CORROSIN DE ARMADURAS EN ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO

Pedro Garcs Terradillos Miguel ngel Climent Llorca

Emilio Zornoza Gmez

Ttulo: Corrosin de armaduras en estructuras de hormign armado Autores: Pedro Garcs Terradillos Miguel ngel Climent Llorca Emilio Zornoza Gmez ISBN: 978-84-8454-685-6 Depsito legal: A-1035-2008 Edita: Editorial Club Universitario Telf.: 96 567 61 33 C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) www.ecu.fm Printed in Spain Imprime: Imprenta Gamma Telf.: 965 67 19 87 C/. Cottolengo, 25 - San Vicente (Alicante) www.gamma.fm gamma@gamma.fm

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NDICE 0. PRLOGO............................................................................................................................7 1. INTRODUCCIN...............................................................................................................9

1.1. Acero y hormign .................................................................................... 9 1.2. Costes econmicos de la corrosin........................................................10 1.3. Aspectos normativos..............................................................................13

2. INTERACCIN ACERO HORMIGN.....................................................................15

2.1. Introduccin ...........................................................................................15 2.2. El cemento y las reacciones de hidratacin...........................................16 2.3. Porosidad y procesos de transporte .......................................................18 2.4. Relacin a/c y curado.............................................................................19 2.5. Porosidad, permeabilidad y percolacin ...............................................22

3. NATURALEZA ELECTROQUMICA DE LA CORROSION.............................25 4. CAUSAS DE LA CORROSIN DE LAS ARMADURAS....................................27

4.1. Tipos de corrosin..................................................................................28 4.2. Posibilidad, probabilidad y cintica de corrosin .................................28

5. LAS FASES DE LA CORROSIN: INICIACIN Y PROPAGACIN ..........33

5.1. Modelo de Tuutti....................................................................................33 5.2. Velocidad de corrosin ..........................................................................34 5.3. Modelo de Tuutti cuantificado ..............................................................35 5.4. Consecuencias de la corrosin...............................................................37 5.5. Comportamiento de otros metales.........................................................39

6. LA PASIVACIN DEL ACERO POR EL MEDIO MUY BSICO DEL HORMIGN ..........................................................................................................................41

6.1. El acero en equilibrio con la disolucin intersticial del hormign en el cemento Prtland...........................................................................................41 6.2. Diagrama de Pourbaix del Fe ................................................................42 6.3. La influencia de adiciones minerales en la disolucin intersticial........44

7. LA INICIACIN DE LA CORROSIN POR LA CARBONATACIN DEL HORMIGN DE RECUBRIMIENTO...............................................................45

7.1. Mecanismo de carbonatacin y determinacin de la profundidad del frente carbonatado..........................................................................................45 7.2. Penetracin de la carbonatacin ............................................................46 7.3. Factores que influyen en la velocidad de carbonatacin ......................47

7.3.1. Humedad................................................................................. 47 7.3.2. Concentracin de CO2 ............................................................ 50 7.3.3. Temperatura............................................................................ 51

7.4. Influencia de los parmetros relativos al hormign. .............................51 7.5. Relacin de las adiciones minerales con la carbonatacin. ..................52 7.6. Velocidad de corrosin ..........................................................................53 7.7. Hormign carbonatado y contaminado con cloruros............................55

8. CORROSIN LOCALIZADA INDUCIDA POR LA ACCIN DE LOS CLORUROS..................................................................................................................57

8.1. Introduccin ...........................................................................................57 8.2. Papel de los cloruros en el proceso de corrosin. .................................59 8.3. El papel del pH en la rotura de la pasividad..........................................61 8.4. Estructuras expuestas a la atmsfera .....................................................63 8.5. Estructuras sumergidas ..........................................................................64 8.6. Cloruros combinados y cloruros libres..................................................64 8.7. Penetracin de cloruros..........................................................................65

8.7.1. Difusin estacionaria .............................................................. 65 8.7.2. Difusin no estacionaria ......................................................... 67

8.7.2.1. Contenido en la superficie (Cs)...................................... 70 8.7.2.2. Coeficiente de difusin aparente.................................... 72

8.8. Umbral de despasivacin........................................................................74 8.9. Influencia de la naturaleza del cemento y de las adiciones minerales ....75 8.10. Importancia del ambiente exterior.......................................................76

