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Flumen 1(1): 62-69 (2005) Revista de la Universidad Católica Santo Toribo de Mogrovejo Chiclayo, Perú

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Estudio comparativo de la capacidad de protección contra la corrosión de los sistemas de pinturas para acero galvanizado Comparative study of protective coatings applied on weathered galvanized structures contaminated with soluble salts Santiago Flores Merino1 y Willam Ruiz Coronado2

Resumen Muchas estructuras de acero galvanizado (como por ejemplo las torres de alta tensión) ubicadas a lo largo de la costa peruana requieren mantenimiento periódico para extender su tiempo de vida útil. A los pocos años de su instalación se encuentran en las superficies de estas estructuras herrumbre y algunos contaminantes salinos. Algunas veces, la aplicación de un recubrimiento para prolongar el tiempo de vida útil de la estructura, se ve limitado por las restricciones típicas de mantenimiento en el campo, las cuales se reducen a un simple lavado de sales de la superficie y el posterior cepillado mecánico de la misma. Para la presente investigación se envejecieron en una cámara de corrosión acelerada de niebla salina los paneles de acero galvanizado a estudiar. Al finalizar el proceso artificial de envejecimiento de los paneles se determinó la concentración de sales, presentes en la superficie de cada panel. Posteriormente los paneles fueron divididos en tres grupos y se procedió a limpiar las superficies con cepillo de cerdas metálicas y luego se los recubrió con uno de los tres sistemas de pintura seleccionados para la presente investigación y que son recomendadas por los fabricantes para el pintado de estructuras de acero galvanizado. La evaluación del comportamiento de los tres sistemas de pinturas se efectuó mediante ensayos de corrosión acelerada y la técnica de la impedancia, ambos resultados fueron comparados con un ensayo de exposición natural en atmósfera marina de la ciudad de Lima, Perú. Palabras Clave: Mantenimiento por recubrimientos orgánicos, acero galvanizado envejecido, sales solubles, pintado del acero galvanizado. Abstract Many galvanized steel structures (i.e. transmission towers) along Peruvian coast require periodical maintenance to extend its useful lifetime. After several years of exposure, soluble salts in the corrosion products of weathered and rusted galvanized surfaces may be found. Sometimes, the useful lifetime of the applied coating will be limited by restrictions typical of maintenace in the field, which allow just a marginal surface preparation by hand-brushing, leaving the soluble salts upon the surface. Galvanized steel panels were weathered by exposure in accelerated corrosion chambers and the amount of soluble salts upon the surface was determined after completion of the tests. Afterwards, exposed panels were cleaned by hand-brushing and coated with three different paint systems recommended for maintenance of galvanized structures. Evaluation of the applied systems was carried out by accelerated corrosion tests and electrochemical impedance techniques, both results being compared with a natural exposure test at the marine atmosphere of Lima, Peru. Keywords: Maintenance coatings, weathered galvanized steel, soluble salts, painting galvanized steel. 1

Instituto de Corrosión y protección de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP)

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wruiz@usat.edu.pe Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo Presentado 15 julio 2004 - Aceptado 20 noviembre 2004


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Capacidad de protección contra la corrosión de pinturas para acero galvanizado

Introducción Desde muchas décadas atrás, se están pin tando las superficies de acero galvanizado con el propósito de aumentar su resistencia a la corrosión atmosférica en ambientes marinos. La combinación de pintura y galvanizado como sistema de protección contra la corrosión del acero se le conoce con el nombre de sistema duplex (Van 1976). La aplicación de la pintura sobre la estructura galvanizada requiere contar con una superficie galvanizada limpia y debidamente preparada. Sin embargo, en el caso de estructuras galvanizadas que han sido puestas en servicio hace años, como por ejemplo las torres de transmisión eléctrica, y que no es posible brindarles un mantenimiento frecuente por lo poco accesible de la zona donde están ubicadas; su mantenimiento y reparación limita la preparación de la superficie a un simple limpieza con agua y cepillo metálico para su pintado (Long 1987).

