5. REVISIÓN LITERARIA 5.1. Antecedentes. 5.1.1. Antecedentes Internacionales. A. Propuestas metodologías para la caracterización de testigos de presas con problemas expansivos, intensificación: Patologías de Estructuras; Catalunya, España, Junio - 2012. (3) Tesis para obtener el título de Master. El objetivo de la presente pr esente Tesis final de Master es confirmar los diagnósticos previos para determinar las reacciones que efectivamente contribuyen el proceso expansivo en el hormigón de la presa de Graus, y así a sí desarrollar desarrolla r un protocolo que sirva como procedimiento sistemático para las campañas experimentales de caracterización de presas con patologías de hormigón expansivo. Como resultados de las muestras tenemos en general que varían muy aleatoriamente el tamaño de los áridos y las forma de esto son totalmente irregulares en cuanto a la forma, se puede apreciar áridos de menor escala, el color en general varía entre gris claro y un gris oscuro presentando manchas de óxido dentro de los áridos en casi todos los segmentos, indicando vetas de metales oxidados en los propios áridos. La presencia de fisuras en general se puede decir que se encuentra afectado por fisuraciones, pero algunas algunas de las fisuras que se pueden observar observar poseen un precipitado de color blanco, indicando una posible reacción re acción álcali-sílice. Concluyó, que los ensayos han permitido identificar la pre-existencia de las reacciones y también la tendencia en que ocurren en la misma estructura, con intensidades distintas en función de la zona afectada.
B. Tesis: uso de polímeros en la reducción re ducción de patologías de origen químico en estructuras de concreto, universidad católica de Colombia (4)
El objetivo de la tesis se centra en investigar el uso de polímeros enestructuras de concreto basados en documentos de investigación realizados enColombia. Recopila y analiza información sobre el uso de polímeros sintéticos y orgánicos para reducir las patologías que se presentan en diferentes estructuras en Colombia. Esta investigación busca establecer las propiedades de los polímeros que contribuyan a combatir las patologías y mejorar la vida útil de las estructuras. Dentro de los resultados obtenidos, tenemos que destacar que los concretos mejorados con polímeros brindan una mejor resistencia a los agentes químicos y atmosféricos, fundamentalmente si tienen que ver con la durabilidad de los elementos estructurales, presentan una mejor resistencia a los agentes corrosivos ácidos. Si bien es cierto que estos resultados a nivel experimental dan cuenta de un envejecimiento prematuro del concreto, sus aplicaciones son muy recientes y falta ver su desenvolvimiento a través del tiempo. Los efectos de la radiación solar son muy perjudiciales para los polímeros, por lo cual se recomienda adicionar materiales antioxidantes.
5.1.2. Antecedentes Nacionales. A. Determinación y evaluación de las patologías del concreto del canal de regadío Carlos Leigh, desde el tramo 32+000 hasta 33+000, distrito de Nuevo Chimbote, provincia del Santa, departamento de Ancash, Junio – 2015. (5) Tesis para obtener título. El objetivo general de esta investigación es: determinar y evaluar los tipos de las patologías encontradas y el estado en que se encuentra el canal de concreto de regadío Carlos Leigh, distrito de Chimbote, provincia del Santa, departamento de Ancash, a partir de la determinación y evaluación de las patologías del mismo.
Como resultado total de la investigación es: se realizó 25 muestras con un porcentaje de 65.30 % sin daños y 34.70% con daños moderados. Área total 2,000 m2, área afectada 694.02 m2, área sin daños 1,305.99 m2. La falla con mayor incidencia en total la muestra es, erosión con 15,95% y con área de 319.07m2. La falla con menor incidencia en tota la progresía a investigación es, hundimiento con un 0.654% área de13.02 m2. La conclusión de dicha investigación es que el nivel de seriedad de las patologías encontradas es: nivel de severidad 1(leve) el 5%, nivel de severidad 2 (moderado) el 62% y el nivel de severidad 3 (severo) el 34%. El actual estado de la construcción del canal se encuentra en condiciones de nivel patológico moderado, sirviendo para su mejoramiento.