9. FACTORES ACELERANTES DE LA CORROSION DE ARMADURAS ......79

9.1. Influencia de la humedad en el interior del hormign ..........................79 9.2. Influencia de la temperatura ..................................................................81 9.3. Influencia de los productos de corrosin...............................................81 9.4. Influencia de la composicin del hormign..........................................81 9.5. Influencia de las fisuras..........................................................................82 9.6. Macropares galvnicos ..........................................................................83

10. MTODOS UTILIZADOS PARA EL ESTUDIO DE LA CORROSIN........85

10.1. Mtodos gravimtricos: prdida de peso.............................................85

10.2. Potencial de corrosin..........................................................................86 10.3. Medida de la resistividad .....................................................................87 10.4. Medidas de la intensidad de corrosin. Resistencia de polarizacin ...................................................................................................88

11. MTODOS DE PROTECCIN FRENTE A LA CORROSIN EN HORMIGN ARMADO.....................................................................................................91

11.1. Introduccin .........................................................................................91 11.2. Mtodos de proteccin.........................................................................92 11.3. Recubrimientos metlicos: Galvanizado.............................................92 11.4. Recubrimientos plsticos, resinas y pinturas sobre la armadura ........95 11.5. Proteccin catdica ..............................................................................96 11.6. Utilizacin de aceros inoxidables........................................................98 11.7. Los inhibidores de corrosin .............................................................101

12. EVALUACIN DE LA CORROSIN...................................................................105

12.1. Daos visibles ....................................................................................105 12.2. Mtodos de control de la corrosin en las EHA ...............................106 12.3. Inspecciones preventivas y forzadas .................................................109

13. BIBLIOGRAFIA GENERAL.....................................................................................113 14. BIBLIOGRAFIA CITADA.........................................................................................115

0. PRLOGO Las estructuras de hormign armado forman una parte importante de nuestra infraestructura. La combinacin de la elevada resistencia a compresin del hormign y las altas propiedades a traccin de la armadura de acero, da un material compuesto ideal que ofrece, comparado con otros materiales, un amplio abanico de aplicaciones en la ingeniera de estructuras. Edificios, losas, vigas, puentes, pilares, tanques y tuberas, son estructuras tpicas que se pueden realizar con hormign armado. En el proceso de diseo de estructuras, los arquitectos e ingenieros civiles estn implicados por igual y frecuentemente se hace una distincin entre las circunstancias que afectan a la seguridad del edificio y aquellas que no constituyen un riesgo inmediato pero que pueden hacer que el edificio sea inservible. Esta ltima condicin se refiere al estado lmite de servicio de la estructura. Tradicionalmente los factores estructurales y no estructurales que afectan a la practicidad de los edificios se han tratado de forma separada por los diseadores y tambin se han repartido entre grupos distintos de ingenieros. Pero no slo debe considerarse la carga mecnica: toda estructura est expuesta a un ambiente que puede tener una enorme influencia en su durabilidad. Normalmente esta interaccin entre el material de la estructura y el ambiente se llama corrosin. Estudiando la historia del hormign armado se encuentran pocos casos donde una estructura haya fallado debido a cargas mecnicas que no se hayan considerado en la fase de diseo. Las normativas tcnicas ofrecen suficiente informacin a la hora de dar una gua al tcnico para disear una estructura adecuada a soportar todas las cargas mecnicas. El problema, entonces, puede surgir debido a la falta de sensibilidad y conocimiento cuando se afrontan cuestiones como la corrosin. Como se ha sealado anteriormente, rara vez se encuentras fallos de las estructuras debido a sobrecargas pero se conoce un alto nmero de estructuras en las que la corrosin y especialmente la corrosin de la armadura ha conducido a fallos prematuros y reparaciones costosas. Por ello la corrosin de las armaduras en estructuras es ahora un aspecto que figura en el

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Prlogo

mantenimiento de edificios ya construidos y que ha contribuido a cierto nmero de colapsos estructurales. Incluso despus de 50 aos de experiencia con los problemas de corrosin en estructuras de hormign armado existe todava la necesidad para los diseadores de estructuras de adquirir un mayor entendimiento de los factores y parmetros que afectan a la corrosin de las armaduras y un desarrollo o mejora de las normativas o cdigos de prctica para poner ms nfasis en la necesidad de disear para la durabilidad de las estructuras. Por supuesto, no slo est el lado tcnico del problema. Las implicaciones prcticas se reflejan principalmente en las prdidas econmicas que pueden llevar a la prdida de utilidad temporal o completa, el coste las reparaciones y la monitorizacin, o en el peor de los casos la necesidad prematura de demolicin y sustitucin. Estos temas unidos forman un argumento vlido para una mayor concienciacin de la necesidad para los diseadores de considerar explcitamente la implicacin de sus requerimientos para la durabilidad de las estructuras.

