08 - cap. 7 - casos especiales de degradación de materiales y sus consecuencias

8/7/2019 08 - Cap. 7 - Casos Especiales de Degradacin de Materiales y sus Consecuencias

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42 Nada es para siempre

7. Casos Especiales deDegradacin de Materialesy sus Consecuencias

7.1 Degradacin de estructuras de hormign armado

El hormign es uno de los materiales ms importantes en la industria de la construccin

actual. Su empleo va desde pequeas reparaciones hasta las grandes obras civiles que comen-zaron a construirse desde principios del siglo XX con el comienzo de la abricacin industriadel cemento Prtland. Para tener una idea del consumo anual de este material, basta decir quees 5 veces mayor que el del acero. Esto se debe a su gran versatilidad en ormas, acabados y ta-maos; excelentes propiedades mecnicas; elevada durabilidad rente a determinados agentesque resultan agresivos para otros materiales; cil disponibilidad y bajo costo relativo.

El hormign est ormado mayoritariamente por una mezcla de cemento, arena, agregadogrueso (canto rodado, piedra grantica u otro tipo de ridos) y agua. Por su parte, el hormignarmado (o reorzado) es una matriz de hormign que contiene barras de acero en su interiorLas excelentes propiedades de este material se deben a la combinacin de la resistencia a la

compresin, propia del hormign, y a la alta resistencia a la traccin que le transere el acero.

Adems de las ventajas estructurales que resultan de la combinacin de ambos materiales, ehormign acta como barrera sica de las armaduras respecto del medio ambiente y posee ca-ractersticas qumicas que le orecen al acero una apropiada proteccin contra la corrosin. Noobstante ello, se comprob que con el tiempo el hormign armado se deteriora, tanto debido aprocesos de degradacin del propio hormign, como por la corrosin de las armaduras.

El cemento (componente del cual depende mayoritariamente la qumica del hormign)es una mezcla de minerales, principalmente silicatos de calcio, que cuando reaccionancon el agua se endurecen por hidratacin de los distintos compuestos que lo constituyen

La reaccin tpica de hidratacin es:

Durante este proceso de hidratacin, denominado curado, ocurren, entre otros, los si-guientes enmenos:

7.1.1 Introduccin

2 Ca3SiO5 + 6 H2O C3Si2O7.3H2O + 3 Ca(OH)2 [7.1]


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Casos Especiales de Degradacin de Materiales y sus Consecuencias

a) conormacin de la red de silicatos (compuestos del tipo C3Si

2O

7.3H

2O), que determina

la resistencia mecnica del hormign;

b) segregacin de hidrxido de calcio, Ca(OH)2, originando una solucin que, junto conlos lcalis provenientes de las materias primas y otros presentes en pequeas cantidades enlos poros (NaOH y KOH) llevan al pH de la ase acuosa de los poros a valores extrema-damente alcalinos (mayores que 13);

c) evaporacin del agua en exceso, agregada durante el amasado para hacer trabajables lasmezclas, lo cual genera una red de poros y canales que llegan hasta la supercie del hor-mign (Figura 7.1).

Estos procesos determinarn en gran medida el desempeo naldel material por lo cual la ormulacin, ejecucin y curado delhormign deben ser cuidadosos. Por ejemplo, la cantidad de aguaagregada tiene una gran infuencia sobre la calidad del hormignobtenido. Esto es debido a que la cantidad de agua aadida a lamezcla de ridos y cemento para obtener un hormign de traba-

jabilidad conveniente es siempre superior a la necesaria para lahidratacin completa del cemento anhidro (ecuacin [7.1]). Sinembargo, se debe evitar su exceso porque aumentar la porosidaddel hormign endurecido y con ello disminuir su resistencia a lacompresin. Por otra parte, es de destacar que el agua constituyela ase contenida en los poros, donde los principales iones presen-tes son Ca2+, OH-, Na+, K+ y SO4

2-.

En cuanto al curado, es necesario que la mezcla contenga la cantidad de agua necesaria paraque est siempre disponible para que se lleve a cabo la reaccin [7.1] hasta que el hormignalcance la resistencia esperada. Para ello, es conveniente mantener la humedad en el hormi-

gn, mojando adecuadamente la supercie durante los primeros das de curado. Posterior-mente, la red de poros originada durante el curado hace que el hormign sea relativamentepermeable a lquidos y gases.

El tamao de los poros puede variar desde unos pocos nanmetros hasta algunos milmetros.El volumen y su distribucin dependern, undamentalmente, de la relacin agua/cementode la mezcla, la orma y el tiempo de curado, la introduccin de aire en la mezcla, etc. Estaincorporacin de aire est orientada a disminuir la permeabilidad, ya que el proceso de eva-poracin del agua en exceso culmina en las burbujas de aire, evitando la ormacin de cana-les en contacto con el medio externo. En una primera aproximacin, puede decirse que laresistencia mecnica del hormign es directamente proporcional al contenido de cemento e

inversamente proporcional a la porosidad. Cualquier reduccin en la relacin agua/cementomediante el uso de mezclas y granulometras adecuadas, o agentes fuidicantes, repercutiren una elevacin de la resistencia mecnica y de la impermeabilidad. Las nuevas tecnologasaplicadas al hormign se basan en reducir al mximo la porosidad.

Figura 7.1. Red de poros en una estructhormign armado.


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El hormign armado puede surir varios procesos que conducen a su deterioro. Estos proce-sos pueden clasicarse en sicos, qumicos y corrosin de las armaduras.

Dentro del deterioro sico, cabe destacar la suracin provocada por esuerzos mecnicos

de distinta ndole (terremotos, por ejemplo), erosin mecnica (accin de vientos o fujode lquidos) y el denominado ataque por escarcha. Este ltimo tipo de ataque se produce por la accin de bajas temperaturas (cercanas a la de solidicacin del agua) sobre elhormign. Esto es recuente en la Argentina en la zona cordillerana y patagnica ya que sepresenta esta condicin durante varios meses al ao. Pero adems, estas bajas temperaturastambin se presentan en algunas estructuras industriales como cmaras rigorcas, dondeel hormign puede estar sometido a temperaturas an ms rigurosas. El mecanismo exactopor el que la accin de las bajas temperaturas daa al hormign es complejo, pero puederesumirse en que la causa principal est en el congelado del agua de los poros capilaresdel hormign. Es sabido que el agua slida ocupa un volumen casi 10% mayor que el delagua lquida y esto, cuando ocurre dentro de los poros, genera un aumento en la presin

hidrulica provocada por su expansin, que conduce a la ormacin de suras. Este tipode ataque puede ser reducido, o bien por la reduccin del volumen de poros capilares enel hormign empleando una relacin agua/cemento ms baja, o por la entrada delibera-da de aire al hormign. El uso de agentes de aireado conduce a la ormacin de una altaconcentracin de pequeas burbujas de aire en el hormign. Estas burbujas pueden servirpara relevar la presin, que es el resultado de la ormacin del hielo dentro de los poroscapilares, y de esta orma se previene la expansin y surado del hormign. En aquellaszonas donde es habitual la ormacin de hielo sobre el pavimento, suelen utilizarse agentesanticongelantes a base de cloruro de calcio o de sodio que -si bien tienden a evitar o mitigarel deterioro por congelacin y deshielo- aceleran el deterioro supercial del pavimento dehormign por peladura y descascaramiento. Tambin estas sales provocan la corrosin de

armaduras (como se ver ms adelante) aectando, sobre todo, a los tableros de puentes ylosas de edicios de estacionamiento, estas ltimas debido a la presencia de cloruros por etransporte y su posterior deposicin a travs de los neumticos de los vehculos.

Dentro de los deterioros de origen qumico cabe destacar al ataque por aguas blandas, aataque por sulatos, ataque cido y a la reaccin lcali-agregado, entre otros.

El agua blanda contiene muy bajas cantidades de iones calcio o magnesio disueltos, y generalmente son levemente cidas (pH menor que 7). Su agresividad rente al hormign dependedel grado de dureza y de la cantidad de dixido de carbono libre presente. El deterioro dehormign sumergido en aguas blandas cidas se produce primeramente porque el agua extrae

del hormign a las especies responsables del mantenimiento de su alto pH. Esto, a su vez,puede llevar a la descomposicin de otros componentes del hormign que slo son estables apH altos, tales como los silicatos hidratados, que se descomponen produciendo carbonato delcalcio y una red llena de slice (SiO

2) , de muy pobres propiedades mecnicas. Este enmeno

no slo ocurre en hormigones sumergidos, ya que tambin puede ser un problema en hormi-gones expuestos al agua de lluvia. La magnitud de la lixiviacin en aguas blandas est infuida

7.1.2 Deterioro del hormign armado


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por muchos actores, entre los que se incluyen la dureza del agua (contenido en iones Ca2+ yMg2+), velocidad del fujo de agua, densidad del hormign y el estado de su supercie.

El ataque por sulatos, que ocurre en hormigones en contacto con aguas conteniendoaltas concentraciones de este ion, o enterrados en suelos arcillosos, se debe a la presenciaen el cemento de un componente denominado aluminato de calcio, que al reaccio-nar con el ion sulato se descompone generando cristales de etringita, cuyo volumen es

mucho mayor al del aluminato descompuesto. Estos cristales de etringita generan unaexpansin interna en la masa del hormign que, al no soportar tensiones de traccin,termina surndose (Figura 7.2).

La accin de los cidos sobre el hormign genera la conversin de loscompuestos de calcio (hidrxido de calcio, silicatos y aluminatos decalcio hidratados) en las correspondientes sales de calcio, generalmentesolubles. Como resultado de esas reacciones, se destruye la estructuradel hormign. La velocidad de la reaccin de los dierentes cidos con elhormign est determinada no tanto por la agresividad del cido, sinoms bien por la solubilidad de la sal de calcio resultante. A mayor solubi-

lidad de la sal, mayor ser el grado de deterioro. De los cidos mineralesms comunes (clorhdrico, ntrico y sulrico), el cido sulrico es elque ms recuentemente se encuentra en aguas subterrneas. Puede sergenerado por la accin oxidante de ciertas bacterias sobre compuestos deazure. El cido producido reaccionar con el hormign degradndolo.Este tipo de deterioro es muy recuente en estructuras de hormign en-terradas. Tambin ocurre este tipo de ataque en caeras de hormign desistemas cloacales ya que, cuando su contenido queda estancado o fuyemuy lentamente, la accin de ciertas bacterias puede producir sulurode hidrgeno gaseoso que se disuelve en la supercie del agua, dondeotras bacterias lo oxidan convirtindolo en cido sulrico. Es por ello

que resulta esencial mantener un fujo permanente de aguas cloacales demodo tal que estas bacterias no tengan tiempo de actuar.

