecánico.

Aceros Inoxidables

Los aceros inoxidables son una categoría especial de aceros que difieren de los aceros al carbono o convencionales. Su composición incluye Hierro (Fe), Carbono (C), Cromo (Cr) y Níquel (Ni). Se producen principalmente por acería eléctrica a partir de chatarra de acero inoxidable. Aunque no se oxidan en condiciones atmosféricas normales, sí pueden hacerlo bajo otras condiciones específicas de temperatura y presión.

Elementos Clave en Aceros Inoxidables

• Cromo (Cr): Provoca un efecto anticorrosivo en condiciones ambientales al crear una capa protectora, aunque esta puede tener cierta debilidad.
• Níquel (Ni): Protege la acción anticorrosiva del Cromo y mejora las propiedades mecánicas del acero inoxidable.

Conceptos de Durabilidad y Degradación

Durabilidad

La durabilidad se define como el periodo transcurrido entre la puesta en servicio de un material o estructura y el instante en el que deja de cumplir de forma óptima las funciones para las que fue diseñado.

Carbonatación

La carbonatación es un proceso que se produce por la reacción del CO₂ del aire, en presencia de cierta humedad y temperatura ambiente, con el hidróxido cálcico libre del cemento hidratado. Esta reacción baja el pH del hormigón a valores cercanos a 8-9, lo que provoca un ascenso significativo de la velocidad de corrosión de las armaduras.

Curva Tensión-Deformación del Acero

La curva tensión-deformación es fundamental para entender el comportamiento mecánico del acero bajo carga. Se divide en varias zonas:

1. Zona Elástica Lineal (0 - A): Se conserva una proporcionalidad directa entre la tensión alcanzada y el alargamiento unitario producido en la pieza. Esta relación es conocida como la Ley de Hooke.
2. Zona Elástica No Lineal (A - B): Los alargamientos producidos crecen de manera más rápida con la tensión. Sin embargo, al cesar la carga, la pieza recupera su geometría inicial, es decir, se sigue comportando elásticamente. El punto B representa el Límite Elástico.
3. Zona de Fluencia (B - C): El material comienza a comportarse de manera plástica, lo que significa que no recupera su longitud inicial al cesar la carga, quedando una deformación remanente.
4. Zona de Fluencia con Oscilación (C - D): Las deformaciones crecen rápidamente mientras la carga fluctúa entre dos valores, conocidos como límites de fluencia superior e inferior.
5. Zona de Endurecimiento por Deformación (D - F): Esta es la zona de las grandes deformaciones plásticas. El material sigue soportando carga mientras se deforma.
6. Estricción y Rotura (E - F): En esta fase, se produce una reducción localizada de la sección transversal de la probeta (estricción), lo que también reduce el valor de la carga que puede soportar.
7. Punto de Rotura (F): Es el punto donde la carga alcanza su valor máximo (resistencia a la tracción) y, posteriormente, se produce la fractura del material. La tensión máxima de rotura se obtiene dividiendo esta carga máxima por el área inicial de la probeta.

Corrosión en el Hormigón Armado

Definición de Corrosión

La corrosión es la oxidación destructiva del acero de refuerzo por el medio que lo rodea, o más generalmente, la degradación de un material debido a su interacción con el entorno.

Conceptos Electroquímicos

• Ánodo: Electrodo en el que se produce una reacción de oxidación, donde un material, al perder electrones, incrementa su estado de oxidación.
• Cátodo: Electrodo con carga negativa que sufre una reacción de reducción, mediante la cual un material reduce su estado de oxidación al recibir electrones.

Condiciones Básicas para la Corrosión en el Hormigón Armado

Para que se produzca la corrosión en el acero de refuerzo dentro del hormigón, se requieren las siguientes condiciones:

• Presencia de una cantidad suficiente de iones cloruro (Cl^-), que actúan como electrolito.
• Un valor crítico del pH del agua de poros del hormigón en la cercanía del acero (necesario para la reacción anódica).
• Suficiente presencia de oxígeno (O₂) en la superficie del refuerzo (necesario para la reacción catódica).

Consecuencias de la Corrosión

La corrosión del acero en el hormigón armado puede tener graves repercusiones estructurales:

• El acero disminuye su sección transversal o se convierte completamente en óxido.
• El hormigón puede fisurarse o delaminarse debido a las presiones generadas por el óxido, que ocupa un volumen mayor que el acero original.
• La adherencia entre la armadura y el hormigón disminuye o desaparece, comprometiendo la integridad estructural.

Factores que Influyen en la Corrosión

Diversos factores pueden acelerar o mitigar el proceso de corrosión:

• Contenido de oxígeno (O₂).
• Contenido de iones cloruro (Cl^-) sobre el refuerzo.
• Humedad del concreto.
• Temperatura (T°).
• Potencial de corrosión y de picado.