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1. INTRODUCCIN

1.1. Acero y hormign Durante milenios, el hormign preparado por los romanos usando cal, puzolana y ridos ha sobrevivido a los elementos, dando prueba de su durabilidad. Nos han llegado desde entonces prestigiosos trabajos de hormign: edificios como el Panten en Roma, cuya estructura actual fue completada en el ao 125 d.C. y tambin estructuras en ambientes marinos han sobrevivido durante dos mil aos. Cuando el hormign armado empez a ser utilizado de forma industrial a principios del siglo XX, muchos pensaron haber encontrado un material de construccin tan durable como la piedra o el ladrillo, pero adems dotado de propiedades mecnicas prximas a las del acero. Desde finales del siglo XVIII, que se construy el primer puente enteramente en hierro de fundicin, el acero haba sido el material capaz de permitir los mayores avances en las tcnicas constructivas, pero con la contrapartida de que era necesario un mantenimiento que evitara su oxidacin. En cambio el acero dentro del hormign alcanzaba un estado de pasividad qumica tal, que lo conservaba indefinidamente sin corrosin. Esta circunstancia, unida a la propia barrera fsica que supone el recubrimiento, hizo pensar en que la asociacin acero-hormign se convertira en un material compuesto sin necesidad de mantenimiento. De hecho, si el diseo de una estructura, la eleccin de materiales, la composicin de la mezcla, la colocacin, compactacin y curado se llevan acabo de acuerdo a las normativas actuales, entonces el hormign es capaz, bajo la mayora de condiciones ambientales, de ofrecer proteccin ms all de los 50 aos tpicos requeridos de vida de servicio en muchas estructuras ordinarias, al menos en regiones de clima suave. En la actualidad si bien el hormign armado y pretensado siguen siendo el material de construccin por excelencia y no se vislumbra que se pueda desarrollar otro que tenga tantas propiedades favorables al mismo costo, la idea de que el hormign es un material que no necesita operaciones especiales de conservacin, ha variado radicalmente. La constatacin de que las armaduras del hormign se corroen bajo ciertas condiciones y muchas

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Introduccin

estructuras necesitan ser reparadas con slo 10, 20 30 aos de servicio, son realidades que han comenzado a ser asimiladas por muchos tcnicos relacionados con la construccin y cada vez son ms las normativas que dedican captulos especiales a la durabilidad en general y a la de las armaduras en particular. En nuestro pas empieza a ser creciente el nmero de estructuras que presentan daos debido a la corrosin de sus armaduras. La mayora de ellas estn localizadas en las zonas costeras donde debido a la accin de los cloruros, la oxidacin de las armaduras de acero puede producirse a partir de los 10-20 aos de la construccin. Muchos de los daos se reparan sin siquiera identificar cuales han sido las causas, lo que lleva la mayora de las veces a la necesidad de una segunda intervencin en un perodo corto de tiempo. La educacin, y por lo tanto la enseanza, tiene un papel muy importante, no slo formando profesionales sensibles al problema de la durabilidad, sino tambin dndoles las herramientas necesarias para resolverlos.