Por su parte, la reaccin lcali-agregado se produce debido a que los agregados silceos po-rosos namente divididos (arenas, por ejemplo) son muy reactivos debido a que tienen unrea especca muy grande. En contacto con lcalis (los hidrxidos presentes en el agua de losporos) puede ocurrir una reaccin de la cual el producto es un gel rico en silicato de sodio opotasio que es capaz de absorber cantidades grandes de agua y que causan la hinchazn delgel. Este gel completamente hinchado produce un aumento de la presin que culmina con lasuracin del hormign, similar a lo explicado en el ataque por sulato (Figura 7.2).

La corrosin de las armaduras de acero en el hormign armado es la causa ms recuente deldeterioro de estructuras construidas con este material. La corrosin del acero (que qumica-mente se lo puede considerar como hierro) en el hormign es un proceso electroqumico, enel cual el electrolito es la humedad presente. Las reacciones electroqumicas involucradas sonla disolucin u oxidacin del hierro, dando lugar al denominado proceso andico:

Figura 7.2. Esquema del miento de productos expansiv

el hormign armado y que llela aparicin de fsuras.

Hormign

Crecimientode productos

expansivos

Formacinde fisuras

MEDIO

AMBIENTE



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y la reduccin del oxgeno presente sobre las armaduras, dandolugar al proceso catdico:

Es importante resaltar que, sin la presencia simultnea de oxgeno y humedad la corrosin no es posible, y que por debajode una cierta cantidad crtica de ambos, la corrosin se pre-senta de manera poco apreciable.

En las condiciones de pH existentes en un hormign sano (en-tre 12,6 y 14), y en presencia de una cierta cantidad de oxgeno, elacero de las armaduras se encuentra pasivado, esto es, recubiertopor una pelcula de xidos transparente, compacta y continua deaproximadamente 1 a 100 nanmetros de espesor, que lo prote-ge de la corrosin por perodos indenidos, an en presencia de

tenores elevados de humedad; siempre y cuando el hormign seade buena calidad, no est surado y no cambien sus propiedadessicoqumicas por agresiones externas. Por tal motivo, es necesa-rio que el espesor del recubrimiento (capa de hormign entre emedio ambiente y la primera la de armaduras) sea el adecuadopara cada ambiente al que est expuesta la estructura.

No obstante todo lo expuesto, bajo ciertas condiciones, la pelculaprotectora se destruye originando determinados procesos corrosi-vos cuyas caractersticas dependen de cul es el agente causanteLas principales causas de corrosin son: la disminucin de la al-

calinidad del medio que conduce a la corrosin generalizada de laarmadura y la presencia de iones cloruro provenientes del medioexterno o incorporados durante la etapa de amasado del hormignque conducen a la corrosin localizada del acero (Figura 7.3).

La corrosin generalizada se produce por un descenso en la alca-linidad del hormign que puede ser debido al contacto con aguasblandas (mencionado ms arriba), o por la reaccin de los com-puestos de carcter bsico de la ase acuosa del hormign, (NaOH

KOH y Ca(OH)2) con los componentes cidos de la atmsera (CO

2, SO

2, etc.). El que ms

abunda es el CO2, por lo que a este proceso de reduccin de la alcalinidad se lo conoce genri-

camente con el nombre de carbonatacin. Una caracterstica de este proceso es la existencia deun rente de avance que se puede apreciar visualmente mediante el rociado con enoltalena,que produce una coloracin rojo prpura en la zona correspondiente al hormign sano, pHmayor que 12,6, y se torna incolora en la zona carbonatada, pH menor que 9 (Figura 7.4).

Al disminuir el pH hasta valores por debajo de 9, la pelcula pasiva deja de ser estable,

[7.2]

[7.3]

Figura 7.3. Tipos de corrosin ms recuen-tes en estructuras de hormign armado, ori-gen y consecuencias.

Tipos de Corrosin

LocalizadaGeneralizada

Cloruros

Carbonatacin

Productos de corrosin

Acero

tacin

Fe Fe2+

+ 2 e

O2 + 2 H2O + 4 e 4 OH

Figura 7.4. Determinacin del espesor de lazona carbonatada por medio del rociado conenoltalena de la estructura a analizar.

Zona carbonatada(pH < 9)

Zona carbonatada(pH > 9)


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pasando a ser termodinmicamente posible la disolucin del hierro, de orma tal que la ar-madura se disuelve en orma generalizada. Los productos de corrosin (xidos, hidrxidos,xidos hidratados, etc.) tienen un volumen ms de 6 veces mayor que el del hierro del cualprovienen (Figura 7.5), por lo cual ejercen presin sobre la cubierta del hormign hastaprovocar suras, descascaramientos y delaminaciones (Figura 7.6, izquierda).

La corrosin localizada es un tipo de corrosin en la que el ataque se produce en

zonas muy pequeas, en algunos casos imposibles de detectar, y la cantidad dematerial disuelto no guarda ninguna relacin con el dao que puede ocasionar.

Para el caso del hormign, hay varios agentes desencadenantes de la co-rrosin localizada, pero los ms habituales son los iones depasivantes (quegeneran ruptura de la pelcula pasiva) y que provienen de las materiasprimas, de aditivos o por la penetracin desde el exterior. La situacin msagresiva y la responsable del mayor nmero de casos de corrosin locali-zada en el hormign armado es debida a la presencia de cloruros. Aunquelos iones suluro y sulato son tambin depasivantes, son mucho menosrecuentes y por ende, menos peligrosos que los cloruros.

Los iones cloruros tienen la propiedad de destruir en orma puntual la capapasivante, lo que provoca un tipo de corrosin denominado picado. Loscloruros pueden estar en el hormign, bien porque se aaden con sus com-ponentes (aditivos, agua, etc.) o bien porque penetran desde el exterior atravs de la red de poros. Esta ltima situacin es la que se da en ambientesmarinos o cuando se utilizan sales de deshielo en carreteras o puentes enclimas ros. El lmite inerior de contenido de cloruros, por debajo del cual no existe la po-sibilidad de la aparicin de picado, depende de varios actores como ser: el tipo de cemento,relacin agua/cemento, contenido de humedad, etc. Es posible determinar, dependiendo delas condiciones, cul es el lmite de cloruros capaz de depasivar a las armaduras, pero un valor

medio generalmente aceptado es de 0,4% en relacin al peso de cemento.

Aunque el hormign no contenga cloruros inicialmente, estos pueden llegar hasta la armadu-ra a travs de la red de poros si la estructura est situada en ambientes marinos, o si se aadensobre la supercie del hormign para evitar su helada. En estos casos, la cantidad de clorurosse va incrementando con el tiempo, pudiendo llegar a atacar toda la supercie de la armaduray provocar una corrosin muy peligrosa. En todos los casos, el eecto nal es que una vez quese inicia el enmeno de picado, ste no se puede detener y comienzan a acumularse produc-tos de corrosin que expanden al hormign, surndolo (Figura 7.6, derecha).

Otro tipo de deterioro relacionado con la corrosin de las armaduras es la corrosin por rendi-

jas, que ocurre cuando en la supercie del metal existe un espacio lo sucientemente pequeocomo para impedir la renovacin del electrolito en contacto con el metal, donde el ataqueprogresa a altas velocidades, con un mecanismo similar al del picado. Este deterioro puedeocurrir cuando se emplean barras de acero recubiertas por pinturas, donde la adherencia entreel acero y el recubrimiento puede surir un dao mecnico (durante el doblado de las varillas,por ejemplo) o por otros procesos electroqumicos que pueden darse en el hormign.

Figura 7.5. Comparacin envolmenes de distintos produccorrosin del hierro, generadla corrosin de 1 cm3 del meta

Fe

Fe O3 4

Fe(OH)2

Fe(OH)3

Fe(OH)3 . 3H O2

1 2 3 40

Volumen (cm )3



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Es importante destacar que es necesaria la presencia de humedad para que todos estosenmenos de corrosin tengan lugar, ya que el agua es imprescindible porque no slopermite la movilidad de los iones a travs del electrolito, sino que tambin interviene en

el proceso catdico de reduccin de oxgeno en medios neutros o bsicos a travs de lareaccin [7.3]. Si los poros estn saturados de humedad, las velocidades de corrosin sernmoderadas o bajas porque el acceso de oxgeno hasta las armaduras (para que pueda ocurrirla reaccin catdica) est dicultado por la presencia de agua. Por el contrario, si los porosestn secos, el oxgeno tiene cil acceso a la estructura, pero no hay agua disponible paraque la reaccin [7.3] pueda ocurrir. Las mximas velocidades de corrosin se maniestanen hormigones con contenidos altos de humedad, pero sin saturacin de poros. En estecaso, el oxgeno llega libremente hasta las armaduras, y el contenido de agua es sucientecomo para permitir altas velocidades de corrosin.

La corrosin se maniesta sobre el acero disminuyendo su capacidad mecnica al dis-minuir su dimetro (y con ello su seccin ecaz); sobre el hormign, porque se suradebido a la presencia de productos de corrosin ms voluminosos que el acero que loorigina; y sobre la adherencia acero/hormign, que impide que se ponga de maniestoel eecto benco que tiene sobre las propiedades mecnicas de la estructura, el contactontimo entre el hormign y el acero.

Existen diversas alternativas para evitar (o mitigar) la degradacin de estructuras de hor-mign armado cuando sta es generada por la corrosin de las armaduras. Esta preven-cin se puede eectuar desde el punto de vista del hormign mismo o desde el punto devista de las armaduras.

Figura 7.6. Eecto de la corrosin de las armaduras sobre dierentes estructuras de hormign ar-mado (izquierda, techo de una vivienda que ha surido carbonatacin; derecha, pilares de unaornamentacin sobre una costa marina) .

