Metalizando Puentes de Acero en Campo

Una Práctica Innovadora
(Mayo de 1995)
Por: Erick C. Lohrey, PE, Departamento de Transporte de Connecticut

A mediados de la década de 1980, el Departamento de Transporte de Connecticut (ConnDOT) participó en un estudio patrocinado por la Administración Federal de Carreteras (FHWA, por sus siglas en inglés) para evaluar la efectividad de los materiales de revestimiento de alto rendimiento para puentes de acero. El estudio se diseñó para centrarse en las opciones de mantenimiento que cumplirían los requisitos reglamentarios para la eliminación de la pintura a base de plomo de los puentes, la reducción de compuestos orgánicos volátiles (COV) en los recubrimientos y la eliminación de residuos de explosiones contaminadas en proyectos de pintura.

Para este estudio, ConnDOT eligió evaluar un sistema de recubrimiento aplicado en campo que utilizaba un alambre de zinc pulverizado térmicamente como imprimador. En ese momento, la aspersión térmica, o metalización, era una tecnología bien establecida para la protección contra la corrosión de las instalaciones de almacenamiento y distribución de agua, los barcos y las plataformas petrolíferas marinas. Aunque la metalización se había desempeñado favorablemente en estas industrias, su uso estaba limitado en los puentes, principalmente porque tenía costos iniciales más altos que la pintura convencional. En el estudio de FHWA, ConnDOT metalizó secciones de cuatro puentes entre 1987 y 1990.

Los resultados favorables del proyecto de investigación FHWA, junto con los resultados positivos de la metalización en otras industrias, llevaron a los ingenieros de ConnDOT a especificar la metalización para un próximo proyecto de revestimiento de puentes que incluyó todo el acero estructural de cinco puentes de carreteras locales sobre la autopista de Connecticut (I-95 y I-395) en el este de Connecticut. Construidos originalmente en 1958, todos estos puentes contienen vigas enrolladas.

El uso de un sistema de recubrimiento metalizado en el proyecto del puente actual también fue apoyado por la reducción de los costos de metalización en los últimos años. Los planes y especificaciones para el proyecto actual fueron preparados internamente por el personal del puente de ConnDOT. Las ofertas se recibieron en diciembre y el proyecto está programado para comenzar esta primavera.

Este artículo discutirá la decisión de ConnDOT de utilizar la metalización aplicada en el campo en su proyecto de revestimiento del puente actual. Describe los aspectos técnicos del proceso de metalización, la vida útil de los recubrimientos metalizados y las aplicaciones adecuadas para los recubrimientos. El artículo también proporciona los costos de instalación proyectados para el proyecto actual de metalización, y compara estas estimaciones con los datos de costos del proyecto patrocinado por la FHWA. Además, el artículo identifica las circunstancias que favorecen el uso de la metalización sobre otras opciones de mantenimiento de puentes.

Cuando la metalización aplicada en el campo es apropiada Los siguientes factores generalmente favorecen el uso de la metalización aplicada en el campo sobre otras opciones de mantenimiento de puentes, como la pintura convencional o el reemplazo de acero:

  • El tamaño actual del puente es adecuado para futuras demandas de viaje.
  • La cubierta es nueva, recientemente rehabilitada o en excelentes condiciones.- La estructura del puente está en buenas condiciones.
  • Las vigas a recubrir están en buenas condiciones.
  • La pintura existente está en mal estado.
  • El acero está expuesto a un rocío de sal o un entorno industrial.
  • Se anticipan altos costos para futuras operaciones de mantenimiento.
  • El puente lleva o se está terminado una carretera muy transitada.
  • El puente es de difícil acceso.
  • Existen altos costos fijos para trabajar en el sitio (control de tráfico, movilización, etc).

