Ingeniería

Protección de tubería e infraestructuras

La Asociación Alemana del Agua y de Aguas Residuales (DWA) presentó hace unos años un interesante informe de los daños y gastos, a corto o mediano plazo, para reparar problemáticas de las plantas de tratamiento del sistema de aguas de ese país.

Para 2004, el Informe señalaba un gasto de aproximadamente 55 mil millones de euros. Esa cantidad es parecida al pensar en reparar los sistemas de tratamiento del agua en el sector privado (doméstico e industrial). Y una de las causas mayores de daño es la corrosión de los materiales de construcción por las sustancias químicamente corrosivas.

Corrosión en los sistemas de aguas residuales
Los sustancias químicamente corrosivas que tienden a dañar las plantas de tratamiento de aguas producidas por materiales usados internamente (contenido de agua residual o corrosión ácida biogénica), y externamente (sustancias corrosivas en aguas subterráneas o el mismo suelo o los sitios contaminados) son sustancias inorgánicas (aniones, cationes, ácidos, bases) u orgánicas (carbonos alifáticos, aromáticos o halogenados y ácidos orgánicos).
Se puede decir que, en general, las sustancias inorgánicas tienden a dañar los materiales minerales inorgánicos, como el concreto, mientras que las orgánicas tienden a dañar principalmente los materiales orgánicos, como los plásticos. Las sustancias más dañinas encontradas en las plantas de tratamiento de aguas son el ácido sulfúrico, en el caso del concreto, y los carbonos halogenados y aromáticos, en el caso de los plásticos.
El acido sulfúrico se origina en thiobacilli en espacios de gas en las paredes de las plantas de tratamiento de aguas. Los thiobacilli convierten los componentes orgánicos de las aguas residuales que liberan gas H₂S, en ácido sulfúrico durante el proceso de fermentación. Por su parte, los carbonos halogenados y aromáticos pueden
llegar a las aguas residuales industriales o domésticas, o producirse en sitios contaminados. A fin de prevenir la corrosión y/o proteger las tuberías e infraestructuras, puede aplicarse concreto de alta resistencia (concreto lanzado) o sistemas de prevención de la corrosión en construcciones nuevas o en trabajos de reparación.

Concreto de alta resistencia
El concreto puede ser gravemente dañado por el ácido. Dado que los aditivos granulares del concreto son generalmente insolubles, el ácido ataca principalmente la matriz de cemento. Los ácidos pueden disolver prácticamente todos los componentes de la matriz de la pasta de cemento endurecida, en sus fases CSH, Ca (OH)₂. El hidróxido de calcio Ca(OH)₂, producido cuando al hidratarse el cemento Portland se disolverá fácilmente en el ácido. Cuando se hidrata el cemento, el hidróxido de calcio tiende a cristalizarse en aquellas áreas que con anterioridad habían sido penetradas por agua, y también en la superficie de los granos. De esta manera, se crea una estructura en red tridimensional de Ca(OH)₂ que penetra todo el concreto. Las fases CSH y los granos de clinker son negros: el Ca (OH)₂ aparece en amarillo brillante.
Si el hidróxido de calcio es disuelto con ácidos, el ataque penetrara rápidamente por las vías de acceso hacia el interior de la matriz de los ligantes. Al principio, se producirá un daño profundo en el concreto: esto es prácticamente invisible a simple vista. En el caso de la corrosión por ácido sulfúrico biogénico, en una segunda etapa los sulfatos del ácido sulfúrico penetrarán a lo largo de las vías del Ca(OH)₂ disuelto en el concreto y procederán a destruir el concreto en un ataque agresivo.
La matriz de concreto dañada por el ácido sulfúrico biogénico (H2S04), tiene así sus primeras líneas de ataque que causan daños. En la primera línea, la matriz de concreto, tal como se ha visto en la superficie dañada, es totalmente destruida por un ataque de disolución (H+) y por un ataque de expansión (SO₄ ²+). La capa totalmente destruida es fácil de eliminar físicamente, si de hecho no desaparece espontáneamente.
Una segunda línea de ataque, más profunda, es invisible a simple vista, y puede verse sólo a través del microscopio. Dentro de esta segunda capa, el ácido ha dañado simplemente la matriz de concreto con el ataque de disolución. La durabilidad física de esta capa se conserva considerablemente, ya que aún no se ha producido, o casi no se ha producido, un ataque agresivo. Si sólo se elimina el concreto de la primera línea dañada durante una reparación y se aplica una capa protectora, las medidas de reparación o remediadoras a menudo sólo tienen éxito a corto plazo, ya que el sulfato de la primera línea dañada será reactivado si se usa un chorro de agua de alta presión; este proceso puede alcanzar la segunda línea frontal dañada en la estructura de la micro fisura.
Podemos formar así etringita o yeso, que conducirá a un ataque agresivo bajo el reperfilado o recubrimiento. De esta forma, la unión de la capa protectora o reperfilado puede quedar comprometida. Por estos motivos, para lograr medidas de restauración acertadas es fundamental examinar microscópicamente la profundidad de ambas líneas dañadas y eliminar en su totalidad el concreto dañado.
Puede lograrse una durabilidad suficiente de hasta un valor de pH de aprox. 3,5 a 4, usando un concreto de alta resistencia, concreto lanzado para nueva construcción o en trabajos de reparación en que la estructura de Ca(OH)₂, sea en gran medida transformada en las fases más resistentes de CSH mediante el uso de aditivos hidráulicos latentes o puzolánicos, como escoria granulada, ceniza volante o microsílice. Así, se logra la máxima densidad mediante la optimización granulométrica.
La durabilidad de estos tipos de concreto es de alrededor de 5 a 20 veces superior a los concretos "normales" basados en el cemento Portland con una alta resistencia al sulfato; su duración de vida aumenta proporcionalmente. Por encima de todo, el daño profundo en la matriz de ligante ya no ocurrirá con el concreto de alta resistencia. Así, la profundidad del daño al concreto de alta resistencia corresponde al daño visible. La probeta casi no afectada contiene aditivos puzolánicos.
La siguiente probeta –completamente destruida– estaba hecha sólo de cemento Portland. Sin embargo, allí donde hay corrosión severa de ácido sulfúrico biogénico, pueden alcanzarse valores de pH de hasta 0,5. Comparado con el valor de pH natural del concreto (aprox. 12,6 en caso del cemento Portland), esto representa aproximadamente una concentración de ácido de diez mil millones superior (Concentración H+). En estas condiciones, el concreto de reperfilado o concreto lanzado requiere una protección suplementaria contra el ataque adicional del ácido sulfúrico mediante un sistema de protección de la corrosión.