B. Determinación y evaluación de las patologías del concreto en el canal de regadío, entre las progresivas 0+000 – 1+000 del distrito de culebras, provincia de Huarmey, departamento de Ancash – Febrero 2015. (6) Tesis para obtener el título. El objetivo general de esta investigación es: La determinación y evaluación de las patologías del concreto en el canal de regadío, entre las progresivas 0+000 – 1+000 del distrito de Culebra, Provincia de Huarmey, departamento de Ancash, a partir de la determinación y evaluación de las patologías del mismo. Como resultado de esta investigación es: se realizó 6 muestras con resultados sin daño de 59.15% y un 40.85% de nivel de severidad de 2, severidad moderado. Las lesiones más frecuentes en el total de las muestras son: Erosión, con 61.29% de porcentaje. Descascaramiento 16.55%, desintegración 11.28%. La conclusión de dicha investigación nos indica que ha sufrido erosión con severidad nivel 2 y las causas probables son los sedimentos que arrastra el canal debido al medio ambiente que lo rodea (vientos, temperatura, vehículos) ya que la captación es de agua subterránea y sale limpia de sedimentos.
5.1.3. Antecedentes Locales. A. Determinación y evaluación de las patologías del concreto en el canal de irrigación Huapish en la comunidad de Vicos, entre las progresivas 0+000 – 0+817 del distrito de Marcará, provincia de Carhuaz, departamento de Ancash – Diciembre 2015. (7) Tesis para optar el título. El objetivo general: Determinación y evaluación de las patologías del concreto en el canal de irrigación Huapish en la comunidad de Vicos, entre las progresivas 0+000 – 0+817 del distrito de Marcará, provincia de Carhuaz, departamento de Ancash, a partir de la determinación y evaluación de las patologías del mismo. Como resultado de 14 muestras el porcentaje de daños al concreto es 20.24% correspondiendo a un nivel 2 y de severidad moderado. Las patologías más frecuentes o de mayor incidencia en las muestras son Erosión con un porcentaje de 23.97%. La Conclusión de dicha investigación por el mal procedimiento constructivo se determina un 19.51% severidad leve, 48.79% severidad moderado, 31.70% severidad severo, con el deterioro paulatino con el pasar del tiempo relacionado a la edad del concreto del canal Huapish.
B. Determinación y Evaluación de las patologías del concreto en el canal de regadío, entre las progresivas9+000 – 10+000 del Distrito de Cabana, Provincia de Pallasca, Departamento de Ancash - Febrero 2015. (8) Tesis para optar el título. El objetivo general: Determinación y evaluación de las patologías del concreto en el canal de regadío, entre las progresivas 9+000 - 10+000 del distrito de Cabana, provincia de Pallasca, departamento de Áncash, a partir de la determinación y evaluación de las patologías del mismo. Como resultado de 12 muestras el porcentaje de daños al concreto es 50.43% correspondiendo a un nivel 2 y de severidad moderado. Las patologías más frecuentes o de mayor incidencia en las muestras son Erosión con un porcentaje de 34.80%. Este tipo de deterioro del concreto, se localizaron en
casi todas las muestras o tramos inspeccionados. Concluyó de dicha investigación por el mal procedimiento constructivo se determina un 50.5% severidad leve, 42.4% severidad moderado, 8.1% severidad severo.
5.2. Bases Teóricas de la Investigación. 5.2.1. Estructuras hidráulicas Las estructuras hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad. (9)
5.2.2. Canal de Irrigación: Los canales de irrigación son las estructuras básicas para conducir el agua de riego hacia los puntos de entrega en las parcelas, lotes o chacras. Los canales pueden utilizarse también para la remoción de los excesos hídricos. (10)
Elementos de un canal: (10) A) Corona del canal o camino (C): Lugar por donde se desplaza la gente para efectuar las faenas de limpieza del canal. Debe tener el ancho necesario de tal forma que brinde seguridad para realizar las labores de limpieza (recomendado 0.60 m). B) Sobreancho (C’): constituido por el espacio cercano al talud del canal, cumple la función de evitar que rocas y deslizamientos caigan directamente al canal, especialmente en temporada de lluvias. C) Espejo de agua (T): Es longitud superficial del agua, llamado también base mayor del canal. D) Solera del canal (b): Llamada también fondo o base del canal, es uno de los elementos importantes en el diseño de las dimensiones.
