El papel del sulfuro de hidrógeno en el deterioro del hormigón
La corrosión de las tuberías de hormigón presente en los sistemas de alcantarillado es un problema bastante común que afecta a la durabilidad y seguridad de las infraestructuras urbanas e industriales. Concretamente esta corrosión es de tipo biogénica y está provocada por el sulfuro de hidrógeno (H₂S), un gas altamente corrosivo liberado durante la descomposición de la materia orgánica existente en las aguas residuales circulantes.
Cuando el sulfuro de hidrógeno entra en contacto con las paredes de la tubería de hormigón, bacterias especializadas oxidan este gas, formándose ácido sulfúrico (H₂SO₄). Este ácido ataca los componentes del cemento, debilitando progresivamente la estructura.
Este fenómeno microbiológico y químico es conocido también como corrosión por ácido sulfúrico biogénico (ASB).
Mecanismo microbiológico y químico de la corrosión por sulfuro de hidrógeno
El proceso de corrosión de tuberías por sulfuro de hidrógeno sigue una serie de etapas:
Fase 1: Generación de sulfuro de hidrógeno en fase líquida
Las bacterias sulfato-reductores (microorganismos heterótrofos) presentes en la materia orgánica de las aguas residuales transforman, mediante sus procesos metabólicos, el sulfato presente en el medio en sulfuro de hidrógeno bajo condiciones anaerobias.
Fase 2: Transferencia del sulfuro de hidrógeno a fase gaseosa
El sulfuro de hidrógeno presenta elevada saturación en aguas residuales gracias a las condiciones anaerobias continuadas. En este sentido, fracciones de sulfuro de hidrógeno se gasifican y se acumulan en la atmósfera interna de la tubería, sobre todo en zonas de descarga y resaltos.
Fase 3: Generación de ácido sulfúrico por oxidación bacteriana
Las concentraciones atmosféricas de sulfuro de hidrógeno en el interior de las tuberías y colectores alcanzan valores muy altos, siendo empeoradas por la práctica ausencia de ventilación. Esta falta de ventilación sumada al gradiente térmico facilita la condensación del vapor de agua en la zona superior de la sección de la tubería denominada corona. Por lo tanto, en la corona se crea un ambiente húmedo adecuado para la proliferación de microorganismos capaces de transformar el sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico, un compuesto altamente agresivo para el hormigón.
Concretamente estos microorganismos están constituidos por bacterias del género Thiobacillus, capaces de soportar rangos de pH de extremadamente ácidos a intermedios. La oxidación aeróbica del sulfuro de hidrógeno a ácido sulfúrico es un proceso muy complejo dónde intervienen diferentes reacciones.
Fase 4: Ataque ácido al hormigón
El ácido sulfúrico genera una corrosión directa del hormigón, reduciendo su pH superficial a valores extremos, comprendidos entre 1 y 2, y reaccionando con los componentes principales del cemento (hidróxido de calcio). El resultado es la formación de yeso (CaSO4⋅2H2O), un subproducto con poca resistencia y cohesión.
Conviene destacar que se produce una segunda reacción de corrosión indirecta en la zona de corona más protegida, generándose etringita (Ca6Al2(SO4)3(OH)12⋅26H2O) secundaria que cristaliza aumentando considerablemente su volumen. Este aumento de volumen produce fisuras y roturas en la matriz cementosa, generando pérdidas de cohesión, así como desprendimiento del material. A este tipo de reacción se le denomina ataque por sulfatos.
El lavado de estos subproductos hacia las aguas residuales circulantes proporciona una adición importante de sulfatos al medio que a su vez permiten reactivar de manera continuada el ciclo.
Factores que aceleran la corrosión por sulfuro de hidrógeno
El grado de corrosión de las tuberías fabricadas con hormigón debido a la acción del sulfuro de hidrógeno depende de múltiples variables:
- Concentración de sulfatos y materia orgánica en las aguas residuales presentes en el interior de las tuberías.
- Velocidad y régimen de flujo (las zonas con baja turbulencia favorecen las condiciones anaerobias).
- Temperatura (a mayor temperatura, mayor actividad bacteriana y por lo tanto mayor emisión de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera interna de la tubería).
- Humedad relativa y ventilación existente en la sección superior de la tubería (corona).
- Porosidad y permeabilidad del hormigón, que facilita la penetración del ácido sulfúrico en su interior.
Consecuencias estructurales del ataque por sulfuro de hidrógeno
La degradación continuada del hormigón de la tubería o colector por acción del sulfuro de hidrógeno supone:
- Reducción importante de la sección resistente de la tubería.
- Fisuración y desprendimiento del recubrimiento interior de la tubería.
- Incremento de la rugosidad hidráulica (coeficiente de rozamiento), lo que reduce la capacidad de transporte del fluido y aumenta el riesgo de obstrucciones parciales y totales.
- Colapso parcial o total de la tubería de saneamiento, que provoca la pérdida de funcionalidad y servicio de la red de alcantarillado, generando elevados costes de reparación.
¿Cómo podemos prevenir la corrosión por sulfuro de hidrógeno?
Para minimizar el efecto de la corrosión debida a la exposición a ambientes con presencia de sulfuro de hidrógeno y así maximizar la vida útil de las tuberías y colectores de hormigón, se recomiendan las siguientes medidas:
- Optimizar el diseño hidráulico para minimizar la existencia de condiciones anaerobias.
- Monitorizar el valor del pH superficial y de la concentración de sulfuro de hidrógeno en la atmósfera interna de la tubería.
- Controlar el sulfuro de hidrógeno mediante adición de compuestos oxidantes y agentes químicos.
- Usar hormigones resistentes a sulfatos con bajo contenido en hidróxido de calcio y adiciones puzolánicas.
- Aplicar recubrimientos poliméricos o morteros epoxi en la superficie interior de la tubería.
Conclusión
La corrosión biogénica del hormigón generada por la presencia de sulfuro de hidrógeno es un fenómeno donde intervienen multitud de factores que combina microbiología, química y física (mecánica de materiales). Su control requiere una estrategia integral de diseño, prevención y mantenimiento, dado que la reparación de patologías avanzadas resulta extremadamente compleja y muy costosa.
La investigación actual se orienta sobre todo hacia el desarrollo de hormigones de ultra elevada durabilidad y recubrimientos tecnológicamente avanzados, capaces de resistir las condiciones más extremas de los sistemas de alcantarillado del futuro.