1.2. Costes econmicos de la corrosin

Evaluaciones llevadas a cabo por comits de expertos, en corrosin y proteccin contra la corrosin, fijan las prdidas anuales causadas por la corrosin en torno al 3,5% del producto interior bruto (PIB) de un pas. Estas cifras pueden considerarse todava como excesivamente optimistas, pues, en la mayora de los casos, incluyen slo los costes directos de la corrosin ocasionados por las medidas preventivas, de mantenimiento, o por sustitucin de las partes corrodas, siendo as que una evaluacin ms real debera incluir las ramificaciones primarias, como prdidas de produccin, costes de las plantas durante el paro, coeficientes de seguridad en el diseo para prevenir los desgastes producidos por la corrosin, o disminucin de la calidad en la produccin a consecuencia de la impurificacin con los productos de corrosin, entre otras. En el Informe Hoar, modelo del que parten todos los estudios sobre los costes sociales de la corrosin, dado a conocer ya hace ms de 3 decenios [0], se estimaba que las prdidas por corrosin ocasionadas en el sector de la construccin representaban el 18,3% del total (250 millones de Libras de entonces), siendo superadas exclusivamente por las prdidas atribuidas a los sectores del transporte y las aplicaciones marinas. En la Figura 1 se condensan los datos fundamentales del citado informe, huyendo de dar valores absolutos, que carecen de validez actual, mientras que, aproximadamente, los porcentajes o valores relativos conservan su vigencia.

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Corrosin de armaduras en estructuras de hormign armado

AguaTransporte

Energa

Petroqumica

Semifabricacin y refino de

metales

Marina

Administracin

lngenieria en gral.

Alimentacin

Construccin

Ahorros parcialespotenciales

Figura 1. Costes portcentuales de la corrosin en el Reino Unido y estimacin de los ahorros potenciales derivados de un uso correcto de los conocimientos en corrosin y proteccin. Admitiendo que los costes de la corrosin puedan ascender hasta un 3,5% del PIB, los debidos al sector de la construccin se situaran algo por encima del 0,6% de dicho ndice. Existen muy pocos estudios, realizados sistemticamente y con rigor, sobre las consecuencias econmicas que acarrea la corrosin de armaduras. Sin duda los ms fiables son los realizados en EE.UU., de los que se darn algunas cifras, aunque no son extrapolables a otras reas geogrficas que tengan climas ms templados. De todas formas pueden dar una idea del por qu en algunos pases se estn adoptando estrategias muy extremas para evitar que las cifras crezcan de forma exponencial, como hasta el presente. J. Slater public, en 1979 [2], los costes asociados al uso de sales de deshielo. Si se exceptan los daos causados en el parque automovilstico, las prdidas mayores son las causadas en puentes y carreteras, que ascendan entonces a 500 millones $ USA/ao, segn la Enviromental Protection Agency (EPA) y a 152 millones segn el Salt Institute. En el mismo trabajo, Slater avanzaba una previsin de gastos realizada por la Federal Highway Administration (FHWA) en reparacin de estructuras slo de las afectadas por sales de deshielo. El coste total de reparacin y proteccin de puentes se estim en 2,6 billones $ U.S.A para 1996. En 1980, Kiliareski public otro trabajo [3] en el que citaba un censo de 234.000 puentes en el Sistema Federal y unos 6.900 en el resto de la red viaria, necesitados de reparaciones estructurales debido a la corrosin de

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Introduccin

armaduras. Calculaba el costo de la reparacin o reconstruccin de estas puentes en 12,5 billones $ USA, que elevaba a 100 billones al considerar todo el sistema viario del pas, lo que representaba un 10% del Producto Interior Bruto (GNP). Dramatizaba, finalmente, que adems esta situacin, se produca en puentes con una vida de alrededor de 5 aos, cuando haban sido calculados para 30 40 aos. En 1982, Craig, O'Conner y Ahlskog [4] vuelven a insistir sobre las estadsticas, refirindose a un inventario de puentes reciente de la FHWA. De los 500.000 puentes censados, 39.000 necesitaban rehabilitacin para ser usados de forma segura. Esto supona 33 millones de m2 de tablero, que calculando un costo de reparacin de 215$ /m2 supona 7,2 billones $ USA. En el mismo trabajo, citan la intervencin del Secretario de Transporte en marzo de 1981 en el "Report to Congress on the Highway Bridge Replacement and Rehabilitation Program" en el que alude a que 209.000 puentes tienen deficiencias cuya reparacin necesitara 41 billones $ USA. Skalny [5], en 1987, en nombre del comit Concrete Durability y en un informe al National Research Council de USA, resume la situacin de la siguiente manera: el valor de todos los edificios o estructuras de hormign fue calculado en 1981 por el Bureau of Census en alrededor de 6 trillones $ USA. Por otro lado, en 1985 el volumen de negocio en construccin fue de unos 300 billones $ USA, empleando alrededor de 5,5 millones de trabajadores (17% de la fuerza trabajadora estadounidense). En relacin a este volumen de negocio, los costos estimados en 1984 de reparacin y construccin por el Transportation Research Board son de 50 billones $ USA. Ms recientemente, se ha estimado que los costes totales de la corrosin en USA han pasado de 5,5109 $ en 1949 a 2,761011 $ en 2002 [6]. Por ltimo, en nuestro pas, una estimacin reciente cifra el coste de las reparaciones y sustituciones a causa de los deterioros provocados por la corrosin en las estructuras de hormign armado en Espaa en 1.200 millones de euros anuales [7]. Cifras ambas que vuelven innecesario cualquier argumento adicional sobre la importancia del tema que nos ocupa. A pesar del relativo pequeo porcentaje de estructuras daadas, respecto del total del parque construido, la repercusin de estas reparaciones en la economa particular del afectado es grande, lo que le crea una desconfianza en la durabilidad del hormign armado y le hace tender a buscar soluciones ms duraderas en otros tipos de material, como el acero, en el que, a pesar de sus mayores gastos de mantenimiento, encuentra al menos una mayor sensacin de seguridad.