E) Tirante de agua (y): Es la altura del canal desde el fondo (b) hasta el espejo de agua (T). F) Borde libre (t): Es la distancia vertical que hay entre el nivel normal del agua al extremo superior de las paredes del canal. Su objetivo es evitar que el canal rebose cuando ingrese mayor cantidad de agua que la proyectada. El borde libre es normalmente un tercio del tirante de agua o 0.15 m, se escoge cifras mayores por seguridad. G) Altura del canal (H): Es la suma del tirante (y) y el borde libre (bl). H) Ángulo de inclinación (∅): Es el ángulo que las paredes del canal hacen con la horizontal, se presenta en los canales trapezoidales. I) Perímetro mojado (P): Longitud en que la sección transversal moja el fondo y paredes del canal. J) Radio hidráulico (R = A/P): Cantidad que describe la eficiencia del canal. Si el canal tiene una gran área de sección transversal y un perímetro mojado relativamente pequeño, entonces con un borde libre normal esto implica que es eficiente y que el agua tendrá la velocidad requerida con una pérdida relevante pequeña. El perfil más eficiente es un semicírculo. FIGURA l. Elementos de un canal
Fuente: "Obras Civiles" Rojas Flores, Amancio R.
5.2.3. Durabilidad: La durabilidad de una estructura de concreto o sea “su variación en el tiempo sin modificaciones esenciales en su comportamiento” es definida por el Comité 201 del American Concrete Institu te (ACI) como “la habilidad del concreto para resistir la acción del intemperismo, ataques químicos, abrasión, o cualquier otro tipo de deterioro”. Algunos investigadores prefieren decir que “es aquella propiedad del concreto endurecido que define la capacidad de éste
para resistir la acción del medio ambiente que lo rodea; los ataques, ya sea químicos, físicos o biológicos, a los cuales puede estar expuesto; los efectos de la abrasión, la acción del fuego y las radiaciones: la acción de la corrosión y/o cualquier otro proceso de deterioro”. (11)
Otros investigadores se inclinan a definir la durabilidad de una estructura como ”la capacidad del concreto para soportar, durante la vida útil para la que
ha sido proyectado, las condiciones físicas y químicas a las que estará expuesto, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural, siempre que las acciones del medio ambiente y las condiciones de exposición se consideren como factores de diseño y construcción de las estructuras”. (11)
5.2.4. Patología de estructuras de concreto. La Patología del Concreto se define como el estudio sistemático de los procesos y características de las “enfermedades” o los “defectos y daños” que
puede sufrir el concreto, sus causas, sus consecuencias y remedios. Es decir es aquella parte de la Durabilidad que se refiere a los signos, causas posibles y diagnóstico del deterioro que experimentan las estructuras del concreto. (11) El concreto puede sufrir, durante su vida, defectos o daños que alteran su estructura interna y comportamiento. Algunos pueden ser congénitos por estar presentes desde su concepción y/o construcción; otros pueden haberlo atacado durante alguna etapa de su vida útil; y otros pueden ser consecuencia de
accidentes. Los síntomas que indican que se está produciendo daño en la estructura incluyen manchas, cambios de color, hinchamientos, fisuras, pérdidas de masa u otros. Para determinar sus causas es necesaria una investigación en la estructura, la cual incluye: (11)
Conocimiento previo, antecedentes e historial de la estructura, incluyendo cargas de diseño, el microclima que la rodea, el diseño de ésta, la vida útil estimada, el proceso constructivo, las condiciones actuales, el uso que recibe, la cronología de daños, etc.
Inspección visual que permita apreciar las condiciones reales de la estructura.
Auscultación de los elementos afectados, ya sea mediante mediciones de campo o pruebas no destructivas.
Verificación de aspectos de la mezcla de concreto que pueden ser importantes en el diagnóstico, tales como la consistencia empleada; tamaño máximo real del agregado grueso empleado; contenido de aire; proceso de elaboración de los especímenes; procedimiento de determinación de las resistencias en compresión, flexión y tracción; verificación de características especiales o adicionales, según requerimientos.