Resumen de la Metalización

La metalización es un proceso específico dentro del amplio término de pulverización térmica que tiene aplicaciones en una variedad de industrias. Técnicamente, tanto la metalización como la pulverización térmica son procesos de soldadura en los que un material sólido se licua, se atomiza, se propulsa a un sustrato, y luego se solidifica para formar un recubrimiento adherido. La metalización se refiere específicamente a la combustión del alambre, o proceso de rociado por llama, donde el alambre de metal se alimenta y se funde en la cámara de combustión gaseosa de una pistola especial. Luego, el metal fundido se atomiza y propulsa mediante la liberación de aire comprimido a través de la boquilla. A medida que las partículas de metal líquido golpean el sustrato, se dispersan y se solidifican instantáneamente en la superficie. Este proceso, que involucra millones de partículas superpuestas, forma una acumulación de metal pulverizado. Puede ser controlado para producir un recubrimiento uniforme.

Una nueva forma de pulverización térmica es el proceso de arco eléctrico. En este proceso, 2 cables se cargan eléctricamente con polaridades opuestas y se alimentan a través de la pistola en ángulos convergentes.

En el lugar donde se encuentran los cables, se forma un arco eléctrico con suficiente energía para fundir ambos cables mientras el aire comprimido atomiza y propulsa el metal fundido. Debido a que los 2 cables se alimentan simultáneamente, las pistolas de arco eléctrico tienen mayores tasas de producción que las pistolas de rociado de llama. Tradicionalmente, las pistolas de arco eléctrico han sido demasiado voluminosas y pesadas para el trabajo de campo.

Cuando las instalaciones experimentales en los cuatro puentes de Connecticut en el estudio patrocinado por la FHWA se completaron en la década de 1980, se usó el proceso de rociado con llama porque era el método más práctico disponible en el momento para aplicaciones de campo. Desde entonces, sin embargo, se anticipan mejoras en los equipos para reducir los costos. Como resultado, las especificaciones para el proyecto ConnDOT actual permiten al contratista elegir pistolas de arco eléctrico o pistolas de pulverización de llama. En este artículo, metalizado se refiere a cualquiera de los dos métodos de aplicación.

Aleación de Zinc y Aluminio

Cuando se especifica la metalización para proteger las estructuras de acero de la corrosión, el zinc y el aluminio son los materiales más utilizados. Los beneficios del zinc incluyen una excelente protección galvánica del acero (protección catódica pasiva); ductilidad, que ayuda a obtener una cobertura uniforme y proporciona una mayor tolerancia a los defectos de la superficie; y bajos costos (en comparación con otros metales). Un material liviano, el aluminio ofrece resistencia a la abrasión y pasividad, lo que disminuye el consumo del recubrimiento durante la protección galvánica del acero. Un 85 por ciento de zinc y un 15 por ciento de aleación de aluminio ha sido identificada como la mezcla óptima para la protección del aceroen entornos industriales severos y de exposición a la sal. Dado que estas condiciones son típicas de los puentes, la aleación de zinc y aluminio se especificó para el proyecto patrocinado por la FHWA y el proyecto actual de recubrimiento de metalización de ConnDOT.

Tabla 1

Precios de oferta de 1994 para el precio unitario del área de superficie de acero metalizado
Puente # Ubicación Suma área sq. Ft. Sq. M $ / sq. pies $ / cuadrado metro
– 00244 Whipporwill Road sobre la I-95 $ 134,000 12,900 1,200 $ 10.39 $ 111.67
– 00246 Río Four Mile sobre la I-95 $ 107,000 10,600 985 $ 10.09 $ 108.63
– 00247 Ruta 449 sobre I-95 $ 160,000 16,150 1,500 $ 9.91 $ 106.67
– 00249 Society Road sobre I-95 $ 108,000 10,200 950 $ 10.59 $ 113.68
– 00303 Moosup Pond Road sobre I-395 $ 134,000 13,100 1,220 $ 10.23 $ 109.84
TOTAL $ 643,000 62,950 5,855 $ 10.21 $ 109.82

Aplicación en Campo

La metalización se puede aplicar a componentes de puentes de acero, ya sea en el taller de fabricación o en el campo. La aplicación de metalización es similar para ambos; sin embargo, la accesibilidad del área de trabajo y otras circunstancias son bastante diferentes. Este artículo se centrará en la aplicación en campo.