Sistemas de protección de la corrosión

Los principales sistemas de protección de la corrosión están basados en plásticos (capas, revestimientos, rellenos sólidos) o gres (revestimientos, rellenos sólidos). Los plásticos son generalmente resistentes a las sustancias inorgánicas como las sales y los ácidos. Las sustancias inorgánicas oxidantes son una excepción, sobre todo los ácidos oxidantes: los ácidos oxidantes inorgánicos también dañan los materiales orgánicos (plásticos) en gran medida. El ácido sulfúrico biogénico es un ácido que se oxida suavemente. El ácido nítrico, que puede aparecer en el agua residual con un alto contenido en nitrógeno a través de bacterias de nitrificación en la planta de tratamiento de aguas, es un ácido muy oxidante.
Cuando los ácidos sulfúrico y nítrico se producen conjuntamente, la mezcla ácida tiene una acción de oxidación muy potente. Por lo tanto, antes de elegir un sistema de protección de la corrosión basado en plásticos, debería verificarse en todos los casos si se produce o no ácido nítrico, o si podría producirse, conjuntamente con el ácido sulfúrico. Además, antes de elegir un sistema de protección de la corrosión, debe verificarse si podrían o no aparecer medios orgánicos en las áreas que deben ser reparadas.
Hay muchos medios que ofrecen la misma resistencia química de los plásticos a las sustancias orgánicas. En estos medios, la durabilidad de un plástico en particular se indica generalmente con términos tradicionales como "buena", "moderada" o "reducida". Dado que raramente se declara el procedimiento de pruebas es, por lo general, difícil evaluar las informaciones. Además, la misma clasificación genérica (poliéster o epóxido) podría incluir plásticos con características de resistencia química variadas. Así pues, no es factible una evaluación general precisa de la acción química de las sustancias orgánicas en sistemas orgánicos. En consecuencia, los sistemas de protección de la corrosión tienen que ser probados en su durabilidad usando las sustancias orgánicas realmente supuestas y que se encuentran en el sitio. Esto se aplica en particular cuando podrían estar presentes carbonos halogenados o aromáticos. Muchos plásticos se disolvieron en contacto con los carbonos halogenados o aromáticos en cuestión de horas o días, incluso en espacios de gas. Lo mismo puede decirse para los revestimientos hechos de gres o cristal que contienen plásticos como sellador, ya que la durabilidad de los sistemas vendrá determinada principalmente por la resistencia especifica del material sellador mismo. Cabe subrayar, que los componentes de construcción (tubos) fabricados con cerámica o cristal son resistentes a prácticamente todos los medios corrosivos encontrados en las plantas de tratamiento de aguas. c

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Referencias: R.Huttl, Instituto para la Comprobación de Materiales, Berlín, Alemania, en PHI Planta de Hormigón Internacional. 3, 2009.