Conocimiento del diseño y cálculo de la estructura; los materiales empleados; las prácticas constructivas; y los procedimientos de protección y curado; los cuales son factores determinantes del comportamiento de la estructura en el tiempo
Conocimiento del tipo, cantidad y magnitud de los procesos de degradación de las armaduras de refuerzo, los cuales determinan, a través del tiempo, la resistencia, rigidez y permeabilidad de la estructura; recordando que sus condiciones superficiales influyen, y todo ello se refleja en su seguridad, funcionalidad, hermeticidad y apariencia; en suma en su comportamiento y vulnerabilidad.
Verificación que el acero de refuerzo cumpla con la resistencia requerida por el Ingeniero Estructural de acuerdo con las especificaciones indicadas en los planos y memoria de cálculo de las estructuras. Correspondiendo al Ingeniero Constructor y a la Supervisión comprobar que se cumplan las Normas ASTM correspondientes.
5.2.5. Deterioro del concreto Las causas últimas de los daños y deterioros en el concreto son numerosas y de variados orígenes, químicos y físicos, incluyendo otras causas como errores de diseño, mala ejecución durante la construcción o efectos del envejecimiento. Progresiva disminución de la vida útil de la infraestructura, puede manifestarse de diferentes formas: fisuras en el concreto, despegue de la protección del acero, disgregación del concreto, corrosión del acero. (12)
5.2.6. Factores que afectan el proceso de deterioro. El deterioro del concreto se puede ver adicionalmente afectado por el efecto de tres factores: la humedad, la temperatura, y la presión. El factor principal es la humedad en el concreto y no en la atmósfera circundante, aunque ésta última contribuye con los fenómenos de deterioro en la medida que se presentan ciclos de humedecimiento y secado en el concreto. El efecto de la temperatura es muy importante por cuanto ella incide en la velocidad con la cual pueden ocurrir los fenómenos de deterioro en el concreto. Las reacciones químicas se aceleran con el aumento de la temperatura, considerándose que un aumento de la temperatura de 10°C dobla la velocidad de la reacción. Los climas tropicales se consideran más agresivos que otros. La presión atmosférica y el régimen de vientos tienen incidencia sobre la durabilidad al contribuir al deterioro debido a la erosión de partículas arrastradas por el viento; que pueden promover los ciclos de humedecimiento y secado; o afectar los ciclos de enfriamiento y calentamiento de la superficie de la tierra. La acción de la presión del medio (líquido, sólido, o gaseoso) en
estructuras sumergidas en el suelo o agua puede ser muy importante por cuanto se promueve la penetración de elementos que pueden percolar el concreto. (11)
5.2.7. Agentes patológicos del concreto a) Agentes químicos Se produce este fenómeno por ataques químicos de diversos medios agresivos: gases atmosféricos, aguas, compuestos orgánicos; la exposición del concreto en contacto con agua, se tiene como agentes agresivos: amonio, magnesio, sulfato, cloruros, carbonatos, entre otros. (11)
- Sulfatos. Las sales de sulfatos, en su ataque al cemento del concreto, dan lugar a componentes
fuertemente
expansivos
que
te1minan
destruyéndolo
totalmente. La desagregación del concreto se inicia en la superficie con un cambio de coloración seguido de la aparición de fisuras entrecruzadas cuyo espesor va aumentando a la vez que se va produciendo una delaminación del concreto superficial con curvado de las capas más externas del mismo como consecuencia de las tensiones que produce la expansión de los productos producidos.
- Amonio Causa una desintegración lenta del concreto.
- Magnesio Causa una desintegración lenta del concreto.
- Carbonatación. Es un tipo de reacción ácida, de excepcional importancia en la durabilidad del concreto. La carbonatación es el proceso por el cual el concreto de
recubrimiento pierde la alcalinidad que mantiene protegida la armadura. Se produce avanzando desde el exterior.
b) Agentes físicos (11) - pH. El bajo nivel del pH en el agua, afecta la durabilidad del concreto - Sólidos disueltos. Los sólidos disueltos en movimiento ocasionan la erosión en las paredes del canal, causando el deterioro.