7.1.3 Eectos de la corrosin sobre las estructuras dehormign armado y modos de evitarla


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Previo al desarrollo del tema de degradacin de biomateriales, es necesario primera-

mente presentar algunas deniciones de este trmino. Actualmente existen dierentesconcepciones de lo que es un biomaterial. Por una parte, se postula que un biomateriales un material ideado para interactuar con los sistemas biolgicos, para evaluar, tratar,aumentar o sustituir cualquier tejido, rgano o uncin del cuerpo. Por otro lado, hayquienes denen a los biomateriales como aquellos materiales de origen natural o sin-ttico que se utilizan para dirigir, suplementar o reemplazar alguna uncin de un tejido

Para el primer caso, es necesario seleccionar correctamente el tipo de cemento a emplear,utilizar una adecuada dosicacin de la mezcla (particularmente la relacin agua/ce-mento), realizar en obra una buena compactacin y curado del hormign y eectuandoun adecuado mantenimiento de la estructura (por ejemplo, sellando grietas y suras encuanto son detectadas). Por otro lado, es actible aplicar revestimientos o recubrimientosque retarden el ingreso de dixido de carbono. Esta metodologa es de relativamentecil aplicacin, se puede aplicar a cualquier estructura, pero debe ser realizada previo al

ingreso de los agentes agresivos. Otra orma de prevencin es agregar, durante el amasa-do del hormign, agentes inhibidores de la corrosin del acero. Esta tcnica tambin seest aplicando en estructuras ya existentes, induciendo a la diusin hacia el interior dela estructura, de agentes inhibidores que se pulverizan desde el exterior. Para que seaneectivos, hay que asegurar que en un corto tiempo, estos agentes alcancen las armaduras(es decir, atraviesen el espesor de recubrimiento) y las protejan adecuadamente.

En los ltimos aos, y particularmente en los pases nrdicos, se estn empleando tcni-cas electroqumicas a travs de las cuales se elimina el cloruro que haya podido ingresara la estructura y/o se realcaliniza el hormign carbonatado, haciendo que su pH vuelva alos valores de un hormign sano. Estas tcnicas son costosas y an no se han aplicado

masivamente en nuestro pas.

Desde el punto de vista de las armaduras, es posible eectuarles una proteccin catdica,ya sea por el empleo de nodos de sacricio o por la aplicacin de una corriente externa.Esta tcnica es posible de ser aplicada en casi cualquier estructura, es la nica que detienela corrosin una vez iniciada pero tiene la desventaja de necesitar personal especializadoy tiene altos costos de mantenimiento, cuando se trata de corriente impresa. Tambin esactible emplear barras de acero galvanizado o recubiertas por pinturas. Ambas tcnicasson de cil aplicacin y no tienen costos de mantenimiento. Hay que ser muy cuidado-sos en el manipuleo de estos materiales para evitar el deterioro de las capas protectoras(de galvanizado en el primer caso y de pintura en el segundo). Si bien el uso de este tipo

de barras est muy extendido en los Estados Unidos y Europa, en nuestro pas an nohan tenido aceptacin y es casi imposible conseguir este tipo de reuerzos.

7.2 Degradacin de biomateriales

7.2.1 Introduccin a los biomateriales



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vivo o como una sustancia sistemticamente y armacolgicamente inerte, diseadapara su implantacin dentro de un sistema vivo o su incorporacin a ste.

En la actualidad se emplean materiales de dierente naturaleza para utilizarlos comobiomateriales. Tales materiales son los metales y sus aleaciones, los polmeros naturales ysintticos, biovidrios y cermicos, adems de algunas combinaciones entre ellos denomi-nadas materiales compuestos. Algunas de sus aplicaciones se muestran en la tabla 7.1.

Adems de las propiedades y exigencias de cada material segn su destino y aplicaciones particulares, estos deben cumplir un nmero de requisitos que son comunes a todos los biomateria-les. El principal requisito es la biocompatibilidad, que se dene como la habilidad de un material de actuar con una respuesta adecuada del tejido husped, en una aplicacin especca.

Cualquier material aplicable en medicina tiene un amplio espectro de posibilidades de reac-cionar bioqumicamente, al estar dentro del organismo. Este espectro de posibilidades puededividirse en las siguientes categoras:a) materiales casi inertes: son materiales que presentan una mnima reactividad qumica. Son

considerados muy poco reactivos debido a que son muy poco solubles cuando estn dentrodel cuerpo humano. La reaccin siolgica que ocurre en los alrededores de una prtesisabricada con este tipo de materiales es la ormacin de cpsulas de tejido broso. Entrelos materiales casi inertes estn: cermicas como la almina (Al

2O

3) y la zirconia (ZrO

2) y

metales como las aleaciones Cr-Co-Mo y el acero inoxidable (aleaciones Fe-Cr-Ni).

APLICACIN MATERIAL FRECUENTEMENTE EMPLEADO

Sistema seoReemplazo de articulaciones

Placas para la jacin de racturasCemento para huesosReparacin de deectos seosLigamentos y tendones articialesImplantes dentales

Aleaciones de titanio, acero inoxidable, polietileno

Acero inoxidable, aleacin cobalto-cromoPolimetilmetacrilatoHidroxiapatitaTefn, Dacrn

Titanio, almina, osato de calcio

Sistema cardiovascularPrtesis vascularesVlvulas de coraznCatter

Dacrn, Tefn, poliuretanoTejido reprocesado, acero inoxidable, Dacrn

Goma de silicona, Tefn, poliuretano

rganosCorazn articialPlacas para reparacin de la pielRin articial (hemodilisis)

Respiradores articiales

PoliuretanoMateriales compuestos de silicona-colgenoCelulosa, poliacrilonitrilo

Goma de silicona

SentidosLentes intraocularesLentes de contacto

Polimetilmetacrilato, goma de siliconasSilicona-acrilato, hidrogeles

AlgunAsdelAsAplicAcionesmsfrecuentesdelosbiomAteriAles.TABLA 7.1


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El principal empleo de los metales como biomaterial se debe a sus propiedades mecnicas. Sinembargo, los implantes metlicos presentan una resistencia mecnica mucho mayor que la deltejido que reemplazan (hueso), lo cual puede conducir a un estado de tensiones mecnicasque origina la ruptura del hueso. Otra desventaja de los materiales metlicos para aplicacionescomo biomaterial es su acilidad para corroerse, lo cual tambin aecta su comportamientobiolgico. La corrosin es un problema general en los metales, ms an si estn inmersos enun medio tan hostil como lo es el organismo humano, que tiene altas concentraciones de ionesagresivos (cloruro, principalmente) y temperaturas aproximadas a 37C.

Slo se utilizan unos pocos metales como biomateriales ya que deben satisacer una serie derequisitos, tales como ser tolerados convenientemente por el paciente (sus especies qumicasderivadas deben ser inocuas para los tejidos adyacentes), ser resistentes a la corrosin en pre-sencia de los fuidos biolgicos (que son muy agresivos), tener buenas propiedades mecnicasy compatibilidad con los huesos. Sus propiedades sicas y mecnicas permiten que puedanabricarse ormas complicadas mediante un extenso abanico de tcnicas de conormacin.

Los materiales metlicos ms comunes utilizados en implantes son los aceros inoxidables tipoAISI 316L (67.5 % Fe, 18 % Cr, 12 % Ni, 2.5 % Mo, menos de 0.03 % C), aleaciones decobalto del tipo ASTM F5758 (35 % Co, 35 % Ni, 20 % Cr y 10 % Mo); aleaciones de tita-

nio, como por ejemplo la Ti6Al4V (90 % Ti, 6 % Al y 4 % V) o Titanio puro; y las aleacionescon memoria de orma, tal como la NITINOL (50 % Ti y 50 % Ni). A su vez, para aplica-ciones odontolgicas (prtesis, aparatos de ortodoncia, etc.) se emplean aleaciones de metalesnobles (oro y plata), aleaciones Co-Cr, Ni-Cr, aleaciones de titanio y aceros inoxidables. Todosestos biomateriales metlicos son resistentes a la corrosin debido a la ormacin de una capapasivante de xido en la supercie, protegiendo al metal y evitando que la corrosin avance.

b) materiales bioactivos: este tipo de materiales recibe una respuesta biolgica especca en lainterase con el medio biolgico, ormando enlaces qumicos entre el material y el tejidoque lo rodea. Dentro de este grupo de materiales se encuentran los cermicos de osato decalcio, que son los nicos materiales que tienen una estructura similar al hueso. Estos estncompuestos de un 60 a 70 % de mineral, casi todo osato clcico, lo que les permite a estoscermicos ser un material totalmente biocompatible;

c) materiales reabsorbibles: estos materiales, tambin llamados simplemente bioabsorbibles,tienen la capacidad de ser compatibles con el tejido y de degradarse luego de un cierto tiem-po posterior a ser implantados; dando lugar a productos que no son txicos y que puedenser eliminados por el organismo o metabolizados por ste. Generalmente, este grupo estrepresentado por los polmeros biodegradables, aunque existen ciertos materiales cermicoslos cuales tambin son reabsorbibles.

A su vez, los biomateriales tambin pueden ser clasicados segn su naturaleza qumica en tresgrupos principales: metales, polmeros y cermicos. A continuacin se especican las caracte-rsticas y aplicaciones de cada uno de ellos.

7.2.1.1 Metales



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De entre los biomateriales metlicos de uso recuente en implantes seos, las aleaciones basadasen el titanio son las que presentan el mejor conjunto de propiedades (mecnicas y de resisten-cia a la corrosin). A su vez, las aleaciones con memoria de orma son utilizadas en alambrecorrectores de la posicin dental (aparatos de ortodoncia) y en stents gstricos y vasculares.

Los materiales polimricos tienen una amplia variedad de aplica-ciones en el campo de la implantologa mdica, ya que presentanpropiedades sicas, qumicas y mecnicas ms cercanas a las de lostejidos vivos que, en su mayor parte, estn ormados por polme-ros naturales, como las protenas y los polisacridos. Adems, sonde cil procesamiento y pueden obtenerse en diversas ormas.

Actualmente existen numerosos polmeros utilizados en el cam-po biomdico. Algunos de ellos son bioestables (o sea, no bio-degradables), y son utilizados para aplicaciones permanentes

como el polimetilmetacrilato (PMMA) o el polietileno (PE)En los ltimos aos se han comenzado a emplear a los polmeros biodegradables para aplicaciones temporales. En la dcadadel 60 se introdujo el concepto de material bioabsorbible, y enlas ltimas dos dcadas, se han comenzado a utilizar dispositivobioabsorbibles que han sido empleados en muchas aplicacio-

Figura 7.7. Diversos dispositivos biomdicos abricados con metales. (a) Reemplazo parcial decadera. (b) Prtesis dental removible. (c) Implante dental.

7.2.1.2 Polmeros

Figura 7.8. Dierentes tipos de disposi-tivos biomdicos abricados con polme-ros. (a) Lente de contacto intraocularde siliconas con asas de poliamida. (b)Cabeza de mur de Polietileno de ultraAlto Peso Molecular (UHMWPE).