Por lo tanto para el mantenimiento de estructuras de acero galvanizado que han sido expuestas a una atmósfera corrosiva (marina o industrial), deberá utilizarse sistemas de pintura que puedan ser aplicadas con un mínimo de tratamiento de las superficies envejecidas, con herrumbre y, probablemente, contaminadas con sales solubles de cloruros o sulfatos. Debido a la información limitada sobre este tema, el problema a estudiar es: cuál será el com portamiento de los sistemas de pintura recomendadas por los fabricantes para el mantenimiento de las estructuras galvanizadas nuevas, al ser aplicadas sobre substratos galvanizados envejecidos artificialmente pero con características de superficie similares a las que se han encontrado en las superficies de las estructuras en servicio, en la costa peruana y en la ciudad de Lima; con el objetivo de recomendar sistemas de pintura para la protección de estructuras de acero galvanizado que operan en ambientes altamente corrosivos.

Materiales y procedimientos Preparación de sustratos envejecidos, corroídos y contaminado con sales solubles

intervalos de 24, 48, 98, 240 y 720 horas; para determinar los niveles de contaminantes salinos (Cl- y SO42-).

Las placas de acero galvanizado nuevo, con dimensiones de10x15x0,08 cm y con un espesor del recubrimiento de zinc en el rango de 20 a 25 µm, fueron envejecidas y contaminadas artificialmente con niveles conocidos de concentración de cloruros y sulfatos al ser expuestas en cámaras de niebla salina y dióxido de azufre respectivamente, de acuerdo a la norma ISO 7253-84 (Deter mination of resistance to neutral salt spray) y la norma ISO 3231-93 (Determination of resistance to humid atmospheres containing sulphur dioxide), respectivamente.

Los productos de corrosión no adherentes presentes en las placas de control, envejecidas artificialmente, fueron removidos mediante el proceso de cepillado manual utilizando para ello un cepillo de cerdas de acero. Posteriormente las placas de control fueron lavadas con agua destilada para reducir el contenido de cloruros y sulfatos presentes sobre su superficie. Este método constituye el procedimiento normal de preparación de superficies de acero galvanizado corroído y contaminado con sales en el campo.

Durante el ensayo de envejecimiento se retiraron de las cámaras de niebla salina y dióxido de azufre, por triplicado, placas de control (de 7,5x10x0.08cm de dimensión) a

A continuación se procedió a determinar el contenido de cloruros o sulfatos en los productos de corrosión adherentes del acero galvanizado envejecido artificialmente, para lo cual se realizó una


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extracción de los contaminantes solubles (cloruros o sulfatos) sumergiendo la placa de control en agua destilada desairada y mantenida en ebullición durante 30 minutos de acuerdo al método Mayne's (Mansfeld 1987). El lixiviado obtenido fue enfriado a temperatura ambiente, filtrado y llevado a volumen constante para su posterior análisis. El contenido de cloruros en el lixiviado se determinó volumétrica mente por el método Mohr (Vogel 1960), mientras que el contenido de sulfatos fue determinado por el método turbidimétrico (ASTM D 516-68.) Finalmente se calcularon los niveles de contaminantes salino (cloruros y sulfatos) en mg/m2, referidos al área total de la placa de control. Después del procedimiento de envejecimiento acelerado se obtuvieron dos tipos de sustratos de acero galvanizado envejecido artificialmente: Sustrato A: Acero galvanizado envejecido en cámara de dióxido de azufre, con 5783 22 mg SO4 / m de sulfatos solubles y parcial mente herrumbrado. Sustato B: Acero gal vanizado envejecido en cámara de niebla salina, con 1422 mg Cl- / m2 de sulfatos solubles y parcialmente herrumbrado. Pintado de las superficies envejecidas Las placas envejecidas de10x15x0,08 cm, cepilladas a mano y lavadas, fueron recu-