El éxito de cualquier sistema de recubrimiento depende de una fuerte adhesión al sustrato, que se promueve mediante la preparación de superficies de alta calidad. Para la metalización en campo, un acabado afilado y angular conforme a SSPC-SP-10, limpieza “Near White Blast”, es lo mas adecuado para obtener una buena unión mecánica de la aleación de zinc y aluminio. Estas características de la superficie se logran mejor utilizando un grano duro y angular para la limpieza con chorro abrasivo. Debido a que la mayoría de los proyectos de campo involucran la eliminación de desechos explosivos contaminados, el uso de granos reciclables es optimo para reducir el volumen de desechos. Los abrasivos ferrosos se reciclan más eficientemente que los abrasivos no ferrosos porque se pueden eliminar magnéticamente de los desechos contaminados. Sin embargo, la inyección de acero no es aceptable para preparar superficies de acero para la metalización, ya que produce una superficie pelada que no proporciona el perfil necesario para una buena adhesión. Para satisfacer los requisitos tanto para el reciclado magnético como para la angularidad, se debe usar hierro enfriado o grano de acero fracturado.

Tabla 2

Precios de oferta para la Clase tres Contención y recolección de la superficie en 1994
Preparación de escombros de Acero
Área de superficie Precio unitario
Puente # Ubicación Suma área sq. Ft. Sq. M $ / sq. pies $ / cuadrado metro
– 00244 Whipporwill Road sobre la I-95 $ 58,000 12,900 1,200 $ 4.50 $ 48.33
– 00246 Four Mile Road sobre la I-95 $ 46,000 10,600 985 $ 4.34 $ 46.70
– 00247 Ruta 449 sobre I-95 $ 89,893 16,150 1,500 $ 5.19 $ 55.93
– 00249 Society Road sobre I-95 $ 44,000 10,200 950 $ 4.31 $ 46.32
– 00303 Moosup Road sobre la I-395 $ 57,000 13,100 1,220 $ 4.35 $ 46.72
TOTAL $ 288,893 62,950 5,855 $ 4.59 $ 49.34

ConnDOT requirió una resistencia mínima de la unión de metalización de 700 psi (4.8 MPa) para asegurar una buena adhesión del recubrimiento. La adherencia se verifica en el campomediante pruebas directas de acuerdo con la norma ASTM D 4541, Método para la resistencia a la extracción de recubrimientos utilizando probadores de adherencia portátiles.

Para minimizar la oxidación repentina, las superficies se deben limpiar a chorro, aspirar y metalizar el mismo día. Al igual que con la pintura, estas operaciones no deben realizarse durante condiciones atmosféricas que promuevan la humedad de la superficie. Sin embargo, el recubrimiento de metal pulverizado se puede aplicar a temperaturas más bajas que las imprimaciones convencionales. Mientras que muchos cebadores convencionales no se pueden aplicar con éxito cuando la temperatura del acero o del aire está por debajo de 50 ° F (10 ° C), la especificación de metalización preparada por ConnDOT para su proyecto actual de metalización no tiene una restricción de temperatura, siempre que se cumplan las restricciones de humedad. A diferencia de los recubrimientos convencionales, los recubrimientos metalizados se curan instantáneamente, eliminando así los retrasos entre las capas de recubrimiento.

Por lo general, una pasada de la pistola de metalización aplica aproximadamente 0.05 a 0.07 mm (2 a 3 milésimas de pulgada) del recubrimiento, lo que hace que sean necesarias aproximadamente 3 pasadas para cumplir con el espesor de película seca requerida de ConnDOT de 0.15 a 0.20 mm (6-8 milésimas de pulgada). Estas pasadas deben realizarse en ángulos rectos entre sí para maximizar la densidad y uniformidad del recubrimiento terminado, que debe tener una densidad del 85-95 por ciento de la densidad de la aleación del alambre. El recubrimiento metalizado tendrá una larga vida útil si se deja al descubierto. Sin embargo, la aplicación de selladores líquidos y capas superiores prolonga la vida útil y reduce el requisito de grosor de la imprimación metalizada.

