Universidad Veracruzana

Instituto de Ingeniera

Maestra en Ingeniera de Corrosin

EE: Corrosin en Ambientes Naturales (Suelo-Agua-Aire-In Vivo)

Practica 1: Corrosividad en suelos.(Suelo agrcola)

Alumno: Andrs Carmona Hernndez

Docente: Dr. Jos Luis Ramrez Reyes

Boca del Ro, Ver., a 13 de Septiembre del 2014INDICE

INTRODUCCIN2ANTECEDENTES3Clasificacin de los suelos3Parmetros del suelo que afectan la corrosividad5Medicin de la resistividad el suelo y del potencial redox7DESARROLLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS12Obtencin de la muestra de suelo agrcola9Caracterizacin Fisicoqumica9Prueba A. Clasificacin por tamao de partculas.9Prueba B. Propiedades Fisicoqumicas.10Caracterizacin Electroqumica (Evaluacin de la Corrosividad del Suelo)15DISCUSIN DE LOS RESULTADOS.18CONCLUSIONES22BIBLIOGRAFA CONSULTADA23

INTRODUCCIN

Una gran parte de las construcciones metlicas (acueductos, gasoductos, oleoductos, cables metlicos de comunicaciones, tanques para almacenar combustibles, tuberas de agua potable, contenedores de residuos txicos) estn enterradas, donde el ambiente agresivo es el suelo, con sus propiedades fisicoqumicas y otros parmetros determinantes. Grandes cantidades de estructuras de concreto con refuerzo de acero se encuentran tambin enterradas en diversos tipos de suelos. (Francisco 2013) El suelo, por el entorno que lo rodea y por las actividades econmicas que se desarrollan sobre ella (primarias, secundarias o terciarias) se puede clasificar como suelo agrcola o rural, suelo urbano, suelo industrial o combinacin de estos. Particularmente los entornos rurales se consideran los menos corrosivos y normalmente no contienen contaminantes qumicos. Sin embargo, las modificaciones en las caractersticas de los suelos pueden ser el resultado de la actividad agrcola, tales como la fertilizacin, uso de agua contaminada o acidificada para el riego, contribuyendo de cierta manera en la agresividad del suelo. (Afonso et al, 2009) Otros contribuyentes a la corrosin en suelos agrcolas son la humedad y, en menor medida, el dixido de carbono.

Los agricultores se interesan en detalle por todas las propiedades del suelo, porque el conocimiento de los componentes minerales y orgnicos, de la aireacin y capacidad de retencin del agua, as como de muchos otros aspectos de la estructura de los suelos, es necesario para la produccin de buenas cosechas. Sin embargo, estas caractersticas especificas para que un suelo sea productivo, puede repercutir en su agresividad para las estructuras metlicas. (Ruiz, 2007)

En el presente trabajo se realiz una prctica con el objetivo de determinar agresividad de un suelo agrcola, obtenido de un vivero, los parmetros que se realizaron fue granulometra, la determinacin de la resistividad, caracterizacin qumica, medicin del pH y del potencial redox relacionado con la actividad microbiana. Las evaluaciones electroqumicas que se realizaron fueron el seguimiento del potencial de circuito abierto y la tcnica de Resistencia a la Polarizacin Lineal, sobre un acero al carbono, con el objetivo de evaluar la velocidad de corrosin del espcimen.