Los empleos ms recuentes de los biomateriales metlicos son en aplicaciones ortopdicas, que

incluyen sustituciones seas (reemplazar parte de un mur, una cadera o una rodilla), jaciones deracturas (en orma de clavos internos), jadores externos, etc. Enel campo odontolgico tambin presentan muchas aplicacionestales como puentes permanentes y removibles, prtesis parcialeso totales, correctores dentales, etc. Muchos dispositivos implanta-bles contienen partes metlicas tales como las prtesis vascularesvlvulas de corazn, electrodos de marcapasos, etc. La fgura 7.7muestra algunos dispositivos biomdicos abricados con metales.


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Los materiales cermicos presentan enlaces qumicos uertes, tienen altopunto de usin, baja conductividad elctrica y trmica y buena estabili-dad qumica. Los cermicos son generalmente rgiles y casi siempre seracturan rente a esuerzos de traccin y presentan poca elasticidad. Pre-sentan cierta porosidad, lo cual reduce la resistencia a los esuerzos, de-bido a que los poros y otras imperecciones microscpicas actan comoentallas o concentradores de tensiones. Tienen elevada resistencia a lacompresin si se comparan con los metales, incluso a temperaturas altas(hasta 1.500C). Bajo cargas de compresin, si hay suras incipientes

stas tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de traccin las surastienden a separarse, dando lugar a la ractura de la pieza cermica.

Los biocermicos tienen propiedades muy particulares: son qumicamenteinertes en muchos ambientes, presentan elevada resistencia al desgaste (loque los hace adecuados para aplicaciones ortopdicas y dentales), tienen altomdulo de elasticidad y elevada resistencia mecnica, son estticamente ade-cuados para acabados dentales y excelentes como plataorma de crecimientocelular. Tienen la posibilidad de reparar o de sustituir partes del cuerpo da-adas y son inertes en el cuerpo (o bioactivos, segn la clasicacin).

Para aplicaciones biomdicas se pueden encontrar tres clasicaciones de los biocermicos:

a) reabsorbibles, entre los que se encuentran los osatos de calcio y los vidrios de osatode calcio;

b) bioactivos, dentro de los que se encuentran los biovidrios, la hidroxiapatita y lasvitrocermicas;

c) inertes o no bioabsorbibles, dentro de los que se encuentran la almina (Al2O

3), zir-

conia (ZrO2), dixido de titanio en sus diversas ormas (TiO2) y el carbono.

En general, las biocermicas son utilizadas en el campo clnico como implantes pe-queos que no tengan que soportar altas cargas, como por ejemplo implantes para elodo medio; recubrimientos sobre metales, reuerzos en implantes dentales, implantesporosos sin cargas para estimular el crecimiento de hueso dentro del implante o comocementos que se implantan en estado pastoso y raguan in vivo. La fgura 7.9 muestraejemplos de dispositivos biomdicos abricados con materiales cermicos.

7.2.1.3 Cermicos

Figura 7.9. Dispositivos bidicos abricados con matecermicos. (a) Distintos tipcabeza de mur construidaalmina. (b) Prtesis ocular cada con hidroxiapatita.

nes de la ciruga ortopdica, incluyendo la jacin de racturas, reemplazo seo, reparacin dehombros, cartlago y menisco, jacin de ligamentos y liberacin de rmacos. Estos polmerosbioabsorbibles han sido utilizados en orma de tornillos, clavos y placas para ciruga ortopdica,oral y craneoacial, lentes intraoculares, lentes de contacto, etc. En la fgura 7.8 se muestran dostipos de dispositivos biomdicos que han sido abricados con polmeros.



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7.2.2 Formas de degradacin de los biomateriales

La degradacin de un biomaterial supone la modicacin de sus propiedades qumicas,sicas y mecnicas por la accin de los organismos vivos. Es de destacar que el mediosiolgico es muy agresivo para la mayora de los materiales, debido a la conjuncin deuna serie de actores tales como la presencia de ciertos iones (Cl-, Ca2+, etc.), protenas

y determinados productos metablicos; modicaciones en el pH; presencia de oxgenociclos de carga-fexin, abrasin, desgaste, etc.

Los componentes abricados con polmeros son generalmente conables durante todala vida til estimada para dicho dispositivo. Sin embargo, no existe ningn polmeroque sea totalmente inmune a los procesos qumicos y mecnicos a los que pueda estarsometido en el cuerpo, y estos pueden ocurrir directamente a travs de una respuestadel husped o indirectamente a travs de actores externos (radiacin, por ejemplo). Eltipo de degradacin que predominar en los polmeros depender de si se trata de unpolmero de condensacin o de adicin (para estas deniciones, ver captulo 5).

Si se trata de polmeros que resultan de procesos de condensacin, estostienden a degradarse en presencia de agua como resultado de un pro-ceso de hidrlisis, aunque tambin pueden degradarse por la presenciade enzimas. Luego de la implantacin de estos materiales, se producenprocesos de adsorcin de compuestos proteinceos y de compuestos so-lubles en agua. Esto conduce al inicio de un proceso de deterioro aun-que, sin embargo, existen muy pocas reerencias sobre los mecanismos dedegradacin de polmeros bajo condiciones in-vivo y la nica orma deanalizar el eecto del medio biolgico sobre el polmero es analizando losimplantes luego de que estos son extrados del cuerpo.

El mecanismo ms recuente de degradacin encontrado en los polme-ros que han estado implantados en un cuerpo es la hidrlisis. Se dene a este trminocomo la rotura generada por el agua, enmeno que ocurre sobre molculas susceptiblesy que contienen grupos uncionales especcos como ser steres o amidas. Estos gruposson atacados por el agua bajo ciertas condiciones, rompindose su estructura y generan-do dos nuevos ragmentos (con la consiguiente disminucin del peso molecular del pol-mero). Para que esta reaccin ocurra, es necesaria la presencia de catalizadores tales comoH+, OH- o enzimas especcas. La fgura 7.10 muestra un mecanismo simplicado dehidrlisis de un polmero que lleva a su ragmentacin en cadenas ms pequeas.

Un polmero ser ms cilmente hidrolizable cuanto ms grupos susceptibles contenga,

cuando presente grupos cargados elctricamente (que atraen al agua), cuando tengan bajacristalinidad y sus cadenas tengan poco entrecruzamiento, cuando haya una alta relacin reaexpuesta/volumen de fuido y en presencia de tensiones mecnicas. A su vez, cuando presen-tan pocos grupos hidrolizables, alto entrecruzamiento de cadenas, alta cristalinidad debido a lapresencia de cadenas ordenadas, bajos niveles de tensiones mecnicas y se utilizan para abricardispositivos compactos, la velocidad de hidrlisis disminuye a valores despreciables.

Figura 7.10. Mecanismo de hi-drlisis de un polmero que pre-senta grupos susceptibles (X=Ocorresponde a un ster; X=NHcorresponde a una amida).

H2OC O

OH

+ XH

o Dos fragmentosdel polmero

H+

OH-

enzimas


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Por su parte, los polmeros de adicin son ms estables que los de condensacin, peropueden degradarse como resultado del ataque por radicales libres, presentes en los teji-dos biolgicos o como resultado de agentes externos. Esta ltima posibilidad es un actora tener en cuenta previo a la implantacin del dispositivo en el cuerpo, ya que jugar unrol importante en la vida til del implante. Por ejemplo, la esterilizacin con radiacingama del polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) que se emplea en losreemplazos totales de cadera, genera radicales libres que dan origen, posteriormente, a

reacciones indeseables de oxidacin y acortamiento de cadenas, derivando en una prdi-da de sus propiedades mecnicas.

Los metales tambin se degradan en el cuerpo humano liberando iones u otros productosde corrosin. La presencia del medio biolgico no genera la aparicin de nuevos mecanis-mos de corrosin; los mismos mecanismos de corrosin metlica mostrados en el captulo3 se ponen de maniesto en los medios biolgicos. Los enmenos particulares que puedenocurrir en el medio son que las molculas biolgicas modiquen el tipo y la velocidad delas reacciones que habitualmente ocurren sobre los metales, que el pH del medio modi-que las caractersticas de las pelculas pasivantes (en el caso de inecciones, por ejemplo),que la estabilidad de dichas pelculas dependa de la disponibilidad de oxgeno (hay tejidos

donde esta disponibilidad es alta mientras que en otro est limitada), etc.

La aplicacin de metales nobles como el oro y el platino, en los cuales lacorrosin es un enmeno prcticamente inexistente, est limitada no slopor su alto costo, sino tambin por sus pobres propiedades mecnicas. Espor ese motivo que se emplean como biometales a aquellos en los que laresistencia a la corrosin se basa en la ormacin de una pelcula pasiva.ste es el caso de los aceros inoxidables, aleaciones Ni-Cr, Co-Cr y alea-ciones base Ti. El uso del Al, pese a que presenta buenas propiedades me-cnicas, est descartado porque sus iones son txicos para el organismo.

A pesar del esmero que se aplica en la seleccin de los materiales metli-cos ms adecuados para cada uncin, en algunos casos de produce unacorrosin inesperada de los mismos, y a continuacin se mencionarndos ejemplos. La fgura 7.11 muestra el detalle de un aparato de orto-doncia (abricado en acero inoxidable) que permaneci en boca pocomenos de 2 aos. Se puede apreciar la aparicin de ataque corrosivo enorma de picaduras que conducirn a la ruptura del mismo en el corto plazo. El diagns-tico ue que se utiliz un inadecuado procedimiento de soldadura del dispositivo, quecondujo a la aparicin de zonas susceptibles al ataque por cloruros.

En la fgura 7.12a se muestra una placa de jacin de racturas construida en acero

inoxidable, conjuntamente con sus tornillos de jacin. La fgura 7.12b muestra elaspecto de una placa similar que ha sido extrada de un paciente luego de pocos mesesde uso, donde se aprecia la presencia de ataque localizado (corrosin en rendijas) en losoricios de la placa por donde pasan los tornillos. Esto se ha debido a un problema de di-seo, que deja resquicios entre la placa y el tornillo, donde se aloja el medio corrosivo.

Figura 7.11. Detalle de un ato de ortodoncia abricado eninoxidable donde se aprecia laricin de picaduras.



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Figura 7.12. Placa de fjacin de racturas de acero inoxidable. (a) Previo a su colocacin en elpaciente. (b) Corrosin por rendijas en la placa luego de pocos meses en servicio

Finalmente, dentro de los biomateriales, las cermicas son los materiales ms resistentes almedio biolgico y no se degradan, a menos que estn sometidas a cierto estado de tensionesmecnicas que pueden conducir a la ractura rgil de los dispositivos abricados con ellas.