- Humedad relativa. El medio ambiente que rodea a la estructura de concreto tiene una incidencia directa sobre los procesos de deterioro, se define como ambiente severo a aquellos ambientes húmedos con hielo de agua dulce y agentes de deshielo, ambientes marinos o con macroclima industrial y humedad relativa entre el 60% y el 98%.
- Velocidad del flujo. Un flujo de agua excesivamente rápido erosionará las paredes de un canal, mientras que velocidades demasiado bajas permiten el depósito de sedimento, el desarrollo de vegetación y su obstrucción. Velocidades permisibles. La velocidad en los canales revestidos no deberá ser menor de 60cm/s, la velocidad máxima no deberá ser mayor del 80% de la velocidad crítica de la sección, ni de los valores que se presentan en la Tabla 1 para distintos materiales de revestimiento. (13)
TABLA l. Velocidades máximas permisibles en canales revestidos. Tipo y resistencia de revestimiento
Velocidad máxima(m/s)
Mampostería de tabique
1.4
Concreto 210 kg/cm2
7.4
Concreto 170 kg/cm2
6.6
Concreto 130 kg/cm2
5.8
Concreto 110 kg/cm2
4.4
Concreto 90 kg/cm2
2.8
Fuente: BUREAU OF RECLAMATION: "Normas técnicas complementarias para el diseño y ejecución de obras e instalacione s hidráulicas.
c) Ángulo de reposo del talud en función del canal. Los taludes se definen como la relación de la proyección horizontal a la vertical de la inclinación de las paredes laterales. La inclinación de las paredes laterales depende e-n cada caso particular de varios factores, pero muy particularmente de la clase de terreno en donde están alojados. Mientras más inestable sea el material, menor será el ángulo de inclinación de los taludes.
d) Daño estructural - Cambios de temperatura Cuando el concreto se calienta aumenta de volumen y conforme se enfría tiende a recuperar su volumen original. Si la estructura no tiene restricciones para cambiar de volumen, no se generan esfuerzos en el concreto; sin embargo, esto casi nunca sucede, por lo que durante el enfriamiento y la contracción consecuente tienden a producirse esfuerzos de tensión que, al exceder la resistencia del concreto, lo agrietan. (14)
e) Inspección visual
Permite apreciar las condiciones reales de la estructura. Es de suma importancia ya que debido a ello se puede evaluar, evitar posibles accidentes debido a una falla que se presente en el elemento. (14) Erosiones.
(14)
La erosión del concreto, que es uno de los deterioros más frecuentes, se manifiesta por la pérdida de una capa superficial de configuración, espesor y extensión variables. Las acciones más comunes que pueden causarla son: Por abrasión hidráulica.
Desgaste generalizado en la superficie de concreto de estructuras en contacto con el flujo de agua que arrastra sólidos. Pueden manifestarse zonas en que el desgaste es mayor por el efecto de los grandes fragmentos arrastrados por el agua o por deficiencias en la calidad del concreto en lugares específicos. Por cavitación.
El fenómeno de cavitación ataca a la superficie del concreto expuestas al flujo de agua con muy alta velocidad en forma de picaduras. El daño se origina por el colapso de las burbujas de vapor ocasionado por lo cambios de presión y de velocidad del flujo de agua. Una vez iniciado, el daño puede avanzar con gran rapidez hasta afectar todo el espesor del concreto en grandes zonas. Por ataque químico.
La extensión del daño varía de acuerdo con la agresividad de la sustancia, pero se manifiesta la tendencia al deterioro progresivo de todo el espesor del concreto si persiste el ataque por la desintegración paulatina de la matriz cementante. Fisuración:
Rotura en la masa de concreto que se manifiesta exteriormente con un desarrollo lineal. (13) Agrietamientos
Cuando la fisura atraviesa de lado a lado el espesor de una pieza, se convierte en grieta. Roturas que se producen debidos a que se generan esfuerzo (generalmente de tensión) superiores a los que el concreto puede resistir. Por ejemplo: movimientos diferenciales de la estructura por asentamientos o hundimientos en el terreno, diseño estructural inadecuado (indefinición de juntas), entre otros. (14) Presencia de agentes biológicos.