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Corrosin de armaduras en estructuras de hormign armado

Esta sensacin de seguridad se desprende de que el usuario es capaz de seguir visualmente el estado de deterioro, mientras en el hormign armado, el deterioro solo se aprecia cuando ya el dao es grande y ms costosa su reparacin que la del acero visto.

1.3. Aspectos normativos

Por regla general, cualquier disposicin que implique una limitacin de la porosidad del hormign contribuye a la durabilidad del sistema hormign-armadura. Las reglas que conciernen a la necesidad de un curado hmedo del hormign tendrn una importancia muy particular, puesto que los primeros centmetros del recubrimiento del hormign son muy sensibles a los efectos de la desecacin. Las otras disposiciones, directamente relacionadas con la corrosin de las armaduras, conciernen a la limitacin en el contenido de iones cloruros, la fijacin del espesor del recubrimiento mnimo y la limitacin del tamao de las fisuras en el hormign armado. Limitacin del contenido de iones cloruro Si bien los distintos componentes del hormign, agua, cemento, rido y aditivos tienen sus respectivas limitaciones parciales, la Instruccin del Hormign Estructural (EHE) establece en su artculo 30.1 que la cantidad total de in cloruro aportado por los componentes a la mezcla no exceder de un 0,2% en peso del cemento para hormigones pretensados ni de un 0,4% en peso del cemento para hormign armado o en masa conteniendo armaduras (de control de fisuracin). Tambin la norma europea ENV-206, apartado 5.5 establece valores mximos de contenidos de cloruros en el hormign. Espesor mnimo de recubrimiento El artculo 7.2.4. de la Instruccin EHE establece los recubrimientos mnimos de hormign sobre las armaduras, que dependen de la clase de exposicin del elemento, del tipo de elemento (in situ, prefabricado, lminas) de la resistencia del hormign y del control de ejecucin. Deber ser indicado en el proyecto por el autor del mismo, los valores han aumentado respecto de los que indicaba la anterior Instruccin EH-91. La tabla 4.2 del Eurocdigo 3, Parte 1.1, establece tambin los valores de recubrimiento mnimo segn el tipo de exposicin, para hormigones armados y pretensados.

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Introduccin

Tabla 1. Espesores mnimos de revestimiento de las armaduras a respetar en funcin de las condiciones de exposicin segn la EHE.

Condiciones de exposicin Espesor mnimo de revestimiento de las armaduras (en cm)

Entorno seco en el interior de locales

1

Entorno hmedo y agresivo para obras expuestas a las inclemencias, condensaciones y en contacto con los lquidos

3 2, si la resistencia caracterstica del hormign es superior a 40 MPa

Entorno muy agresivo por exposicin al mar, a las brumas, nieblas salinas, sales fundentes y en atmsfera qumicamente agresiva

5 3, si las armaduras estn protegidas por un procedimiento eficaz

Limitacin del ancho de fisura La Instruccin EHE y el Eurocdigo 2, Parte 1.1, establecen los valores mximos del ancho de fisura en los artculos 4.9.2.4 y 4.4.2 respectivamente. Dichos valores mximos, diferentes para el hormign armado y pretensado dependen tambin del tipo de ambiente. Los estudios que conciernen a la fisuracin superficial no han revelado una agravacin determinante de la corrosin cuando el ancho de la fisura no excede los 0,4 mm en ausencia de cloruros.