Como corolario, hay que destacar que la degradacin de los biomateriales no interesanicamente porque acortan la vida til de los dispositivos, sino tambin porque losproductos de su degradacin pueden producir procesos infamatorios y complicaciones

inmunolgicas que pueden poner en riesgo la salud del paciente y recuentemente re-quieren de la extraccin del implante.

Las obras de arte se realizan utilizando una amplia variedad demateriales: maderas, piedras, metales, plsticos, telas, vidrioscermicas, morteros, pinturas, barnices, colorantes, pigmentosetc. Como se ha visto en los captulos anteriores, todos ellos sonsusceptibles de degradarse. Cuando ello ocurre se debe realizar un

estudio integral de los materiales que componen la obra de arte ydeterminar las causas que han ocasionado su deterioro. Luego, seproceder a la restauracin, que es la recuperacin de la aparien-cia esttica de la obra de arte respetando las prdidas ocasionadaspor el paso del tiempo, lo cual requiere del restaurador un respetoabsoluto por la integridad del autor, creador de la obra.

En la actualidad la restauracin de obras de arte es una accin in-terdisciplinaria. Por un lado tenemos el conocimiento cientcodado por el qumico y el sico y por otro, el conocimiento hu-manstico dado por el historiador y, en particular, el historiador

del Arte. Diversas tcnicas qumicas y sicas nos permiten tantoidenticar la composicin de los materiales a travs de ensayosque son en general destructivos, como realizar anlisis para iden-ticar distintos compuestos utilizando tcnicas no destructivasAlgunas de estas tcnicas requieren de la exposicin de la obra dearte a radiaciones electromagnticas de dierentes longitudes de

7.3 Degradacin de obras de arte

Figura 7.13. Anlisis composicional de pintu-ras utilizando un equipo porttil de fuorescen-cia de Rayos X. Escuela Nacional de Conserva-cin, Restauracin y Museograa Manuel delCastillo Negrete, Mxico.


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onda (inrarrojo prximo, visible, ultravioleta, rayos X) para con-seguir una imagen que se tratar posteriormente (Figura 7.13).Tanto el historiador como el historiador de Arte intervienen en latoma de decisiones, inorman sobre la evolucin de los estilos, dela tipologa y tambin de la historia de las tcnicas. Finalmente,el restaurador, que unciona como nexo entre ambas ramas dela ciencia, proporciona los mtodos especializados de aplicacin;

requiere estar siempre actualizado y poseer gran destreza manualy experiencia (Figura 7.14 yFigura 7.15).

Entender los procesos de degradacin de los materiales es esencialpara la conservacin de los mismos. A modo de ejemplo se tratarna continuacin algunos casos de degradacin de obras de arte o debienes del patrimonio cultural, as como los tratamientos de restau-racin y conservacin que pueden realizarse en cada caso.

Los libros o papeles de archivos pueden ser aectados por conta-minacin biolgica de hongos o insectos, lo que conduce a su de-gradacin. El papel, as como la madera, es un material celulsicoy, tal como se vio en el captulo de degradacin de maderas, essusceptible al ataque de diversos hongos e insectos que se alimen-tan de la celulosa del que est compuesto. El tratamiento exitosode recuperacin de este tipo de objetos implica la eliminacin

de la contaminacin biolgica, sin aectar al objeto tratado. Unaposibilidad para la decontaminacin de material bibliogrco esla aplicacin de radiacin ionizante.

La radiactividad es el enmeno mediante el cual el ncleode un tomo inestable se transorma en otro ms estable pormedio de la emisin de energa bajo la orma de partculas uondas electromagnticas. Las radiaciones que poseen sucien-te energa para separar electrones de los tomos se denominan radiaciones ionizantes.Estas interactan con la materia que atraviesan mediante colisiones con los tomos. Enla colisin, los electrones pueden ser separados de los tomos, dando lugar a iones positi-

vos y electrones libres ionizacin- o ser trasladados a rbitas de mayor energa, creandotomos o molculas excitadas. Los iones positivos, electrones y especies excitadas son losque originan cambios qumicos en el material irradiado.

El eecto biocida de las radiaciones es consecuencia de la interaccin de la radiacin con lamateria. La interaccin de las radiaciones ionizantes con los electrones de los tomos de los

Figura 7.14. Restauracin de obras pictEscuela Nacional de Conservacin, Rescin y Museograa Manuel del Castilgrete, Mxico.

Figura 7.15. Restauracin de policrommadera. Escuela Nacional de ConservRestauracin y Museograa Manuel dtillo Negrete, Mxico.

7.3.1 Libros y documentosinectados con hongos



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compuestos celulares produce cambios qumicos en las clulas, produciendo una serie deeventos que conducen a cambios biolgicos. Dependiendo de la severidad del dao, puedenllegar a causar modicaciones de la uncin celular hasta causar la muerte del organismo.

Recientemente, se ha comenzado a evaluar la aplicacin de este tipo de tcnica para des-contaminar libros y objetos bibliogrcos en general. La radiacin gama se utiliza connes de desineccin en casos de contaminacin microbiana patognica para proteger la

salud de las personas; en casos de contaminacin con insectos u hongos para preservarlos libros; y en casos de desastre (inundacin o incendio controlado con agua en biblio-tecas o archivos) para prevenir el crecimiento de hongos.

Ya en el siglo VI a.C. el mrmol era el material de construccin preerido, tanto en la sociedadgriega como en la romana. Los mrmoles, principalmente de color blanco (los griegos pare-

cen haber preerido mrmoles blancos, a dierencia de los romanos quienes usaron mrmolescoloreados, o sea ricos en otros minerales) estn compuestos casi exclusivamente de calcitaCa(CO3) y excepcionalmente dolomita CaMg(CO3)2.

El mrmol se puede degradar por la accin del clima y los contaminantes presentes en la at-msera y si bien hay una percepcin general que la polucin area es un problema modernose trata de un problema que data de la antigedad (Figura 7.16).

Existen tres tipos de ataque atmosrico que deterioran el mrmol:

1. congelamiento del agua dentro de las suras, seguido por la rotura de

mrmol debido a la expansin del agua al congelarse;2. ataque por lluvia cida (NOX, SO

X, CO

2, agua), seguido por la disolucin

de la piedra;3. ataque por dixido de azure (SO2) seguido por la ormacin de yeso

en la supercie del mrmol (sulatacin).

El primer tipo de ataque es siempre posible, aunque es muy raro queocurra en pases de clima clido, siendo ms recuente en pases conhabituales bajas temperaturas. No causa un deterioro relevante rentea otros tipos de ataque, y es posible minimizar su eecto ubicando lasestatuas a cubierta o rociando la supercie de las estatuas con sustancias

que bajen el punto de usin del agua.El trmino lluvia cida es comnmente utilizado para la deposicinde componentes cidos presentes en el agua de lluvia. El agua destiladala cual no contiene dixido de carbono, tiene un pH neutro igual a 7El agua de lluvia limpia o sin contaminantes tiene una leve acidez

7.3.2 Degradacin atmosrica del mrmol

Figura 7.16. Estatua de mrmolde Helios del siglo III a.C. (MuseoArqueolgico de Rodas, Grecia).


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correspondiente a un pH de 5,6 producida por la reaccin entre el dixido de carbonoatmosrico y el agua del aire para dar cido carbnico. Si, adems, existen en la atms-era otros contaminantes como xidos de azure y nitrgeno, la acidez aumenta anms como resultado de la reaccin de estos xidos con el agua del aire para ormar losrespectivos cidos uertes (como el sulrico o el ntrico).

Teniendo en cuenta slo la presencia del dixido de carbono atmosrico, la reaccin que

ocurre en el mrmol es la siguiente:

causando la disolucin del material. Este tipo de ataque slo tiene lugar en presencia deagua; por ejemplo, en las zonas de estatuas o edicios que estn en contacto directo conel agua de lluvia. Como consecuencia de ello se produce la disolucin de los relieves yla cada de piezas de mrmol por alta de cohesin. Sin duda, este tipo de ataque es elms agresivo de todos, y una orma de retrasar o anular sus eecto es evitando el contactodirecto de las zonas ms sensibles de los monumentos de mrmol (estatuas, piezas orna-mentales) con el agua de lluvia, ponindolas a cubierto.

Cuando las supercies de los monumentos no estn en contacto directo con el agua de lluvia, el ter-cer tipo de ataque se hace predominante y tiene lugar la sulatacin de las supercies de mrmol:

conduciendo a la ormacin de yeso CaSO4.2H2O. En ocasiones, este proceso va acompaa-do de la aparicin de densas cortezas negras cuyo origen es la presencia de partculas carbono-sas, en particular ceniza suspendida en el aire. Pero dichas partculas no slo son prisioneraspasivas en la corteza, sino que contienen xidos metlicos que catalizan la oxidacin deldixido de azure y por lo tanto, promueven la ormacin de la pelcula de yeso.

Desde que se estudi el tema del deterioro de los edicios y las estatuas de mrmol, seobserv que los detalles artsticos de los mismos se mantenan en la supercie de yesoormada con el correr de los aos. Es decir que los detalles de las estatuas o esculturasornamentales se conservan en las capas de yeso, an cuando estos han sido eliminadosde la supercie del mrmol. Antes que esto uese descubierto, las pelculas de yeso quese ormaban sobre los monumentos y estatuas eran destruidas como paso previo al trata-miento de la supercie de mrmol con recubrimientos protectores, y para evitar intensassulataciones posteriores a causa del lavado con agua. Actualmente, se reconoce que lacapa de yeso que se orma no debe ser destruida, con el propsito de evitar la prdida delos detalles que caracterizan a cada uno de los monumentos y estatuas. Por lo tanto, para

poder mantener los detalles, hay que consolidar la capa de yeso; y esto se logra, convir-tiendo el yeso de nuevo en piedra caliza. Existen varias ormas de lograrlo, a saber:

poniendoencontactoalapiezademrmolsulfatadaconaltaspresiones(entre2y4atm)de CO2 y altas temperaturas (entre 30 y 80 C) en un autoclave. La reaccin de conver-sin es la siguiente:


CaCO3(s) + CO2(g) Ca2+

(HCO3)2

2(aq)

CaCO3(s) + SO2(g) + 1/2O2(g) + 2H2O(g) CaSO4.2H2O(s) + CO2(g)


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CaSO4.2H2O (s) + CO2 3 (s) + H2SO4 + H2O

Antes de abrir el autoclave se enjuaga la pieza con un fujo de agua a presin. Este mtodoes muy bueno y la conversin es rpida y completa. La caliza que se obtiene posee propie-dades mecnicas similares a la del mrmol original, pero resulta dicil, por un problemade tamao, tratar a las estatuas y monumentos bajo las condiciones mencionadas;

otromtodoconsisteenutilizarunasolucindeK2CO3 a temperatura ambiente, conuna concentracin ptima de 0,3 M. La caliza producida por K

2CO

3no tiene una dureza

tan buena como la del propio mrmol. Sin embargo, si se trabaja con una solucin deK

2CO

3saturada en CaCO

3(agregado para acilitar la precipitacin de CaCO

3), la dureza

de la caliza ormada alcanza valores cercanos a los del mrmol;

otraopcinesutilizarunasolucinsaturada,emulsinopastadexidodecalcio(cal).Lacal hidratada reacciona lentamente con el anhdrido carbnico atmosrico produciendopiedra caliza. Lamentablemente, este mtodo presenta tres desventajas: la carbonatacines extremadamente lenta; la carbonatacin no es completa en el seno de la cal y, aunquela carbonatacin uese completa, las propiedades mecnicas de los productos son muy

pobres. Sin embargo, agregando 6% de CaCO3 a la cal hidratada y trabajando a unatemperatura de 32-35C se acelera la cintica de la reaccin, obtenindose un tamao degrano ms pequeo y mejores propiedades mecnicas en el producto nal.