biertas con uno de los sistemas de pintura recomendados por los fabricantes para el mantenimiento de estructuras de acero galvanizado, que a continuación detallamos: 1) Imprimante Alquídico ferrita / Alquídico rico en cinc, con altos contenidos de sólidos. 2) Sistema Epoxy mastic, con altos contenidos de sólidos. 3) Epoxy con escamas de aluminio / poliuretano, acrílico alifático. En el Cuadro 1 se muestra los tres sistemas de pintura utilizados y el espesor promedio que se aplicó, el cual está dentro de los márgenes del espesor de recubrimiento recomendado por el fabricante. Por cada sistema de pintura se pintó tres paneles por ensayo, en dos de los paneles se practicaron incisiones (una horizontal y otra en aspas) hasta la base metálica. Así mismo se pinto un cuarto panel para ser utilizado como testigo del ensayo. Los paneles pintados fueron 18 (3 paneles x 3 sistemas de pintura x 2 sustratos) fueron fijados sobre un bastidor de exposición atmosférica, en la estación del Instituto de Corrosión y Protección de la PUCP, localizado en la ciudad de Lima a 2 Km del mar. La estación en mención está clasificada con una atmósfera de corrosión C5 de acuerdo a la norma ISO 9223 (Corrosivity of atmospheres -

Cuadro 1. Sistemas de Pinturas Evaluadas.


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Classification). El ensayo de exposición atmosférica se desarrollo de acuerdo a los procedimientos recomendados por la norma ISO 2810/74. Los ensayos de corrosión acelerada se realizaron de acuerdo a los siguientes procedimientos: · Ensayo acelerado en cámara de niebla salina neutra, Neutral salt spray test (ISO 7253-84). · Ensayo acelerado en cámara de dióxido de azufre, Sulphur dioxide test (ISO 3231-93). · Ensayo cíclico acelerado, Accelerated cyclic test: 3 días de exposición en cámara de niebla salina neutra (ISO 7253 -84) - 3 días de exposición en cámara de interperismo (DIN 53384), 40 C, 60 % HR, radiación UV - 1 día a 10 C. La inspección y evaluación de los paneles pintados durante los ensayos de corrosión acelerada se realizó según la normas ISO 4628/2 (Designation of degree of blistering) e ISO 4628/3 (Designation of degree of rusting). Finalmente, el ensayo de impedancia en cloruro de sodio de 0.5 M se realizó usando un equipo Solartron 1255 / PARC 273A. Los datos de impedancia fueron analizados en el software Boukamp (1993).

Resultados y discusión Ensayos acelerados de corrosión: En la Tabla 1 se resume la evolución del ampollamiento de los sistemas de pintura durante el ensayo acelerado en cámara de SO2 en los tres tipos de paneles aplicados sobre acero galvanizado, herrumbrado y contaminado con sales solubles de sulfato (sustrato A). Asimismo, en la Tabla 2 se muestra el proceso de degradación en la zona de incisión de los tres sistemas de pintura aplicados sobre acero galvanizado envejecido, herrumbrado y con contaminantes solubles de cloruro; después, de haber sido sometidas al ensayo acelerado de cámara de So2. De los resultados presentados en las tablas anteriores se concluye que la clasificación de los sistemas de pintura, aplicados sobre acero galvanizado envejecido, herrumbrado y con contaminantes salinos solubles (Cl- ó SO42-), en función de su resistencia al ampollamiento es: Epoxy mastic = Epoxy (Al) / Poliuretano > Alquídica (ferrita) / alquídica rica en zinc El comportamiento de los sistemas Epoxy mastic y Epoxy (Al) / Poliuretano son muy similares. La presencia de un elevada concentración de sulfatos solubles (5783

Tabla 1 Evolución del grado de ampollamiento (ISO 4628/2) de los sistemas de pintura durante el ensayo acelerado en cámara de SO2. Sustrato A: acero galvanizado envejecido, herrumbrado y contaminado con sales solubles de sulfato.

b: Ampollamiento en toda la superficie; formación de pliegues y pérdida de adherencia de la pintura. *: Retiradas del ensayo después de 100 días.


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Tabla 2.

Degradación en la incisión después del ensayo acelerado de cámara de SO2. Substrato: acero galvanizado envejecido, herrumbrado y contaminado con sales solubles de cloruro.