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0. PRLOGO1. INTRODUCCIN1.1. Acero y hormign1.2. Costes econmicos de la corrosin1.3. Aspectos normativos

2. INTERACCIN ACERO HORMIGN2.1. Introduccin2.2. El cemento y las reacciones de hidratacin2.3. Porosidad y procesos de transporte2.4. Relacin a/c y curado 2.5. Porosidad, permeabilidad y percolacin

3. NATURALEZA ELECTROQUMICA DE LA CORROSION4. CAUSAS DE LA CORROSIN DE LAS ARMADURAS 4.1. Tipos de corrosin4.2. Posibilidad, probabilidad y cintica de corrosin

5. LAS FASES DE LA CORROSIN: INICIACIN Y PROPAGACIN5.1. Modelo de Tuutti5.2. Velocidad de corrosin5.3. Modelo de Tuutti cuantificado5.4. Consecuencias de la corrosin5.5. Comportamiento de otros metales

6. LA PASIVACIN DEL ACERO POR EL MEDIO MUY BSICO DEL HORMIGN6.1. El acero en equilibrio con la disolucin intersticial del hormign en el cemento Prtland6.2. Diagrama de Pourbaix del Fe6.3. La influencia de adiciones minerales en la disolucin intersticial

7. LA INICIACIN DE LA CORROSIN POR LA CARBONATACIN DEL HORMIGN DE RECUBRIMIENTO7.1. Mecanismo de carbonatacin y determinacin de la profundidad del frente carbonatado.7.2. Penetracin de la carbonatacin7.3. Factores que influyen en la velocidad de carbonatacin7.3.1. Humedad7.3.2. Concentracin de CO27.3.3. Temperatura

7.4. Influencia de los parmetros relativos al hormign.7.5. Relacin de las adiciones minerales con la carbonatacin.7.6. Velocidad de corrosin7.7. Hormign carbonatado y contaminado con cloruros

8. CORROSIN LOCALIZADA INDUCIDA POR LA ACCIN DE LOS CLORUROS 8.1. Introduccin8.2. Papel de los cloruros en el proceso de corrosin.8.3. El papel del pH en la rotura de la pasividad8.4. Estructuras expuestas a la atmsfera8.5. Estructuras sumergidas8.6. Cloruros combinados y cloruros libres8.7. Penetracin de cloruros8.7.1. Difusin estacionaria8.7.2. Difusin no estacionaria

8.8. Umbral de despasivacin8.9. Influencia de la naturaleza del cemento y de las adiciones minerales8.10. Importancia del ambiente exterior

9. FACTORES ACELERANTES DE LA CORROSION DE ARMADURAS9.1. Influencia de la humedad en el interior del hormign 9.2. Influencia de la temperatura9.3. Influencia de los productos de corrosin9.4. Influencia de la composicin del hormign9.5. Influencia de las fisuras9.6. Macropares galvnicos

10. MTODOS UTILIZADOS PARA EL ESTUDIO DE LA CORROSIN10.1. Mtodos gravimtricos: prdida de peso 10.2. Potencial de corrosin10.3. Medida de la resistividad10.4. Medidas de la intensidad de corrosin. Resistencia de polarizacin

11. MTODOS DE PROTECCIN FRENTE A LA CORROSIN EN HORMIGN ARMADO11.1. Introduccin11.2. Mtodos de proteccin11.3. Recubrimientos metlicos: Galvanizado11.4. Recubrimientos plsticos, resinas y pinturas sobre la armadura11.5. Proteccin catdica11.6. Utilizacin de aceros inoxidables 11.7. Los inhibidores de corrosin

12. EVALUACIN DE LA CORROSIN12.1. Daos visibles12.2. Mtodos de control de la corrosin en las EHA12.3. Inspecciones preventivas y forzadas

13. BIBLIOGRAFIA GENERAL14. BIBLIOGRAFIA CITADA