ANTECEDENTES

El suelo es un agregado de minerales, materia orgnica, agua, y gases (sobre todo de aire). Est formado por la accin combinada de la intemperie viento y el agua, y tambin la descomposicin orgnica. Las proporciones de los constituyentes bsicos varan mucho en diferentes tipos de suelo. (Roberge, 2000) El suelo se le puede considerar como un sistema disperso donde se pueden diferenciar una fase solida, una liquida y otra gaseosa. (Figura 1)

Figura 1. Diferentes fases del suelo (Al-Hazzaa, 2007)

Clasificacin de los suelos

El suelo es un medio corrosivo slido, de conductividad inica, en el cual su aspecto y sus propiedades varan segn el porcentaje del tamao de partculas que lo constituyen (vase tabla 1), es decir, por el porcentaje de arena, arcilla y limo, a la combinacin de estos constituyentes se le conoce como textura. (Navarrete, 2008) Se ha definido un sistema de clasificacin de suelo que identifica a once tipos de suelo, los cuales se muestran en la figura 2. (corrosion-doctors 2014)

Cuando el suelo contiene un cierto porcentaje de arena, arcilla y limo, se forma una composicin en la cual ste asume una estructura ligera y porosa, la cual es caracterstica del suelo agrcola (Bianchi, 1989). Este debe ser un suelo franco limoso (con un mximo del 15% de arcilla, y ms del 35% entre limo y arcilla), tienen bastante arcilla para retener suficiente agua, pero no tanta para no tener problemas de pobre aireacin, lo cual es importante para el cultivo. (Casanova, 2005).

FraccinTamao de partcula (mm)

ArenaLimo Arcilla 2.00- 0.070.07- 0.00520,000Esencialmente no corrosivo

10,00020,000Medianamente corrosivo

500010,000Moderadamente corrosivo

30005000Corrosivo

10003000Altamente corrosivo

2.34 mm10011

2.34 - 0.59 mm14015

0.59 - 0.297 mm42047

0.297 - 0.149 mm18020

< 0.149 mm607

Total900100

Tabla 5. Resultados de la clasificacin por tamao de partculas

Prueba B. Propiedades Fisicoqumicas.

Los materiales y equipos para la prueba B fueron los siguientes:

a. Multmetro digital MUL-500 marca Steren.b. Electrodo de referencia de Cu/ CuSO4 tipo lapicero.c. Medidor de Resistividad de Suelos marca Nilsson.d. Celda de acrlico con sistema de electrodos para 4 cables.e. Vasos de precipitado de 250 ml.f. Probeta graduada de 250 ml.g. Electrodo de platino.h. Electrodo de antimonio para la medicin del pHi. Kit de laboratorio LaMotte para anlisis qumico de sueloj. Tubos de ensayok. Agua destiladal. Balanza analtica

Procedimiento

a) Determinacin del potencial redox. Se introdujo un electrodo (+) indicador de platino (Pt) y otro de referencia (-) Cu/CuSO4 en el suelo problema y se conectaron al multimetro para registrar la diferencia de potencial en el sistema de electrodos.

gba

Figura 7. Determinacin del potencial redox

b) Determinacin del pH. Se introdujo un electrodo de antimonio Sb (+) y el electrodo de referencia (-) Cu/CuSO4 en el suelo problema y se conectaron al multimetro para registrar la diferencia de potencial (E) en el sistema de electrodos, de acuerdo a E mediante una escala se determino el valor del pH. La medicin del pH se muestra en la figura 8.

bah

Figura 8. Medicin del pH

Los resultados de la determinacin del pH y del potencial redox se muestran en la tabla 6

Tipo de SuelopH/CRedox, mV (Cu/CuSO4, EEH)

Agrcola5.5100, 418

Tabla 6. Resultados de las mediciones de pH y Potencial Redox

c) Composicin Qumica de la muestra de suelo. De la muestra original del suelo se pesaron 100 gr y se le agreg 100 ml de agua destilada. Se agit la mezcla durante 3 minutos y se dej reposar por 5 minutos. Posteriormente, se decant la solucin y sin dejar pasar turbiedad, se coloc en un vaso de precipitado. Como la turbiedad era demasiado, se utilizo una bomba de vacio para filtrar el extracto (figura 9).