(-).: No existe degradación ini. disb.: Pérdida de adherencia inicial

mg SO42- / m2) en los productos de corrosión del acero galvanizado parece no afectar el comportamiento de estos dos sistemas de pintura. Esto se puede explicar por la buena humectación y resistencia química del sistema Epoxy mastic y la presencia de escamas de aluminio en el sistema Epoxy (Al) / Poliuretano, lo cual disminuye la permeación del agua y de los agentes contaminantes. Por otro lado, la resistencia a la corrosión del sistema Epoxy (Al) / Poliuretano fue ligeramente reducida por la presencia de cloruros solubles (1 422 mg Cl- / m2) sobre la superficie pintada. De igual manera, la resistencia a la corrosión del sistema Alquídica (ferrita) / alquídica rica en cinc parece ser afectada por la presencia de sales solubles (Cl- ó SO42-) en la capa de cinc y en los productos de corrosión del acero base. Finalmente se encontró que todos los sistemas son más sensibles a la contaminación por sales de cloruro que a la contaminación por sales de sulfato. Con respecto a la capacidad protectora contra la corrosión de los sistemas de pintura aplicados sobre acero galvanizado envejecido, herrumbrado y con contaminantes salinos solubles en el área de la

10.: Corrosión en toda la incisión sin ampollamiento total disb.: Pérdida de adherencia total.

incisión se obtuvo la siguiente clasificación: Epoxy mastic > Alkyd (ferrite) / Zinc-rich alkyd = Epoxy (Al) / Polyurethane El sistema Epoxy mastic continua siendo el de mejor comportamiento anticorrosivo con respecto a los otros dos sistemas de pintura. La mayor humectabilidad y adherencia del imprimante alquílico del sistema Imprimante alquídico ferrita / alquídico rico en zinc explica su mejor comportamiento anticorrosivo que el sistema Epoxy (Al) / Poliuretano. Ensayo de corrosión atmosférica En la Tabla 3 se presentan los resultados de exposición atmosférica de los tres sistemas de pintura, realizado en la estación de ensayo de la ciudad de Lima (clasificado como C5, de acuerdo a la norma ISO 9223). Al finalizar el ensayo se encontró que el sistema epoxy mastic aplicado sobre sustratos contaminados con sales solubles de cloruro, presento mejor comportamiento que el sistema epoxy (Al)/ poliuretano. Así mismo, el sistema Alquídico mostró al inicio del ensayo una rápida corrosión del acero base. Los resultados obtenidos en este ensayo son similares a los observados en los ensayos de corrosión acelerada.


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Tabla 3. Grado de Apollamiento (ISO 4628/2), grado de herrumbre (ISO 4628/3) y degradación en la incisión (mm) después de 2 años de exposición a la atmósfera marina de la ciudad de Lima.

(--) : no se observan defectos

Sin embargo, para los sustratos contaminados con sales solubles de sulfatos, el sistema alquídico mostró una mejor protección que el sistema de epoxy (Al)/ poliuretano. Este mismo comportamiento también se mostró para la degradación en la zona de la incisión. Cabe destacar, que este resultado no es igual a los que se observaron en los ensayos de corrosión acelerada. Ensayo de Impedancia Todos los sistemas de pintura al inicio del ensayo mostraron en el diagrama de Bode, módulo (z) vs log (f), una respuesta capacitiva con un alto valor de impedancia, aproximadamente de 109 .cm2 y una línea recta inclinada con pendiente de valor aproximado a -1 (ver gráficas del sistema epoxi mastic de la figura 1). A los 20 días de iniciado el ensayo, el sistema Alquídico mostró en el diagrama de Bode un plateau a frecuencia medias (figura 1), la cual está relacionada con el deterioro de la pintura debido al desarrollo de vías de conducción electrolítica en su estructura interna. Este mismo comportamiento se presenta en ambos tipos de sustratos.