Sistema de revestimiento especificado

Las dos formas principales de protección provistas por los sistemas de recubrimiento a base de zinc son la barrera y la protección galvánica. En general, la protección de la barrera prevalece y la protección galvánica se hace cargo de la penetración de la barrera debido al daño o envejecimiento del revestimiento. Los imprimadores efectivos proporcionan ambos tipos de protección, mientras que las capas superiores se usan principalmente como barreras contra el medio ambiente.

El sistema metalizado utilizado por ConnDOT para el proyecto patrocinado por la FHWA y para su proyecto actual de metalización contiene tres partes. La imprimación metalizadora es 85 por ciento de zinc y 15 por ciento de aluminio. La capa intermedia, o sellador, llena los poros en la metalización, lo que reduce significativamente la permeabilidad y el consumo electroquímico de la imprimación. El sellador utilizado en las instalaciones de FHWA era un epoxi de poliamida. Para el proyecto actual, se ha especificado una amido-amina epoxi de alto contenido de sólidos. ConnDOT hizo este cambio para reducir el nivel de VOC (Compuestos orgánicos volátiles) en el material sellador.

La capa superior para el sistema es un uretano alifático de alto espesor, destinado a proporcionar resistencia a la abrasión y la degradación ultravioleta. Además de extender la vida útil del sistema en general, la capa superior agrega color y calidad estética al puente. Al igual que con los sistemas de pintura convencionales, se debe tener cuidado para garantizar que todos los materiales sean compatibles.

Credenciales del Contratista

La mano de obra de calidad es esencial para el éxito de una aplicación de metalización. Para fomentar la calidad en el campo, ConnDOT requiere un proceso de calificación de dos partespara los aplicadores de la metalización. La primera parte de la especificación corresponde a la compañía que llevará a cabo y supervisará el trabajo. Está redactado de la siguiente manera: “El Contratista deberá mostrar evidencia de haber aplicado metalización con éxito en el acero por un período mínimo de 3 años antes del contrato”. La lista de proyectos terminados de un contratista, incluido el nombre de un propietario o una persona de contacto, suele ser suficiente como prueba de esta experiencia.

El otro requisito de calificación está dirigido a los operadores reales del equipo de metalización. Se especifica de la siguiente manera: “El Contratista presentará al Ingeniero pruebas que indiquen que los aplicadores de metalización propuestos están completamente calificados en metalización de acuerdo con el Estándar 2138 del Departamento de Defensa (DoD) para realizar el trabajo”. La norma rige el uso de la metalización para aplicaciones de control de corrosión a bordo de buques de superficie naval.

Bajo los términos del estándar DoD, un operador de metalización debe ser probado y certificado antes de trabajar en el proyecto. El proceso de prueba requiere que los aplicadores propuestos preparen muestras de prueba utilizando el procedimiento de metalización aprobado. Las muestras recubiertas se someten luego a un examen visual, una prueba de flexión, una prueba de adhesión y una prueba de forma.

Para pasar el examen visual, el recubrimiento no debe tener ampollas, grietas, virutas sueltas, contaminantes o agujeros. Para la prueba de flexión, la muestra se dobla aproximadamente 180 grados alrededor de una varilla de (13 mm). Si se produce cualquier desunión, deslaminación o agrietamiento grave del recubrimiento, no se pasa la prueba. La prueba de adherencia requiere una carga de tracción directa, que se controla hasta que falla. La adherencia y la resistencia cohesiva del recubrimiento en caso de falla deben exceder un mínimo especificado. La prueba de forma simplemente verifica el espesor del recubrimiento y la capacidad del operador para aplicarlo uniformemente. El espesor de la metalización también se verifica en el campo a lo largo del proyecto.

Una vez que las muestras recubiertas por el aplicador hayan pasado estas pruebas, él o ella puede obtener la certificación. La certificación sigue siendo válida por seis meses. Estos requisitos de certificación están vigentes para el proyecto actual de metalización de ConnDOT. Los requisitos también estaban en vigor para 3 de los 4 puentes en el estudio patrocinado por la FHWA.