En superficies húmedas de concreto, es probable que se alojen cultivos biológicos, en particular algas, que afectan el aspecto estético del concreto. (14) Mantenimiento
El mantenimiento es un aspecto muy importante en el tema de concreto, la base de todas las acciones de conservación que pueden afectar de manera considerable al concreto. Es decir consiste en la aplicación de medidas destinadas a protegerlo contra el deterioro prematuro debido al envejecimiento, agentes agresivos o acciones que causen su deterioro. (14)
5.2.8. Rangos para la evaluación de la incidencia del concreto en contacto con el agua. TABLA 2. Valores límites de sustancias agresivas en aguas de contacto con el concreto. Grado de ataque
Sulfatos solubles ( SO24 ) Mg/litro
Magnesio (Mg2+)
pH
Moderado
150 a 1500
Mg/litro 300 a 1000
Fuerte
1500 a 10000
1000 a 3000
Muy fuerte
Mayor de 10000 Mayor de 3000 Menor de 4.5
Fuente: reglamento CIRSOC 201 (2012)
Amonio (NH4)
6.5 a 5.5
Mg/litro 15 a 30
5.5 a 4.5
30 a 60 Mayor de 60
TABLA 3. Clasificación de la agresividad del medio ambiente (por ataque químico), en función de las condiciones de exposición del concreto en contacto con el agua.
Agente Agresivo
Agresion Ligera
Moderada
Severa
Muy severa
Valor del PH
6.5-5.5
5.5-4.5
4.5-4
Menor 4.0
Ión amonio (mg/1)
15-30
30-60
60-100
Mayor 100
Ión magnesio (mg/1)
100-300
300-1500
1500-3000
Mayor3000
Ión sulfato (mg/1)
200-600
600 -3000
3000-6000
Mayor6000
Sólidos disueltos
75-150
50-75
Menor 50
Menor 50
Fuente: Comisión IV, grupo español de hormigón, dlU"abilidad de estructuras de hormigón (según recomendaciones de Cembureau).
TABLA 5. Efecto de la humedad relativa sobre la durabilidad del concreto y de las armaduras.
Humedad relativa efectiva
Mecanismos de daño en el concreto Carbonatacio n
Ataque quimico
Corrosion
de la armadura Carbonatado Con cloruros Minimo Minimo Minimo
Muy baja
˂ 45%
Ligero
Baja
45 – 65%
Alto
Minimo
Ligero
Ligero
Media
65 – 85%
Medio
Minimo
Alto
Alto
Alta
85 – 98%
Ligero
Ligero
Medio
Alto
Saturacion
˃ 98%
Insignificante
Alto
Ligero
Ligero
Fuente: Comisión IV, grupo español de hormigón, durabilidad de estructuras
de hormigón.
6. METODOLOGÍA. 6.1. Tipo de investigación Descriptivo y No experimental
6.1.1. Nivel de la investigación de la tesis En general el estudio será del tipo descriptivo, no experimental y de corte transversal Diciembre 2017.
6.2. Diseño de la Investigación. Para el presente estudio; la evaluación será del tipo visual descriptiva y personalizada. El procesamiento de la información se efectuará de forma manual no se hará uso de ningún software. La metodología a utilizar para el desarrollo adecuado del proyecto con fin de dar cumplimiento a los objetivos planteados es: Recopilación de antecedentes preliminares; en esta etapa se realizará la búsqueda, ordenamiento, análisis y validación de los datos existentes y de toda la información necesaria que ayude a cumplir con los objetivos del presente proyecto. Para la determinación de las muestras se tomara todos los paños que conforman entre las progresivas 0+000 y 1+000 del canal de riego del barrio de Puncu, en el distrito de Jangas, provincia de Huaraz, región Ancash. Este diseño se gráfica de la siguiente manera: → ó → á → ó
6.4. Definición y operacionalización de variables CUADRO DE OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES 6.5. Técnicas e Instrumentos de recolección de datos Se utilizara la Evaluación Visual y toma de datos a través de ficha técnica como instrumento de recolección de datos en la muestra según el muestreo establecido. La evaluación de la condición incluyo los siguientes aspectos: Equipo:
Wincha metálica de 5 metros y 50 metros de lona para medir área y longitudes en general.
GPS.
Cámara fotográfica digital.