b)a)a

Figura 9. a) Extracto del suelo agrcola b) Filtracin en vacio

Se sigui el procedimiento establecido en el manual del Sistema LaMotte para el anlisis qumico cualitativo de los principales componentes como Potasio(K), Fsforo (P), NO2 -2, Ca, NH4 +, Mg, Mn, Al, Fe 3+. El kit de anlisis de suelo se muestra en la figura 10. Se registraron en la tabla 7 los resultados analticos obtenidos cualitativamente (Si hay o no hay).

b)a)

Figura 10. a) Kit de laboratorio LaMotte b) Identificacin de la composicin mediante colorimetra

Los iones SO4-2 y Cl- se determinaron cuantitativamente siguiendo las normas ASTM D 615-90 Mtodo estndar para determinacin del ion sulfato en agua y la norma ASTM C 1218 - 99 Prueba estndar para la determinacin de cloruros en muestras de concreto. (Figura 11)

b)a)

Figura 11. a) Instrumentacin para la determinacin de Cl-, b) espectrofotmetro para la determinacin de SO4-2

Suelo AgrcolaSustanciaComentarios

K200 lb/acres

P10 lb/acres

NO2 y N21 ppm

Ca>2800 ppm

NO310 lb/acres

NH4Muy baja

MgMedia

MnNo hay

AlMuy baja

Fe3+15 lb/acres

SO48..877 ppm

Cl-2.4815 g/l

Tabla 7. Composicin qumica del suelo agrcola.

d) Determinacin de las propiedades dielctricas y el contenido de humedad. Se realiz la medicin de la resistividad contra el contenido de humedad utilizando el mtodo de Wenner de acuerdo al diagrama de conexin de la figura 12.

Figura 12. Configuracin de la medicin de la resistividad mediante el mtodo WennerPara evaluar el contenido de humedad se siguieron los siguientes pasos:a) Se midi la resistividad con el contenido de humedad natural.b) Se utiliz una muestra de 300 g de la muestra de suelo seco de la prueba A y se le agreg 3 g de agua destilada y se midi la resistividad.c) A la misma muestra de 300 g se le agreg 12 g de agua (15 g en total) y se midi la resistividadd) A la misma muestra se le agreg 15g (30 g en total) de agua destilada y se midi la resistividad e) A la misma muestra se le agreg 30g (60 g en total) de agua destilada y se midi la resistividad f) A la misma muestra se le agreg 60gr (120 g en total) de agua destilada y se midi la resistividad

Se obtuvieron los siguientes resultados (tabla 8) de la variacin de la resistividad con respecto al porcentaje de humedad del suelo. Muestra de Suelo agrcolaHumedad NaturalHumedad 1% Humedad 5%Humedad 10%Humedad 20%Humedad 40%

Resistividad (cm)4.35x104>1.1x1061.3x1052.7x1041.25x1047x103

Tabla 8. Mediciones de resistividad del suelo agrcola con diferente contenido de humedad

En la figura 13 se muestra el grafico que representa la variacin de la resistividad con respecto a la humedad.

.

Figura 13 Grafico de resistividad () vs % de humedadCaracterizacin Electroqumica (Evaluacin de la Corrosividad del Suelo).

Los materiales y equipos para la caracterizacin electroqumica fueron los siguientes:

a. Celda de acrlico rectangular con 5 compartimientosb. Electrodo de trabajo: Aceroc. Electrodo de referencia de Cu/ CuSO4 tipo lapicerod. Electrodo auxiliar de platino.e. Potenciostato/Galvanostato PG-3EV marca VIMAR

bdcea

Figura 14. Instrumentacin para la caracterizacin electroqumica

Se evalu el comportamiento corrosivo contra una muestra metlica de acero enterrada en el suelo agrcola y se le dio seguimiento por 1, 6 y 24 hrs de exposicin utilizando la tcnica de Resistencia a la Polarizacin Lineal (Rp) aplicada partir de un potencial de circuito abierto (Eoc) estable. Las expresiones para calcular la densidad de corriente de corrosin (icorr) y la velocidad de corrosin (Vcorr) fueron las siguientes:

Donde B es la constante de Stern y Geary, la cual tiene un valor de 0.026V.