Además de las calificaciones de metalización DoD, los contratistas deben cumplir con los requisitos de certificación para proyectos de pintura estándar. Los contratistas que realizan la remoción de pintura con plomo, la contención y la preparación de la superficie deben estar certificados por SSPC conforme a su Programa de certificación de contratistas de pintura (PCCP) a SSPC-QP 1 y QP 2. Los contratistas o subcontratistas que aplican el sellador o los materiales de la capa superior deben estar certificados por SSPC- QP 1.

Costos de la Metalización

Al igual que con las decisiones de ingeniería, el costo es una consideración primordial al determinar estrategias para la protección contra la corrosión. El objetivo principal en la selección de sistemas de revestimiento es minimizar el costo total durante la vida útil de la estructura. Además del gasto inicial, el costo total durante la vida útil de la estructura incluye costos de mantenimiento futuro y “pérdida de uso”. Estos dos elementos tienen un impacto significativo en el costo total y no deben pasarse por alto.
Los altos costos de aplicación han sido el principal factor disuasivo para el uso generalizado de la metalización en puentes. Cuando se cubrieron los cuatro puentes en el estudio patrocinado por la FHWA, el costo de instalar el sistema sellado y con revestimiento superior promedió $ 49.20 / metro cuadrado. El precio unitario se incrementó un poco por las pequeñas áreas de superficie involucradas. Además, los precios del proyecto patrocinado por la FHWA no reflejan las mejoras en los equipos de rociado mencionados anteriormente en el artículo. Debido a estas circunstancias, los datos de costos del proyecto actual de metalización de ConnDOT son más precisos para las aplicaciones típicas de metalización. Los datos de costos se enumeran en la Tabla 1 (disponible bajo pedido).

Vida útil de los recubrimientos metalizados

El principal beneficio de un recubrimiento metalizado es su vida útil esperada. Este beneficio generalmente compensa el alto costo inicial asociado con la metalización. Sin embargo, las variaciones en la corrosividad de los entornos locales hacen que sea difícil generalizar acerca de la vida útil prevista de un sistema de revestimiento. Además, la falla localizada del recubrimiento en partes de un puente puede o no constituir una falla en toda la instalación. Estas circunstancias hacen que sea necesario considerar los rangos de la vida útil y utilizar el criterio de ingeniería para hacer predicciones para estructuras individuales.

Se prevé que la vida útil sin mantenimiento de un recubrimiento metalizado sin aleación de zinc y aluminio en un puente típico sea de 25 a 40 años. El uso de un sellador y una capa superior sobre la imprimación metalizada prolonga la vida útil de 15 a 20 años. Estas predicciones suponen que todos los procedimientos de aplicación de revestimiento y preparación de superficies se realizan de acuerdo con las especificaciones recomendadas por la industria. Los rangos corresponden a las condiciones de exposición del puente que son típicas en ambientes marinos e industriales y en ambientes con exposición a sales provenientes de deshielo.

La vida útil prevista para los sistemas de recubrimiento metalizado es más larga que la vida útil prevista para los sistemas de pintura convencionales. La razón principal de esta diferencia es la protección galvánica superior ofrecida por la imprimación de metal puro. En particular, la protección catódica del acero es necesaria en áreas donde se puede dañar la capa superior y en áreas confinadas donde se retiene la humedad. En los puentes, las fallas tempranas generalmente ocurren bajo juntas de expansión con fugas, en ubicaciones de rodamientos y en conexiones. La capacidad de la metalización para proteger galvánicamente las ubicaciones dañadas y anódicas retrasa el progreso de la corrosión y, por lo tanto, prolonga la vida útil.

Los recubrimientos aplicados a los cuatro puentes en el proyecto patrocinado por la FHWA tienen ahora entre 4 y 8 años. Hasta la fecha, los resultados de la evaluación no muestran signos de deterioro o falla del revestimiento en ninguna de las secciones metalizadas. La más antigua de las cuatro secciones metalizadas se recubrió en 1987. Toda la sección permanece en excelentes condiciones, incluidas las áreas de apoyo, que se corroían ampliamente antes de que comenzara el proyecto. Aunque deben transcurrir muchos años antes de que se logre la vida útil esperada de estos recubrimientos, las primeras observaciones respaldan la evidencia de la larga vida útil observada en otras industrias.