Al aplicar cualquiera de los mtodos de reconversin del yeso en mrmol a piezas que seencontraban en el exterior de los edicios, se observ que, a la vez que el yeso se trans-orma en CaCO3, la supercie se limpia. Esto ocurre porque gracias a la reduccin delvolumen molar, al transormar el yeso en calcita

las partculas suspendidas que manchan las supercies generando la corteza negra, se des-prenden y pueden ser removidas. Entonces, luego de aplicar la solucin en orma de spraysobre la supercie y secarla, sta debe ser aireada.

El David de Miguel ngel (Figura 7.17), monumental estatua de ms de 5 metros dealtura y 5 toneladas de peso, es una de las obras en mrmol ms clebres del mundoSi bien actualmente se encuentra alojada en el interior de la Galera de la Academia enFlorencia, Italia, ha estado sometida a las inclemencias climticas desde su inauguracinen 1504. En ocasin del quinto centenario de la inauguracin de la estatua, celebradoen 2004, el David recibi una cuidadosa restauracin durante la cual la obra ue lim-piada con una mezcla de agua destilada y pulpa de celulosa, aplicada a travs de papel

japons o papel de seda, lo cual le devolvi parte de su luminosidad original. Tambin serellenaron con estuco (pasta de yeso, yeso-cal o cal, sola o mezclada con otros materialesque permite un acabado de tipo marmreo) algunas grietas. Pero en el ltimo ao estosrellenos se reabrieron uno a uno y hoy se piensa en una restauracin ms cuidadosa y aondo, con el agregado de un aislador ssmico. La responsabilidad es tanto de los turistasque llenan a toda hora la Galera de la Academia donde se encuentra la monumental es-

CaSO4.2H2O 3


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tatua, como de las enormes dimensiones del mrmol nico en que est esculpida la obray por la escasa calidad de la piedra, inusual en el caso de Miguel Angel, quien viajabapersonalmente a Carrara para elegir el material ms adecuado.

El cobre puede encontrarse en la naturaleza como metal, as tambin como en varias ormasminerales como la cuprita(xido cuproso de color rojizo), calcocita (suluro cuproso),calcopirita(suluro de cobre-hierro) y los carbonatos bsicos: malaquita(color verde) yazurita(color azul). El cobre metlico es atacado por suluros, ormndoseun lm de suluro de cobre. Tambin es muy sensible al ataque por oxgeno;oxidndose relativamente cil al exponerse a la accin de este ltimo.

El cobre es un metal relativamente resistente a la corrosin cuando noexisten cloruros en el ambiente. En este caso las capas de xido actancomo aislantes que protegen al metal de los agentes agresivos del medio.

La malaquita y la azurita son productos de corrosin pasivos, son esta-bles y no continan promoviendo procesos de corrosin. Sin embargo,al encontrarse los objetos de cobre enterrados en el suelo (donde existencondiciones de humedad) las capas suelen ser voluminosas, irregulares yporosas, con inclusiones de tierra y arenillas que distorsionan el valor or-mal de los objetos e impiden apreciar los detalles de la supercie original.

Mediante los distintos estudios de los metales antiguos se ha notado que losbronces (aleaciones de cobre y zinc) han sobrevivido por miles de aos, locual puede ser explicado mediante el hecho de que se ha logrado un equili-brio entre los bronces corrodos y el medio ambiente que los rodea (el suelo).

Luego, las excavaciones han roto este equilibrio y al exponerse los objetos acondiciones ambientales distintas, se han provocando grandes cambios y elcomienzo, nuevamente, del avance de los procesos de corrosin.

Es comn encontrar en los objetos de cobre o bronce corrodos queproceden de ambientes donde existen cloruros y humedad, unos puntosde color verde plidos (Figura 7.18). Esto se conoce como la enermedad del bronceylos productos de corrosin ormados son atacamita(cloruro de cobre de color verdeoscuro) ynantokita(cloruro cuproso de color verde). Los cloruros de cobre atraen lahumedad del ambiente y reaccionan con el agua para ormar xidos de cobre -cupritaytenorita(xido cprico)- y cido clorhdrico. Este ltimo disuelve el metal sano que

se encuentra debajo de las capas de productos de corrosin, para ormar nuevamentecloruros de cobre. Este proceso es cclico hasta completar la destruccin del metal. Porlo que es necesario que los objetos de cobre se encuentren en un ambiente seco con unahumedad relativa de 40% o menos. Generalmente, a estos metales se les suele realizar unlaqueado o encerado nal para protegerlos de uturos ataques.

7.3.3 Degradacin de estatuas de bronce

Figura 7.17. Rplica delvid de Miguel ngel realizamrmol (Piazza della SignFlorencia, Italia).



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Con respecto a la restauracin de obras de bronce se puedenutilizar reactivos qumicos como sales de Rochelle alcalinasKNa(C

4H

4O

6).4H

2O o glicerina para remover los carbonatos

cpricos bsicos y cido sulrico diluido para remover el xidocuproso (cuprita), seguido de una reduccin electroltica para eli-minar los cloruros cuprosos.

Sin embargo, cuando la ptina o las incrustaciones deben preser-varse, el trabajo es ms dicultoso. El objetivo es detener la corro-sin mientras se conserva el carcter general de la obra. Existentres mtodos generales para esto, usando:

sesquicarbonato de sodio Na2CO

3.NaHCO

3.2H

2O: primero se

realiza una limpieza mecnica y luego se moja con sucesivosbaos en una solucin al 5% de sesquicarbonato de sodioPueden existir problemas de ormacin de depsitos secunda-rios de malaquita, la cual se quita con un cepillado. El trata-

miento puede durar varios meses debido a que el sesquicarbonato de sodio debe diundir

a travs de la incrustacin hasta llegar al cloruro cuproso ms proundo;

xido de plata Ag2O: este tratamiento trata de exponer al cloruro cuproso y ormar clo-

ruros de plata. El cloruro cuproso reaccionar con el xido de plata ormando xidocuproso y cloruro de plata, ambas son sales estables y aislarn al cloruro cuproso contrael ataque de la humedad. Si el tratamiento no est bien realizado se observarn puntosverdes brillantes y se deber repetir el tratamiento;

benzotriazol C6H

5N

3: este compuesto orgnico se utiliza para estabilizar bronces. Se

realiza una limpieza mecnica y se sumerge el objeto durante 24 horas en una solu-cin al 3% de benzotriazol. Luego se observa si aparece algn punto de corrosin; si

esto ocurre se vuelve a repetir el tratamiento.

Los bronces algunas veces se encuentran recubiertos con depsitos calcreos. Una posiblesolucin es utilizar cido ntrico, pero en el caso de tratarse de trabajos nos o donde el me-tal sea muy delgado, se trata de evitar debido a que es muy drstico. Es preerible removerlos depsitos sumergiendo los objetos en una solucin al 5% de hexametaosato de sodio(NaPO

3)

6, el cual no pone en riesgo la remocin de la ptina.

Las decoraciones de oro que puedan poseer los objetos de bronce, en un principio, pue-den no llegar a reconocerse debido a que stas se cubren con los productos de corrosindel cobre. Si bien el oro no es soluble en los reactivos qumicos que normalmente se em-

plean para limpiar los bronces, estos reactivos s atacan el bronce corrodo debajo de lascapas de oro, entonces el oro podr desprenderse. Si por una inspeccin previa se sospe-cha la presencia de oro, es preerible tratar al oro primero y luego al bronce localmenteUn reactivo til para limpiar el oro es el cido rmico (30%), que acta ablandando lasincrustaciones de carbonatos.

Figura 7.18. Caballo y jinete de Artemisionencontrados en el mar. Estatua de bronce delsiglo III a.C. (Museo Arquelgico Nacional deAtenas, Grecia).


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Cuando los objetos de bronce se encuentran enterrados, son propensos a poseer abolladurasdebido al peso de la tierra que los cubre. Antes de realizar cualquier intento de restaurar su or-ma, el metal debe ser ablandado mediante calentamiento y la inmersin dentro de agua ra.

En casi todas nuestras actividades cotidianas necesitamos energa: para alimentarnos, movi-lizarnos, comunicarnos como as tambin para el uncionamiento de industrias y todos losemprendimientos ms complejos de las civilizaciones.

La energa es sinnimo de vida. Cada actividad demanda distinta cantidad y tipo de energa.Hay energas no disponibles inmediatamente pero que la actividad humana convierte en dis-ponibles y otras que estn a nuestro servicio sin la intervencin del hombre.

La energa del Sol por ejemplo, hace crecer los cultivos. El hombre est buscando concentrarlapara hacerla disponible en otros usos como la caleaccin de los hogares o del agua de usos do-msticos, pero no se ha logrado concentrarla lo suciente como para lograr mover una brica.No puede ser utilizada todava para el uso industrial masivo.

La energas elica, mareomotriz, geotrmica o por usin estn en etapa de desarrollo y toda-va no se ha logrado explotarlas comercialmente.

De dnde proviene entonces la energa que utilizamos para la industria, la iluminacin, elacondicionamiento de ambientes y el transporte? Fundamentalmente de las cadas de agua,del quemado de los combustibles siles y de la energa nuclear (Tabla 7.2).