Donde Pe y es el peso equivalente y densidad del metal respectivamente y F es la constante de Faraday que tiene un valor de 96487 C/mol

Los resultados de la caracterizacin electroqumica se muestran en la tabla 9 y las figuras 15, 16 y 17.

MaterialTiempo (hr)Eoc (mV) vs ECu/CuSO4Rp (cm2)icorr (mA/cm2)Velocidad de corrosin (mm/ao)

Acero al carbonorea*=0.7854cm2

1-367-----

6-315388386.7x10-47.83x10-4

24-305415246.26x10-47.32x10-4

*La muestra fue circular con un dimetro de 1cm2

Tabla 9. Valores cinticos del acero al carbono expuesto en un suelo agrcola

Figura 15. Grafico de la determinacin de Rp a 1 hr de exposicin

Ecuacin de la recta:

Figura 16. Grafico de la determinacin de Rp a 6 hrs de exposicin

Ecuacin de la recta:

Figura 17. Grafico de la determinacin de Rp a 24 hrs de exposicin DISCUSIN DE LOS RESULTADOS.

Prueba A: Clasificacin por tamao de partculas. En la tabla 5 se pudo observar que el mayor porcentaje en peso (47%) fue del tamao de partcula comprendido entre 2.34 y 0.149 mm. Y el menor porcentaje (7%) en peso fue del tamao de partcula menor a 0.149 mm.

Desafortunadamente no se utilizaron tamices, para un tamao de partcula menor a 0.149 mm, de manera que no se pudo determinar el porcentaje de arena, limo o arcilla en el suelo agrcola. Por lo tanto, no se pudo clasificar al suelo utilizando el sistema ternario de la figura 2. Sin embargo el mayor porcentaje en peso del tamao de partculas correspondi al de la partcula de arena (2.00- 0.07 mm). (Ruiz, 2007) Por lo que la textura del suelo agrcola fue arenoso o quizs franco arenoso, suponiendo que en el 7% de las partculas menores a 0.149 mm pudiesen haber partculas de limo o arcilla.

Cabe sealar que se dedujo el porcentaje de humedad natural del suelo al calcular la diferencia de peso entre el suelo original (mo) y el suelo seco (ms). (Orson 2003) La expresin utilizada fue la siguiente:

Se perdieron 100 g de humedad despus de las 12 horas en la estufa, por lo que la humedad natural del suelo fue del 10%.

Prueba B: Propiedades Fisicoqumicas

a) Determinacin del pH. El pH del suelo agrcola obtenido mediante la diferencia de potencial entre el electrodo de Cu/CuSO4 (400 mV) y Sb fue de 5.5. La mayor parte de los suelos tienen pH comprendidos entre 5.0 y 8.0. (Genesc y vila 1994), por lo que se encontr dentro del intervalo de valores normales. Adems un valor de pH de 5.5 en la escala numrica de corrosividad del suelo desarrollada por AWWA (Asociacin Americana de Trabajos en Agua) (Roberge 2000) se le asigna un valor de 0, por lo que no contribuy en la corrosividad del suelo.

b) Determinacin del potencial redox. De acuerdo a la tabla 4 donde muestra la probabilidad de actividad microbiana en un suelo, el valor obtenido en la prctica con el suelo agrcola indic que la probabilidad de actividad microbiana fue nula (>400mV vs SHE). (Genesc y vila 1994)

En el suelo agrcola haba muchos gusanos, larvas y otros insectos, sin embargo no hay que confundir la probabilidad de corrosin microbiolgica con la presencia de estos organismos.