Las propiedades eléctricas de las pinturas: resistencia Rp y capacitancia Cp, se obtuvieron mediante el ajuste de los datos de impedancia a través de circuitos eléctricos equivalentes, empleando para ello el software Boukamp. En la figura 2 se nuestra la variación de la Cp de los sistemas de pintura aplicados sobre los sustratos de acero galvanizado contaminado con sales solubles de cloruro, después de 105 días de ensayo. Con respecto a los sistemas epoxy mastic and epoxy (Al) / poliuretano los valores de Cp se mantuvieron constante a lo largo del ensayo o se incrementaron muy ligeramente lo cual se atribuye a la baja permeación al agua de los sistemas. Con respecto al sistema alquídico el valor de su Cp se incremento continuamente con el tiempo de exposición debido al ingreso de agua al interior de la pintura. Agradecimientos: Expresamos nuestro agradecimiento a Keeler & Long INC and Meldorf S.A. por la provisión de los sistemas de pintura que se han utilizado en esta investigación y al ICP del PUCP por facilitar sus instalaciones para el desarrollo de los ensayos de corrosión.


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(b) after 20 days 1,0E+10 1,0E+09 Z (0hm.cm虏)

1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04

alkyd ferrite primer /zinc-rich alkyd

1,0E+03

Epoxy mastic

Epoxy (Al)/Polyurethane 1,0E+02 1,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+0 1,0E+0 1,0E+0 1,0E+0 1,0E+0 1,0E+0 0 1 2 3 4 5 f (Hz)

Figure 1. Diagrama Bode (soluci贸n 0.5 M NaCl) para los sistemas de pintura aplicados sobre acero galvanizado envejecido y contaminado con sales solubles de cloruros.

6,0E-09

C (F.cm虏)

5,0E-09 4,0E-09 3,0E-09 2,0E-09 1,0E-09 0,0E+00 0

20

40

60

80

100

120

days alkyd ferrite primer / zinc-rich alkyd

Epoxy mastic

Epoxy (Al)/Polyurethane

Figura 2 Variaci贸n de la capacitancia Cp de los sitemas de pintura vs tiempo de ensayo. Substrato: Acero Galvanizado Envejecido, Herrumbrado y contaminado con sales solubles de Cloruro.


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Conclusiones El comportamiento mostrado en los ensayos de exposición atmosférica por los sistemas de la pintura aplicados sobre substratos de acero galvanizados envejecidos, herrumbrado y contaminado con sales solubles de cloruros, fue predicho por los ensayos de corrosión acelerada y las pruebas electroquímicas de la impedancia.

anticorrosivo mostrado por este sistema en los ensayos de corrosión, y por lo tanto lo hacen adecuado para el man tenimiento y la protección de estructuras de acero galvanizadas envejecidas, herrumbradas y contaminadas con sales solubles, que operan en atmósferas severas como la de la ciudad de Lima y de la costa peruana.

No se ha presentado evidencias (resultados) similares de deterioro de la superficie entre los ensayos de corrosión acelerada en cámara de SO2 y los ensayos de exposición atmosférica con respecto al comportamiento de los sistemas de pintura en la zona de la incisión.

En relación a la degradación en la zona de la incisión de los sistemas de pintura, aplicados sobres sustratos contaminados con sales solubles de sulfato, el sistema alquídico demostró poseer mejor comportamiento que el sistema epoxy (Al)/poliuretano, a pesar de su sensibilidad a las condiciones extremas de humedad. Por lo tanto, el sistema alquídico puede ser adecuado para el mantenimiento de las estructuras de acero galvanizadas que funcionarían en atmósferas poco agresivas.

La buena adherencia, humectación y la eficiente protección por efecto barrera del sistema epoxy mastic son los factores que explican el mejor comportamiento

Referencias bibliográficas

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Van Eijnsbergen, J.F.H. 1976, Twenty years of duplex systems - galvanized plus paint, INTERGALVA 76 - 11th International Galvanizing Conference, Madrid, edited by Zinc Development Association (london), published by Portcullis Press LTD.

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Long, D.J. 1987. The painting of galvanized transmission towers and substation Structures, J.Prot. Coat. Lin., November (1987), pp. 32-41.

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