Tabla 3

Precio de la oferta para la eliminación de escombros resultantes de la preparación de la
superficie en 1994
Clasificación de residuos Unidad de medida Cantidad Precio unitario estimado Precio de oferta
Precio total
Barril peligroso de 55 galones (bbl) 24 barriles $ 800.00 $ 19,200.00
Yarda cúbica contaminada (cy) 8 cy $ 1.00 $ 8.00
Costo Total de Disposición $ 19,208.00
cinco puentes en total

62,950 pies cuadrados Costo total de eliminación por pie cuadrado: $ .031
5,855 metros cuadrados Costo total de eliminación por metro cuadrado: $ 3.28

Aplicaciones apropiadas para la metalización.

Se deben considerar muchos factores al desarrollar una estrategia de mantenimiento de revestimiento para un puente en particular. Primero, los propietarios deben determinar que el uso continuo del acero estructural existente es deseable. En algunos casos, se ha encontrado que las deficiencias estructurales o funcionales graves en los componentes del puente han favorecido la sustitución total del acero estructural, en lugar de la eliminación de su pintura a base de plomo. Los factores determinantes en estas decisiones suelen ser la condición física del puente y su capacidad para soportar el tráfico. Si la cubierta, el acero estructural y los elementos de la subestructura son nuevos, están rehabilitados o se encuentran en excelentes condiciones, entonces el recubrimiento del acero existente generalmente se favorece a removerlo y reemplazarlo.

Una vez que un propietario establezca que el acero existente se mantendrá, se debe analizar la condición del recubrimiento actual. En muchos casos, la pintura existente está en mal estado, con una fuerza de adherencia baja, y necesita ser removida. Cuando este es el caso, el siguiente paso es elegir un nuevo sistema de recubrimiento. La necesidad de futuros trabajos de revestimiento se reducirá al mínimo si la vida útil del nuevo sistema coincide con la vida de diseño restante del puente. El uso de la metalización es favorable cuando la plataforma del puente y otros componentes están en excelentes condiciones y solo se prevén reparaciones menores en el futuro cercano. Un beneficio único de la metalización es que su vida útil esperada corresponde bien a las vidas de diseño típicas de componentes estructurales nuevos o recientemente rehabilitados.

Otras circunstancias que favorecen la metalización sobre los sistemas de pintura convencionales son los ambientes corrosivos y los altos costos anticipados para el futuro mantenimiento del revestimiento. Como se mencionó anteriormente, los recubrimientos metalizados han demostrado ser duraderos cuando se exponen a ambientes agresivos de sal y en ambientes industriales. Se pueden esperar altos costos para el mantenimiento futuro en áreas de tráfico congestionado donde los cierres de carriles crean costosos retrasos en el tráfico. La dificultad para acceder al puente, debido a su altura o ubicación, también aumenta el costo del mantenimiento de rutina requerido por un sistema de revestimiento menos duradero.

Conclusiones

Si bien el uso de la metalización como revestimiento protector para el acero está bien establecido, su uso por parte de las agencias de transporte es algo limitado. La razón principal ha sido el alto costo de aplicación en comparación con los sistemas de pintura convencionales.

Sin embargo, en los últimos años, los desarrollos en la industria del revestimiento de puentes han hecho que la metalización en campo sea una alternativa más viable. La nueva tecnología ha hecho que el proceso sea más eficiente para aplicaciones de campo. El aumento de los costos de la eliminación de la pintura con plomo, el control del tráfico y la mano de obra hanfavorecido el uso de materiales de bajo mantenimiento con una larga vida útil. Además, cada vez es más deseable adaptar la vida útil de un nuevo sistema de revestimiento a la vida de diseño general del puente para minimizar la necesidad de un futuro mantenimiento del revestimiento. Basado en la investigación y las evaluaciones de ConnDOT en el campo, la metalización ha demostrado ser un sistema de revestimiento superior para puentes en entornos altamente corrosivos.


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