c) Composicin Qumica de la muestra de suelo. Los elementos nutrientes principales suministrados por el suelo son el nitrgeno (N), fsforo (P). Potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg) (Tucker, 1985). Por tal razn era natural encontrar estos elementos anteriores en el suelo agrcola analizado. Los elementos de mayor presencia en la composicin qumica del suelo fueron el Ca y Mg. Como sabemos la presencia de Ca puede estar en forma de carbonatos (CaCO3 y Ca(CO3H)2), estos pueden depositarse en capas sobre la superficie del metal. (Navarrete 2007)

La presencia de sales en el suelo, principalmente sulfatos y cloruro de sodio, potasio, calcio, magnesio; est comprendida entre 100 y 1500 ppm. (Navarrete 2007). Desafortunadamente no se pudo determinar la presencia de cloruros y sulfatos, pues no hubo reactivos en el kit de LaMotte y las dems sales algunas solo se determinaron de manera cualitativa.

El nivel de nitritos (NO2-), nitratos (NO3-) y amoniaco (NH4) en el suelo fue bajo, esto puede ser quizs a que en el sitio donde se extrajo el suelo, no se utilizan fertilizantes para el suelo.

Se encontraron adems, niveles muy bajos de aluminio en el suelo agrcola. Segn Acua (2011) cuando los suelos son muy cidos el aluminio retenido en las arcillas se disuelve en el suelo aumentando su toxicidad hacia las plantas, por lo que el Aluminio soluble (Al+3) es un problema serio a pH abajo de 5 y con baja saturacin de bases y bajo o deficiente calcio y magnesio. De manera que para el suelo agrcola analizado, el aluminio no sera problema para el crecimiento del csped pues el pH fue de 5.5 y hubo presencia considerable de calcio y magnesio. Otro factor que justifica la baja presencia de aluminio es que la cantidad de arcilla en el suelo agrcola fue muy poca (1.1x106cm). La resistividad disminuy sbitamente del 1% al 10%, y despus, la resistividad disminuy en un menor grado al aumentar la humedad del 10% hasta el 40%. Este comportamiento se debe a que el suelo alcanza una saturacin de humedad, y despus de ese punto, la resistividad del suelo variara muy poco.

De acuerdo a la tabla 3, en la humedad natural del suelo agrcola la resistividad del suelo fue catalogado como esencialmente no corrosivo (>20000cm), al 20% de humedad, la resistividad ya fue catalogada como medianamente corrosivo (20000-10000cm) y al 40% de humedad la resistividad fue catalogada como moderadamente corrosivo. (Roberge, 2000)

Basndonos en la grafica de la figura 13, en base al valor de la resistividad en el suelo con la humedad natural, aplicando una extrapolacin lineal (ecuacin 2) utilizando los valores de la tabla 8, el valor de humedad del suelo correspondiente a 4.35x104 cm seria de 9.2%, valor que se aproxima al obtenido por diferencia de peso (10%).

De acuerdo FACBSA (2014) la humedad vara con el tipo de suelo, normalmente su rango es de 10 % a 35% segn sea en estaciones de lluvia o sequa, con un promedio de 15% a 18%. Por lo que la humedad del suelo agrcola tuvo una humedad baja, posiblemente como consecuencia de la interaccin con el ambiente una vez de que la muestra fue extrada del suelo.

Caracterizacin electroqumica. El Eoc no vari mucho con respecto al tiempo, de hecho en el tiempo de 6hr y hasta las 24hr el Eoc vario solo 10 mV, (315 y 305 mV vs ECu/CuSO4). Sin embargo el valor de Eoc del acero al carbono en suelo obtenido en la prctica difiri mucho con el de la literatura (entre 500 y 700 mV vs ECu/CuSO4). (Barbalat et al, 2012).

La velocidad de corrosin del acero al carbono enterrado en el suelo agrcola con un tiempo de exposicin de una hora no se pudo calcular debido a que el equipo midi con una escala de corriente muy grande y no pudo almacenar valores de corriente muy pequeos.

A los tiempos de 6 y 24 hrs de exposicin la velocidad de corrosin fue prcticamente la misma, y esta fue un valor muy pequeo, Vcorr