7.4 Degradacin de contenedores de residuosradiactivos y preservacin del medio ambiente

Tipo de Energa HIDRULICA TRMICA NUCLEAR

Fuente Saltos de agua naturales oorzados

Quemado de combustiblessiles (petrleo, carbn, gas)

Energa liberada durante lasin del tomo de uranio

Usos principales Energa elctrica paraconsumo domiciliario eindustrial

Movimiento de vehculos detodo tipo (autos, aviones,barcos), caleaccin, etc.

Energa elctrica

Aspectos positivos Es renovable y econmica,

pero el caudal de los rosdepende del rgimen deprecipitaciones. No sepuede depender nica-mente de ella

Es la ms barata Limpia, conable en el su-

ministro, no contaminante

principAlesfuentesdeenergA, sususosprincipAlesysusAspectospositivosynegAtivos.TABLA 7.2



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Aspectos negativos Las represas modicanel ciclo del agua, alteranel ecosistema en algunoscasos negativamente

No renovable (el petrleo seagotar eventualmente) ymuy contaminante, contribu-ye al eecto invernadero

No renovable, produceresiduos que tardanmuchos aos en perder suradiactividad, pero puedenser almacenados sin queproduzcan dao al medio-ambiente

En esta direccin hablaremos de la degradacin de los contenedores de los residuos ra-diactivos de alta actividad. Se mostrar el esuerzo que cientcos y tecnlogos hacen paraevitar que los residuos radiactivos resultantes de la produccin de energa nuclear conta-minen el medioambiente, y convertir a esta energa en una de las ms seguras del planetadentro de las energas de alto consumo.

Pero antes haremos una breve descripcin de cmo uncionan las centrales nucleares ycmo es que se producen los residuos.

Como sucede con la generacin de energa hidrulica y trmica, la energa nuclear se basaen el movimiento de turbinas. En este caso (como tambin en las trmicas) es el vaporde agua el que mueve las turbinas. El vapor en una central nuclear se obtiene calentandoagua con la energa liberada en la sin del tomo de uranio en el Ncleo del ReactorNuclear. Ese vapor es luego enriado y condensado, de manera que puede reutilizarse.

El ncleo de un tomo de Uranio 235 (U-235 235U) se puede partir o sionar y esa sinproduce una gran cantidad de energa. El U-235 es un istopo radiactivo del uranio. Son

istopos los tomos que tienen el mismo nmero de protones (partculas elementales concarga positiva) en su ncleo, pero dierente nmero de neutrones (partculas elementales dencleo que no tienen carga pero son las que le dan peso al tomo). En la Tabla Peridica delos Elementos el nmero atmico del uranio es 92. Eso signica que todos los tomos deuranio tienen en su ncleo 92 protones, por lo tanto el Uranio 235 tiene 143 (235-92=143)neutrones en su ncleo. El uranio natural est ormado por tres tipos de istopos: uranio-238 (U-238 238U), U-235 y uranio-234 (U-234 234U). De cada gramo de uranio natura99,284 % de la masa es U-238, 0,711% U-235, y 0,0085% U-234. La relacin U-238/U-235 es constante en la corteza terrestre, salvo ciertas excepciones. El U-235 se distingue porser el nico elemento que se encuentra en la naturaleza que es un istopo sil (que se puedepartir). An con esa escasa cantidad de U-235 sil un reactor nuclear puede uncionar y

producir energa elctrica alimentado con uranio natural.

El proceso de sin de los tomos de uranio, que es la uente de calor para obtener evapor de agua, comienza cuando ex proeso se hace que un neutrn choque contra encleo de un tomo de U-235. Esto produce que su ncleo se parta ormando ncleosms pequeos (ragmentos de sin), liberando ms neutrones que irn a chocar a otros

7.4.1 Centrales nucleares


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ncleos de U-235 que se partirn liberando tambin ms neutrones y comenzando asuna reaccin en cadena con gran liberacin de energa y de calor (Figura 7.19).

Esta reaccin en cadena se produce en el ncleo del reactor. El U-235 se encuentra ubicadodentro del ncleo en los llamados elementos combustibles. Dentro del ncleo se colocan ade-ms, con el n de poder detener la sin a voluntad, unas barras de cadmio denominadasbarras de control. El cadmio absorbe los neutrones y corta la reaccin en cadena.

El agua que circula por un circuito cerrado a travs del ncleo del reactor es calentada amuy alta temperatura y presin por la reaccin en cadena y conducida hacia otro circuitocerrado en donde produce el vapor de agua (generador de vapor). Este vapor de agua sehace circular por las turbinas que estn conectadas al generador de energa, y luego seenra y condensa para ingresar nuevamente al generador de vapor (Figura 7.20).

Como todo proceso industrial, la generacin elctrica produce residuos. En el caso de lascentrales nucleares estos se producen por las radiaciones emitidas en la sin del U-235.Los ragmentos de sin pueden ser tomos radiactivos. Algunas de estas radicacionesson nocivas para la salud y, por lo tanto, se trata de minimizar al mximo el volumen delos residuos radiactivos y de almacenarlos en lugar seguro hasta que decaigan (pierdanradiactividad) a lmites de radiacin inocuos para la vida. Los residuos producidos por lascentrales nucleares se dividen en dos grandes categoras segn la actividad que posean y

el tiempo que tarden decaer.

1 Residuos de actividad media y baja: estos se producen mayoritariamente como con-secuencia de procesos de limpieza internos de la central, ltros de aire descartables,lquidos utilizados en distintas partes de la planta, y resinas empleadas en proce-sos de puricacin qumica. La evacuacin de estos desechos se produce mediante

Figura 7.19. Fisin de tomos de U-235. Esque-ma de la reaccin en cadena.

Fragmento

de fisin

Neutrn

Fragmento

de fisin

U - 235

Figura 7.20. Esquema de un tipo de reactor nuclear llama(Pressurized Water Reactor) que unciona utilizando agua asin y temperatura (300C) circulando en el ncleo del reacto

7.4.2 Residuos nucleares



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un proceso de compactado y cementacin en tanques de 200 litros. Estos son almace-nados en repositorios o depsitos especialmente diseados hasta que la actividad de losmismos disminuya a un nivel que permita su liberacin como residuos convencionales.

2 Residuos de alta actividad: son, principalmente, los resultantes del procesamiento delos elementos combustibles quemados en el ncleo del reactor. Despus de permane-cer de 2 a 5 aos (dependiendo del tipo de central nuclear) en el reactor, los elementos

combustibles se extraen del mismo mediante un sistema de telemanipulacin remotay son colocados en piletas de almacenamiento donde se enran y pierden parte de suradioactividad. Luego de 10 o ms aos de permanecer en las piletas, y en caso de quelas mismas agoten su capacidad de almacenamiento, los elementos combustibles pue-den ser almacenados en seco dentro de silos de hormign armado o contenedores deacero especialmente construidos. Estos contenedores almacenan de 20 a 80 elementoscombustibles (dependiendo del tipo de central), y estn hermticamente sellados paraasegurar que no se libere material radiactivo al medio ambiente.

Si bien una solucin para la disposicin nal de los combustibles an no ha sido tomada enningn pas del mundo, los estudios ms avanzados realizados en EE.UU., Francia, Alemania

Finlandia, etc. se inclinan por el almacenamiento directo en ormaciones geolgicas proun-das, donde los combustibles quedaran aislados del medioambiente en contenedores especialeso bien por el procesamiento de los mismos y su posterior almacenamiento proundo.

Los Residuos Radioactivos de Alta Actividad (RRAA) contienen istopos radiactivos con pe-

rodos de semidesintegracin superiores a 30 aos (es el lapso necesario para que se desinte-gren la mitad de los ncleos de una muestra inicial de una sustancia radiactiva). Estos, ademssuelen ser emisores de calor y pueden ser activos durante miles o decenas de miles de aosy requieren sistemas de gestin (almacenamiento) denitiva que aseguren su aislamiento yconnamiento por perodos de decenas o centenas de miles de aos. Los RRAA estn consti-tuidos por el combustible gastado de las centrales nucleares. Este combustible presenta unaspropiedades estructurales de estabilidad rente a la corrosin y de emisin de calor y radiacinderivadas tanto de sus caractersticas iniciales como de los procesos a los que ha sido sometidodurante su irradiacin (quemado) en el reactor nuclear. El conocimiento de estas propiedadeses undamental para poder desarrollar una gestin adecuada de estos materiales.

El almacenamiento geolgico proundo (AGP) es la solucin que internacionalmente estaceptada como ms segura y viable para la gestin nal de los residuos radiactivos de altaactividad. Se undamenta en la capacidad de aislamiento y connamiento de las ormacio-nes geolgicas, siempre que stas renan unas determinadas caractersticas de estabilidad,ausencia de vas rpidas de migracin y capacidad de retencin. El AGP se undamenta en eldenominado principio multibarrera que consiste en interponer una serie de barreras, arti-

7.4.3 Degradacin de los contenedores de residuosradiactivos de alta actividad


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ciales y naturales, entre el residuo y la biosera, que aseguren que el tiempo de trnsito hastala biosera de cualquier radionucleido almacenado que pudiera liberarse sea tan largo que,de alcanzarla, su actividad habr decado lo suciente como para no modicar los rangos delondo radiactivo natural ni los rangos aceptados de dosis a las personas. Este uncionamientodebe asegurarse bajo cualquier hiptesis de uncionamiento actual o uturo. Cada una de lasbarreras va a imponer condiciones de aislamiento y retardo especcas, siendo su conjunto unsistema redundante cuyo resultado nal ser la ausencia de impacto no deseable al hombre y

al medio ambiente. Las barreras articiales se disean, construyen y colocan considerando eldiseo del repositorio por el que se haya optado y tienen en consideracin las caractersticasy la conexin con el sistema de barreras naturales.

Los componentes de las barreras articiales o de ingeniera son:

- la propia orma qumica del residuo;- los contenedores metlicos de almacenamiento;- los materiales de relleno y sellado.

Los componentes de las barreras naturales son:

- la gesera: ormaciones geolgicas donde se ubica el repositorio, y las aguas y gasesque contienen;

- la biosera: conjunto de ecosistemas (suelos, aguas, seres vivos, etc.) que recibiran elimpacto del repositorio.

Los requisitos uncionales y las caractersticas de los componentes de las barreras deingeniera deben:

- aislar el repositorio del agua procedente de la barrera geolgica;- suministrar proteccin mecnica rente a posibles eventos ssmicos o disruptivos;

- retardar al mximo la salida de los radionucleidos (istopos radiactivos) almacenados.

El diseo de las barreras de ingeniera deber tener en cuenta tanto las caractersticas de laormacin geolgica alojante del repositorio como las condiciones de presin, temperatura yradiacin a que estarn sometidas en las distintas ases del uncionamiento a largo plazo de lainstalacin.

Los contenedores metlicos sirven principalmente para albergar los RRAA y permitir la ope-racin del repositorio. Deben ser resistentes a la corrosin para retardar la llegada de agua alcombustible, durables para proteger mecnicamente a los elementos combustibles, y mate-riales que disipen bien el calor y sean estables rente al calor y la radiacin. Pueden contener

materiales de relleno que acten como barrera sico-qumica adicional, inmovilizando o rete-niendo radionucleidos liberados.

Son pocos pases los que han tomado una decisin en cuanto a los materiales denitivos autilizar. La mayora de la treintena de pases que estudian la posibilidad de construir un re-positorio en sus territorios estn en la etapa de estudios geolgicos de viabilidad, seleccin



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de emplazamientos, etc. El abanico de litologas que cumplenestos requisitos es muy amplio, si bien las ms extendidas songranitos, arcillas y sales, lo que no excluye otras ormacionesque en zonas particulares pudieran reunir las condiciones cita-das (tobas volcnicas, esquistos, etc.). En la actualidad est enoperacin solamente un repositorio proundo, en los EstadosUnidos de Norteamrica para el almacenamiento de residuos

transurnicos con ms de 20 aos de vida media procedentesdel programa militar americano. Este repositorio denominadoWIPP (Waste Isolation Pilot Plant) est ubicado en el estado deNuevo Mjico, en ormaciones salinas estratiormes.

La primera gran divisin, en cuanto a la concepcin del modelode repositorio, se puede establecer considerando las caractersticaselectroqumicas del medioambiente al que estarn sometidos loscontenedores: I) ambiente reductor debajo de la napa de aguaII) ambiente oxidante sobre la napa de agua.

Los trminos reductor y oxidante se reeren a la ausencia ypresencia de oxgeno respectivamente. En el primer grupo seencuentran prcticamente todos los pases europeos, asiticosy Canad, mientras que al segundo grupo slo pertenece emodelo norteamericano de Yucca Mountain.

I) Ambiente reductor debajo de la napa de agua.

En todos los modelos correspondientes a este grupo se planea rellenar los tneles de laroca en donde se depositarn los contenedores (verticales u horizontales) con diversas ar-cillas y mezclas de arcillas, arenas y roca molida. Este sellado genera el ambiente reductoral impedir el ingreso de oxgeno del exterior (Figura 7.21).

Los requisitos uncionales de la barrera de arcilla (bentonita, etc.) compactada son los siguientes:

- minimizar el acceso de agua al resto de las barreras de ingeniera por sellado, al hidratar-se, de las racturas y suras generadas en la excavacin (retardo en la llegada del agua);

- estabilizar y homogeneizar la composicin qumica del agua que alcance a los conte-nedores (constancia en la qumica del agua);

- soportar las tensiones mecnicas procedentes de la barrera geolgica protegiendo laintegridad mecnica de la cpsula (proteccin mecnica);- retardar el transporte de los radionucleidos que puedan liberarse del sistema combus-

tible-contenedor (retardo);- disipar adecuadamente el calor de los residuos y el gas generado en la corrosin de los

contenedores (disipacin de calor). La arcilla compactada se colocara rodeando a lascpsulas y en contacto con la ormacin geolgica.

Figura 7.21. Esquema de un repositorio deambiente reductor y detalle del tnel con loscontenedores.

Arcilla

Contenedor

metlico

7.4.4 Principales caractersticas de estos dos grupos


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Los contenedores se disearn de tal manera que la temperatura de su supercie exteriorno exceda, en general, los 100-150C para impedir alteraciones trmicas de las arcillas.

El espesor de las paredes del contenedor metlico tendr que tener en cuenta el apantalla-miento de la radiacin y el espesor que se perder con el tiempo por corrosin. Ademsde la proteccin contra la radiacin y la corrosin, las paredes del contenedor tendrn quetener la suciente resistencia mecnica para soportar las sobrecargas a las que estarn some-

tidas por el relleno de arcilla, que se hincha en contacto con el agua subterrnea.

Se intenta mantener la integridad del contenedor por el tiempo necesario para el decai-miento de los radionucleidos a un nivel de radiacin tal que al entrar en contacto con losseres vivos, luego de haber atravesado la barrera geolgica, sean inoensivos para estos.

La concentracin de oxgeno en aguas subterrneas proundas es extremadamente baja.Se espera que durante la instalacin de los repositorios esta concentracin aumente hastael sellado nal. El oxgeno presente en el medio arcilloso con el cual se cubrir el conte-nedor metlico se consumir por corrosin metlica de la pared externa del contenedory por reacciones de oxido-reduccin de algunos minerales presentes en el medio arcilloso

(pirita, etc.). En ausencia de otro medio oxidante, se espera que la reaccin catdica quepermitir la corrosin del contenedor sea la reduccin del agua que moja la arcilla.

La composicin del medioambiente aguas subterrneas/arcilla depende obviamente decada sitio elegido, pero puede decirse que, en general, son medios de baja agresividad aescalas de tiempo de una vida humana con respecto a la corrosin.

El tipo y grado de severidad de los procesos de corrosin que puedan surir los contene-dores metlicos dependern de los materiales escogidos y de la composicin particulardel sistema agua subterrnea/arcilla.

El comportamiento rente a la corrosin es el criterio undamental para la seleccin delmaterial metlico. Cuando se analiza este comportamiento hay que considerar, ademsdel material en s, las soldaduras que sern necesarias para el cierre estanco de la cpsulauna vez introducido el combustible.

Considerando los procesos de corrosin y el tipo de productos secundarios, el compor-tamiento de los principales materiales metlicos, en condiciones de presencia de aguasde salinidades altas (arcillas y sales) o bajas (granitos), es el siguiente:

materiales estables o pasivos: entre estos materiales estables se incluyen el aceroinoxidable, las aleaciones de titanio y las aleaciones de nquel. Se caracterizan por

su elevada resistencia a la corrosin, con muy bajas tasas de corrosin generalizada,pudiendo no obstante surir ataques localizados y presentar allas por rotura rgil,acelerada bajo condiciones extremas. Requieren poco espesor de pared pero debenser estructuralmente soportados internamente, por dierentes razones. En el caso delTi, si bien ste posee igual o mayor resistencia mecnica que el acero al carbono, noes eciente, en base a costos utilizar, las grandes cantidades de Ti que se requeriran



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como nico componente. Las aleaciones en base Ni presentan una excelente resisten-cia a la corrosin localizada (mucho mejor que los aceros inoxidables) pero necesitanuna capa interna que les d resistencia estructural;

materiales consumibles (no pasivos): se caracterizan porque sin ser resistentes a lacorrosin generalizada, sta es lenta y predecible. Requerirn grandes espesores, paraasegurar la estanqueidad y propiedades estructurales durante los largos perodos de

tiempo requeridos (ms de 1.000 aos). Entre estos materiales se encuentra el aceroal carbono (acero de undicin), el cobre electroltico y las aleaciones de cobre.

Algunos pases piensan utilizar acero al carbono como nico material pues ste presentaa la vez alta resistencia a la corrosin y alta resistencia mecnica. El caso del Cu que pre-senta mayor resistencia a la corrosin, presenta una baja resistencia mecnica con lo cuaes necesario rellenar el cilindro de Cu con hierro colado.

En orma general se debe pensar en considerar los siguientes problemas de corrosin:

- corrosin generalizada por el total del oxgeno disuelto presente en el medio arcilloso

al momento de sellar el repositorio;- corrosin generalizada por reduccin del agua;- corrosin microbiolgica producida por bacterias anaerbicas;- ragilizacin por hidrgeno;- corrosin por picado;- corrosin bajo tensin;- corrosin por rendijas;- corrosin intergranular;- corrosin por par galvnico (en el caso utilizar ms de un material metlico);- eecto de los productos de corrosin superciales sobre la velocidad de corrosin;- corrosin por suluros;

- otros tipos de corrosin especcos del sistema metal/medio para cada caso en particular.

II) Ambiente oxidante sobre la napa de agua.Se permite el acceso de oxgeno al emplazamiento. Se ubican por encima de las napas de aguaEl sistema de tneles que albergar a los contenedores no se rellenar con arcilla. Este medio sedenomina oxidante debido a la presencia de oxgeno (O

2). La presin de operacin ser similar

a la atmosrica. A este grupo slo pertenece el repositorio de Yucca Mountain, Nevada, Estados Unidos. En la fgura 7.22 se presenta un esquema del repositorio de Yucca Mountain.

Entre los materiales propuestos para construir el contenedor tenemos una aleacin de altocontenido en nquel llamada Hastelloy C-22 como capa externa y acero inoxidable tipo

316 NG como capa interna del contenedor. La aleacin C-22 (56% de Ni) proteger alcontenedor de la corrosin (especialmente de la corrosin localizada, an en presencia deiones agresivos como los cloruros) en contacto con la atmsera dentro del tnel, y el aceroinoxidable le dar soporte estructural. No tendrn un material de relleno en contacto conla supercie externa del contenedor, sino que sobre los contenedores se colocar un escu-do de Titanio de baja aleacin, que proteger las paredes del contenedor durante mucho


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Figura 7.22. Esquema de repositorio de ambiente oxidante y dettnel con los contenedores.

tiempo, del contacto con el agua que puedaltrar la barrera geolgica.

Debido al calor generado por el decaimien-to radioactivo y a su diseo, los contenedo-res alcanzarn temperaturas de hasta 250Cdurante los primeros mil aos posteriores al

emplazamiento. El tiempo de vida estimadoen el diseo es de diez mil aos y la tempe-ratura mxima permitida es de 350C.

Los problemas de corrosin que se debenestudiar reerentes a este contenedor sonlos siguientes:

- corrosin generalizada producida por la presencia de oxgeno;- corrosin por picado;- corrosin bajo tensin;

- corrosin por rendijas;- corrosin microbiolgica;- corrosin por par galvnico;- eecto de los productos de corrosin superciales sobre la velocidad de corrosin;- otros tipos de corrosin especcos del sistema metal/medio para cada caso en particular.

El estudio de la evaluacin del comportamiento rente a la corrosin de los materialesdel contenedor debe ser ocalizado segn los problemas que se pueden esperar de acuer-do al lugar geolgico en donde se piensa instalar el repositorio. Si bien l

08 - cap. 7 - casos especiales de degradación de materiales y sus consecuencias

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